文 霞， 田大慧， 湯瑛召

(蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程學(xué)院， 安徽 蕪湖 241000)

在木塑復(fù)合材料生產(chǎn)中， 原料種類、 木粉種類、 耦合劑種類、 紫外光穩(wěn)定劑種類， 以及它們的表面結(jié)合程度都會(huì)對(duì)其耐老化性能產(chǎn)生影響[1-3]. 聚丙烯(PP)基木塑復(fù)合材料是一種綠色環(huán)保新型材料， 在建筑方面有廣泛的應(yīng)用. 本試驗(yàn)采用混煉-模壓、 擠出-注塑兩種工藝制備PP基木塑復(fù)合材料， 考察紫外光加速老化對(duì)不同成型加工方法制備的PP基木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能、 色差性能的影響.

1 材料與方法

1.1 材料

聚丙烯樹(shù)脂(PP)(型號(hào)K8003， 購(gòu)自燕山石化)； 杉木粉， 秸稈粉， 樺木粉， 竹纖維(這4種材料均由南京賽旺科技發(fā)展有限公司提供)； 馬來(lái)酸酐接枝聚丙烯(MAPP)微粉(160目， 接枝率1.5%， 由廣州市中杰化工科技有限公司提供)； 紫外光穩(wěn)定劑UV-531和UV-326(mUV-531∶mUV-326=1∶1， 由常州友豐化工有限公司提供)； 著色劑BBS紅(由蘇州卡博精細(xì)化工品有限公司提供).

1.2 設(shè)備及測(cè)試儀器

SWMSZ-01型木塑造粒機(jī)(南京賽旺科技發(fā)展有限公司)， JWS65/28型木塑板材擠出成型機(jī)(蘇州金緯機(jī)械制造有限公司)， HJ5000注塑機(jī)(寧波海晶塑機(jī)制造有限公司)， SHR-10A高速混合機(jī)(張家港格蘭機(jī)械有限公司)， CREE-6061-05T模壓機(jī)(東莞市科銳儀器科技有限公司)， Q-Sun Xe-3HS氙燈耐氣候試驗(yàn)箱(美國(guó)Q-Lab公司)， ETM-C臺(tái)式電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(深圳萬(wàn)測(cè)試驗(yàn)設(shè)備有限公司)， XJF-5.5型沖擊試驗(yàn)機(jī)(承德市金建檢測(cè)儀器有限公司)， SC-80C全自動(dòng)色差計(jì)(北京康光儀器有限公司).

1.3 試樣制備

1.3.1 試樣配方

將聚丙烯樹(shù)脂、 木質(zhì)纖維素、 著色劑、 紫外光穩(wěn)定劑及其他助劑按配比經(jīng)過(guò)成型得到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)樣條. 配方如表1所示.

1.3.2 混煉-模壓工藝

將木粉(四種木粉體積百分比各占25%)自動(dòng)過(guò)篩， 控制木粉粒徑在80～100目， 在鼓風(fēng)烘箱中控制溫度為102±2 ℃將木粉干燥10 h， 使得含水率低于2.5%. 將各個(gè)原料按照表1中的比例加入高速混合機(jī)中， 在105 ℃下混合22 min后取出， 然后采用模壓機(jī)模壓成試樣片材. 模壓機(jī)的溫度為205 ℃， 壓力為2.2 MPa.

表1 PP基木塑復(fù)合材料的配方表

1.3.3 擠出造粒-注塑工藝

將木粉自動(dòng)過(guò)篩， 控制木粉粒徑在80～100目， 在鼓風(fēng)烘箱中將木粉充分干燥， 使得含水率低于2.5%. 將各個(gè)原料按照表1中的比例加入高速混合機(jī)中， 在105 ℃下混合22 min后取出， 然后采用SWMSZ-01型木塑造粒機(jī)擠出造粒. 機(jī)筒各區(qū)及模頭溫度范圍在135～245 ℃， 擠出粒料經(jīng)HJ5000注塑機(jī)注塑成片材.

1.4 測(cè)試與表征

1.4.1 力學(xué)性能測(cè)試

拉伸試驗(yàn)按照GB/T 1040.4—2006進(jìn)行， 拉伸速度為2 mm/min； 彎曲試驗(yàn)按照GB/T 9341—2008進(jìn)行， 跨距為48 mm， 加載速度為2 mm/min； 沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)按照GB/T 1843—2008進(jìn)行.

1.4.2 紫外光加速老化試驗(yàn)

根據(jù)ASTM G154-00標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定老化過(guò)程. 試驗(yàn)選用發(fā)射波長(zhǎng)為340 nm的紫外線燈燈管， 輻照強(qiáng)度為0.77 W/m2， 每12 h為一小周期. 首先模擬大氣環(huán)境中太陽(yáng)光的降解作用， 利用波長(zhǎng)為340 nm的紫外線對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行照射8 h， 試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度控制在60±2 ℃. 之后是50 ℃冷凝循環(huán)4 h， 這個(gè)過(guò)程是通過(guò)加熱管的加熱作用使得老化箱底部水槽中的水分蒸發(fā)， 水蒸氣在上升過(guò)程中遇到溫度較低的試樣表面后迅速變冷凝結(jié)成水滴依附在復(fù)合材料的表面上來(lái)實(shí)現(xiàn)的. 在整個(gè)老化過(guò)程中， 最長(zhǎng)時(shí)間為1 500 h， 取樣時(shí)間分別為250 h， 500 h， 750 h， 1 000 h， 1 250 h， 1 500 h. 每組平行老化7個(gè)試樣以備各種測(cè)試使用.

1.4.3 色差分析

材料表面顏色的改變能直接反饋材料老化情況， 色差是衡量外觀顏色變化的重要手段之一. 按照GB/T 7921—2008， 采用SC-80C全自動(dòng)色差計(jì)測(cè)量耐候性試驗(yàn)前后復(fù)合材料表面顏色的變化. 利用CIELAB顏色系統(tǒng)中的L*，a*和b*來(lái)表征表面顏色指標(biāo).L*表示明度指數(shù)， 數(shù)值變化范圍為100(白色)到0(灰色)；a*表示紅綠指數(shù)， (+a*)為紅色， (-a*)為綠色；b*表示黃藍(lán)指數(shù)， (+b*)為黃色， (-b*)為藍(lán)色. 根據(jù)公式計(jì)算色差ΔE*. 每組樣品重復(fù)測(cè)試六次， 并且每個(gè)樣品上測(cè)試5個(gè)位置點(diǎn).

ΔL*——紫外光加速老化前后復(fù)合材料的L*的差值.

2.4 公主嶺霉素對(duì)水稻葉瘟和稻瘟病的田間防治效果 由表2可知，用公主嶺霉素水提液100倍液預(yù)防，對(duì)葉瘟病的防治效果達(dá)82.86%。 采用治療評(píng)價(jià)公主嶺霉素對(duì)水稻穗瘟的治療效果，安徽省安慶市潛山縣七里村、湘潭七里鋪、江西省南昌市新建區(qū)3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，公主嶺霉素對(duì)葉瘟的防治效果最高達(dá)74.49%，最低為44.35%，與市售加米收和京博施美清的防治效果有一定差距。

Δa*——紫外光加速老化前后復(fù)合材料的a*的差值.

Δb*——紫外光加速老化前后復(fù)合材料的b*的差值.

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能分析

2.1.1 PP基木塑復(fù)合材料老化前后的缺口沖擊性能

圖1為兩種成型方法制備的PP基木塑復(fù)合材料， 其沖擊強(qiáng)度與紫外光加速老化時(shí)間的關(guān)系. 圖2為不同成型方法制備的PP基木塑復(fù)合材料， 其沖擊強(qiáng)度保持率與紫外光加速老化時(shí)間的關(guān)系.

圖1 沖擊強(qiáng)度與紫外光加速老化時(shí)間的關(guān)系

圖2 沖擊強(qiáng)度保持率與紫外光加速老化時(shí)間的關(guān)系

由圖1知， 隨著老化時(shí)間增加， PP基木塑復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度總趨勢(shì)是不斷下降的. 經(jīng)過(guò)1 500 h的紫外光加速老化試驗(yàn)后， 混煉-模壓制備的PP基木塑復(fù)合材料缺口沖擊強(qiáng)度由3.26 kJ/m2下降至1.09 kJ/m2， 擠出-注塑制備的材料缺口沖擊強(qiáng)度由3.48 kJ/m2下降至1.24 kJ/m2. 由圖2知， 當(dāng)紫外光加速老化時(shí)間在750 h時(shí)， 混煉-模壓制備的PP基木塑復(fù)合材料缺口沖擊強(qiáng)度保持率為93.25%， 擠出-注塑制備的材料缺口沖擊強(qiáng)度保持率為98.28%； 當(dāng)紫外光加速老化時(shí)間在1 000 h時(shí)， 混煉-模壓制備的PP基木塑復(fù)合材料缺口沖擊強(qiáng)度保持率為56.44%， 擠出-注塑制備的材料缺口沖擊強(qiáng)度保持率為89.44%. 木粉的主要化學(xué)成分為纖維素、 半纖維素、 木質(zhì)素和抽提物. 纖維素形成的微纖絲在結(jié)構(gòu)中起到骨架作用. 半纖維素存在于微纖絲間隙之中， 起到填充作用. 木質(zhì)素是木材細(xì)胞中的“結(jié)殼”成分， 起到類似黏合劑作用. 利用擠出造粒工序的木塑粒子， 木粉纖維中的纖維素得到了有序排列. 在受到?jīng)_擊時(shí)， 纖維素的定向取向使得纖維素抵御了大量的沖擊力， 維持了材料較高的沖擊強(qiáng)度保持率. 在受到長(zhǎng)時(shí)間的紫外光照射時(shí)， PP結(jié)構(gòu)中含有的大量叔碳原子發(fā)生光氧化反應(yīng)， 導(dǎo)致材料表面的破壞， 在經(jīng)過(guò)750 h紫外光老化后， 沖擊強(qiáng)度急劇下降. 混煉-模壓制備的PP基木塑復(fù)合材料由于較弱的界面結(jié)合力， 沖擊強(qiáng)度下降的程度較嚴(yán)重.

2.1.2 PP基木塑復(fù)合材料老化前后的彎曲性能

圖3為兩種成型方法制備的PP基木塑復(fù)合材料， 其彎曲強(qiáng)度與紫外光加速老化時(shí)間的關(guān)系. 圖4為兩種成型方法制備的PP基木塑復(fù)合材料， 其彎曲強(qiáng)度保持率與紫外光加速老化時(shí)間關(guān)系.

圖3 彎曲強(qiáng)度與紫外光加速老化時(shí)間的關(guān)系

圖4 彎曲強(qiáng)度保持率與紫外加光速老化時(shí)間的關(guān)系

由圖3知， 隨著老化時(shí)間增加， PP基木塑復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度總趨勢(shì)是不斷下降的. 經(jīng)過(guò)1 500 h的紫外光加速老化試驗(yàn)后， 混煉-模壓制備的PP基木塑復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度由27.28 MPa下降至3.14 MPa， 擠出-注塑制備的材料彎曲強(qiáng)度由29.62 MPa下降至6.54 MPa. 由圖4可知， 經(jīng)過(guò)750 h紫外光加速老化， 混煉-模壓制得的PP基木塑復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度保持率為79.44%， 擠出-注塑制得材料彎曲強(qiáng)度保持率為83.36%； 經(jīng)過(guò)1 000 h紫外光加速老化， 混煉-模壓制得的PP基木塑復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度保持率為56.45%， 擠出-注塑制得的復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度保持率為80.96%； 經(jīng)過(guò)1 250 h紫外光加速老化， 混煉-模壓制得的PP基木塑復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度保持率為37.43%， 擠出-注塑制得的復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度保持率為43.45%. PP基木塑復(fù)合材料的老化分為兩個(gè)過(guò)程， 第一步是誘導(dǎo)降解過(guò)程， 第二步是逐步降解過(guò)程. 通過(guò)擠出-注塑制得的PP基木塑復(fù)合材料， 木粉和PP基體的界面結(jié)合更好， 老化6周還未完全進(jìn)入PP誘導(dǎo)降解階段， 其彎曲強(qiáng)度保持率維持比較好. 擠出-注塑制得材料因獲得較好的界面結(jié)合強(qiáng)度， 彎曲強(qiáng)度保持率在老化1 000 h之前表現(xiàn)較好.

2.1.3 PP基木塑復(fù)合材料老化前后的拉伸性能

圖5為兩種成型方法制備的PP基木塑復(fù)合材料， 其拉伸強(qiáng)度與紫外光加速老化時(shí)間的關(guān)系. 圖6為兩種成型方法制備的PP基木塑復(fù)合材料， 其拉伸強(qiáng)度保持率與紫外光加速老化時(shí)間的關(guān)系.

圖5 拉伸強(qiáng)度與紫外光加速老化時(shí)間的關(guān)系

由圖5知， 隨著老化時(shí)間增加， PP基木塑復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度總趨勢(shì)是不斷下降的. 經(jīng)過(guò)1 500 h的紫外光加速老化試驗(yàn)后， 混煉-模壓制備的PP基木塑復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度由14.45 MPa下降至1.24 MPa， 擠出-注塑制備的材料拉伸強(qiáng)度由15.27 MPa下降至2.13 MPa. 由圖6可知， 經(jīng)過(guò)500 h紫外光加速老化， 擠出-注塑制得材料的拉伸強(qiáng)度保持率為81.34%， 混煉-模壓制得材料的拉伸強(qiáng)度保持率為70.93%； 經(jīng)過(guò)750 h紫外光加速老化試驗(yàn)， 擠出-注塑制得的PP基木塑復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度保持率為80.68%， 混煉-模壓制得材料的拉伸強(qiáng)度保持率為65.54%； 經(jīng)過(guò)1 000 h紫外光加速老化試驗(yàn)， 擠出-注塑制得的PP基木塑復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度保持率為66.67%， 混煉-模壓制得材料的拉伸強(qiáng)度保持率為58.27%. 這可能是因?yàn)樵谧贤夤饧铀倮匣瘲l件下， PP結(jié)構(gòu)中叔碳原子長(zhǎng)時(shí)間被紫外光照射， 發(fā)生了熱氧老化反應(yīng)生成了羰基化合物， 羰基化合物含有大量的生色團(tuán)， 生色團(tuán)促進(jìn)了材料對(duì)紫外光的吸收， 從而加劇了熱降解反應(yīng). 復(fù)合材料表面的熱降解反應(yīng)導(dǎo)致表面開(kāi)裂， 內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散， 同時(shí)木粉中含有大量的羥基、 酚羥基， 這些因素也加速了PP的熱氧老化， 導(dǎo)致了材料的拉伸強(qiáng)度急劇下降.

圖6 拉伸強(qiáng)度保持率與紫外光加速老化時(shí)間的關(guān)系

2.2 色差分析

圖7為兩種成型方法制備的PP基木塑復(fù)合材料， 其色差與紫外光加速老化時(shí)間的關(guān)系.

由圖7可知， 隨著老化反應(yīng)進(jìn)行， PP基木塑復(fù)合材料的顏色褪色明顯. 在750 h紫外光加速老化前， 材料色差值逐步增加； 當(dāng)紫外光加速老化時(shí)間超過(guò)750 h后， 材料的色差值趨于穩(wěn)定. 木粉的成分主要包括纖維素、 半纖維素、 木質(zhì)素、 抽提物， 這些成分共存于植物細(xì)胞壁內(nèi). 纖維素不影響聚合物的表面顏色， 對(duì)紫外光加速老化的顏色影響較小； 半纖維素是由不同的單糖組合而成的、 具有不同結(jié)構(gòu)的聚糖， 化學(xué)活性強(qiáng)， 化學(xué)反應(yīng)速度快， 副產(chǎn)物多， 產(chǎn)生的物質(zhì)對(duì)復(fù)合材料的顏色變化較?。?木質(zhì)素在紫外光加速老化作用下會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)， 其中的酚羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成顏色較深的醌類物質(zhì)， 醌類物質(zhì)會(huì)加速?gòu)?fù)合材料的老化反應(yīng)； 抽提物結(jié)構(gòu)中含有對(duì)紫外線敏感的基團(tuán)， 會(huì)加速紫外老化反應(yīng)速度， 使得聚合物發(fā)生降解， 加深復(fù)合材料的顏色. 通過(guò)擠出造粒-注塑制得的樣品和混料-模壓制得的樣品在主要成分上并無(wú)太大的區(qū)別， 樣品顏色在老化前后變化差別不大.

圖7 色差與紫外光加速老化時(shí)間的關(guān)系

3 結(jié)論

第一， 擠出造粒-注塑制得的木塑復(fù)合材料試樣經(jīng)過(guò)紫外光加速老化試驗(yàn)之后的彎曲強(qiáng)度、 拉伸強(qiáng)度、 沖擊強(qiáng)度保持率都優(yōu)于混煉-模壓制得的試樣.

第二， 1 000 h紫外光加速老化之后， 采用擠出-注塑工藝的復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度保持率為89.44%， 彎曲強(qiáng)度的保持率為80.96%， 拉伸強(qiáng)度的保持率為66.67%； 采用混煉-模壓工藝制備的復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度的保持率為56.44%， 彎曲強(qiáng)度保持率為56.45%， 拉伸強(qiáng)度的保持率為58.27%.

第三， PP基木塑復(fù)合材料的色差不隨著加工方式不同而有明顯的差異； 經(jīng)過(guò)紫外光加速老化之后， 木塑復(fù)合材料變色明顯.