聚丙烯／劍麻纖維木塑復合材料的耐水性能研究

劉 婷，陸紹榮，黃安民

（1．株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲412001；2．桂林理工大學有色金屬材料及其加工新技術教育部重點實驗室，廣西 桂林541004）

0 前言

木塑復合材料是一種將天然木纖維與熱塑性塑料通過一定的加工工藝進行復合而制得的一種新型綠色環(huán)保材料，且兼具有木材與塑料的雙重特性，使兩者優(yōu)勢互補，改進了材料的物理力學性能和加工性能［1－2］。近年來，木塑復合材料的開發(fā)引起了廣泛關注，在建筑和汽車領域的市場前景十分廣闊［3－5］。

SF具有強度大、模量高、耐低溫及耐腐蝕等優(yōu)良特性特點，是木塑復合材料中一種較理想的增強材料。但因SF富含較多羥基，親水性較強，在材料使用過程中，以其制備的復合材料會對周圍的潮濕環(huán)境較敏感，水分的滲入會破壞纖維與樹脂的界面，從而導致材料的力學性能變化［6－7］。本研究制備了PP／SF木塑復合材料，通過對比吸水前后的性能進行了研究。

1 實驗部分

1．1 主要原料

SF，束狀白色長纖，廣西劍麻集團公司；

PP，T30S，粒狀，湖南長盛石化有限公司；

PP－g－MAH、POE－g－MAH，實驗室自制（用化學滴定法測定接枝率）；

輕質(zhì)碳酸鈣，桂林金山化工有限公司；

抗氧劑，SK－1010，山東臨沂三豐化工有限公司。

1．2 主要設備及儀器

開放式塑煉機，SK－160B，上海第一橡膠機械廠；

平板硫化機，QLB－D 400×400×1，上海第一橡膠機械廠；

萬能制樣機，TWZY－24，吉林泰和試驗機有限公司；

擺錘沖擊試驗機，JC－25，承德精密試驗機有限責任公司；

電子萬能試驗機，WDW－20，濟南天辰試驗機制造有限公司；

差示掃描量熱儀（DSC），204，德國耐馳公司；

熱重分析儀（TG），STA－449C，德國 Netzsch公司；

掃描電子顯微鏡（SEM），JSM－6380LV，日本Jeol公司。

1．3 樣品制備

SF使用前剪成5～8mm，80℃烘干，分別以質(zhì)量分數(shù)為10%、20%、30%、40%、50%與5%的PP－g－MAH、10%的POE－g－MAH和15%的輕質(zhì)碳酸鈣加人到PP中，混合均勻后在開放式塑煉機上輥煉，空轉(zhuǎn)輥溫度控制在180～190℃，工作輥溫度控制在185～195℃，塑煉5～10min，制成復合胚體備用，將復合胚體裝入預熱至170～180℃的模具中熱壓成型，成型壓力為15MPa，保溫保壓6～10min后，制得木塑復合材料板并在萬能制樣機上制成標準樣條，將制得的木塑復合材料試樣依次編號并置于20℃蒸餾水中，浸泡不同的時間（以天數(shù)計算），每隔2d取出一批（每批試樣5條）將其表面擦凈，進行性能測試，從取出樣條到進行性能測試時間間隔不超過6h。

1．4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

按GB 1043—1993測試樣條沖擊性能，樣條無缺口；

按GB 1449—2005測試樣條彎曲性能，測試速率為2mm／min；

DSC分析：氮氣氣氛，將約8mg粉末樣品以20℃／min升溫至220℃，使樣品完全熔融，保持5min消除熱歷史，然后以10℃／min的冷卻速率降溫至50℃，再以20℃／min的升溫速率升溫至220℃，記錄DSC曲線；

TG分析：N2氣氛，取8mg粉末樣品，升溫速率為10℃／min，溫度范圍為50～600℃，記錄樣品的TG曲線；

SEM分析：對沖擊斷裂樣條表面做噴碳處理，設置加速電壓為15kV，觀察樣品斷面微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2．1 浸水時間對木塑復合材料力學性能的影響

圖1為SF含量為20%的木塑復合材料在室溫下力學性能及吸水性能隨浸水時間的變化曲線。從圖1（a）、（b）可以看出，木塑復合材料的沖擊強度和彎曲強度隨著浸水時間的延長不斷下降，趨勢非常明顯。浸水8d后，沖擊強度由22．09kJ／m2下降到15．58kJ／m2，保持率為70．53%；彎曲強度和彎曲模量分別由33．27MPa、1．54GPa下降到26．02MPa、1．21GPa，保持率分別為78．21%、78．66%，可見吸水后沖擊、彎曲性能嚴重下降。由圖1（c）還可以看出，木塑復合材料的吸水率和吸水厚度膨脹率隨浸水時間的延長而增加，吸水8d后分別達2．85%和1．70%。這主要是因為SF表面有親水的羥基，很難被疏水的PP浸潤、包裹，導致界面處存在部分空隙，水分子易通過毛細管作用沿纖維方向滲透到SF與PP的界面，降低了樹脂與纖維的結(jié)合力。隨著浸泡時間的延長更多的水分子滲入復合材料，進一步削弱了木塑復合材料界面的結(jié)合強度，從而導致材料力學性能下降。

圖1 浸水時間對木塑復合材料性能的影響Fig．1 Effect of immersion time on the properties of the wood－plastic composites

2．2 浸水及SF含量對木塑復合材料力學性能的影響

由圖2可以看出，浸水后木塑復合材料力學性能明顯下降，尤其是彎曲性能下降嚴重。當SF含量為50%時，木塑復合材料沖擊強度下降幅度最大，由14．91kJ／m2下降到9．88kJ／m2，降低了33．74%；彎曲強度和彎曲模量分別由43．27MPa、2．19GPa下降到21．02MPa、1．28GPa，降低了51．42%、41．55%。同時，吸水率和吸水厚度膨脹率也都隨著SF含量的增加而升高。這主要是因為隨著SF含量的增加，羥基增多，木塑復合材料的親水吸濕性增強，PP含量相對減少，SF很難在PP中分散，致使木塑復合材料的孔洞與裂紋增加，更多的水分子被吸收進入復合材料，嚴重破壞SF與PP的界面黏結(jié)性，導致木塑復合材料性能下降。

圖2 浸水對不同SF含量木塑復合材料力學性能的影響Fig．2 Effect of water immersion on mechanical properties of the wood－plastic composites with different content of SF

圖3 浸水對不同SF含量木塑復合材料吸水性能的影響Fig．3 Effect of water immersion on water absorption of the wood－plastic composites with different content of SF

2．3 浸水對木塑復合材料熱性能的影響

2．3．1 熱穩(wěn)定性

圖4是SF含量分別為20%和40%的木塑復合材料未浸水和浸水8d后的熱重分析圖。由曲線可得起始熱分解溫度T5%（失重5%）、SF和PP組分的最大熱分解速率TSFmax和TPPmax、最大熱分解溫度T＊max、最終殘余量Yc，具體數(shù)值列于表1。

從圖4可以看出，浸水后木塑復合材料的初始分解溫度和最大熱分解溫度都要比未浸水的略低。這是因為大量水分子進入木塑復合材料后，降低了SF與PP的界面黏結(jié)力，迫使破壞木塑復合材料界面作用力的所需能量降低。

表1 木塑復合材料的熱失重數(shù)據(jù)Tab．1 TG data for the wood－plastic composites

2．3．2 DSC分析

圖5為未浸水和浸水8d后SF含量為20%的木塑復合材料升溫和以10℃／min等速降溫時的DSC曲線，從圖中可以看出木塑復合材料的起始熔融溫度Tm、熔點Tmp（熔融峰溫度）、結(jié)晶溫度Tp（結(jié)晶峰溫度）、過冷度ΔT（ΔT＝Tmp－Tp）和熔融熱焓ΔHm，其具體數(shù)據(jù)如表2所示。

由5圖可以看出，浸水后的復合材料起始熔融溫度Tm、熔點Tmp和結(jié)晶溫度Tp均降低，表明水分子的滲入破壞了木塑復合材料的界面。過冷度ΔT增大，降低了結(jié)晶速率，熔融熱焓ΔHm減小，結(jié)晶度下降，結(jié)晶度顯著影響著木塑復合材料的強度、模量等物理性能［8］，說明經(jīng)水浸泡后木塑復合材料的熔融和結(jié)晶性能降低。

圖4 木塑復合材料的TG曲線Fig．4 TG curves for the wood－plastic composites

圖5 木塑復合材料的DSC曲線Fig．5 DSC curves for the wood－plastic composites

表2 木塑復合材料的熔融和結(jié)晶特性Tab．2 Melting and crystallization properties of the wood－plastic composites

2．4 木塑復合材料的微觀結(jié)構(gòu)

從圖6（a）可以看出，未浸水的木塑復合材料沖擊斷面的纖維表面黏附著大量樹脂，SF與PP的交界處黏合緊密，說明SF和PP的黏結(jié)力較好；而從圖6（b）可以看出，浸水后大量SF被拔出，表面黏附的樹脂較少，基本裸露，且SF與PP的交界處有溝壑和微孔，這是因為水分子進入樹脂溝壑和微孔，會形成新的微孔和裂縫，水分子可以通過毛細作用快速進入SF和PP的分界面，減弱纖維和基體的聯(lián)結(jié)，使木塑復合材料的基體被破壞，最終導致整個木塑復合材料性能下降。

圖6 木塑復合材料沖擊斷面的SEM照片F(xiàn)ig．6 SEMmicrographs for the impact fracture surface of the wood－plastic composites

3 結(jié)論

（1）PP／SF木塑復合材料經(jīng)水浸泡8d后，使纖維和樹脂的結(jié)合界面受到一定程度的破壞，木塑復合材料的沖擊強度和彎曲強度分別為9．88kJ／m2和21．02MPa，下降了33．74%和51．42%；

（2）PP／SF木塑復合材料經(jīng)水浸泡會使其初始熱分解溫度和最大熱分解溫度略降，同時也會降低其結(jié)晶度；

（3）PP／SF木塑復合材料經(jīng)水浸泡后，水分子進入樹脂溝壑和微孔，進而形成新的微孔和裂縫，導致復合材料的基體被破壞，使木塑復合材料性能下降。

［1］ Susan E S，Indrek W．Wood Fiber／Polyolefin Composites［J］．Composites A，2004，35：321－326．

［2］ 肖翠蓉．復合材料工藝學［M］．長沙：國防科技大學出版社，1991：50－120．

［3］ 劉 婷，陸紹榮，王一靚，等．劍麻纖維／聚丙烯木塑復合材料的熱氧老化性能研究［J］．塑料科技，2010，（4）：65－68．Liu Ting，Lu Shaorong，Wang Yiliang，et al．Study on The rmal－oxidative Aging Properties of Sisal Fiber／Polypropylene Composites［J］．Plastics Science and Technology，2010，（4）：65－68．

［4］ Alireza A．Wood－plastic Composites as Promising Greencomposites for Automotive Industries［J］．Bioresource Technology，2008，99（11）：4661－4667．

［5］ Clemons C．Wood－plastic Composites in the United States the Interfacing of Two Industries［J］．Forest Product Journal，2002，52（6）：10－18．

［6］ 賀金梅，李 斌．熱塑性聚合物／木纖維復合材料的研究進展［J］．高分子材料科學與工程，2004，20（1）：27－30．He Jinmei，Li Bin．The rmoplastic Polymer／Wood Fiber Composites［J］．Polymer Materials Science and Engineering，2004，20（1）：27－30．

［7］ Zhang Jihua，Zhan Maosheng．Visual Experiments for Water Absorbing Process of Fibre－reinforced Composites［J］．Journal of Composite Materials，2004，38：779－790．

［8］ 殷敬華，莫志深．現(xiàn)代高分子物理學［M］．北京：科學出版社，2001：617－630．