摘自《聚丙烯與木纖維的復合研究》

　　復合是高分子材料發展的重要方向之一,其目的是發揮單一材料的各種優異性能,制造出具有多種優良性能的新材料。木塑復合材料是以各種形態的木材原料,如木纖維、刨花、單板等與某一種或幾種合成纖維在一定的條件下復合而成的材料。與木材相比,木塑復合材料的抗水性、尺寸穩定性和力學性能等都有明顯提高,可制成地板、樂器、運動器材和裝飾材料等。木塑復合材料的制造方法很多,可以用單體浸注于實體木材或單板中,使單體在木材中聚合而成;還可以用木纖維或木粉等與合成樹脂、塑料顆粒復合[1～4 ] 。聚丙烯是一種性能優良的聚烯烴原料,價格便宜,結構規整、結晶性的聚丙烯無嗅、無味、無毒,機械性能、耐熱性能優良,化學穩定性好,對水穩定性特別好,幾乎不吸水。木纖維來源廣,是天然高分子材料。本文初步探索聚丙烯與木纖維的復合性能。

1 　試驗材料與方法

1. 1 　試驗材料

木纖維　樹種為意楊( Popul us spp. ) 和馬尾松( Pi nus massoniana) ,楊木纖維與松木纖維的混合比

例為7∶3 ,江蘇丹陽中密度纖維板廠提供。

聚丙烯　執行標準Q/ SHI 00201205292 ,南京金陵石化工業公司塑料廠提供。

改性劑　順丁烯二酸酐(即馬來酸酐,MA) ,熔點范圍52～54 ℃; 過氧化苯甲酰(BPO) 熔點范圍

102～106 ℃。

偶聯劑(B) 　KH550 ,市售,南京東凱化工廠產。

1. 2 　試驗方法

1. 2. 1 　原料預處理

·27 ·

木纖維　經過24 ×24 孔/ 100 cm2 的網篩除去粗大纖維,干燥至含水率2 %～5 %;改性聚丙烯　將BPO 和MA 按比例定量溶解在丙酮液中,然后與聚丙烯混合均勻,靜置后得到。

1. 2. 2 　熔融混合試驗　設定3 種方案:采用A 未改性聚丙烯、B 改性聚丙烯、C 未改性聚丙烯中加入偶聯劑,分別與木纖維混合試制木/ 塑復合材料。聚丙烯與木纖維質量混合比分別為10∶1 ;10∶2 ;10∶3 和10∶4。偶聯劑加入量:為聚丙烯質量的3 %～5 %。將上述不同配比的混合物分別置入帶攪拌器的

不銹鋼容器內。由于聚丙烯的等規和高度結晶結構,只有溫度達到其熔融溫度區(165 ±5) ℃時才軟化具有塑性,但溫度過高木纖維易炭化,所以需嚴格控制溫度,以保證混合物充分熔融、混合均勻。

1. 2. 3 　制板　將攪拌均勻、不同配比的熔融態木塑混合物快速移至覆有聚四氟乙烯膜的試驗鋼板上,放入溫度(165 ±5) ℃的熱壓機內,通過加壓并且用3mm 的厚度規控制厚度,將混合物壓成一定厚度的薄板,冷卻成形后得到木/ 塑復合薄板,板幅面為300mm ×300 mm。

1. 2. 4 　強度檢測　按照GB 1040279《塑料拉伸試驗方法》,使用XL2250 型拉力試驗機(廣州試驗儀器廠) ,檢測木/ 塑復合薄板的抗拉強度。

2 　結果與分析

2. 1 　試驗結果

木/ 塑復合薄板試樣的抗拉強度檢測結果見表1。

表1 　不同工藝條件下木/ 塑復合薄板的抗拉強度

Tab. 1 The tensile strength of the polypropylene / wood fibers composites

　　3 :A :聚丙烯+ 木纖維;B :改性聚丙烯+ 木纖維;C:聚丙烯+ 木纖維+ 偶聯劑

2. 2 　結果分析

以聚丙烯與木纖維的質量比為橫坐標,樣板的抗拉強度為縱坐標,試驗結果的直觀分析見圖1 。

2. 2. 1 　木/ 塑復合比率的影響　從圖1 中可以看出,采用未改性的聚丙烯與木纖維復合,當二者的質量分數比為10∶1 時,復合薄板的抗拉強度較高;隨著木纖維質量分數的增加,強度則下降。原因是木纖維是含有大量羥基的纖維素分子組成,是極性材料,而聚丙烯是非極性高分子材料,兩者摻混時不能相容。組分較多的聚丙烯基形成連續相, 當木纖維比例較小時,是以點或棒狀形態分散在聚丙烯中,有一定的增強作用。木纖維比表面積、孔隙率較大,在連續相中與聚丙烯樹脂有很大的接觸界面,依靠范德華爾分子力(偶極誘導、色散) ,界面產生牢固結合。另一方面,熔融的樹脂可滲透到木材細胞腔中,進一步提高界面結合力[1 ] 。隨著木纖維的質量分數逐步增大,分散相逐步有了層狀結構,而且與聚丙烯相不相容,因此,復合材料的抗拉強度隨著木纖維量增大而下降。

 2. 2. 2 　改性劑的影響　聚丙烯是當今最具發展前途的熱塑性高分子材料之一,但由于它是非極性高聚物,用途受到限制。采用熔融接枝的方法可提高聚丙烯的極性,實際操作簡便、經濟,適合工業化生產。

馬來酸酐是一種很好的聚丙烯接枝改性劑,但從圖1可見,聚丙烯經過馬來酸酐改性后再與木纖維復

合,復合材料的抗拉強度不增反降。一般認為,在過氧化物引發劑存在的自由基熔融聚丙烯體系中,過氧

化物先分解產生自由基,并與聚丙烯分子鏈進行氫消除反應,在聚丙烯分子鏈上生成叔碳自由基,該分子自由基既可與馬來酸酐生成接枝物,也能與另一聚丙烯生成更大分子自由基。但是聚丙烯分子鏈叔碳自由基也可以使分子鏈斷開,發生降解反應,生成鏈端有雙鍵的斷分子鏈段,以及伯碳自由基斷分子鏈段。后者是分子量小一些的自由基,也能形成接枝物?？傮w而言,對于通常的聚丙烯和馬來酸酐熔融接枝體系,聚丙烯在自由基作用下降解嚴重,聚丙烯基體的力學性能不是優化,而是劣化[5 ] 。

2. 2. 3 　偶聯劑的影響　從圖1 可見,聚丙烯材料中加入3 %～5 % 的偶聯劑后,復合材料的抗拉強度明顯地提高。實際上,很少有兩種聚合物混合時可以達到分子水平相容,絕大多數聚合物共混物是不相容或者部分相容,由于沒有足夠的相容性,不同聚合物界面層分子間形成不了足夠的相互纏結,使復合體的性能達不到應用的要求。要改善組分間相容性,通常有兩種方法:一是將兩種組分分別進行化學改性引入相容性基團,通過這些基團實現相容;二是在共混物中加入少量的第三組分即偶聯劑,通過偶聯劑在兩相界面區域的聚集,降低兩組分間界面張力,提高組分間界面相容性。偶聯劑是一類在多相體系中形成良好接口的物質,一般偶聯劑分子一端有極性基團,另一端為非極性基團,通過偶聯劑分子作用,可以將極性的木纖維與非極性的聚丙烯很好地結合起來,從而使復合材料具有優良的整體性能。偶聯劑的分子結構、濃度對聚丙烯和木纖維的界面區域的影響,有待進一步研究和探討。

3 　結語

1) 聚丙烯連續相中加入少量的木纖維對聚丙烯材料有明顯的增強作用,加入量控制在10 % 以內。

2) 馬來酸酐接枝改性聚丙烯,在熔融狀態下與木纖維混合,制得的木塑復合材料的抗拉強度不增反減。

3) 選取適當的偶聯劑,能明顯地改善聚丙烯和木纖維之間的界面,提高復合材料的抗拉強度。本研究中,偶聯劑加入量約為聚丙烯質量的5 %時,木纖維在復合混合物中所占的比率可達到23. 1 %(即聚丙烯與木纖維的質量比為10∶3) ,木/ 塑復合材料的抗拉強度最佳。

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全國人造板標準概況之:現行標準

(截至2004 年12 月底)

1 　纖維板

·難燃中密度纖維板　GB/ T 1895822003

·中密度纖維板　GB/ T 171821999

·薄型硬質纖維板　L Y/ T 120521997

·浮雕纖維板　L Y/ T 120421997

·硬質木纖維瓦楞板　L Y/ T 120321997

·硬質纖維板　GB/ T 1262621990

·地板基材用纖維板　L Y/ T 161122003

2 　刨花板

·刨花板　GB/ T 4897. 1～4897. 722003

·石膏刨花板　L Y/ T 159822002

·定向刨花板　L Y/ T 158022000

·抗靜電木質活動地板　L Y/ T 133021999

·模壓刨花制品(家具類) 　GB/ T 1510521994

·船用貼面刨花板　L Y/ T 105721991

3 　膠合板

·膠合板　GB/ T 9846. 1～9846. 822004

·集裝箱底板用膠合板　GB/ T 1953622004

·竹編膠合板　GB/ T 1312322003

·竹篾層積材　L Y/ T 107222002

·汽車車廂底板用竹材膠合板　L Y/ T 105522002

·旋切單板　L Y/ T 159922002

·混凝土模板用浸漬膠膜紙貼面膠合板

L Y/ T 160022002

·航空用樺木膠合板　L Y/ T 141722001

·難燃膠合板　GB/ T 1810122000

·單板內貼式有孔膠紙帶　L Y/ T 157922000

·竹地板　L Y/ T 157322000

·汽車車廂底板用竹篾膠合板　L Y/ T 157522000

·混凝土模板用竹材膠合板　L Y/ T 157422000

·混凝土模板用膠合板　GB/ T 1765621999

·紡織用木質層壓板　L Y/ T 141621999

·細木工板　GB/ T 584921999

·刨切車廂膠合板名詞、術語　L Y/ T 136521999

·刨切車廂膠合板　L Y/ T 136421999

·木質層積塑料　L Y/ T 1401～141521999

·電工層壓木板　L Y/ T 127821998

·濕粘性單板封邊膠紙帶　L Y/ T 117121995

·茶葉包裝用膠合板　L Y/ T 117021995

·乒乓球拍用膠合板　L Y/ T 111521993

·熱帶闊葉樹材普通膠合板　GB/ T 1300921991

·刨切單板　GB/ T 1301021991

4 　人造板飾面材料及飾面人造板

·實木復合地板　GB/ T 1810322000

·浸漬紙層壓木質地板　GB/ T 1810222000

·熱固性樹脂浸漬紙高壓裝飾層積板(HPL)

GB/ T 791121999

·聚氯乙烯薄膜飾面人造板　L Y/ T 127921998

·浸漬膠膜紙飾面人造板　GB/ T 1510221994

·裝飾單板貼面人造板　GB/ T 1510421994

·飾面用浸漬膠膜紙　L Y/ T 114321993

·不飽和聚酯樹脂裝飾膠合板

L Y/ T 1070～107121992

5 　木材工業用膠粘劑

·水基聚合物2異氰酸酯木材膠粘劑

L Y/ T 160122002

·木材工業膠粘劑術語　L Y/ T 128021998

·木工用氯丁橡膠膠粘劑　L Y/ T 120621997

·脲醛預縮液　L Y/ T 118021995

·木材工業膠粘劑用脲醛、酚醛、三聚氰胺甲醛樹脂

GB/ T 1473221993

·木材膠粘劑及其樹脂檢驗方法

GB/ T 1407421993

6 　綜合

·室內裝飾裝修材料- 人造板及其制品中甲醛釋放限

量　GB 1858022001

·人造板及其表面裝飾術語　GB/ T 1825922000

·人造板及飾面人造板理化性能試驗方法

GB/ T 1765721999

·人造板- 板的厚度、寬度及長度的測定

GB/ T 19367. 122003

·人造板- 板的垂直度和邊緣直度的測定

GB/ T 19367. 222003