木粉/UPR復(fù)合材料的制備及力學(xué)性質(zhì)研究

劉文廣 ，李紅媛 ，王戰(zhàn)玲 ，劉 智

（1.哈爾濱化工研究所，黑龍江 哈爾濱 150020；2.東北林業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

不飽和聚酯樹脂（UPR）是一種具有比強(qiáng)度高、介電性能好、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)的熱固性工程塑料，被廣泛應(yīng)用于建筑、交通、電氣、航空等領(lǐng)域[1，2]。但由于UPR存在韌性差，質(zhì)脆的缺點(diǎn)，限制了其應(yīng)用范圍，所以科研工作者們開展了大量的關(guān)于不飽和聚酯改性方面的研究工作。目前，應(yīng)用比較多的改性填料有纖維[3]、晶須[4]、無機(jī)填料[5]、共混聚合物[6]等。木粉主要來源于木材加工剩余物，密度小，可再生，價(jià)格低廉，已經(jīng)成為木塑復(fù)合材料常用的添加物。國外對于木粉增強(qiáng)UPR復(fù)合材料的研究比較早[7，8]，而國內(nèi)對于此類研究還鮮有報(bào)道。

本文制備了木粉/UPR復(fù)合材料，考察了木粉表面處理方法對復(fù)合材料界面性能的影響，研究了木粉粒徑及添加量對復(fù)合材料加工條件、力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑及原料

191#UPR（工業(yè)級 常州市武進(jìn)南方合成材料廠）；過氧化甲乙酮（工業(yè)級 天津大港化工三廠）；異辛酸鈷（工業(yè)級 天津大港化工三廠）；BYK-A500消泡劑（工業(yè)級 德國畢克化學(xué)公司）；乙烯基三乙氧基硅烷（工業(yè)級 哈爾濱化工研究所）；落葉松木屑（廢棄物 哈爾濱市木材加工廠）。

1.2 儀器設(shè)備

RT-34研磨式粉碎機(jī)（北京鑫環(huán)亞科技有限公司）；標(biāo)準(zhǔn)篩框（浙江省上虞縣紗篩廠）；RGM-X020電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)（深圳市瑞格爾儀器有限公司）；XJC-25D沖擊試驗(yàn)機(jī)（承德精密試驗(yàn)機(jī)廠）。

1.3 木粉/UPR復(fù)合材料的制備

用研磨式粉碎機(jī)將落葉松木屑粉碎，收集通過40、60、80目標(biāo)準(zhǔn)篩框分離的粉末；將木粉用硅烷偶聯(lián)劑的乙醇溶液浸泡2h，抽濾，產(chǎn)品在60℃下真空干燥8h,經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑改性的木粉記為MW,未經(jīng)過表面處理的木粉記為UW，用數(shù)字表示木粉的目數(shù)。

稱取UPR及一定比例的過氧化甲乙酮和BYK-A500攪拌均勻，再加入一定質(zhì)量的木粉，混合均勻后滴加異辛酸鈷快速攪拌，將復(fù)合物澆注于模具中，固化后脫模。

1.4 測試與表征

1.4.1 凝膠時(shí)間的測定 根據(jù)GB/T7193-2008不飽和聚酯樹脂試驗(yàn)方法中25℃凝膠時(shí)間的測試方法，將不飽和聚酯、木粉和固化劑在25℃水浴下混合均勻，促進(jìn)劑滴加完畢后攪拌并開始計(jì)時(shí)，直至出現(xiàn)拉絲狀態(tài)時(shí)為止。

1.4.2 力學(xué)性能測試 樣條在23℃下老化30d后，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2567-2008樹脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法，用電子萬能試驗(yàn)機(jī)測定復(fù)合材料的拉伸、彎曲強(qiáng)度；用沖擊試驗(yàn)機(jī)測定材料的沖擊強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面改性對復(fù)合材料性能的影響

分別用MW60和UW60同191#UPR制備了木粉/UPR復(fù)合材料，兩種復(fù)合材料在不同木粉添加量下的凝膠時(shí)間和力學(xué)性能測試結(jié)果列于表1。

表1 表面改性對復(fù)合材料凝膠時(shí)間和力學(xué)性能的影響Tab.1 Effect of surface modifying of woodflour on gel time and mechanical properties of composites

從表1發(fā)現(xiàn)，隨著木粉添加量的增加，木粉增強(qiáng)復(fù)合材料的凝膠時(shí)間增長，這是由于加入填料使樹脂預(yù)聚體粘度增大，助劑分散不均勻，以及填料的稀釋作用使引發(fā)劑、促進(jìn)劑的引發(fā)效率降低，復(fù)合材料的凝膠時(shí)間增長。復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和抗沖強(qiáng)度隨著木粉添加量的增加先提高后降低，當(dāng)MW的添加量相對于復(fù)合材料的質(zhì)量達(dá)20（wt）%或UW添加量為15（wt）%時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大值。這是由于不飽和聚酯是脆性材料，而木粉具有一定的彈性，對基體材料有增韌的效果，當(dāng)復(fù)合材料受應(yīng)力作用時(shí)木粉可以吸收部分能量，提高材料的抗拉抗沖強(qiáng)度。但當(dāng)木粉添加量超過最適比例后，木粉在樹脂中不能均勻分散，團(tuán)聚的木粉間靠范德華力作用相互吸附，粘結(jié)強(qiáng)度小，而且易夾帶氣體，造成復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)缺陷，使材料的強(qiáng)度降低。復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨木粉的添加一直降低，這可能是由于木粉耐壓強(qiáng)度差并且降低了不飽和聚酯的交聯(lián)造成的。

在相同的木粉添加量下，用乙烯基硅烷偶聯(lián)劑對木粉進(jìn)行表面處理后制備的復(fù)合材料的凝膠時(shí)間要比用未處理木粉制備的復(fù)合材料的凝膠時(shí)間略短，可能是由于偶聯(lián)劑改性后木粉表面的極性降低，與樹脂的相容性得到改善，填料和助劑在預(yù)聚體中分散均勻，引發(fā)反應(yīng)效率高，而且偶聯(lián)劑分子上的乙烯基官能團(tuán)參與交聯(lián)反應(yīng)，使復(fù)合材料的凝膠速度加快。改性后木粉與不飽和聚酯樹脂的界面相容性改善，界面間的化學(xué)鍵接力增強(qiáng)，所以MW/UPR復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度高于UW/UPR復(fù)合材料。

2.2 木粉粒徑對復(fù)合材料性能的影響

3種不同粒徑的木粉用硅烷偶聯(lián)劑處理后，與UPR制成復(fù)合材料，3種復(fù)合材料力學(xué)強(qiáng)度的變化趨勢見圖1～3。

圖1是3種MW/UPR復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度變化曲線。

從圖1中可以看出，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度相對于純不飽和聚酯樹脂都有提高，說明3種粒徑的木粉對復(fù)合材料都有增強(qiáng)的作用。在MW添加量小于20（wt）%時(shí)，MW40/UPR 的強(qiáng)度大于 MW60和MW80填充的復(fù)合材料，這可能是由于40目木粉粒徑大，增韌效果明顯；當(dāng)MW添加量大于20（wt）%后，木粉在樹脂中的分散以及和樹脂的浸潤粘接對復(fù)合材料強(qiáng)度的影響起主要作用，所以這時(shí)MW80/UPR的抗拉性能優(yōu)于其它兩種復(fù)合材料。

圖1 MW/UPR復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度與粒徑的關(guān)系Fig.1 Effects of different MW sizes on the tensile strength of MW/UPR composites

MW/UPR復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度曲線見圖2。

圖2 MW/UPR復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度與粒徑的關(guān)系Fig.2 Effects of different MW sizes on the flexural strength of MW/UPR composites

由圖2可知，3種復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨添加量的增加一直下降，MW80/UPR的彎曲強(qiáng)度高于其它兩種復(fù)合材料，這可能是由于MW80粒徑小在樹脂中分散均勻，樣條均一性好，平均承擔(dān)應(yīng)力，所以彎曲強(qiáng)度高。

圖3為MW/UPR復(fù)合材料抗沖強(qiáng)度的變化趨勢。

圖3 MW/UPR復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度與粒徑的關(guān)系Fig.3 Effects of different MW sizes on the impact strength of MW/UPR composites

由圖3可見，當(dāng)木粉添加量小于10（wt）%時(shí)，木粉在樹脂基體中分散良好，40目的木粉體積更大，吸收能量效果更好，所以這時(shí)MW40/UPR復(fù)合材料的抗沖性能好。當(dāng)木粉添加量大于15（wt）%以后，木粉在樹脂中的分散和浸潤變差，界面粘接強(qiáng)度減小，甚至出現(xiàn)界面分層，從而影響復(fù)合材料的抗沖強(qiáng)度，而MW80比其它兩種粒徑較大的木粉在樹脂中的分散性更好，所以MW80/UPR沖擊強(qiáng)度更高。

3 結(jié)論

（1）相對于未改性的木粉，用硅烷偶聯(lián)劑處理的木粉對不飽和聚酯樹脂有更強(qiáng)的增強(qiáng)作用，添加量為20（wt）%的MW/UPR復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度比純UPR提高74.4%，比UW/UPR復(fù)合材料提高52.4%；其抗沖強(qiáng)度比純UPR增加36.1%，比UW/UPR復(fù)合材料增加26.6%；

（2）木粉的粒徑對MW/UPR復(fù)合材料力學(xué)性能的影響較為復(fù)雜，當(dāng)木粉添加量較小時(shí)木粉自身韌性對材料強(qiáng)度影響較大，當(dāng)木粉添加量較大時(shí)木粉與樹脂基體間的界面性質(zhì)起決定作用，復(fù)合材料力學(xué)強(qiáng)度的大小是兩種因素共同作用的結(jié)果。

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