徐冬梅，劉太闖，張琳，王雪，曾長春

（1.徐州工業(yè)職業(yè)技術學院 材料工程技術學院，江蘇 徐州221140；2.徐州同創(chuàng)塑業(yè)有限公司，江蘇 徐州221006）

聚合物基木塑復合材料（Wood Plastic Composites，WPC）是指用經過預處理的植物纖維或粉末（如木、竹、花生殼、椰子殼、亞麻、秸稈等）為主要組分，與高分子樹脂基體復合而成的一種新型材料.這類材料具有較好的耐候性、耐微生物性、可回收、可生物降解、環(huán)境友好等優(yōu)點，大量應用于園林景觀、鋪板、室內裝修、家具、包裝等領域，市場需求逐年增長［1］.PP基木塑復合材料就是其中之一.

木粉的主要成分是由纖維素、半纖維素和木質素.這些以木質纖維為主要成分的木粉與極性較小或非極性的塑料（如PVC、PP、HDPE）組成的復合體系面臨著界面的融合、加工流動性以及熱穩(wěn)定性等系列問題［2］.木粉中的木質素和纖維素帶有強極性的羥基等官能團，使其表面表現出很強的極性，與非極性的PP相容性不好［3］.在填充大量木粉后WPC的力學性能迅速下降.為了制得性能優(yōu)良的PP基木塑復合料，對木粉采用了物理和化學預處理［4］.如為改善木粉和樹脂界面的結合，自制了接枝共聚物PP－g－MA H.

轉矩流變儀用于測量高分子材料在塑化過程中由剪切作用引起的阻力，即與粘度相關的扭矩（轉矩）來表征合成樹脂產品的流動特性［5］.筆者用轉矩流變儀，研究木粉和硬脂酸用量對PP基木塑復合材料加工流動性的影響.并對復合體系的基本力學性能進行了分析.

1 試驗部分

1.1 原材料

PP，T30S，執(zhí)行標準為Q／SHPRD 253—2009，中國石化青島煉油化工有限責任公司生產；楊木粉（80目），邳州板材廠生產；丙酮，上?；嚳萍加邢薰旧a；順丁烯二酸酐，天津市福晨化學試劑廠生產；偶聯(lián)劑KH550，揚州天揚助劑有限公司生產；白油，市售；TPP，市售；DCP，市售；硬脂酸，市售.

1.2 儀器及設備

真空干燥箱，DZF－6210，上海賀德實驗設備有限公司生產；XSS－300轉矩流變儀，上?？苿?chuàng)橡塑機械設備有限公司生產；同向雙螺桿配混擠出機，CTE－35型，科倍隆科亞（南京）機械有限公司生產；高速混合機，SHR－50型，張家港市億利機械有限公司生產；真空干燥箱，DEF－6210，上海貿德實驗設備有限公司生產；注塑機，771－130F2V型 ，東華機械制造有限公司生產；GJ－7045－M沖擊試驗機，高鐵檢測儀器有限公司生產；電子萬能試驗機AI－7000，高鐵檢測儀器有限公司生產.

1.3 試驗工藝

1.3.1 相容劑的制備 將TPP，MAH，DCP溶于少量丙酮中制得助劑的丙酮溶液，將該溶液加入稱好的PP中不斷攪拌均勻使丙酮完全揮發(fā)，將配好的物料加入雙螺桿擠出機中進行擠出造粒，（擠出機溫度控制在150／160／170／180／190／195／200℃，主機頻率5 Hz，喂料頻率3.5 Hz），將制得的PP－g－MAH在80℃烘箱中干燥6 h備用.

1.3.2 復合材料流變性的測試 流程：木粉篩分（80目）→烘干→計量→表面處理→混合→轉矩流變儀.工藝：1）木粉的干燥.120℃，3 h；2）表面處理.將偶聯(lián)劑K H550與無水乙醇均勻混合后，噴灑在已經稱好的木粉里，攪拌5～8 min，放置在室溫下1～2 h讓無水乙醇盡量揮發(fā)完；3）轉矩流變儀.在200℃的溫度和25 r／min的轉速下用轉矩流變儀測PP基木塑復合體系的加工性能，記錄平衡轉矩、平衡溫度及塑化時間.

1.3.3 試樣制備 在高速混合機中混合均勻，然后將混好的物料加入到擠出機中擠出造粒（擠出機溫度控制在150／160／170／180／190／195／200℃，主機頻率5 Hz，喂料頻率3.5 Hz，熔體溫度控制在190～200℃），將得到的粒料放在70℃烘箱中干燥6 h，最后在注射機中制得標準試樣（注射溫度為180～210℃）.

1.3.4 性能測試 試樣按照GB／T 1843－2008（擺錘2.75 J）、GB／T 1040－2006（速度50 r／min）測定WPC的沖擊強度和拉伸強度.

2 結果與討論

2.1 木粉的用量對木塑復合材料力學性能的影響

木粉的用量對木塑復合材料沖擊性能的影響如圖1所示，木塑復合材料的沖擊性能隨著木粉量的增加而下降.因為，復合體系中作為分散相的木粉不能終止裂紋或產生銀紋吸收沖擊能，而使基體中產生應力集中，體系的脆性增加，沖擊性能下降.隨著木粉填充量的增加，填料所占據的體積比例增大，同時木粉分散性變差，顆粒堆砌嚴重，產生了更多的應力集中點，同時嚴重地影響了主要受力的PP基體的連續(xù)性，另外，纖維素分子鏈段本身不易發(fā)生運動，當受到外力作用時，不能依靠改變構象來吸收沖擊能量.因此隨著木粉含量的增加，復合材料的韌性降低，沖擊強度下降［6］.

圖1 木粉含量對復合材料沖擊性能的影響Fig.1 Influence ofwood powder content on impact property of composite

木粉的用量對木塑復合材料拉伸性能的影響如圖2所示，木塑復合材料的拉伸強度隨著木粉量的增加先升高后降低.

圖2 木粉含量對復合材料拉伸性能的影響Fig.2 Influence of wood powder content on tensile property of composite

其原因可能是少量的（30份以內）木粉作為填料具有一定的增強作用，木粉的纖維狀結構具有增強作用.隨著木粉用量的增加，纖維含量也增加，纖維素中的羥基容易形成分子內及分子間氫鍵，使纖維在體系中分散不均；另一方面，由于木粉密度較小，隨著木粉填充量的增加，容易出現木纖維團聚現象，使熔體流動性降低，成型困難，聚集的顆粒引起材料的應力集中及產生缺陷的幾率增大，降低了樹脂基體產生塑性形變的能力［6］.從而導致拉伸強度下降.

2.2 木粉的用量對木塑復合材料加工性能的影響

木粉的用量對復合材料加工性能的影響如圖3、圖4所示.

圖3 不同木粉用量下復合材料的最大扭矩和平衡扭矩Fig.3 Maxi mum torque and balance torque of composite in different wood powder dosage

從圖3，圖4中可以看出，隨著木粉含量的增加，復合材料的最大轉矩和平衡轉矩增大，加工流動性變差；復合材料的平衡時間增加，塑化時間增長.因為木粉用量較少時，木粉很容易分散在基體中，所以對體系的平衡扭矩影響不大.當繼續(xù)增加木粉用量，木粉本身流動性很差，而且它是一種極細的剛性粒子，均勻分散在樹脂中，嚴重阻礙了鏈斷的運動，大大增加了熔體的粘度，致使材料的流動性下降.

圖4 不同木粉用量下復合材料的平衡時間Fig.4 Equilibriu mtime of composite in different wood powder dosage

2.3 硬脂酸的用量對木塑復合材料力學性能的影響

硬脂酸的用量對木塑復合材料沖擊性能影響見圖5所示，木塑復合材料的沖擊強度隨著硬脂酸量的增加先下降后升高.

圖5 硬脂酸的用量對復合材料沖擊性能的影響Fig.5 Influence of stearic acid content on impact property of composite

硬脂酸用量對復合材料拉伸性能的影響見圖6所示：拉伸強度隨著硬脂酸量的增加先升高后下降.

圖6 硬脂酸的含量對復合材料拉伸性能的影響Fig.6 Influence of stearic acid content on tensile property of composite

原因可能是硬脂酸在木粉表面引入長脂肪鏈，降低了木粉的極性，有利于木粉在基體樹脂PP中分散，并可通過長脂肪鏈與基體樹脂之間產生的纏結作用，提高木粉與樹脂間的界面作用力.導致復合材料的拉伸和沖擊強度增加；隨著硬脂酸的量增加到有剩余的硬脂酸殘留在木粉表面，木粉與PP的界面張力增加，導致力學性能下降［7］.

2.4 硬脂酸的用量對復合材料加工性能的影響

硬脂酸用量對復合材料加工性能的影響如圖7，圖8所示：隨著硬脂酸量的增加，復合材料的最大轉矩、平衡轉矩和平衡時間均降低，加工性能變好，流動性變好，塑化時間變短，硬脂酸在1.5份時最好.

圖7 不同硬脂酸用量的復合材料的最大扭矩和平衡扭矩Fig.7 Maxi mu m torque and balance tor que of composite in different stearic acid dosage

圖8 不同硬脂酸用量的復合材料的平衡時間Fig.8 Equilibrium time of composite composite in different stearic acid dosage

原因可能是硬脂酸作為潤滑劑可以加速熔融，降低粘度，改善流動性，改善物料的加工性能.樹脂塑化前，硬脂酸的極性與木粉的極性相近，硬脂酸能較容易的插入木粉，木粉的極性結點與硬脂酸的極性部分的親和力較強，據此，可以對木粉進行有效的處理.經硬脂酸處理了的木粉界面張力降低［7］；樹脂塑化后內潤滑劑的極性基團減弱了熔體內分子間及分子鏈段之間的相互作用力，使PP樹脂熔體易于流動，降低了塑化扭矩，降低了熔體黏度，起到內潤滑的作用.另外硬脂酸能夠防止木粉的團聚，促進木粉混入基體中和塑料分子鏈的解纏結，提高熔體的流動性.

3 結論

1）隨著木粉用量增加，復合材料的沖擊性能逐漸下降，拉伸性能先上升后下降.

2）木粉含量的增加，使得復合材料的最大轉矩減小，加工性能變好，復合材料的平衡轉矩增大，加工流動性變差；復合材料的平衡時間增加，塑化時間增長.

3）隨硬脂酸用量增加，復合材料的沖擊性能先下降后上升，拉伸性能先上升后下降.

4）硬脂酸量的增加，使復合材料的最大轉矩、平衡轉矩和平衡時間均降低，加工性能變好，流動性變好，塑化時間變短，硬脂酸最佳用量為1.5份左右.

［1］郭勇，李大綱，陳玉霞，等.高填充木塑復合材料熱性能的研究［J］.工程塑料應用，2013，41（5）：10－13.

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［3］孔萍，吳清鶴，吳建文，等.稀土偶聯(lián)劑在再生PP／木粉復合材料中的應用研究［J］.工程塑料應用，2008，36（3）：20－23.

［4］郝智，尹宏，伍玉嬌，等.木粉預處理對PP木塑復合料性能應用［J］.現代塑料加工應用，2012，24（5）：24－27.

［5］尤成宏，王曉敏，張昕，等.矩流變儀在合成樹脂產品開發(fā)中的應用［J］.當代化工，2013，42（6）：775－778.

［6］楊玲玲，李慧，鐘志有，等.聚丙烯基木塑復合材料力學性能的研究［J］.塑料科技，2010，38（2）：36－39.

［7］朱德欽、生瑜、蘇曉芬，等.硬脂酸／異氰酸酯摩爾比對聚丙烯／木粉復合材料性能的影響［J］.應用化學，2013，30（101）：107－111.