郭麗敏 王偉宏 王清文

(東北林業(yè)大學生物質材料科學與技術教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150040)

木粉-HDPE復合材料的單板貼面效果研究

郭麗敏 王偉宏 王清文

(東北林業(yè)大學生物質材料科學與技術教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150040)

本研究在單板與木塑復合材料中間添加含有馬來酸酐接枝聚乙烯(MAPE)的薄膜，采用熱壓成型工藝制備單板貼面木塑復合材料，研究不同木粉含量木塑復合材料的貼面效果。結果表明，黏結層中加入MAPE后，單板與木塑復合材料之間的黏結性能明顯提高，耐熱、耐水性能優(yōu)良；當木塑復合材料中HDPE含量為30%、黏結層中MAPE含量為HDPE含量的2%時，貼面木塑復合材料的表面膠合強度最大，為1.68 MPa，單板沒有出現(xiàn)浸漬剝離現(xiàn)象。

木塑復合材料；高密度聚乙烯；單板貼面；馬來酸酐接枝聚乙烯

木塑復合材料(wood-plastic composites，WPCs)是一種主要由植物纖維與一種或多種塑料通過不同的復合方法生成的新型復合材料。盡管木塑復合材料兼具生物質材料和塑料的特性，但與木材相比木質感較差，在建筑、裝飾、家具等方面的應用受到限制。由于加工工藝特殊，使得材料表面總會富集一層薄薄的塑料，多呈現(xiàn)非極性(尤其是聚烯烴類聚合物，結晶度高，表面能較低)，導致木塑復合材料的表面光滑、潤濕性差[1-2]，與自身及其他材料膠接困難[1-3]。單板等木質材料與熱塑性塑料的相容性相差較大，要想將2種材料黏結起來，難度較大。目前的研究多是對木塑復合材料表面進行物理或化學改性進行處理，在材料表面引入一些易于發(fā)生反應的極性化學基團[4]，從而提高材料表面能，如低溫等離子體處理[3，5-7]、表面氧化處理、火焰處理及電暈放電處理[8-10]、表面涂覆處理[11]等；或是通過機械打磨處理，將木塑復合材料表面的塑料層打磨掉，使內部的極性纖維部分裸露出來。盡管目前聚烯烴類聚合物已能實現(xiàn)膠接，但用于聚乙烯膠接的膠黏劑種類少，黏結條件要求苛刻，成本又相對較高，操作復雜，不適合工業(yè)化生產使用。本研究對木粉-HDPE復合材料的單板貼面效果進行研究，以期探究一種簡單實用的方法，實現(xiàn)木質材料與聚烯烴基木塑復合材料的黏結。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及主要儀器

楊木(Populusspp.)木粉，粒徑40～80目，含水率：≤3%；高密度聚乙烯(HDPE)，型號：5 000 s，密度：0.949～0.953 g/L，熔體指數(shù)：0.8～1.1 g/10 min，中國石油大慶石化公司；馬來酸酐接枝聚乙烯(MAPE)，接枝率0.9%，上海日之升新技術發(fā)展有限公司；聚乙烯蠟(PE蠟)，山東齊魯石化公司；楊木單板，厚1.5 mm，市購。

DHG-9625A型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司；SJSH30/SJ45型雙階擠出機組，南京橡塑機械廠；SL-6型塑料壓力成型機，哈爾濱特種塑料制品有限公司；CMMJ5504型電子萬能力學試驗機；RGT-20A型電子萬能力學試驗機，深圳瑞格爾儀器有限公司；電熱恒溫水浴鍋，北京市永光明醫(yī)療儀器廠。

1.2 單板貼面木塑復合材料的制備

1.2.1木粉-HDPE復合材料的制備 研究中設計了3種不同木粉含量的木塑復合材料基材，木粉與HDPE比例見表1。按比例稱取木粉、HDPE和少量添加劑，加入高速混合機混合10 min之后卸料， 再通過雙螺桿擠出機熔融復合擠出，冷卻后經粉碎機破碎成細小顆粒。將制備好的粒料采用熱壓方式壓制成160 mm×160 mm×6 mm的薄板。

表1 復合材中木粉與HDPE比例

1.2.2黏結層薄膜的制備 中間黏結料的組成見表2。稱取一定量的MAPE或HDPE粉料，均勻鋪在效果模具中，在170 ℃的熱壓機上預熱2 min，加壓至2.5 MPa保持1 min，冷卻即可制得厚度相對均勻的MAPE薄膜、HDPE薄膜或MAPE/HDPE混合薄膜。

表2 黏結層的配方

注：黏結層中MAPE、HDPE的用量按木粉/HDPE復合材料中HDPE量的比例計算。

1.2.3木質單板貼面木塑復合板的制備 在木塑基材的上下面各放置一塊單板(放置時上下單板的紋理方向一致)，并在木塑板和單板之間鋪裝一層黏結薄膜，構成一個具有五層結構的復合板材板坯，放入熱壓機，經熱壓、冷卻定型后成為木質單板貼面的木塑復合板材。所用黏結薄膜為純的HDPE或是加入馬來酸酐接枝聚乙烯的HDPE。同時將中間未加薄膜的貼面板視為對照組。

1.3 性能測試

1.3.1表面結合強度測試 按照GB/T 17657—1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》[12]進行測試，試件尺寸為50 mm×50 mm×9 mm，中間圓面積為 1 000 mm2，每組測試6個試件。使用CMMJ5504型電子萬能力學試驗機測試其表面膠合強度，加載速率為2 mm/s。

1.3.2浸漬剝離性能測試 按照GB/T 17657—1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》[12]中I類浸漬剝離試驗的方法對單板貼面木塑復合材料進行測試，試件尺寸為75 mm×75 mm×9 mm，每組測試6個試件。具體測試方法是，將試件放在恒溫水浴鍋中，沸水煮4 h，取出后置于(63±3)℃的烘箱中干燥20 h；然后將待測試件放置在沸水中煮4 h，取出后再置于(63±3)℃的烘箱中干燥3 h。測量四邊的剝離長度。

2 結果與討論

2.1 單板貼面木塑復合材料的黏結性能

3種單板貼面木塑復合材表面結合強度見圖1。

從圖1可以看出，在中間未加薄膜的對照組中，貼面復合材料的表面膠合強度較低，且隨著木塑復合材中木粉含量的增加而出現(xiàn)明顯的下降趨勢，原因是基材中HDPE含量低，表面主要是木纖維，直接貼單板時兩者之間缺乏形成黏結力的物質。添加中間層薄膜后，貼面復合材料的表面膠合強度均有不同程度的上升。當木塑復合材中木粉含量為70%時，貼面復合材料的表面結合強度最大，為1.68 MPa，原因是MAPE的加入在中間界面層引入了一定量的極性基團，如羧基、羰基等，這些極性基團可能和單板上的羥基等極性基團發(fā)生物理或化學反應形成分子間作用力或者化學鍵作用力，使單板與木塑復合材料的結合能力明顯增強。

不加中間介質層時，木塑基材僅能靠表面的塑料成分與表層單板結合，HDEP含量低的木塑復合材與單板之間的表面膠合強度自然較小。當中間介質層為HDPE薄膜時，木粉含量為60%的木塑基材黏結強度最大，木粉含量為70%和80%的表面結合強度下降，原因可能是高木粉含量的WF-HDPE復合材自身具有的表面塑料層較薄，MAPE含量相對較少，與HDPE中間介質層的結合減弱。同時，由于HDPE介質層的阻隔，木塑板材表面自身含有的少量MAPE無法與木質貼面單板接觸，使得貼面膠合強度較無中間介質層的對照組還要低。但當木粉含量提高到80%時，HDPE中間層的介入彌補了木塑板材表面塑料組分過少的缺陷，使得表面膠合強度大于無HDPE的對照組。

與上述2種情況相比，MAPE薄膜的介入提高了單板與木塑復合材之間的表層膠合強度，但不同木粉含量之間無明顯差異，這是由于木粉或者塑料含量低的問題都可以借助MAPE所含有的雙向基團得到調節(jié)，達到較好的黏結效果。過多的MAPE有利于黏結木質單板，但不利于和HDPE之間的結合。因此，當使用MAPE/HDPE混合薄膜時，在60%和70%木粉含量時貼面復合板的表層膠合強度得到提高，當木粉含量為80%時，木塑基材的表層塑料含量過少，使之與介質中間層的膠合強度下降。使用MAPE膜或MAPE/HDPE混合膜都可以起到良好的膠合作用。

2.2 單板貼面復合材料的水浸漬剝離性能

3種單板貼面木塑復合材的浸漬剝離結果見表3。

表3 3種單板貼面木塑復合材的浸漬剝離結果

從表3可以看出，3種木粉含量的木塑復合貼面材料經過水浸漬剝離測試后發(fā)現(xiàn)，對照組和加HDPE介質層的貼面復合材的單板浸漬剝離長度遠大于25 mm[12]，單板均發(fā)生嚴重剝離(部分試件在第一水煮階段就已完全剝離)，說明單板和木塑復合材料之間主要是靠物理作用黏結，結合力很弱。使用MAPE和MAPE/HDPE薄膜的2組中，3種木粉含量的木塑復合貼面板材經過水浸漬剝離測試后單板的剝離長度均為0，無剝離現(xiàn)象產生，說明MAPE的加入提高了木塑復合材料和單板之間黏結力的耐熱性和耐水性。MAPE或HDPE薄膜熔融后可以流動并滲透進單板的管孔中形成機械互鎖作用[13]；此外，MAPE一端的極性基團可與單板中的羥基發(fā)生化學反應，木塑復合材料和單板之間也可能存在化學鍵或氫鍵的結合。在對照組和HDPE組中，木粉含量為60%的復合材相對其他2種材料的剝離長度相對較小，耐水性較好，表明木塑復合材料中塑料含量在一定范圍內提高對基材與單板之間的結合產生有利的影響。

2.3 貼面木塑復合材料破壞樣貌的觀察

復合材料表面破壞樣貌見圖2。從圖2可以看出，對貼面復合材料進行表面膠合強度測試時，對照組和HDPE組中試件破壞的位置發(fā)生在界面層而非單板表面或基材WPC表面。中間層添加含有MAPE的薄膜后，MAPE組和MAPE/HDPE組的試件破壞的位置主要發(fā)生在貼面單板上(單板的破壞率接近100%)，黏結層幾乎無破壞，說明基材和單板之間的黏結效果良好。上述結果與表面膠合強度及I類浸漬剝離試驗測試結果相一致，說明MAPE確實能起到黏結極性單板和木塑復合材料的效果。

3 結 論

1) 木塑復合材中塑料成分有利于與木質單板之間的黏結。在木粉含量多而塑料含量少的情況下，HDPE做中間介質可以提高黏結強度，但當塑料含量提高到30%以上,再利用額外的HDPE做中間層黏合介質則作用不大，木塑復合材料本身在表層富集的HDPE即可滿足要求。

2) 黏結薄膜中含有馬來酸酐接枝聚乙烯(MAPE)時，單板和木塑復合材料之間的黏結性能明顯提高，兩者的結合強度不僅達到了貼面人造板的國家標準要求，而且耐熱、耐水性能優(yōu)良。

3) 馬來酸酐接枝聚乙烯(MAPE)是在非極性的聚乙烯分子鏈上接枝極性的馬來酸酐，既具有聚乙烯的良好加工性和其他優(yōu)異性能，又具有馬來酸酐極性分子的可再反應性和強極性，常用于提高木塑復合材料中木質纖維和熱塑性塑料的界面相容性。本研究利用MAPE具有的雙向結構的特點，代替膠黏劑用于黏結極性木質單板和非極性的HDPE基木塑復合材料。試驗結果證明可以不用預先對木質材料、木塑復合材料的表面進行改性處理或機械打磨處理，直接熱壓即可達到良好膠合效果。該方法操作過程簡單，使木塑復合材具有真實的木質外觀，并且沒有甲醛釋放的擔憂，可以更廣泛地應用于建筑裝飾材料領域。

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(責任編輯 曹 龍)

Study on Veneer Overlaid of Wood-Flour/HDPE Composites

GUO Li-min， WANG Wei-hong， WANG Qing-wen

(Key Lab of Bio-Based Material Science & Technology of Education Ministry，Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040，China)

In this article,a layer containing maleic anhydride grafted polyethylene(MAPE)film was added in the middle of the veneers and wood-plastic composites, and then prepared the veneered wood-plastic Composites by hot-pressing molding process.The effect of wood flour content contained in wood-plastic composite on bonding strength was evaluated.The results showed that, after added MAPE, the adhesion between the veneers and wood-plastic composites was obviously increased,and head-resistance,and hydrolytic resistance was improved.when HDPE content was 30% in the wood-plastic composites and MAPE content in the adhesive layer accounting for 2% based on HDPE in the wood-plastic composites, the surface bonding strength of the composite increased to 1.68 Mpa, and there was no stripping phenomenon after dip stripping test.

wood-plastic composites;HDPE;veneer overlaying; MAPE

2014-03-10

國家林業(yè)局公益性行業(yè)科研專項(201204802)資助。

王偉宏(1968—)，女，教授，博士生導師。研究方向：生物質符合材料。Email:weihongwang2001@aliyun.com.cn。

10.3969/j.issn.2095-1914.2014.05.018

S784

：A

：2095-1914(2014)05-0095-04

第1作者：郭麗敏(1989—)，女，碩士生。研究方向：木塑復合材料。Email:1209139538@qq.com。