景觀設計中的變色木塑復合材料制備及性能試驗

俞兆江

摘 要：針對景觀設計中變色木塑復合材料顏色單一和抗疲勞性差的問題，提出在高度聚乙烯基木塑復合材料表面用熱壓覆貼工藝覆蓋光致變色粉末末，增加木塑復合材料的顏色變化。通過對光致變色木塑復合材料性能的考查，探討光致變色木塑復合材料的影響因素。結果表明，硅油能促進復合材料顏色變化，增加顏色變化的穩定性，但會影響復合材料力學性能;復合材料的抗疲勞時間與光致變色材料粉末有很大關系，但與是否含有硅油無關。

關鍵詞：光致變色粉末;老化性能;變色木塑復合材料;性能測試

中圖分類號：TQ638 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）11-0072-06

Preparation and Performance Test of Color Changing Wood Plastic Composite in Landscape Design

Yu Zhaojiang

（Xianyang Normal University， Xianyang 712000， China）

Abstract：For the problem of single color and poor fatigue resistance of discoloration wood plastic composite in landscape design， it is proposed to cover the end of photochroplastic powder with thermal coating process on the surface of highly polyvinyl wood plastic composite， and increase the color change of wood plastic composite. By examining the properties of photochrome wood plastic composites， the influencing factors of photochromic wood plastic composites are discussed. The results show that silicone oil can promote composite color change and increase the stability of color change， but will affect the mechanical properties of composite; fatigue resistance time is related a lot to photochromic material powder， but unrelated to whether it contains silicone oil.

Key words：photochromic powder; aging performance; discoloration wood plastic composite material; performance test

0 引言

木塑復合材料主要為生物質材料（秸桿、竹材等）與熱塑性塑料（聚丙烯、高密度聚乙烯等）經特定加工制成的新型復合材料，兼具熱塑性材料和生物質材料的特點。這種材料源自20世紀80年代的美國，最初主要用于塑料的改性產品，后隨科學進步的發展，慢慢發展為新型材料，被廣泛運用于家具、景觀設計等領域。目前，針對木塑復合材料的研究主要集中在復合材料改性、制備方法等，如段婧婷等（2021）在木塑材料中摻入礦物填料，以提高木塑材料的強度[1];肖峰等（2021）則歸納了木塑材料的增強改性，包括添加偶聯劑、增韌劑等[2]。在制備方法上，光致變色復合材料主要通過成膜、直接摻雜、原位沉積、接枝或共聚等方式。如采用原位氣相沉積法制備具有明顯變色性能的氧化物與聚合物復合的納米材料;Linda等采用溶膠-凝膠法制備有機和無機的光致變色材料，從而在光照強烈時可變色，減少光的透射[3]。在木塑復合材料的相關研究中，學者們開發了不同類型的木塑復合材料，對木塑復合材料的應用范圍進行擴大。本研究從光致變色角度，利用共擠出制備方法制備復合材料，并將該復合材料應用到木塑材料中。

1 材料與方法

1.1 試劑及材料

馬來酸酐接枝聚乙烯（MAPE）（尚溪（上海）化工助劑有限公司）;楊木粉（陜西盛恒生物科技有限公司，40～80目）;聚丙烯（PP）（山東鼎盛工程材料有限公司）;光致變色粉末（深圳市添金利新材料科技有限公司）;高密度聚乙烯（HDPE）（河北雄安華塑新材料科技有限公司）;二甲基硅油（CP）（山東穗華生物科技有限公司）。

1.2 儀器與設備

WAW-600C萬能力學試驗機（濟南一格儀器設備有限公司）;LJ2019雙螺桿造粒機（張家港市聯江機械有限公司）;KT530熱壓機（東莞市金拓機械有限公司）;HT-UVA紫外線老化儀（東莞市匯泰機械有限公司，德州潤澤土工材料有限公司）;CS-420B分光測色計（重慶市松朗電子儀器有限公司）;RDS高速混合機（南通羅斯混合設備有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 聚丙烯光致變色材料的制備

按照表1的配比稱取一定的聚丙烯、光致變色粉末以及二甲基硅油，放入SYH型高速混合機中混合攪拌，時間為15 min;對混合均勻后的物料造粒處理，造粒時需注意在螺旋桿前段放置保溫裝置。待物料達到所需量，將造粒物料取出并置于熱壓鋼墊板上，將材料熱壓為純聚丙烯光致變色材料，材料厚度為4 mm。制備試件分為兩大組：一組添加二甲基硅油;另一組未添加二甲基硅油。

將雙螺桿分為7個區，溫度區間在155～175℃，進料口的前端配置170℃的存料加熱套，熱壓溫度為180℃，熱壓和冷卻時長為2 min。

1.3.2光致變色木塑復合材料制備

將本試驗制備好的聚丙烯光致變色材料鋸成接近100 mm×100 mm的正方形，然后在180℃的熱壓機中，將其壓制成厚1 mm的薄片。

將自制的木塑復合材料裁剪為若干長160 mm的小條，平鋪在墊板上。在高度聚乙烯表面貼附光致變色薄片后進行熱壓，得到聚丙烯基變色木塑復合材料，該材料厚度為4 mm。

1.4 性能表征

1.4.1 彎曲性能測試

參照ASTM D 790—2003標準測定彎曲性能。制備尺寸為80 mm×13 mm×4 mm的彎曲試件。每組6個，設置WAW-600C型萬能力學試驗機跨距和加壓速度分別為64 mm和2 mm/min。

1.4.2? 人工老化分析

利用紫外加速老化儀模擬復合材料老化。首先將80 mm×13 mm×4 mm的試樣置放于HT-UVA型紫外線老化儀夾板上，并按照要求設置老化程序。設一個周期為12 h，前8 h在強度0.77 W/m2、波長340 nm的強度紫外線下進行照射，后4 h將其放置在水槽下方擁有加熱裝置且濕度為100%的檢測室中進行冷凝。老化過程中，在一定間隔時間對同一位置進行顏色測定，直至肉眼判斷復合材料無法進行光致變色。每組試驗重復測定5個試樣。

1.4.3? 顏色變化測試

利用CM2300d分光測色計對原始狀態和激發狀態的5組試件顏色進行測定，從而獲得顏色的L*、a、b值，然后根據GB/T 7921—2008標準計算色差。其中，經紫外光照射前為原始狀態，照射1 min后為激發狀態。

2 結果和討論

2.1 彎曲性能分析

圖1、圖2分別為聚丙烯光致變色材料與光致變色木塑復合材料彎曲性能測試結果。橫坐標為0，表示未添加光致變色粉末的空白樣。從結果中看出，無論是聚丙烯光致變色材料，還是光致變色木塑復合材料，兩材料的抗彎強度都隨著UV光致變色粉末質量分數的增加逐步降低[4]。

由圖1可知，在無硅油試件中，當光致變色粉末質量分數為0.5%時，此時的彎曲強度為51.68 MPa達到最高;當光致變色粉末質量分數為6.5%時，試件彎曲強度降至42.08 MPa，與空白樣相比，彎曲強度下降12%。由此可以說明，UV變色粉的添加存在一個最佳值，且在該質量分數下，聚丙烯光致變色材料具備較佳的變色功能，此時對彎曲強度的影響最小[5]。同時對未添加二甲基硅油組，當光致變色粉末質量分數從0%～0.5%時，抗彎曲強度呈現少許增加，此后下降。出現這種實驗現象的原因，很可能是因為本實驗直接利用高速混合機將液態的二甲基硅油與粉狀原料進行混合，造成光致變色粉末凝固，從而導致光致變色粉末分布不均勻所致。因此，將二甲基硅油進行霧化處理，可避免出現粉狀原料抱團現象，提高聚丙烯光致變色材料的抗彎曲性能。

由圖2可知，光致變色木塑復合材料通過熱壓工藝制備，由于增加了木塑材料，所以整體的抗彎曲強度相對于單一的聚丙烯光致變色材料要高，聚丙烯光致變色材料對光致變色木塑復合材料的抗彎曲性能起決定性作用[6]。

2.2 材料顏色分析

2.2.1 聚丙烯光致變色材料不同激發態下的顏色測定

表2為聚丙烯光致變色材料經紫外線照射前后的顏色變化。由表2可知，聚丙烯光致變色材料在照射前后L*、a*、b*值相差較大，說明照射前后材料的色差變化較大。其中，紅綠色品值增大，黃藍色品值減小至負值，即聚丙烯光致變色材料經過紫外光照射后，顏色發生了改變，主要為變為深紅色。

2.2.2 光致變色木塑復合材料在不同激發態下的顏色分析

表3為光致變色木塑復合材料經紫外線照射前后的顏色變化，照射前后分別為原始態和激發態。

由表3可知，所有試件原始態顏色變化為隨光致變色粉末質量分數的增加，顏色坐標由上往下變化;激發態試件的坐標間接近，無硅油且添加較少光致變色粉末試件激發態和原始態不接近，出現此現象的原因為試件表面的光致變色表層厚度相對較低;光致變色粉末質量分數在較低的狀態下，變色功能相對較小，就算經過紫外線照射，顏色變化也不明顯[7]。添加硅油后，試件皆未表現出原始態與激發態顏色相近的情況，這是因為二甲基硅油對光致變色粉末變色反應有促進作用，且有利于顏色的穩定，所以光致變色粉末質量分數較低，也能讓顏色的變化明顯[8]。

2.3 人工老化過程中材料顏色變化分析

2.3.1? ?聚丙烯光致變色材料不同激發態下的顏色測定

將聚丙烯光致變色材料切成80 mm×13 mm×4 mm的尺寸，然后放在老化儀夾具上進行紫外照射，并每天測量聚丙烯光致變色材料的絕對色差變化，具體色差變化結果如圖3所示。

從圖3可知，所有試件的絕對色差隨人工老化時間增加而增加，且變化規律為：老化初期增長快，老化后期增長速率則相對變慢。

圖3（a）中，光致變色粉末質量分數直接決定了試件絕對色差大小;間接決定了絕對色差值達到緩慢增加階段的時間。按照光致變色粉末質量分數由大到小排列測點間色差值大小。P1組試件光致變色粉末質量分數最小，在第3 d時，就進入到緩慢增加階段;P2組試件在第4 d時進入緩慢增加階段;其余試件皆在7 d左右才進入緩慢增加階段。這是因為光致變色粉末質量分數影響了光致變色粉末的降解速度，進而影響了試件的顏色改變。

圖3（b）中，所有試件激發態絕對差值比原始態大2倍。這就證明了在整個老化過程中，激發態顏色改變變化較為明顯之故。原始態絕對色差值大于激發態，且在激發態時，試件顏色接近。激發態絕對色差是根據光致變色粉末質量分數排序。P5組光致變色粉末質量分數最大，該組試件的絕對色差值也最大。P1組在第3 d進入緩慢增加階段，其余試件在第4 d進入緩慢增加階段，該時間即為光致變粉快速降解階段。

圖3（c）中，試件絕對色差值比較接近，但P1組試件絕對色差低。這就證明經過二甲基硅油處理后，光致變色粉末質量分數對試件原始態影響變小。這是因為添加二甲基硅油后，光致變色粉末自身變為奶白色，光致變色粉末質量分數不同，試件顏色皆不同程度的往白色方向進行改變 。緩慢增加趨勢與圖3（c）一致。比圖3（a）中添加了光致變色粉末試件進入緩慢增加階段時間縮短了3 d，這也證明二甲基硅油對光致變色粉末的降解速率有加快作用[9]。

圖3（d）與圖3（b）中曲線進行對比，所有試件的絕對色差值都比較接近，光致變色粉末質量分數較少試件絕對色差值提高較為明顯，接近于P5組試件;其顏色差距不大。二甲基硅油對光致變色粉末開閉環反應起積極作用，也就是說，經過二甲基硅油的作用，光致變色粉末受紫外光照射的瞬間就能迅速響應并發生變色。

圖4、圖5分別為未添加硅油試件、添加硅油試件老化時間變化曲線。

由圖4可知，P1組試件光致變色粉末質量分數最小，從老化第5 d開始，激發前后絕對色差值低于10，到第7 d時，色差變化非常小;此時試件并不具備激發變色功能。P2與P4組、P5與P6組試件變化規律相似，證明P2組添加量就已經達到了飽和狀態。在老化初期3 d內，光致變色粉末快速降解，后達緩慢降解階段;同時，光致變色粉末質量分數直接影響激發前后色差下降程度。其中，P1組下降最大，這可能是因為P1組試件光致變色粉末質量分數較少，降解時間最短，使得該試件下降率較大;其余試件色差下降率則較為接近[10]。

無硅油試件P1組絕對色差小于7 d時硅油試件PS1組激發前后絕對色差;但差距較小，這可能與試件選擇有關。其余試件變化趨勢接近。光致變色粉末質量分數最多的試件耐疲勞時間并非最長，證明光致變色粉末快速降解后，產物對后續降解過程起積極作用。光致變色粉末含量較多，則降解過程變快。人工老化過程激發前后色差下降與光致變色粉末質量分數直接相關，PS1組和PS2組添加較少光致變色粉末，降解完全，其余試件則只有一點差別。 因此選擇PS3組質量分數為適宜添加量。

2.3.2 人工老化過程中聚丙烯基表層光致變色木塑復合材料的顏色測定

圖6為光致變色木塑復合材料試件絕對色差與人工老化時間關系。

圖6（a）、（b）分別為未添加硅油組試件原始態和激發態顏色絕對色差;圖6（c）、（d）分別為添加硅油試件原始態和激發態顏色絕對色差。

由圖6可知，光致變色木塑復合材料試件絕對色差不遵循光致變色粉末添加量規律。光致變色粉末添加量較少時，第2 d幾乎失去變色功能。

由圖6（a）可知，除LP1組試件外，其余試件絕對色差皆按照表層光致變色粉末質量分數多少排序。光致變色粉末自身降解程度造成試件色差，則LP5組試件的絕對色差值和耐疲勞時間最大。且光致變色木塑復合材料比聚丙烯/光致變色粉末復合材料試件耐疲勞時間小。對比圖6（a）和圖6（b）可知，激發態下各組數據試件絕對色差值差距明顯減小，也就是說圖6（b）中不同組試件絕對色差值曲線彼此較為接近，該變化與聚丙烯/光致變色粉末復合材料結果一致。對比圖6（c）和圖6（a），添加二甲基硅油后，色差波動性明顯變大，也就是說，材料不同，測得的絕對色差間差異變大。當光致變色粉末含量過多，試件絕對色差波動較明顯，說明光致變色粉末被二甲基硅油包裹聚集。對比圖6（b）和圖6（d），圖中試件絕對色差曲線彼此間并未表現出接近的情況，LSP5試件與其余試件曲線偏離程度較大。再次證實光致變粉末出現因二甲基硅油出現包裹。

3 結語

本試驗用熱壓覆貼工藝制備光致變色木塑復合材料，并對其性能進行表征，探討了對其性能的影響因素。

（1）二甲基硅油幾乎不影響光致變色粉末的分布情況;當加入二甲基硅油后，對聚丙烯/光致變色復合材料和聚丙烯基光致復合材料力學性能產生一些不利影響。

（2）聚丙烯/光致變色復合材料與聚丙烯基光致變色復合材料顏色變化趨勢幾乎一致。二甲基硅油能夠促進聚丙烯復合材料顏色變化和穩定性的增加。

（3）對人工老化后試件而言，添加二甲基硅油試件疲勞時間變化與未添加硅油試件疲勞時間變化趨勢幾乎一致，證實光致變色粉末是影響試件抗疲勞時間的主要因素。

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