李滿枝，陳威，龔光澤，李亞斌

（天津渤化永利化工股份有限公司，天津300450）

1 前言

木塑復(fù)合材料的俗稱是“生物質(zhì)和聚合物復(fù)合材料”，英文名稱Wood-Plastic Composites，簡(jiǎn)稱WPC，是目前發(fā)展非常迅速的一類(lèi)生物質(zhì)復(fù)合材料，其主要是由聚合物(PVC、PE、PLA 或 PP)和植物組分混合而成，植物組分主要是木粉、植物纖維，果殼等[1～5]。

WPC 作為一種新型環(huán)保材料，在生物質(zhì)復(fù)合材料領(lǐng)域發(fā)展迅速，是未來(lái)一段時(shí)間的重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo)。由于WPC 具有成本低廉、無(wú)毒無(wú)害、可生物降解等諸多優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于制作餐具、日用品、玩具、環(huán)保地板、外墻板、內(nèi)門(mén)等多種領(lǐng)域。

作為化工企業(yè)，綠色環(huán)保、安全發(fā)展是企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的大趨勢(shì)，木塑復(fù)合材料憑借“環(huán)保、節(jié)能”的概念，以及自身優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展迅猛，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。因此，開(kāi)發(fā)研制木塑復(fù)合材料，進(jìn)一步豐富公司的技術(shù)儲(chǔ)備,積極為公司未來(lái)發(fā)展孵化新的盈利增長(zhǎng)點(diǎn)具有深遠(yuǎn)的意義。

本文采用LDPE 作為基體聚合物，楊木粉作為植物組分，加入抗氧劑和防霉劑等添加劑，按照一定比例添加自制的相容劑進(jìn)行高速共混，利用雙螺桿擠出機(jī)制備了木塑復(fù)合材料，研究表明，當(dāng)楊木粉添加量為8%時(shí)，所制備的木塑復(fù)合材料性能最佳。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)主要原料（見(jiàn)表1）

表1 實(shí)驗(yàn)原料及型號(hào)

2.2 儀器與設(shè)備（見(jiàn)表2）

表2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

2.3 試驗(yàn)的基本過(guò)程

2.3.1 原材料的表面處理

1）LDPE 的預(yù)處理：將一定數(shù)量的 LDPE 放入托盤(pán)中，并置于烘箱中進(jìn)行干燥處理（烘箱干燥條件：70℃，2h）；

2）MAPE 的預(yù)處理：將一定數(shù)量MAPE 放入托盤(pán)中，并置于烘箱中進(jìn)行干燥處理（烘箱干燥條件：70℃，2h）；

3）楊木粉的表面處理：將一定質(zhì)量的楊木粉（200 目）放入NaOH 溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%）中浸泡2h 后加熱沸騰20min 楊木粉與 NaOH 的質(zhì)量比為1∶8），過(guò)濾出楊木粉并用水洗至中性，將其放入烘箱中進(jìn)行干燥（80℃，2h）；

4）相容劑的配制：將硅烷偶聯(lián)劑KH550 進(jìn)行水解處理，稱取5%KH550（相對(duì)于小麥秸稈粉）加入95%（體積分?jǐn)?shù)）的乙醇水溶液中，室溫?cái)嚢杷?h。

2.3.2 木塑復(fù)合材料的配方配比

在本實(shí)驗(yàn)中，添加楊木粉，制備木塑復(fù)合生物質(zhì)材料，選取五種不同的配方（見(jiàn)表3），通過(guò)注塑進(jìn)行性能測(cè)試，選取最佳的改性配方。

表3 試樣序號(hào)對(duì)應(yīng)的配方比例

2.3.3 木塑復(fù)合材料的制備

將經(jīng)過(guò)預(yù)處理一定數(shù)量的LDPE、楊木粉、MAPE、相容劑、助劑（防霉劑、抗氧劑、）按照不同配方配比分別放入高速混料機(jī)中進(jìn)行充分?jǐn)嚢?0min，取出混合料后放入雙螺桿擠出機(jī)喂料器內(nèi)進(jìn)行拉絲切粒，擠出機(jī)各段的溫度分別為130℃、125℃、125℃、125℃、130℃，螺桿轉(zhuǎn)速為 150r/min，將切好的改性材料放進(jìn)烘箱，烘箱溫度設(shè)置為80℃，干燥2h 后取出，去除粉末及不規(guī)則粒子，涼至常溫后裝入封裝帶保存?zhèn)溆谩?/p>

2.3.4 木塑復(fù)合材料樣條的制備

將制備好的粒料裝入注塑機(jī)料倉(cāng)中，注塑機(jī)各段溫度根據(jù)不同需求選擇（130～150℃），注塑壓力保持80MPa，分別制備拉伸、彎曲、缺口沖擊樣條，將測(cè)試樣條在干燥恒溫（保持23℃）的環(huán)境中放置24h 后，進(jìn)行性能測(cè)試。

2.4 實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法

性能測(cè)試：沖擊性能測(cè)試按照ASTM D256 方法測(cè)試；彎曲性能按照ASTM D790 方法測(cè)試；拉伸性能按照ASTM D638 方法測(cè)試，拉伸速度為50mm/min。

熔體流動(dòng)速率（熔融指數(shù)MI）的測(cè)定方法：將一定質(zhì)量的LDPE 樣品裝在一條制定長(zhǎng)度和直徑的垂直料筒中，在規(guī)定溫度（190℃），荷載（2.16kg）和桶內(nèi)活塞位置的情況下，加熱到熔融狀態(tài)（360s）后，在承受負(fù)荷的活塞的作用下測(cè)量從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定直徑的口模被壓出的質(zhì)量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 不同楊木粉含量對(duì)LDPE 拉伸性能的影響

一般來(lái)講,楊木粉的加入可以使其原材料的成本降低,并提高其硬度、尺寸穩(wěn)定性等,但單一的加入楊木粉會(huì)使產(chǎn)品的沖擊性能下降,加工性能變差。本文對(duì)楊木粉進(jìn)行了界面的表面處理，并加入自制的相容劑，可以有效提高LDPE 的增強(qiáng)增韌性能。

圖1 不同楊木粉含量下對(duì)LDPE 拉伸強(qiáng)度的影響

從圖1 可以看出：拉伸性能隨著楊木粉含量的變化呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì),在試樣序號(hào)3中出現(xiàn)峰值,其拉伸強(qiáng)度提高達(dá)到17.2MPa,試樣序號(hào)1～4 可以基本提高LDPE 的拉伸強(qiáng)度。試樣序號(hào)5 中LDPE 的拉伸強(qiáng)度下降明顯。

3.2 不同楊木粉含量對(duì)LDPE 延伸率的影響

從圖2 可以看出：隨著楊木粉含量的變化，LDPE 的延伸率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，這說(shuō)明，楊木粉的加入，可以顯著提高LDPE 的延伸性能，當(dāng)楊木粉含量在8%時(shí)，延伸率最大，可達(dá)到24.34%，隨著楊木粉含量的進(jìn)一步增加，延伸率開(kāi)始顯著下降。

3.3 不同楊木粉含量對(duì)LDPE 彎曲性能的影響

圖2 不同楊木粉含量對(duì)LDPE 延伸率的影響

從圖3 可以看出：隨著楊木粉含量的變化，彎曲強(qiáng)度在試樣序號(hào)3 時(shí)達(dá)到頂峰，其彎曲強(qiáng)度可達(dá)23.8MPa，這是由于楊木粉的加入,材料抵抗形變的能力增強(qiáng)。隨后，彎曲強(qiáng)度呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，這是由于，隨著楊木粉含量的增大，楊木粉顆粒在LDPE 中的分散尺寸逐漸變大,導(dǎo)致分散不均勻,在其內(nèi)部形成具有裸露的楊木粉顆粒。由下圖可以看出，試樣序號(hào)1～4 中彎曲強(qiáng)度均在空白試樣（序號(hào)0）的強(qiáng)度之上，當(dāng)楊木粉含量達(dá)到15%時(shí)（試樣序號(hào)5），LDPE 的彎曲強(qiáng)度出現(xiàn)明顯下降。

圖3 不同楊木粉含量下對(duì)LDPE 彎曲強(qiáng)度的影響

3.4 不同楊木粉含量對(duì)LDPE 缺口沖擊性能的影響

圖4 不同楊木粉含量下對(duì)LDPE 缺口沖擊強(qiáng)度的影響

從圖4 中可以看出，隨著楊木粉含量比例的增加，在試樣序號(hào)3 中出現(xiàn)峰值,其缺口沖擊強(qiáng)度達(dá)到峰值，之后，呈現(xiàn)顯著下降的趨勢(shì)，當(dāng)楊木粉含量為8%時(shí),LDPE 的結(jié)晶度大, 晶粒小, 結(jié)晶完善,其缺口沖擊強(qiáng)度較高。但隨著楊木粉含量的進(jìn)一步增加, 楊木粉在LDPE 中開(kāi)始團(tuán)聚, 在LDPE基體中易形成缺陷,導(dǎo)致其缺口沖擊強(qiáng)度的下降。

3.5 不同楊木粉含量對(duì)LDPE 硬度性能的影響

從圖5 中可以看出，隨著楊木粉含量比例的增加，LDPE 的硬度逐漸增大，這是由于隨著楊木粉含量的增加,在LDPE 中起到一種骨架作用，在加之經(jīng)過(guò)處理后的楊木粉，能更加有效的與LDPE分子間相結(jié)合，對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定有很大作用。

圖5 不同楊木粉含量下對(duì)LDPE 硬度的影響

4 木塑復(fù)合材料注塑參數(shù)的選擇

添加木粉后LDPE 組分發(fā)生變化，注塑樣條時(shí)，其注塑參數(shù)同樣也會(huì)發(fā)生較大變化。其中，注塑溫度、注塑行程等因素對(duì)LDPE 的成型影響較大。

4.1 木塑復(fù)合材料注塑溫度的選擇

LDPE 的普通物料注塑溫度一般控制在130～150℃。改性后，由于物料中含有楊木粉等物質(zhì)，導(dǎo)致LDPE 的結(jié)晶焓增大，進(jìn)而結(jié)晶溫度升高。注塑溫度過(guò)低則會(huì)導(dǎo)致無(wú)法充滿模具的型腔。另外，其熔融指數(shù)（MI）會(huì)因楊木粉的加入而降低（見(jiàn)表4）。本文經(jīng)過(guò)大量反復(fù)試驗(yàn)，確定了WPC 產(chǎn)品的注塑溫度，僅供參考。

表4 LDPE 和WPC 的MI 值和對(duì)應(yīng)的注塑溫度

值得注意的是，如果物料熔體流速過(guò)低，不能用繼續(xù)提高注塑溫度的辦法來(lái)解決。因?yàn)槿绻麥囟忍?，熔體將發(fā)生裂解現(xiàn)象，同時(shí)木粉因?yàn)闇囟冗^(guò)高而導(dǎo)致糊化。另外，物料注塑溫度也不能過(guò)低，溫度低于150℃時(shí)，熔體的流動(dòng)性能就會(huì)變得較差，無(wú)法充滿型腔。

對(duì)于在合理范圍內(nèi)提高溫度而無(wú)法解決的改性物料而言，增加其流動(dòng)性能的方法，可以從增加注塑速率、減小噴嘴尺寸等方面入手。

4.2 木塑復(fù)合材料注塑行程的選擇

LDPE 的拉伸、彎曲及沖擊樣條的尺寸都是嚴(yán)格按照ASTM 標(biāo)準(zhǔn)或ISO 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行注塑的，但由于木粉的添加，自身成分的改變等，其注塑行程就會(huì)發(fā)生相對(duì)應(yīng)改變。本文經(jīng)過(guò)大量反復(fù)試驗(yàn)、測(cè)量，在滿足與標(biāo)準(zhǔn)樣條一致的尺寸下，得出WPC的注塑行程如表5 所示。

表5 LDPE 與WPC 的注塑行程指標(biāo)要求

5 結(jié)論

新材料技術(shù)研發(fā)將是未來(lái)科研領(lǐng)域的三大重點(diǎn)研究方向之一，木塑復(fù)合材料作為環(huán)境友好型新興材料，既能滿足資源的節(jié)約，又符合當(dāng)今環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，因此，加快木塑復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)價(jià)值和深遠(yuǎn)的歷史意義。本文對(duì)木塑復(fù)合材料的配方配比進(jìn)行了詳細(xì)研究，確定了木粉的最佳添加量，對(duì)木塑復(fù)合材料的進(jìn)一步深入研究提供了相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：

1）楊木粉的加入起到了分子結(jié)構(gòu)增強(qiáng)和兩相成核的作用，可以有效提高LDPE 的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度及硬度，對(duì)延伸率的作用也較為明顯。值得注意的是，當(dāng)楊木粉含量達(dá)到10%以上時(shí)，LDPE 的力學(xué)性能開(kāi)始顯著下降，這是由于隨著楊木粉含量的增加，出現(xiàn)了“團(tuán)聚”現(xiàn)象，導(dǎo)致分散性能不均的原因所造成。

2）關(guān)于WPC 注塑成型的過(guò)程中，需要著重注意的是，要選擇合適的控制溫度進(jìn)行注塑，既要防止溫度過(guò)高導(dǎo)致楊木粉的糊化及LDPE 的熱分解，又要防止溫度過(guò)低，導(dǎo)致物料流動(dòng)速率的變差。同時(shí)，為了力學(xué)性能檢測(cè)的準(zhǔn)確性，在其改性產(chǎn)品注塑時(shí)，必須選取對(duì)應(yīng)的注塑行程參數(shù)。最后，為了減少制件的內(nèi)應(yīng)力，應(yīng)選取適合的模具溫度，同時(shí)避免應(yīng)力開(kāi)裂。