微發泡木塑復合材料耐腐性能的研究

朱 遠，姜志宏

（浙江農林大學 工程學院，浙江 臨安 311300）

木塑復合材料（WPCs）是指以一定比例混合的天然纖維材料與熱塑性塑料，添加特定助劑后，經特殊工藝處理加工成型的一種新型環保材料[1]。因其結合了木材和塑料的雙重優點，被運用于各種領域，市場前景廣闊。

作為一種新的材料，木塑復合材料在使用過程中除因熱塑性塑料而致的長期蠕變的缺點外，也曾發現存在腐朽的現象。Morris等在 1998年發現了木塑復合材料在野外土壤中及走廊地板上產生了腐朽現象[2]。Mankowski和Morrell等在2000年發現在木粉含量高的HDPE木塑材料中存在明顯的腐朽現象，并通過電鏡觀察到了腐朽菌的生長[3]。Pendleton等人把HDPE木塑復合材放到有白腐菌、褐腐菌的培養皿中，結果發現在大多數條件下均沒有顯著的腐朽現象，通過掃描電鏡觀察到了菌絲體較集中生長在木粉與塑料的界面上[4]。此外 ,美國硼砂防腐實驗室的試驗結果也表明，霉腐真菌能引起WPCs制品10% ～ 20%的質量損失[5]。李大綱等研究了幾種不同木塑材料的耐腐性能，發現木塑復合材料的總體耐腐性能較好，質量損失率在2.6% ～ 5.1%，特別發現內部夾竹條的木塑材料因竹條端部暴露而質量損失率稍大[6]。然而，對PVC微發泡木塑復合材料的天然耐腐性能研究的相關文獻幾乎沒有，研究木塑比對木塑材料耐腐性能的文章也不多見。因此，本文對實驗室自制 5種不同木塑比的PVC微發泡木塑復合材料進行天然耐腐性能試驗，旨在探明木塑比對木塑復合材料天然耐腐性能的影響。

1 材料與方法

1.1 試材與試菌

試材：小型木塑生產線自制的5種擠出成型的PVC木塑復合材料，木塑比為30/100，35/100，40/100，45/100，50/100（分別記為木30，木35，木40，木45，木50）；試件尺寸：20mm×20mm×5mm，每種材料取6塊試件。試件上下兩個正方形表面因模壓而使木質材料未直接暴露于外，其余表面因鋸切形成斷面而使木質材料直接暴露于外。

對照試材：馬尾松邊材，試件尺寸：20 mm×20 mm×10 mm，6塊試件。

飼木：馬尾松邊材；尺寸：22 mm×22 mm×3 mm。

實驗試菌：綿腐臥孔菌（Poria placenta）（褐腐菌）。

1.2 主要設備儀器

101A-3型電熱鼓風恒溫干燥箱（溫度300℃±2℃），MJX-150恒溫恒濕培養箱（溫度5 ～ 50℃，相對濕度50% ～ 95%），LDZX-40BI型立式自動電熱壓力蒸汽滅菌器（壓力0.25 MPa，溫度126℃），STA409PC同步熱分析儀，SS-550型掃描電子顯微鏡，SW-CJ-1F超凈工作臺，JJ500型電子天平（感量0.01g），波美比重計（波美度1.00 ～ 1.10）。

1.3 試驗方法

參照國家標準GB/T13942.1-2009《木材耐久性性能 第一部分：天然耐腐性實驗室試驗方法》。

先將試菌接種至裝有麥芽糖瓊脂培養基的培養皿中培養7 ～ 10 d，接著將菌絲塊接種至裝有河沙鋸屑培養基的廣口瓶中，放入飼木，繼續培養10 d，然后將木塑試件和馬尾松對照材放入廣口瓶中長滿菌絲的飼木上，在恒溫恒濕箱中培養12周后，取出稱取試件質量，計算質量損失。計算公式如下：

式中，W1為試樣試驗前的全干質量，W2為試樣試驗后的全干質量。

2 試驗結果與分析

2.1 木塑復合材料受菌侵染后的質量損失

試件的耐腐性能用試件腐朽后的質量損失百分率來衡量，各試件的耐腐試驗結果如表1所示。

表1 不同試件受菌侵染后質量損失率Table 1 Mass loss rate of different tested specimens

由表1可見，經過12周的受菌侵染后，木塑復合材料的質量損失率均較小，保持在3.5%以內，最小的僅為1%左右，屬于強耐腐等級；而馬尾松邊材試件的平均質量損失率達25.20%，約為木塑復合材料的7 ～ 25倍，屬于稍耐腐等級。由此說明，木塑復合材料的耐腐性能良好，腐朽后的質量損失率遠小于馬尾松邊材，這是因為木塑復合材料中的木質纖維材料被不易受菌侵染的塑料基質所包圍，木腐菌較難進入材料內部腐蝕木質材料，因而木塑復合材料的耐腐性能大大高于木材的耐腐性能。此外，木塑復合材料腐朽后的質量損失率隨著材料中木粉含量的提高而增大，木30的平均質量損失率為1.61%，木35為1.69%，木40為2.02%，木45為2.06%，木50為2.99%，這也說明了木塑材料在受菌侵染時，主要是其中的木質材料受到腐蝕，木粉含量越高，其受腐蝕程度也越大。

為進一步驗證木粉含量對木塑試件質量損失率的影響，將5種木塑材料的質量損失率進行單因子重復方差分析，結果見表2。

表2 不同木塑比木塑復合材料受菌侵染后平均質量損失率方差分析Table 2 ANOVA on average mass loss rate of different kind WPCs

由表2可見，在α= 0.001水平下，木粉含量對木塑材料的質量損失率影響高度顯著。

圖1為采用指數函數y= a×exp(x/b)＋c對5中木塑材料的平均質量損失率進行擬合，模型參數的擬合值和擬合決定系數如表3所示。

由擬合結果可知，木粉含量對與試件質量損失率大致呈指數關系，指數函數對其擬合結果較好，擬合方程為y= 0.01478exp(x/1.10893)＋1.62704，決定系數R2為0.92358。

圖1 不同材料質量損失率平均值的指數函數擬合Figure 1 Exponential function for fitting of average mass loss rate of different kind WPCs

2.2 木塑復合材料受菌侵染前后的掃描電鏡（SEM）分析

圖2 為木40在腐朽前后表面和斷面的電鏡掃描圖。

由圖2可見，木塑材料在腐朽試驗前，表面平整光滑，經過 12周的木腐菌侵染后，表面結構仍較為完整，幾乎未受破壞，表面菌絲雖經過清理，但在500倍電鏡放大后還是能觀察到一些菌絲存在于試件表面。而對于木塑材料的斷面，由于木質材料直接暴露于外面，木腐菌較為容易進入試件內部進行侵染。在1000倍電鏡放大后觀察，可以看到腐朽后木塑材料斷面明顯留有較多的菌絲，這些菌絲主要存在于木粉與塑料的界面空隙中。由此推測，加強木塑復合材料界面的結合性可以提高木塑材料的耐腐性能。

表3 指數模型參數擬合值及擬合決定系數Table 3 Fitting value of parameters and determination coefficient of fitting model

圖2 木塑材料腐朽前后電鏡掃描圖Figure 2 SEM picture of specimens before and after test

2.3 木塑復合材料受菌侵染前后差示掃描量熱法（DSC）分析

圖3為木40腐朽前后0 ～ 600℃的差示掃描量熱法分析圖。

由圖3可知，在80℃左右，木塑材料出現了一個明顯的吸熱峰，這正好與PVC玻璃化轉變溫度為80℃相符合。在280℃前木塑復合材料腐朽前后的DSC曲線基本保持一致，這正是PVC的熱解溫度范圍，這也再一次說明了木腐菌對PVC的影響微乎其微。在300℃左右，DSC曲線出現了最大的吸熱峰，這是因為木材熱解生成小分子氣體和大分子的可冷凝揮發分而造成的明顯失重，這也是木材熱解過程中最主要的吸熱階段。從圖中可以看出，腐朽后木塑材料的吸熱峰略小于腐朽前，說明腐朽后木塑材料中的木質材料受到部分破壞。400℃之后，腐朽后的木塑材料開始出現放熱現象，我們認為這是熱解殘留物進行最后的緩慢分解而放出的熱量所致。未腐朽木塑材料要等到510℃以后才會出現這種放熱現象。

圖3 木40腐朽前后DSC分析Figure 3 DSC picture of one specimen before and after test

3 結論

（1）木塑復合材料天然耐腐性能很好，質量損失率在1.6% ～ 3.0%，馬尾松邊材的質量損失率為木塑材料的7 ～ 25倍，說明木塑材料的耐腐性能遠好于馬尾松邊材。此外，木塑復合材料的耐腐性能隨著木粉含量的提高而降低。

（2）通過電鏡掃描分析，木塑材料腐朽后，菌絲主要存在于木粉與塑料的界面空隙中，加強木塑復合材料界面的結合性可以提高木塑材料的耐腐性能。

（3）通過差示掃描量熱法分析，腐朽前后木塑材料的DSC曲線在280℃前基本一致，木塑材料中的PVC材料幾乎未受破壞，再一次說明木腐菌主要對木塑材料中的木質纖維材料進行腐朽。

[1]王偉宏，李春桃，王清文. 木塑復合材料產業化現狀及制造關鍵技術[J]. 現代化工，2010（1）：6－10.

[2]Morris P I, Cooper P A. Recycled plastic/wood composite lumber attacked by fungi[J]. For Prod J, 1998, 48（1）：86－88

[3]Mankowski M, Morrell J J. Patterns of fungal attack in wood plastic composites following exposure in a soil block test[J]. Wood Fib Sci, 2000, 32（3）：340－345

[4]Pendlefton. Durability of an extruded HDPE/ wood composite[J]. For Prod J, 2002, 52（6）：21－27.

[5]馮靜，施慶珊，歐陽友生，等. 木塑復合材料的霉腐真菌危害及防霉抗菌劑的應用進展[J]. 精細與專用化學品，2007，15（24）：6－9..

[6]李大綱，葉永連. 木塑復合材料對白腐菌的耐久性研究[J]. 中國建材科技，2010（s1）：104－107.