發(fā)泡劑對PVC木塑復(fù)合裝飾板性能的影響

劉剛連1龔迎春2吳章康1湯正捷1

(1.西南林業(yè)大學(xué)材料工程學(xué)院，云南 昆明 650224，2.中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091)

摘要：通過測試PVC基木塑裝飾板的物理力學(xué)性能，研究復(fù)合發(fā)泡劑配比和發(fā)泡劑添加方式對PVC木塑裝飾板的密度、抗彎強(qiáng)度、表面結(jié)合強(qiáng)度、板面握螺釘力和72h吸水厚度膨脹率的影響。結(jié)果表明:添加當(dāng)復(fù)合發(fā)泡劑AC、ZnO、NaHCO3配比為6∶1∶4時(shí)，PVC木塑復(fù)合裝飾板的抗彎強(qiáng)度、表面結(jié)合強(qiáng)度、板面握螺釘力最大，分別為21.08MPa、0.67MPa、0.82kN，達(dá)到GB/T 24137—2009《木塑裝飾板》的要求；采用直接添加發(fā)泡劑的PVC木塑復(fù)合裝飾板的力學(xué)性能優(yōu)于采用先混合物料后添加發(fā)泡劑的PVC木塑復(fù)合裝飾板的力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：木塑裝飾板；聚氯乙烯；發(fā)泡劑；力學(xué)性能

中圖分類號：S781.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-1914(2015)02-0105-05

Abstract:The effects of the ratios and adding ways of foaming agent on the properties of the PVC wood-plastic composite(WPC)decorative boards by testing the physical and mechanical properties. Results showed that，when the ratio of composite foaming agent AC, ZnO, NaHCO3 was 6∶1∶4, the bending strength, the surface bonding strength，and the screw holding capability of WPC decorative boards to maximum were 21.08MPa，0.67MPa，0.82KN，respectively. And then they met the GB/T 24137—2009standards. The mechanical properties of WPC decorative boards with directly adding the composite foaming agent were better than that with first mixing and then adding the foaming agent.

Keywords:wood-plastic composite decorative boards;PVC;foaming agent;mechanical properties

The Effects of the Foaming Agent on Properties of PVC

Wood-Plastic Composite Decorative Boards

LIU Gang-lian1,GONG Ying-chun2,WU Zhang-kang1,TANG Zheng-jie1

(1.College of Materials Engineering, Southwest Forestry University, Kunming Yunnan 650224,China；

2.Research Institute of Wood Industry, Chinese Academy of Forest, Beijing 100091,China)

木塑復(fù)合材料(wood-plastic composites，WPC)是一種新型環(huán)保材料，以植物的木質(zhì)粉料或木纖維作為增強(qiáng)填料，經(jīng)過預(yù)處理后與熱塑性塑料(1種或多種)混合，同時(shí)添加一些其他助劑，經(jīng)過熱壓、擠出、注塑等方式加工而成的復(fù)合材料[1-3]。木塑復(fù)合材料兼?zhèn)淞四静暮退芰系碾p重特性，可加工制成多種顏色 ，其紋理和加工性能與木材相似，同時(shí)還具有化學(xué)性能穩(wěn)定、強(qiáng)度高、抗蟲菌效果較好、可回收利用等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的代木材料。優(yōu)良的綜合性能使木塑復(fù)合材料有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如家具、包裝、汽車、航空、交通運(yùn)輸、體育用品、休閑用品、裝飾材料及日常生活用具等[4]。

PVC塑料的密度較大，加工過程中的擠壓工藝使木質(zhì)粉料密實(shí)化，制得的木塑復(fù)合材料密度較大，通常為1.2～1.4g/cm3，較大的密度使其在室內(nèi)裝飾材料領(lǐng)域受到限制[5-6]。木塑復(fù)合材料發(fā)泡能減小復(fù)合材料密度，降低生產(chǎn)成本，同時(shí)泡孔的存在可鈍化裂紋尖端，阻止裂紋擴(kuò)張，改善復(fù)合材料的抗沖擊性能和韌性，拓展木塑復(fù)合材料的使用領(lǐng)域，提高其市場價(jià)值[7]。白曉艷等[8]研究改性AC發(fā)泡劑對PVC木塑復(fù)合材料性能的影響，結(jié)果表明,添加AC發(fā)泡劑PVC木塑復(fù)合材料沖擊性能提高34.6%，表觀密度降低22.5%；葛正浩等[9]研究秸稈粉/PP微孔發(fā)泡復(fù)合材料的發(fā)泡工藝研究，結(jié)果表明,當(dāng)AC發(fā)泡劑添加量為4份，復(fù)合材料密度最小為0.95g/cm3，抗沖擊強(qiáng)度最大為14.88kJ/m2；Rizivi G等[10]對擠出發(fā)泡成型工藝進(jìn)行了研究；Matuana等[11]采用木材中的水分制備木塑復(fù)合發(fā)泡材料做了研究。許多學(xué)者對木塑復(fù)合材料的發(fā)泡進(jìn)行了研究，但木塑復(fù)合發(fā)泡材料的影響因素多，發(fā)泡效果的改善仍有待優(yōu)化。本試驗(yàn)采用工業(yè)化生產(chǎn)線制備PVC木塑復(fù)合裝飾板，研究復(fù)合發(fā)泡劑成分不同量的配比和發(fā)泡劑的添加順序?qū)VC木塑裝飾板的密度、抗彎強(qiáng)度、表面結(jié)合強(qiáng)度、板面握螺釘力和吸水厚度膨脹率等性能的影響，以期對工業(yè)化制備木塑復(fù)合發(fā)泡材料的生產(chǎn)提供一定的參考。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

橡膠木(HeveaBrasiliensis)木粉：產(chǎn)自云南西雙版納地區(qū)，由工廠加工所得，原料經(jīng)干燥至含水率2%～3%，篩選至目數(shù)為40～60目；聚氯乙烯樹脂(PVC)：SG-8型，白色粉末，云南鹽化股份有限公司；發(fā)泡劑：偶氮二甲酰胺(AC)，山東淄博華星助劑有限公司；氧化鋅(ZnO)，廈門市恒昊實(shí)業(yè)有限公司；碳酸氫鈉(NaHCO3)：白色粉末，NaHCO3含量大于99.2%，四川自貢鴻鶴化工有限公司。

1.2樣品制備

將木粉、聚氯乙烯、發(fā)泡劑、偶聯(lián)劑及其他添加劑按照配方加入到高速混煉機(jī)中混煉20～30min，螺旋槳轉(zhuǎn)數(shù)1500r/min，溫度升至115～120 ℃后，經(jīng)過冷凝鍋倒出物料；將混好的物料利用同向雙螺桿造粒機(jī)造粒，螺桿轉(zhuǎn)數(shù)15r/min，造粒溫度115～1180℃，將造好的木塑顆粒通過錐形雙螺桿擠出機(jī)擠出制的木塑復(fù)合材料，螺桿轉(zhuǎn)數(shù)10r/min，擠出溫度130～190℃，冷卻至常溫，待性能測試。連續(xù)擠出制備樣品的厚度5mm，寬45mm。

1.3試驗(yàn)方案

1) 研究復(fù)合發(fā)泡劑配比對PVC基木塑復(fù)合裝飾板性能的影響，復(fù)合發(fā)泡劑由偶氮二甲酰胺(AC)、ZnO和NaHCO3混合而成，三者質(zhì)量比分別為：A1(10∶1∶0)、A2(8∶1∶2)、A3(6∶1∶4)，添加量見表1。木粉與PVC的質(zhì)量比為1∶2，復(fù)合發(fā)泡劑質(zhì)量為PVC質(zhì)量的2%。

表1　發(fā)泡劑添加量

2) 在采用復(fù)合發(fā)泡劑(AC、ZnO、NaHCO3)，其三者質(zhì)量比為6∶1∶4的條件下，研究發(fā)泡劑的添加方式對PVC基木塑復(fù)合裝飾板性能的影響，添加方式分別為：試樣B1為將木粉、PVC、復(fù)合發(fā)泡劑、其他填料加入到高速混煉機(jī)中混合，然后造粒擠出成型；試樣B2為直接將木粉、PVC、其他填料加入到高速混煉機(jī)中混合，將混合好的物料冷卻到40～50 ℃，然后加入發(fā)泡劑混合均勻，再造粒擠出成型。

1.4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(yàn)方法》和GB/T 24137—2009《木塑裝飾板》的要求對試樣進(jìn)行抗彎強(qiáng)度、表面結(jié)合強(qiáng)度和板面握螺釘力等測試。

1) 抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)。根據(jù)GB/T 24137—2009的要求，試樣長為150 mm，寬為45 mm，厚為5 mm。試驗(yàn)機(jī)橫梁加載的速率公式為：

(1)

式中：R為試驗(yàn)機(jī)加載速率(mm/min)；L為測試跨距(mm)；h為試件厚度(mm)。

試件強(qiáng)度計(jì)算公式為：

(2)

式中：σa為試件的抗彎強(qiáng)度(MPa)；Pmax為試件破壞時(shí)最大載荷(N)；L為兩支座間距(mm)；b為試件寬度(mm)；h為試件厚度(mm)；

2) 表面結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)。根據(jù)GB/T 24137—2009的要求，試件長度為50 mm，寬度為45 mm。表面結(jié)合強(qiáng)度計(jì)算公式為：

(3)

式中：σz⊥為試件表面結(jié)合強(qiáng)度(MPa)；Pmax為試件破壞時(shí)最大載荷(N)；A為試件與卡頭粘合面積，A=1000mm2。

3) 板面握螺釘力試驗(yàn)。按照GB/T 17657—1999中4.10規(guī)定方法檢測試樣。

4) 72h吸水厚度膨脹率試驗(yàn)。吸水厚度膨脹率公式為：

(4)

式中：T為試件厚度膨脹率(%)；h1為試件浸水前厚度(mm)；h2為試件浸水后厚度(mm)；

5) 微觀結(jié)構(gòu)分析。利用掃描電鏡對試樣斷面進(jìn)行觀察和圖樣采集，對法袍材料的泡孔特征進(jìn)行表征，分析泡孔密度、泡孔大小、泡孔分布等情況。

2結(jié)果與分析

2.1發(fā)泡劑配比對PVC木塑裝飾板的影響

2.1.1物理性能用不同配比發(fā)泡劑制備PVC基木塑裝飾板，對試樣A1、A2、A3的72h吸水厚度膨脹率和密度進(jìn)行測試，結(jié)果見表2。

表2　不同配比PVC木塑復(fù)合材料裝飾板物理性能

由表2可知，添加復(fù)合發(fā)泡劑后制備的試件A1、A2、A3與空白試件相比較，密度均有明顯的下降，幅度達(dá)31.36%～36.44%；試件A1、A2、A3的72h吸水厚度膨脹率明顯高于空白試件，幅度為22.22%～60.32%。添加發(fā)泡劑能有效地降低復(fù)合材料的密度，但耐水性能有所降低，表明不同配比的復(fù)合發(fā)泡劑對復(fù)合材料的密度和72h吸水厚度膨脹率性能存在影響。其中復(fù)合發(fā)泡劑AC、ZnO、NaHCO3質(zhì)量配比為8∶1∶2時(shí)，制備的PVC基木塑復(fù)合裝飾板密度最小，為0.75g/cm3，但72h吸水厚度膨脹最大，為1.01%；復(fù)合發(fā)泡劑AC、ZnO、NaHCO3質(zhì)量配比為10∶1∶0和6∶1∶4時(shí)，制備的PVC基木塑復(fù)合裝飾板密度分別為0.79g/cm3和0.81g/cm3，72 h吸水厚度膨脹為0.77%和0.82%，兩者差別不明顯。

2.1.2力學(xué)性能對不同發(fā)泡劑制備的PVC木塑裝飾板進(jìn)行試樣A1、A2、A3和不加發(fā)泡劑制備的空白試樣進(jìn)行抗彎強(qiáng)度、表面結(jié)合強(qiáng)度、板面握螺釘力等力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果見圖1。

由圖1可知，與空白試件相比較，試件A1、A2、A3的抗彎強(qiáng)度、表面結(jié)合強(qiáng)度、板面握螺釘力均呈下降趨勢，其下降幅度分別為16.02%～33.19%、14.10%～24.36%、29.91%～39.32%。試件A1、A2、A3的抗彎強(qiáng)度、表面結(jié)合強(qiáng)度、板面握螺釘力之間也存在明顯差別，試件A3的3項(xiàng)力學(xué)性能優(yōu)于試件A1、A2。組成發(fā)泡劑的成分AC、ZnO、NaHCO3質(zhì)量配比不同時(shí)，PVC木塑復(fù)合裝飾板的抗彎強(qiáng)度、表面結(jié)合強(qiáng)度、板面握螺釘力呈現(xiàn)不同的趨勢，其中當(dāng)AC、ZnO、NaHCO3質(zhì)量配比為6∶1∶4時(shí)，PVC木塑復(fù)合裝飾板的抗彎強(qiáng)度、表面結(jié)合強(qiáng)度、板面握螺釘力最大，分別為21.08MPa、0.67MPa、0.82kN，滿足GB/T 24137—2009對于抗彎強(qiáng)度>20MPa、表面結(jié)合強(qiáng)度>0.6MPa、板面握螺釘力>0.8kN的要求。同時(shí)，制備試樣A3用的發(fā)泡劑NaHCO3成分含較多，NaHCO3比AC的成本低，NaHCO3的引入有利于降低了發(fā)泡劑的成本。

2.1.3泡孔形態(tài)對用不同發(fā)泡劑制備試樣A1、A2、A3斷面用掃描電鏡觀察，見圖2。

由圖2可以看出，不同發(fā)泡劑制備試樣斷面的泡孔結(jié)構(gòu)和密度存在著一定的差異，試樣A1的孔徑較大，泡孔大小不均勻，并且有較多的泡孔合并現(xiàn)象；試樣A2相對試樣A1泡孔孔徑略小，泡孔密度略有增加，泡孔合并現(xiàn)象減少；試樣A3的泡孔密度最大，孔徑較小，泡孔分布也較均勻。不同發(fā)泡劑對PVC基木塑復(fù)合發(fā)泡材料的泡孔結(jié)構(gòu)存在影響，相同條件下，制備試樣A3用的復(fù)合發(fā)泡劑組合效果較好。

這是由于AC發(fā)泡劑是放熱型發(fā)泡劑，在生產(chǎn)過程中AC受熱分解，在放出氣體瞬間會產(chǎn)生大量的熱，使塑料基體局部過熱黏度降低，氣體易逸出，造成熔體不飽和，影響發(fā)泡效果[12-13]。而NaHCO3是吸熱型發(fā)泡劑，AC與NaHCO3同時(shí)使用對改善發(fā)泡效果具有一定效果。ZnO是作為發(fā)泡助劑來一起使用，將有效降低發(fā)泡劑AC的突發(fā)溫度，減少AC發(fā)泡劑在分解過程中的放熱量，使發(fā)泡劑AC發(fā)氣穩(wěn)定[14]。

2.2發(fā)泡劑添加方式對PVC木塑裝飾板的影響

2.2.1物理性能改變發(fā)泡劑在混料過程中的添加順序制備PVC基木塑裝飾板，對PVC基木塑裝飾板的試樣B1、B2的72 h吸水厚度膨脹率和密度進(jìn)行測試，結(jié)果見表3。

表3　不同添加方式PVC木塑裝飾板物理性能

由表3可知，不同的發(fā)泡劑添加方式對PVC基木塑復(fù)合裝飾板的72h吸水厚度膨脹率和密度均有影響，其中采用先混合其他物料、后添加發(fā)泡劑制備的PVC木塑復(fù)合裝飾板的72h吸水厚度膨脹率和密度分別為0.93%和0.78g/cm3，相比較直接添加發(fā)泡劑PVC木塑復(fù)合裝飾板，其72h吸水厚度膨脹率高13.4%，密度增加2.5%，發(fā)泡劑添加方式對PVC木塑復(fù)合裝飾板的72h吸水厚度膨脹率影響較大，但對PVC木塑復(fù)合裝飾板的密度影響不大。

2.2.2力學(xué)性能對不同發(fā)泡劑添加方式制備的PVC木塑復(fù)合材料試樣B1、B2和空白試樣進(jìn)行抗彎強(qiáng)度、表面結(jié)合強(qiáng)度、板面握螺釘力等力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，不同的發(fā)泡劑添加方式對PVC基木塑復(fù)合裝飾板的抗彎強(qiáng)度、表面結(jié)合強(qiáng)度、板面握螺釘力有較明顯的影響。采用B1制備的PVC木塑復(fù)合裝飾板試樣的抗彎強(qiáng)度為21.08MPa，表面結(jié)合強(qiáng)度為0.67MPa，板面握螺釘力為0.82kN，相對B23個(gè)力學(xué)指標(biāo)分別提高了16.01%、28.85%、24.24%，因此B1方式比較理想。

2.2.3泡孔形態(tài)分析不同發(fā)泡劑添加方式制備的PVC基木塑裝飾板試樣B1、B2力學(xué)性能存在差異的原因，對試樣B1、B2斷面用掃描電鏡觀察，結(jié)果見圖4。

從圖4可以看出，不同方式添加發(fā)泡劑制備的PVC基木塑裝飾板的斷面差別較為明顯，試樣B1的斷面木粉與塑料基體分離界面不清晰，說明木塑兩種材料表界面粘合的較好。試樣B2相對試樣B1的斷面，木粉與塑料基體分離界面較清晰，表明試樣B2的木塑界面結(jié)合效果不如試樣B1，試樣B1、B2力學(xué)性能試驗(yàn)恰好驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

3結(jié)論

1) 制備的PVC木塑復(fù)合裝飾板時(shí)添加復(fù)合發(fā)泡劑能明顯降低其密度，同時(shí)復(fù)合材料的力學(xué)性能也有所下降。當(dāng)復(fù)合發(fā)泡劑AC、ZnO、NaHCO3質(zhì)量配比為6∶1∶4時(shí)，制備的PVC木塑復(fù)合裝飾板的抗彎強(qiáng)度、表面結(jié)合強(qiáng)度、板面握螺釘力較大，分別為21.08MPa、0.67MPa、0.82kN，達(dá)到國標(biāo)《木塑裝飾板》(GB/T 24137—2009)要求；電鏡試驗(yàn)表明不同發(fā)泡劑對PVC基木塑復(fù)合發(fā)泡材料的泡孔結(jié)構(gòu)存在影響，復(fù)合發(fā)泡劑AC、ZnO、NaHCO3質(zhì)量配比為6∶1∶4時(shí)，試樣電鏡照片中的泡孔密度最大，孔徑較小，泡孔分布也較均勻，發(fā)泡效果較理想。

2) 復(fù)合發(fā)泡劑添加方式對PVC木塑復(fù)合裝飾板的密度和力學(xué)性能有一定影響，采用直接將發(fā)泡劑與物料一起混入的方式優(yōu)于先充分混合物料后再添加發(fā)泡劑的方式，試樣B1的抗彎強(qiáng)度為21.08MPa，表面結(jié)合強(qiáng)度為0.67MPa，板面握螺釘力為0.82kN，比試樣B2的抗彎強(qiáng)度、表面結(jié)合強(qiáng)度、板面握螺釘力分別提高了16.01%、28.85%、24.24%，前者方式制備的PVC木塑裝飾板的力學(xué)性能優(yōu)于后者。

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(責(zé)任編輯曹龍)