木塑復合材料耐光老化性對籃球架的影響研究

崔吉洋

(陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000)

木塑復合材料被廣泛用于體育器材、室內裝修和建筑領域，相較于其他材料，有著成本低、綠色環保、防蟲防潮等優勢。然而，制作為籃球架在室外使用時，無法避免光老化問題，從而影響木塑復合材料籃球架的使用范圍。可采用添加抗氧化劑、改變木粉組合、優化成型方法、表面涂層等方法對該復合材料的耐光老化性進行改善。以木粉/聚丙烯復合材料為例，對其耐光老化性進行探究。耐光老化性能的提升，也會擴大復合材料耐腐蝕性強、使用壽命長、力學性能良好的優勢，可促進籃球架的使用安全性與舒適性。

1 木塑復合材料的光老化機理

木塑復合材料是木纖維或植物纖維與塑料材質復合加工而成的有機高分子材料，屬于新型綠色環保材料。塑料和木質纖維都是高分子材料，高分子材料在受到外界環境中的水、氧、熱以及化學介質等因素的作用下，其自身物理或化學結構會發生變化，從而表現出光老化現象，例如，材料顏色改變、材質變脆、韌性和強度降低等。木塑復合材料在體育領域應用廣泛，可應用于籃球架、籃球場地板等。當木塑復合材料在室外長期使用后，會發生一定程度的光老化，無法滿足籃球架或籃球地板對材料的較高使用要求。

在木塑復合材料的光老化進程中，各組分之間相互影響，相互作用，其光老化進程如圖1所示。

圖1 木塑復合高分子材料光老化進程

當木塑復合材料受到紫外線的照射時，木質素會吸收大部分的紫外線，造成光降解，產生發色基團，改變了木粉的顏色。同時，發色基團和塑料加工時加入的物質，對塑料組分的光降解有共同的催化作用，導致塑料的表面開裂、系帶分子斷裂，降低該材料籃球架的力學性能。

木塑復合材料的光變色現象，分2個階段進行，第1階段是木質素的光降解，產生大量發色基團，導致復合材料褪色；第2階段是發色基團減少，產生有漂白效果的對苯二酸物質，造成材料顏色改變。另外，環境中水的存在，也會加速木塑復合材料籃球架的褪色程度。

除了氧氣和紫外線因素，復合材料吸潮后，力學性能也會顯著降低。水分進入復合材料，木質纖維的細胞壁吸水發生膨脹，界面會有微裂紋出現，影響聚合物與木纖維的界面結合強度；水分也會加快光降解的進程。光線在水的折射或反射作用下，較容易抵達復合材料內部，導致材料內部出現光老化，嚴重降低籃球架力學性能。

2 木塑復合材料耐光老化性能分析

2.1 木粉組分對復合材料耐光老化性能的影響

木質素纖維素聚丙烯復合材料的制備

以聚丙烯粉料、毛白楊木粉、木質素、纖維素為主要原材料，采用電熱鼓風干燥箱在103 ℃條件下對原材料進行2 h干燥。設置6組不同配比的材料，采用高速混合機對材料進行混合攪拌，以2 900 r/min速度攪拌4 min。然后采用雙螺桿擠出機進行造粒，并粉碎成顆粒狀，物料長度在2～5 mm。稱取180 g顆粒狀物料，放入正方形鐵塊的熱壓模具內，上層鋪蓋一層聚四氟乙烯膜，便于脫模，使用熱壓機對其進行熱壓，以4 MPa的壓力和180 ℃的溫度熱壓6 min。冷卻后制成木塑復合材料，尺寸為270 mm×270 mm×3 mm，密度為1.05 g/cm。6組不同成分材料的配方如表1所示。

表1 木質素/纖維素/聚丙烯復合材料配方

實驗方法

因材料自然老化時間較長，采用人工的方式進行木塑復合材料的光老化過程。設置人工紫外加速老化方法總時長為960 h，以12 h為一個老化周期。采用發射波長為340 nm的紫外燈管代替太陽光，對材料試樣進行紫外輻射，老化箱內部溫度為60 ℃左右，并以0.89 W/m的照射強度照射8 h。然后，關閉紫外燈管，將老化箱內部溫度設為50 ℃。在上一階段中，老化箱底部的水形成水蒸氣，上升接觸到試樣迅速變冷，冷凝成水滴附著在試樣表面，冷凝4 h。對加速老化240、480、720和960 h后的木塑復合材料試樣，按照ASTM G154─2006標準進行性能測試。

每組取3個試樣，每個試樣選擇4個不同的位置。采用測色儀對不同老化時間后的試樣表面顏色進行測量，計算顏色總體變化的程度，用色差值(ΔE)表示；采用光澤度儀對6組試樣表面的光澤度進行測量，測量前對儀器進行校準，然后將儀器的測量口對準試樣選定的4個位置，計算得出平均值；

采用微機電子萬能力學試驗機、材料沖擊試驗機等儀器測試試樣的力學性能，抗彎性能測試按照GB/T 9341─2000標準進行，試樣尺寸為65 mm×25 mm×3 mm，以5 mm/min的加載速度均勻施加載荷，記錄最大載荷值，重復測量6個試樣，取平均值。沖擊性能測試按照ISO 179─1:2010標準進行，試樣尺寸為80 mm×10 mm×3 mm，重復試樣數為8個，取平均值作為結果。

實驗結果

(1)顏色變化：在老化進程的前480 h，試樣表面的顏色變化較為明顯；老化960 h后，第1組的色差值大于50。添加了木質素的試樣表面褪色較為明顯，且木質素含量越高，顏色變化越明顯。老化后，木質素含量最高的第6組，色差值達到了70，說明木質素是造成木塑復合材料器材褪色的主要因素；相比之下，僅添加纖維素的試樣表面顏色較為穩定，在老化進程中，其色差值一直低于20。

(2)光澤度變化：試樣經老化后，表面出現了開裂和粉化的現象，光澤度下降；在老化后的240 h，通過對比第2組和第3組，發現只有聚丙烯的試樣光澤度與老化前相比變化很小；而摻入了纖維素的試樣表面光澤度變化很大，說明纖維素可促進聚丙烯的光降解。對比后3個組發現，木質素含量最高的第6組，光澤度變化小于其他2個組，說明木質素可有效保護復合材料的表面光澤度；老化720 h后，各組試樣的光澤度數值趨于一致。

(3)力學性能變化：老化240 h后，第3組試樣的力學性能變化較大，彎曲強度保持率降低到了老化前的50%以下；老化960 h后，其沖擊強度保持率只要29.3%。添加了木質素的試樣，其隨著老化時間的增加，抗彎曲強度和抗沖擊強度的變化均較小，說明木質素的加入，有助于保持木塑復合材料的力學性能。

2.2 有機抗氧化劑對復合材料耐光老化性能的影響

與抗氧化劑復合材料的制備

增加了純度為98%的維生素E(VE)和亞磷酸三酯(抗氧化劑168)參與木塑復合材料的制備。木粉與聚丙烯的質量比為4∶6，VE的添加量為木粉和聚丙烯總質量的0.1%、0.2%、0.4%和1.2%，分別用A、B、C、D這4個小組代表這4種VE添加量。另外，由于VE成本較高，且單獨使用時自由基清除不徹底，因此選取了抗氧化劑168作為輔助抗氧化劑。設置對照組，加入抗氧化劑168與VE復配，各組分添加量如表2所示。抗氧化劑的總添加量為復合材料總質量的1.2%。木粉/聚丙烯復合材料的制備方法與上述實驗的造粒熱壓制備方法一致。

表2 VE與抗氧化劑168的復配配方

實驗方法與結果

實驗方法與上述實驗一致。無添加抗氧化劑、單獨添加VE、VE與抗氧化劑168復配這3種體系對木塑復合材料的耐光老化性能的影響結果：

(1)VE的加入，幾乎沒有改變原木塑復合材料的表面顏色和彎曲前強度。老化過程中，VE減緩了復合材料的光降解進程，且VE含量越高，試樣的耐光老化性更強。VE的添加，可抑制復合材料表面的光老化褪色，復合材料彎曲性能得到有效保持，表面裂紋較少；

(2)相比于添加一種抗氧化劑，二者的復配體系對木塑復合材料的光老化抑制效果更好。添加復配體系的復合材料在老化前后的表面顏色變化較小，彎曲性能保持較好，彎曲性能保持率由高到低依次為：1組、2組、3組、4組、對照組；

(3)當VE質量分數為0.2%、抗氧化劑168質量分數為l.0%時，試樣在老化前后的表面顏色變化程度最小，彎曲性能保持率最高。

3 木塑復合材料耐光老化性保護對籃球架的作用

3.1 延長籃球架的使用壽命

在籃球架的結構中，籃球板最容易發生損壞。為滿足籃球板透光率的需要，許多籃球板采用鋼化玻璃制作，但室外溫度劇烈變動情況下，容易出現自爆的問題。而木塑復合材料是一種高分子有機物，有著質輕、密度小、強度高的優勢。對于籃球架而言，更強的質量有助于籃球架使用壽命的延長。木塑復合材料中二氧化硅、二氧化鈦、VE等物質的添加，能夠顯著增加復合材料的耐光老化性，對延長木塑復合材料籃球架的使用壽命有著重要意義。

3.2 增強籃球架的耐腐蝕性

籃球支撐柱與底部箱體容易腐蝕生銹，不僅影響使用安全性也影響使用壽命。對木塑復合材料的耐光性進行保護研究，可在不改變原復合材料優良性能的基礎上，通過助劑改善、調整木塑復合材料的密度、強度等，也可進一步增強復合材料自身的抗強酸堿、耐腐蝕、防水等性能。同時，木塑復合材料的耐光老化性保護研究，可有效解決籃球架普遍面臨的真菌及白蟻的侵蝕和繁殖問題，減少生物腐蝕現象，便于對籃球架的日常維護和管理。為增強耐光老化性，通常對籃球架進行表面涂飾處理；同時，涂層的存在，也增強了籃球架對雨水的耐侵蝕性。

3.3 增強籃球架的力學延展性能

耐光老化性作為增強木塑復合材料的基礎保護，是提升復合材料其他性能的重要途徑。相較于金屬和木質材料，塑料材料有著較好的力學延展性；而木塑復合材料作為纖維增強材料，有著更加優越的柔韌性、力學拉伸強度、彈性模量，等等。上述實驗結果也表明，木塑復合材料的耐光老化性能的增強，也進一步擴大了其彎曲性能、沖擊性能優勢，從而高速、有效地提高籃球架的力學延展性。綜合性能的改善，能夠提升體育運動中籃球架的使用舒適性，提高運動效果。

4 結語

綜上所述，木塑復合材料作為一種新型環保材料，可用于籃球架的設計與制造。但該材料籃球架在室外使用也避免不了光老化問題。以木粉/聚丙烯復合材料為例，探究了木粉組分和有機抗氧化劑對復合材料耐光老化性能的影響，當VE質量分數為0.2%、抗氧化劑168質量分數為l.O%時，材料的耐光老化性能最佳。木質素的存在有助于復合材料的力學性能的保持，纖維素的加入有助于增強老化過程中的顏色穩定性。耐光老化性的增強，也進一步延長了其使用壽命、增強了耐腐蝕性以及力學延展性等，有助于提升木塑復合材料籃球架的使用安全性與舒適性。