高 華， 黃海兵， 朱香菊， 湯紅梅

(1.貴州民族大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.黑龍江省木材科學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150081；3.貴州廣播電視大學(xué)，貴州 貴陽 550020)

木塑復(fù)合材料(簡稱WPC)作為一種綠色環(huán)保材料，兼具木質(zhì)材料和聚合物材料的某些優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于戶外建筑設(shè)施，替代木材、金屬和無機非金屬等制品。對于在戶外使用的WPC制品，陽光照射及風(fēng)吹雨淋是不可避免的，WPC制品長期在水分和光照的作用下會出現(xiàn)表面褪色、翹曲、斷裂破壞等現(xiàn)象，大大降低了美觀性和使用壽命，因此其耐候性是值得關(guān)注的主要問題之一。關(guān)于木塑復(fù)合材料的耐候性已有一系列成熟的研究方法及大量的研究成果，其中短期試驗是評估其耐候性的方法之一，加速老化處理(如水浸泡、煮沸、冷凍、紫外光照射等)因易于執(zhí)行，比戶外暴露測試更標準化，是目前采用較多的耐候性研究方法[1-2]。

Soccalingame等對比純PP、10%和30%木粉增強PP復(fù)合材料(PP/WF10和PP/WF30)紫外老化結(jié)果，研究顯示PP沒有觀察到特定的視覺退化，木質(zhì)復(fù)合材料表面具有很強的視覺變化，并且這些木材顆粒表面出現(xiàn)許多裂紋，在PP/WF30暴露的表面上還出現(xiàn)發(fā)粉現(xiàn)象，而PP/WF10上不存在[3]。不同粒徑木纖維增強的聚乙烯基復(fù)合材料老化后，大尺寸(10～20目)木纖維填充木塑復(fù)合材料的抗彎性能比其他的好，并且沖擊強度提高幅度最大，但老化到一定程度后，10～20目木纖維填充木塑復(fù)合材料的彎曲模量快速下降，并與相應(yīng)含20～40目和40～80目纖維的材料趨于一致[4]。Lee等比較了基于PE、PP、PS及其相應(yīng)再生料(rHDPE-I和rHDPE-II、rPP、rPS)木塑復(fù)合材料的耐老化性，紫外加速老化2 000 h后檢測結(jié)果顯示，基于rHDPE-II的復(fù)合材料表現(xiàn)出最高的MOR和MOE保留率，而基于PS的WPC的最低。基于PS的WPC由于表面的光氧化而表現(xiàn)出最嚴重的降解，而基于PE的WPC的降解最輕微[5]。由此可見，木塑復(fù)合材料老化最直接的是引起表面和力學(xué)性能的變化，不僅與木質(zhì)纖維材料的填充量、粒徑大小、基體類型有關(guān)，也取決于塑料基體與木纖維界面的相容性、添加劑、使用環(huán)境及加工方法等因素[6-9]。

本研究分別以聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE)以及其馬來酸酐接枝產(chǎn)物作為基體，制備4種木纖維(WF)增強復(fù)合材料，研究兩種樹脂改性對復(fù)合材料的耐水性及紫外光老化對材料材色和彎曲性能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

PP(T30S)、HDPE(2200J)、MAH(化學(xué)純)、過氧化二異丙苯(DCP 分析純)、丙酮(分析純)、WF(30-50目)、聚乙烯蠟，均為市售。

1.2 復(fù)合材料制備

按10∶1的比例稱取接枝單體MAH和引發(fā)劑DCP，為了使其更好地分散，用丙酮作為溶劑將二者溶解并噴灑到PP和HDPE粒料上，待溶劑揮發(fā)后，在雙螺桿擠出機中通過熔融擠出進行樹脂的接枝改性，造粒后制得MAH-g-PP和MAH-g-PE。PP、HDPE、MAH-g-PP和MAH-g-PE分別與WF按重量比3∶7混合，并添加2%的聚乙烯蠟，經(jīng)造粒后擠出成型。

1.3 吸水測試

吸水試驗按ASTM D570標準進行。首先，將所有試件在80 ℃溫度下干燥24 h使其達到恒重，測定并記錄試件的重量和厚度，然后將試件分別浸泡在(23±1)℃的蒸餾水中。每隔一定時間將試件從水中取出，用無絨布將表面的水除去，然后稱重(精確至0.001 g)并測量厚度，之后再次將試件浸泡在蒸餾水中。每組5個試件，結(jié)果取平均值。吸水率Wi和吸水厚度膨脹率Ts分別按式(1)和式(2)計算：

(1)

(2)

式中：w0和t0分別為浸泡前的質(zhì)量(g)和厚度(mm)；w和t分別為浸泡后的質(zhì)量(g)和厚度(mm)。

1.4 老化測試與性能表征

(1)老化測試：按ASTM G154標準，用UV-A340型熒光紫外燈對WPC試件進行紫外光加速老化測試，總計老化2 000 h，每隔500 h測一次材色和彎曲性能。

(2)表面材色測試：采用手持式色度儀(Minolta CR-13)測定試件的L*、a*、b*，每個試件選測5個點，取平均值。依據(jù) CIEL*a*b*1976表色系統(tǒng)，由老化前后L*、a*、b*分別計算對應(yīng)的差值△L*、△a*、△b*，按式(3)計算色差△E：

△E=(△L*2+△a*2+△b*2)1/2

(3)

(3)彎曲性能測試：根據(jù)ASTM D 790標準規(guī)定的方法，采用萬能力學(xué)試驗機進行彎曲性能測試，參數(shù)設(shè)置為跨距64 mm、加載速度2 mm/min，每組平行測試5個試件。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 木塑復(fù)合材料的耐水性

PP基和PE基WPC基體改性前后的吸水率Wi和吸水厚度膨脹率Ts隨時間的變化關(guān)系如圖1所示。對PP/WF和PE/WF兩種復(fù)合材料，木纖維和塑料基體之間的結(jié)合差，界面間的間隙和缺陷為水分提供了進入的通道，其Wi和Ts在前14天隨著時間增加迅速，之后吸水速率變化趨于平穩(wěn)；而PP和PE接枝改性后，其木塑復(fù)合材料的Wi和Ts顯著降低，24 h浸水試驗結(jié)果顯示，PP基木塑復(fù)合材料的Wi和Ts分別從基體未改性的4.33%、5.82%下降至1.19%、2.28%；PE基木塑復(fù)合材料的Wi和Ts則分別從4.27%、4.33%下降至1.77%、3.08%，并且隨時間延長降速放緩，這可能是基體改性后引入的極性酸酐基團可與木纖維表面的羥基反應(yīng)，一方面增強其與木纖維之間的界面相容性，另一方面減少親水性羥基的數(shù)量，從而降低了木塑復(fù)合材料的吸水速率。

2.2 紫外老化性能

2.2.1 紫外老化對復(fù)合材料表面顏色的影響

復(fù)合材料紫外老化前后的明度△L*和顏色變化△E*情況如圖2所示。從圖2中可以看出，4種復(fù)合材料明度和顏色的變化趨勢基本一致，前500 h內(nèi)增加幅度最大，之后增加幅度略慢，而且隨著老化時間的延長變淺和褪色越來越明顯?；w改性對其木塑復(fù)合材料老化前后的顏色變化影響不大，原因可能是復(fù)合材料的褪色主要取決于木纖維，因為木纖維中的主要成分木質(zhì)素容易發(fā)生光致褪色，在紫外光照射下發(fā)生光降解反應(yīng)，生成羧基、醌、過氧羥基等發(fā)色官能團和自由基，進而使復(fù)合材料發(fā)生褪色[10-13]。

圖1 木塑復(fù)合材料的吸水率和厚度膨脹率

圖2 紫外老化前后木塑復(fù)合材料明度和顏色的變化

2.2.2 紫外老化對復(fù)合材料彎曲性能的影響

紫外老化前后木塑復(fù)合材料的彎曲性能變化如圖3所示。由圖3可以看出，4種復(fù)合材料的彎曲性能都呈現(xiàn)下降的趨勢，經(jīng)2 000 h紫外老化后，其中彎曲強度分別下降了32.32%、36.38%、37.68%和32.60%，而彎曲模量分別下降了39.24%、40.02%、39.95%和39.15%。由圖中曲線的變化趨勢可以看出，在前500 h內(nèi)彎曲強度和彎曲模量變化最大，之后二者都隨老化時間的增加變化放緩?；w經(jīng)過改性后，其復(fù)合材料的彎曲性能得到很大提高，但老化前期基體改性的復(fù)合材料要比未改性的下降明顯，這可能是基體改性過程中存在副反應(yīng)，同時殘留未發(fā)生反應(yīng)的小分子MAH和DCP，使得光降解的引發(fā)源增多[14-16]，而PP由于存在叔碳原子，其復(fù)合材料的耐老化性能較PE基木塑復(fù)合材料稍差。總體來說，基體經(jīng)過改性的復(fù)合材料仍相對具有較高的力學(xué)保持率。

圖3 紫外老化前后木塑復(fù)合材料的彎曲性能變化

3 小結(jié)

對于PP/WF和PE/WF兩種復(fù)合材料，其Wi和Ts在前14天隨著時間增加迅速，而PP和PE接枝改性后吸水速率減慢，浸泡24 h后PP基木塑復(fù)合材料的Wi和Ts分別從基體未改性的4.33%、5.82%下降至1.19%、2.28%；PE基木塑復(fù)合材料的Wi和Ts則分別從4.27%、4.33%下降至1.77%、3.08%。老化結(jié)果顯示，基體改性對其木塑復(fù)合材料老化前后的明度和顏色變化影響不大，4種復(fù)合材料的彎曲性能在經(jīng)過2 000 h老化后都有不同程度的降低，雖然老化前期基體改性的復(fù)合材料要比未改性的下降明顯，但總體來說仍具有較高的力學(xué)保持率。