双官能团界面改性剂对WPC综合性能的影响

研究与分析　ＲＥＳＥＡＲＣＨ＆ＡＮＡＬＹＳＩＳ　林产工业　ＣＨＩＮＡ　ＦｏＲＥＳＴ　ＰＲ０ＤＵＣＴＳ　ＩＮＤＵＳＴＲＹ　双官能团界面改性剂对ＷＰＣ综合性能的影响术　李腊梅李凯夫云虹姜涛林溪顺　摘要：采用新型双官能团偶联剂对木粉进行表面处理，并通过单因素法研究偶联剂种类和含量对材料综合性能的影　响，并结合扫描电镜进行了微观形貌分析。结果表明：新型双官能团偶联剂有优于传统偶联剂的改性效果。当添加量　为０．８％时，木粉与ＰＶＣ树脂相容性达到较理想状态，抗弯强度、抗弯弹性模量、冲击韧性和拉伸强度达到最佳值，分别为　３５．７６ＭＰａ，２　３７８．３２ＭＰａ，１５．０８ｋＪ／ｍ２１４．０１ＭＰａ。　，关键词：木塑复合材料；界面相容；力学性能　中图分类号：ＴＱ３２１．５；ＴＳ６５３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—５２９９（２０１６）０１—００３２—０４　Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　Ｂｉ－ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ　Ｍｏｄｉｉｅｒｓ　ｆｏｎ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｗｏｏｄ　Ｐｌａｓｔｉｃ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　ＬＩ　Ｌａ—ｍｅｉ　ＬＩ　Ｋａｉ—ｆｌｕ　ＹＵＮ　Ｈｏｎｇ　ＪＩＡＮＧ　Ｔａｏ’　Ｌ１Ｎ　Ｘｉ～ｓｈｕｎ　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　Ｅｎｅｒｇｙ，Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１０６４２，Ｃｈｉｎａ　２．Ｔｈｅ　Ｆｉｔｈ　Ｅｌｅｃｔｆｒｏｎｉｃｓ　Ｒｃｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｉｎｄｕｓｔ￣ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１０６１０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｗｏｏｄ　ｆｌｏｕｒ　ｗａｓ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｂｙ　ａ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｂｉ－ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ａｇｅｎｔ．Ｅｆｆｅｃｔｓ（　ｆ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｔｙｐｅｓ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｅｎｔｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｓｉｎｇｌｅ　ｆａｃｔｏｒ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ａｎｄ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ＳＥＭ　ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ：ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｂｉ－ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ａｇｅｎｔ　ｉｓ　ｓｕｐｅｒｉｏｒ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ａｇｅｎｔｓ．Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｄｏｓａｇｅ　ｉｓ　０．８％．ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌ　ｉｔｙ　ｏｆ　ｗｏｏｄ　ｐｏｗｄｅｒ　ａｎｄ　ＰＶＣ　ｉｓ　ｂｅｔｔｅｒ，ｔｈｅ　ｆｌｅｘｕｒａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｆｌｅｘｕｒａｌ　ｍｏｄｕｌｕｓ，ｉｍｐａｃｔ　ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｓｈｏｗ　ａ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｖａｌｕｅ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ　３５．７６ＭＰａ，２　３７８．３２ＭＰａ，１５．０８　ｋＪ／ｍ　，１４．０１ＭＰａ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＷＰＣ；Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ；Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　木塑复合材　ＷＰＣ）是近年来兴起的新型绿色　偶联剂对木粉表面改性效果因种类不同而有叫显　差异。李凯夫等研究表明，相同配方下钛酸酯偶联剂　对界面改性效果优于铝酸酯偶联剂，且ＷＰＣ性能均得　到较大提高【２ｌ。阮林光等对比了铝酸酯和钛酸酯改性　环保材料，由聚合物和生物质纤维按一定比例加工而　成，兼具木材的天然质感和塑料耐腐蚀、易加工、可循　环回收等优点，在建筑、交通、轻工等领域具有广阔的　应用前景…。木纤维是由天然高分子以及抽提物等组　成的高表面能体形结构，而塑料是由非极性或弱极性　椰壳粉／ＰＶＣ基ＷＰＣ的效果发现，铝酸酯效果尤佳　Ｉ，／ｉ　同的是，郑玉涛等对比这两种偶联剂改性蔗渣／ＰＶＣ基　ＷＰＣ，结果是钛酸酯偶联剂效果更好［４１。铝酸酯和钛　高分子形成的低表面能体系，两相存在清晰界面，粘结　薄弱。对木粉进行物理或化学改性可有效改善两相的　酸酯是聚烯烃热塑性塑料中常用的偶联剂，铝钛复合　偶联剂具有双金属中心原子结构，集中了铝酸酯和钛　酸酯的优点，对高填充无机填料／聚烯烃塑料体系的增　容效果非常明显ｌ　５ｌ。苏琳等研究表明异氰酸酯类偶联　剂的效果优于铝锆偶联剂，原因可能是异氰酸酯　基的反应活性更强＿６ｌ。其他种类的异氰酸酯偶联剂如　聚亚甲基聚苯基异氰酸酯也被证实是ＰＶＣ基ＷＰＣ的ｆｊ‘　效偶联剂＿７＇８＿。　林产　２０１６年第４３卷第１　相容性，其中偶联剂改性法因工艺简单、效果好而被广　泛使用。常用的界面改性剂有硅烷偶联剂、钛酸酯、铝　酸酯等。　基金项目：广东省林业科技创新专项基金项Ｈ（２０１１ＫＪＣＸ０１５￣Ｉ）　李腊梅，硕士研究生，华南农业大学　李凯夫（通讯作者），单位同第一作者，Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｄｌｉ＠ｓｃａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ　收稿日期：２０１５－０８—２１　研究与分析　ＲＥＳＥＡＲＣＨ＆ＡＮＡＬＹＳＩＳ　林产工业　ＣＨＩＮＡ　ＦｏＲＥＳＴ　ＰＲｏＤＵＣＴＳ　ＩＮＤＵＳＴＲＹ　该研究采用自主合成的双官能团偶联剂（ＴＣＭ一　８１１８）改性木粉。ＴＣＭ一８１　１８大分子不但含有硅烷偶　联剂中的有效基团硅氧键，同时还含有较酸酐、羰基、　环氧基化学反应活性更高的异氰酸酯基（一Ｎｃ０），能　与活泼氢形成牢固的脲键，预期具有更优的界面改性　效果。该实验探究了双官能团偶联剂对ＷＰＣ界面的　改善效果，为制造高品质ＷＰＣ奠定了基础。　１．４试样制备　１）木粉处理。先将木粉在１００℃下干燥２４ｈ，控制　含水率在３％以下。将木粉及偶联剂按比例投放到高　速混合机中，搅拌升温至１００　ｏＣ，加入助剂再升温至　１２０￣Ｃ，出料。　２）原料混合。常温投入ＰＶＣ粉末，并加入助剂，温　度升至ｌ１０℃时投入活化木粉和钙粉，温度升至１２０￣Ｃ　后将混料放入冷锅进行冷混，待温度低于４ＯｃＣ时出料。　１材料与方法　３）造粒。设置挤出机螺杆的各段温度，待稳定后　１．１材料　将混料加入料斗，经挤出机挤出造粒。　聚氯乙烯（ＰＶＣ，ＤＧ一８００），天津大沽化工股份有限　４）挤出。装模，温度调试，将挤出的粒料加入料斗　公司；辐射松木粉，８Ｏ～１２０目。　进行挤出得到板材。　偶联剂：铝钛复合偶联剂，铝酸酯（Ｆ一１Ｂ），外购；　１．５性能测试　ＴＣＭ一８１　１８偶联剂，自主合成。　分别参照ＧＢ／Ｔ　１７６５７－－２０１３《人造板及饰面人造　助剂：ＰＥ蜡，硬脂酸锌，硬脂酸钙，钙锌稳定剂，　板理化性能试验方法》和ＧＢ／Ｔ　２９４１８－－２０１２《塑木复　ＢＨＴ（抗氧），轻质碳酸钙。均外购。　合材料产品物理力学性能测试》，对ＷＰＣ的拉伸强度、　１．２主要设备与仪器　冲击韧性、抗弯强度及抗弯弹性模量进行测试。利用　高速混合机（ＳＨＲ一５００Ａ），单螺杆挤出机，双螺　红外光谱分析试样红外吸收情况，并用扫描电子显微　杆挤出机，万能制样机（ＺＨＹ—Ｗ），万能力学实验机　镜（ＳＥＭ）分析试样断面结构。　（ＣＭＴＣＫ５１１３），摆锤冲击实验机，场发射扫描电子显　微镜（Ｓ－４３００），红外光谱测定（Ｓｐｅｃｔｒｕｍ一２０００）。　２结果与讨论　１．３基本配方　２．１偶联剂种类对ＷＰＣ物理力学性能的影响　木塑质量比设计为４０／６０、３０／７０两组，偶联剂用量　为分析偶联剂种类对ＷＰＣ性能的影响，试验设计　变化范围为０．４％、０．６％、０．８％、１．０％。ＰＥ蜡，硬脂酸　了２组配方，结果如表１。　锌，硬脂酸钙，钙锌稳定剂，抗氧剂，碳酸钙等助剂按一　由表１可知，当木塑比为４０／６０、偶联剂添加量为　定比例加入。　１．０％时，ＴＣＭ一８１　ｌ８制备的ＷＰＣ含水率比采用钛酸酯　表１偶联剂种类对ＷＰＣ物理力学性能的影响　和铝钛复合型的ＷＰＣ含水率分别低４．８倍和１．３倍，密　到类似的结果。ＴＣＭ一８１１８制备的ＷＰＣ的抗弯强度，　度也比另两种ＷＰＣ略低，吸水率分别低１．３％和２％，说　抗弯弹性模量、拉伸强度比铝钛复合型偶联剂制备的　明具有更好的耐水性和尺寸稳定性。这是由于偶联剂　ＷＰＣ高１０％、７％、３％，比钛酸酯偶联剂制备的ＷＰＣ　与木粉表面ＯＨ发生了反应，减少了亲水基团ＯＨ数目，　高１８％、２５％、５％。而采用铝钛复合型偶联剂制备的　同时亲有机端长链又起到阻止木粉吸水的作用，从而　ＷＰＣ的冲击性能最高，ＴＣＭ一８１１８次之，钛酸酯最小。　使ＷＰＣ的吸水性降低，增强了材料尺寸稳定性。当偶　这是因为偶联剂亲无机端与木粉表面羟基反应使羟基　联剂添加量为０．８％时，对比不同偶联剂的改性效果得　减少，有效地将树脂和木纤维连接起来，阻碍木粉团聚　双官能团界面改性剂对ｗＰｃ综合性能的影响——李腊梅李凯夫　云虹姜涛林溪顺　研究与分析　ＲＥＳＥＡＲＣＨ＆ＡＮＡＬＹＳＩＳ　林产工业　ＣＨＩＮＡ　ＦｏＲＥＳＴ　ＰＲｏＤＵＣＴＳ　ＩＮＤＵＳＴＲＹ　使其在ＰＶＣ中均匀分散，形成良好的相界面，有利于应　力传递，减少应力缺陷点。而ＴＣＭ一８１１８的特点是同时　连接硅氧键和脂肪族异氰酸酯基两种亲无机官能团，　两种官能团同时与木粉表面羟基反应形成更多结合　点，在纤维和树脂间形成更强的界面连接，在ＷＰＣ受　形成一层分子层反而会降低ＷＰＣ的力学性能，凶此当　偶联剂的添加量超过０．８％时，ＷＰＣ弯曲强度出现丫　砌矧砌Ｏ　０　Ｏ降低趋势。　２．２．２偶联剂含量对ＷＰＣ冲击韧性的影响　由图３可知，ＷＰＣ的冲击韧性随ＴＣＭ一８１　１８添加量　的增加有先增大后减小的趋势，当加入量为０．８％时，　到弯曲、拉伸时表现出更强的抵御破坏的能力。当受　到冲击时，却ＸｇＷＰＣ内部存在的裂纹扩展起到促进作　用，降低了ＷＰＣ的韧性，表现为冲击强度降低。　２．２偶联剂含量对ＷＰＣ力学性能的影响　ＷＰＣ的冲击韧性最高达到１６．１８ｋＪ／ｍ　。随ＴＣＭ一８ｌｌ８　加入量的提高，木粉在聚合物基体中的分散性变好，　ＷＰＣ的冲击韧性逐渐提高，但在分散性变好的同时也　２．２．１　偶联剂含量ｇ￣ＷＰＣ抗弯强度的影响　由图１可知，木塑配比分别为４０／６０、３０／７０ｔ￣，随着　偶联剂含量的提高，ｗｐｃｔ￣抗弯强度呈现出先增大后　减小的趋势。当质量含量达Ｎｏ．８％时，ＷＰＣ抗弯强　度分别达到最大值３５．００ＭＰａ和３５．７６ＭＰａ，分别比含量　为０．４％时高出２１％、２７％　砖　山　＼　黑　钟　Ａ型偶联剂质量含量／％　图１　ＴＣＭ一８１　１　８添加量对ＷＰＣ抗弯强度的影响　如图２所示，木塑比４０／６０时抗弯弹性模量较木塑　１；Ｌ３０／７０时高且随偶联剂含量提高，ＷＰＣ的抗弯弹　性模量呈现出先增大后减小的趋势。当添加量达到　０．８％时，ＷＰＣ抗弯弹性模量达到最大值２　４５１．３５ＭＰａ。　日　＼　酬　融　舯　Ａ型偶联剂质量含量／％　图２　ＴＣＭ　８　ｌ１　８添加量对ＷＰＣ抗弯弹性模量的影响　这是因为随偶联剂添加量提高，两相界面相容得　到一定改善，应力缺陷点减少，ＷＰＣ的抗弯强度及弹　性模量均逐渐升高，但过多的偶联剂在复合体系中会　一３４一　使作为主要受力体的聚合物分子链的连续性受到破　坏，ＷＰＣ的冲击韧性有下降的趋势。　Ａ型偶联剂质量含量／％　图３　ＴＣＭ一８１　１８添加量对ｗＰｃ冲击韧性的影响　２．２－３偶联剂含量对ＷＰＣ拉伸强度的影响　如图４所示，当木塑比为４０／６０ｔ，ｔ，随着ＴＣＭ一８１　ｌ８　含量的提高，ＷＰＣ的拉伸强度先增大后减小。木塑比　３０／７０时，当添加量达到０．８％，ＷＰＣ的拉伸强度ｔＬｏ．４％　时高出５０％。　时　＼　暖　堡　Ａ型偶联剂质量含量／％　图４　ＴＣＭ一８１１８添加量对ＷＰＣ拉伸强度的影响　综上所述，加入适量的ＴＣＭ～８１　１８有利于提高ｗＰｃ　的力学性能，当添加量为０．８％时，ＷＰＣ抗弯强度、抗　弯弹性模量、冲击韧性、拉伸强度均达到最大值。　２．３红外谱图分析　图５是不同偶联剂改性的ＷＰＣ红外谱图，　中有　两个关键谱带与ＷＰＣ的界面结合特性相关，分别是　林产　￣￥２０１６年第４３卷第１