聚氯乙烯/秸秆粉木塑复合材料的性能研究

王博闻，路 琴

(南京农业大学工学院，江苏 南京 210000)

聚氯乙烯/秸秆粉木塑复合材料的性能研究

王博闻，路 琴*

(南京农业大学工学院，江苏 南京210000)

采用模压成型法制备了聚氯乙烯(PVC)/秸秆粉木塑复合材料，研究了秸秆粉含量及不同偶联剂处理对复合材料力学性能和接触角的影响。结果表明，当秸秆粉含量为40%(质量分数，下同)时，复合材料的弯曲强度最大，且在复合材料的内部，秸秆纤维相对较均匀地分布于PVC基体中，复合材料性能相对较好；经偶联剂改性的复合材料的力学性能均有所提高，经硅烷偶联剂改性的秸秆粉含量为50%的复合材料的洛氏硬度、弯曲强度均最大；且在复合材料内部，秸秆纤维更均匀地融入PVC基体中，硅烷偶联剂的改性效果较好。

聚氯乙烯；秸秆；复合材料；力学性能；偶联剂；接触角

0 前言

木塑复合材料是以木粉与塑料为主要原料，不仅具有原木特有的木质感，且其具有力学性能和尺寸稳定性较好，耐水性、耐磨性、耐化学腐蚀性优良，不怕虫蛀，易于着色，维护要求低，使用寿命长，易于成型，可二次加工等众多优异性能。既可以解决废弃塑料造成的“白色污染”问题，又可以提高农林废弃物的利用率，变废为宝，得到高附加值的工业化产品。提高木粉含量，降低成本，具有广泛的市场和良好的发展前景[1]。PVC木塑复合材料是以PVC和木质纤维为主要原料制成的复合材料,兼具有木质材料的使用性能和塑料的热塑加工性能,主要可替代天然木材而被广泛使用[2]。

王澜等[3]制备了PVC/稻壳粉复合材料,研究了稻壳粉含量对复合材料性能的影响。孔展等[4]在PVC/木粉复合材料的挤出研究中,探究了木粉含量对PVC/木粉复合材料力学性能的影响。结果表明,复合材料的拉伸强度、拉伸模量以及弯曲模量受木粉含量的影响较大,而复合材料的抗冲击性能受木粉含量的影响相对较小。陈磊[5]研究发现，竹粉含量对PVC/竹粉复合材料的冲击强度、拉伸强度和弯曲强度具有显著影响，竹粉含量不断增加时，PVC/竹粉复合材料的冲击强度、拉伸强度及弯曲强度不断降低；竹粉含量大于40 %时，随着竹粉含量的增加，复合材料的力学性能下降，且下降速度相对较快。

木质纤维与PVC基体两者界面不相容，因此，研究学者多采用改性的方法，比如利用接枝共聚法、乙酰化法、单体预浸渍聚合法和添加偶联剂等，改善两者的界面相容性，从而提高PVC/木质纤维复合材料的力学性能[6-7]。杨鸣波等[8]使用了一种含酯键的表面活性剂处理秸秆粉,制备了秸秆木塑复合材料,结果表明秸秆木塑复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度随秸秆含量的增加而下降,但下降幅度较小。所选用的处理剂对复合材料的冲击强度、拉伸强度、弯曲强度及加工性能有较好的改善作用。在填充塑料行业,硅烷是重要的偶联剂,它可以将无机填料嵌结到聚合物基体上[9]。在PVC复合材料中加入一定的偶联剂或成型剂可在一定程度上提高复合材料的稳定性[10]，硅烷偶联剂能使PVC基体与稻壳两者的界面相容性得到有效改善,其中复合材料的抗冲击性能受硅烷偶联剂的影响较大，硅烷偶联剂对冲击强度的提高作用较明显[11]。

本文采用单因素实验法，通过模压成型法，制备了不同秸秆粉含量的PVC/秸秆粉木塑复合材料和固定秸秆粉含量下，经不同偶联剂改性的PVC/秸秆粉木塑复合材料，并对制备的复合材料进行了性能测试，确定了秸秆粉的最佳含量以及最佳改性偶联剂的类型。

1 实验部分

1.1 主要原料

PVC，粉状，PVCQS-1000F，中国石化齐鲁石油化工公司；

秸秆粉，小麦，250μm,自制；

铝箔纸，尺寸为30cm×15μm×8m，上海克林莱塑料有限公司；

硅烷偶联剂，KH-570，南京优普化工有限公司；

钛酸酯偶联剂，VP-201，南京优普化工有限公司；

无水乙醇，相对分子质量为46.07，分析纯，上海久亿化学试剂有限公司。

1.2 主要设备及仪器

电热恒温鼓风干燥箱，XMTD-8222，上海精宏实验设备有限公司；

平板硫化机，XLB-D，湖州顺利橡胶机械有限公司；

流水式粉碎机，HK-08B，广州旭朗机械设备有限公司；

电子天平，UTP-313，上海花潮电器股份有限公司；

高速混合机，3205，德国博朗公司；

洛氏硬度计，XHR-150，上海联尔试验设备有限公司；

振动筛，ZS-400，无锡新标粉体机械有限公司；

简支梁冲击试验机，XJJ-5，承德金建检测仪器有限公司；

接触角测量仪，JC2000D1，上海中晨数字设备有限公司；

电子万能试验机，CMT6104，美特斯工业系统(中国)有限公司；

日本尼康体视显微镜，NikonSMZ1000，上海衡浩仪器有限公司。

1.3 样品制备

秸秆粉的制备：本文采用的是秸秆，由于买到的秸秆中含有杂物或已腐蚀的秸秆，需将秸秆进行粗略地挑选分离，而长的软秸秆在粉碎机中又容易缠绕刀片，还需将其剪成25～50mm长的碎秸秆，以提高磨粉的效率和品质；用粉碎机将碎秸秆磨粉，再用装有250μm滤网的振动筛进行筛粉，然后再对直径较长的秸秆粉进行二次磨粉和筛粉，最终得到直径为250μm的秸秆粉；用电热鼓风干燥箱将制得的秸秆粉在105℃下干燥12h，得到干燥的秸秆粉;

PVC材料的处理：由于PVC的熔点较低，取PVC粉末放入电热鼓风干燥箱中，70℃下干燥5h;

秸秆粉的改性：本文选用钛酸酯偶联剂和硅烷偶联剂对秸秆粉进行改性。首先，在小喷雾瓶中量取一定含量的无水乙醇和偶联剂的混合液，摇匀，同时将均匀混合的秸秆粉与PVC材料放入铺有铝箔纸的托盘中，边喷洒无水二醇偶联剂的混合液，边用搅拌棒搅拌秸秆粉与PVC混合材料，这样便于均匀喷洒混合液；改性的秸秆粉，由于其中含有无水乙醇，无水乙醇在高温下易燃易爆，因此在复合材料的制备过程中，需要除去其中的无水乙醇。具体方法是将喷洒过混合液的秸秆粉与PVC混合材料在室温下通风处放置12h，使偶联剂与混合材料充分发生反应，然后，将其放入电热鼓风干燥箱中，70℃下干燥4h，备用；

偶联剂的用量：本文选取2种偶联剂改性的秸秆粉含量均为50%，偶联剂的含量为秸秆粉质量的2%，在经偶联剂改性的复合材料制备中，还应加入偶联剂5倍质量的无水乙醇，促进偶联剂与秸秆粉混合物的充分反应；

PVC/秸秆粉复合材料的制备：将干燥后的秸秆粉与PVC混合材料，采用模压成型法，通过平板硫化机，将混合材料模具放置于模压设备上，加压至14MPa，当上下板温度稳定在160℃时，计时，开始放气操作，每5min放气一次，一共放气3次，取下模具，冷却至室温，即可脱模，制备出PVC/秸秆粉复合材料板材，其尺寸大小为120mm×100mm，然后，通过切割机，将板材切割成100mm×10mm的样条，备用。

1.4 性能测试与结构表征

(a)洛氏硬度 (b)拉伸强度 (c)弯曲强度 (d)冲击强度图1 秸秆粉含量对复合材料力学性能的影响Fig.1 Effect of straw powder content on mechanical properties of the composites

拉伸强度按GB/T1040—2006测试，样条尺寸为150mm×20mm×4mm，拉伸速率为50mm/min；

弯曲强度按GB/T1040.2—2006测试，样条尺寸为150mm×20mm×4mm，弯曲速率为100mm/min；

冲击强度按GB/T1843—2008测试，U形缺口，冲击能量为5J，摆锤速率为290mm/min；

洛氏硬度按GB/T9342—1998测试；

SEM分析：将样条冷冻脆断后对断面进行喷金处理，在SEM上观察并拍照，放大倍率为5000倍，加速电压为10kV；

接触角测试：采用接触角测量仪对复合材料的亲疏水性进行测试，测定25℃下纯水对复合材料静态接触角的大小，每个样品测试4次，取其平均值。

2 结果与讨论

2.1 秸秆粉含量对复合材料力学性能的影响

从图1(a)中可以看出，PVC/秸秆粉木塑复合材料的洛氏硬度与复合材料的质密程度有关，随着秸秆粉含量的增加，复合材料的洛氏硬度呈先增大后减小的趋势，当秸秆粉含量较低时，秸秆纤维能够相对比较均匀地分布于PVC基体中，但当秸秆粉含量较多时，在PVC基体中，秸秆纤维出现团聚现象，导致复合材料的致密程度降低。在秸秆粉含量为30%左右时，材料的致密程度相对较高，复合材料的硬度相对较大；当秸秆粉含量大于50%时，随着含量的增多，复合材料的洛氏硬度呈下降趋势，但其硬度下降速度较为缓慢。因此当秸秆粉含量为30%时，PVC/秸秆粉木塑复合材料的硬度最大。

由图1(b)可知，PVC/秸秆粉复合材料的拉伸强度随秸秆粉含量的增加而降低，当秸秆粉含量为20%时，复合材料的拉伸强度最大,为23.4MPa；随着秸秆粉含量的增加，复合材料的拉伸强度呈下降趋势，当秸秆粉含量大于30%时，复合材料的拉伸强度减小的速度逐渐变缓。

秸秆纤维有着较好的弹性，因此，秸秆纤维能够提高PVC基体的弯曲强度。从图1(c)中可知，随着秸秆粉含量的不断增加，复合材料的弯曲强度呈先增大后减小的趋势；当秸秆粉含量为20%～40%时，复合材料的弯曲强度随秸秆粉含量的增加而增大。当秸秆粉含量为40%时，复合材料的弯曲强度最大，为38.5MPa，当秸秆粉含量大于40%时，复合材料的弯曲强度随秸秆粉含量的增加而减小。综上所述，当秸秆粉含量为40%时，复合材料的弯曲强度较大，弯曲性能较好。

秸秆粉含量/%：(a)20 (b)30 (c)40 (d)50 (e)60图3 不同秸秆粉含量复合材料的SEM照片Fig.3 SEM of the composites with different straw powder contents

从图1(d)可以看出，复合材料的冲击强度整体呈下降趋势，由于秸秆纤维与PVC基体不相容，当秸秆粉含量增加时，秸秆纤维不能较好地融入PVC基体中，导致复合材料内部孔隙增多增大，致使材料的冲击强度降低。当秸秆粉含量为20%时，复合材料的冲击强度最大，为7.2705kJ/m2，当秸秆粉含量从20%增大到40%时，PVC复合材料的冲击强度缓慢减小，当秸秆粉含量大于40%时，复合材料的冲击强度的减小速度开始增大，当秸秆粉含量较大时，秸秆纤维在PVC基体中出现团聚现象，很大程度上降低了复合材料的冲击性能。

2.2 秸秆粉含量对复合材料接触角的影响

从图2可以看出，复合材料的接触角整体呈上升趋势，但当秸秆粉含量为50%时，接触角骤然减小，可能是由于在制备复合材料试样时，秸秆粉与PVC没有混合均匀，导致测量数据异常。当接触角小于90°时，接触角越小，固体的亲水性越好，液体较易浸润固体，测试的接触角均小于90°，复合材料的表面具有亲水性，蒸馏水较易浸润PVC/秸秆粉复合材料。

图2 秸秆粉含量对复合材料接触角的影响Fig.2 Effect of straw powder content on water contact angle of the composites

2.3 不同秸秆粉含量复合材料的SEM分析

从图3可以看出，当秸秆粉含量较低时，秸秆纤维在PVC基体中分布相对较均匀，如图3(a)、3(b)、3(c)所示，其中白色长条状为秸秆纤维，均匀地分布于PVC基体中。当秸秆粉含量较高时，如图3(d)、3(e)所示，秸秆纤维在PVC基体内分布逐渐不均匀，两者相容性不好，在PVC内部，秸秆纤维出现堆积团聚现象，由此可印证，在秸秆粉含量≥20%时，PVC/秸秆粉木塑复合材料的力学性能逐渐降低。

2.4 不同偶联剂处理对复合材料力学性能的影响

由图4(a)中可知，经偶联剂处理改性的PVC/秸秆粉木塑复合材料的洛氏硬度明显大于未添加偶联剂的。添加硅烷偶联剂处理改性的PVC/秸秆粉木塑复合材料的洛氏硬度为117.81，添加钛酸酯偶联剂改性处理的复合材料的洛氏硬度为114.55，2种偶联剂处理改性均能使复合材料的洛氏硬度提高，而硅烷偶联剂比钛酸酯偶联剂对复合材料洛氏硬度的提高作用稍强，由此可知，硅烷偶联剂能更好地改性秸秆粉，提高PVC/秸秆粉木塑复合材料的洛氏硬度。

(a)洛氏硬度 (b)拉伸强度 (c)弯曲强度 (d)冲击强度图4 不同偶联剂处理对复合材料力学性能的影响Fig.4 Effect of different coupling agents on mechanical properties of the composites

由图4(b)可知，添加偶联剂处理改性的PVC/秸秆粉木塑复合材料的拉伸强度明显大于未添加偶联剂复合材料的拉伸强度。与硅烷偶联剂相比，添加钛酸酯偶联剂处理改性的复合材料的拉伸强度比未改性复合材料的拉伸强度要提高的更多。由此可知，钛酸酯偶联剂比硅烷偶联剂更易于提高复合材料的拉伸强度。

从图4(c)可以看出，添加偶联剂改性的PVC/秸秆粉木塑复合材料的弯曲强度大于未添加偶联剂改性的复合材料的弯曲强度。与钛酯酯偶联剂相比，添加硅烷偶联剂处理改性的复合材料的弯曲强度比未添加偶联剂的复合材料的弯曲强度要提高的更多。对比可知，经硅烷偶联剂处理改性的复合材料的弯曲强度相对较高，因此，硅烷偶联剂能够更好地提高秸秆纤维与PVC基体的界面相容性，硅烷偶联剂比钛酸酯偶联剂更易于提高木塑复合材料的弯曲强度。

从图4(d)可以看出，添加偶联剂处理改性的PVC/秸秆粉木塑复合材料的冲击强度大于未添加偶联剂处理的；与硅烷偶联剂相比，添加钛酸酯偶联剂处理改性的复合材料的冲击强度比未添加偶联剂的复合材料的冲击强度要提高的更多。综上可知，经钛酸酯偶联剂改性处理的复合材料具有较好的冲击性能，与硅烷偶联剂相比，钛酸酯偶联剂处理改性更易于提高复合材料的冲击强度。

2.5 不同偶联剂处理的复合材料的接触角

从图5中可知，添加偶联剂改性处理复合材料的接触角比未添加偶联剂的复合材料的接触角大；经硅烷偶联剂处理改性的接触角大于经钛酸酯偶联剂处理改性复合材料的接触角，经偶联剂处理改性复合材料表面具有一定的疏水性，经硅烷偶联剂改性的复合材料的疏水性更强。

图5 不同偶联剂处理对复合材料接触角的影响Fig.5 Effect of different coupling agents on water contact angle of the composites

2.6 不同偶联剂处理的复合材料的SEM分析

(a)硅烷偶联剂改性 (b)钛酸酯偶联剂改性 (c)未改性图6 不同偶联剂处理的复合材料的SEM照片Fig.6 SEM of the composites treated with different coupling agents

从图6可知，与未添加偶联剂改性处理的复合材料相比，添加偶联剂改性的复合材料中，秸秆纤维在PVC基体中分布更均匀，秸秆纤维能够更好地融入PVC基体，两者相容性更好。

3 结论

(1)当秸秆粉含量为40%时，秸秆纤维在PVC基体中分布比较均匀，复合材料的整体性能相对较好；

(2)经硅烷偶联剂改性的秸秆粉含量为50%复合材料的洛氏硬度、弯曲强度均最大；且在复合材料内部，秸秆纤维更均匀地融入PVC基体中，硅烷偶联剂改性效果较好；

(3)硅烷偶联剂对PVC/秸秆粉木塑复合材料的改性效果比钛酸酯偶联剂的好。

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StudyonPropertiesofPoly(vinylchloride)/WheatStrawComposites

WANG Bowen, LU Qin*

(College of Engineering, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210000, China)

Poly(vinyl chloride) (PVC)/wheat straw composites were prepared by a compression molding method, and effects of contents of wheat straw powders and different coupling agents on their mechanical properties and contact angle were investigated. The results indicated that the composites achieved a maximum flexural strength when 40 wt % of straw powders was incorporated, and the straw powders were homogenously dispersed in the PVC matrix, leading to good properties of the composites. The mechanical properties of the composites could be further improved through the modification of straw powders with coupling agents, and their flexural strength and Rockwell hardness achieved the optimum values with addition of 50 wt % straw powders. In this case, the straw powders could be distributed in the matrix more homogenously due to the surface modification with coupling agents.

poly(vinyl chloride); straw powder; composite; mechanical property; coupling agent; contact angle

TQ325.3文献标识码B文章编号1001-9278(2017)09-0062-06

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.09.009

2017-04-11

*联系人，luqin@njau.edu.cn