POE-g-MAH增韧回收HDPE基木塑复合材料的研究

翟松涛，郭知理，许俊松，唐龙祥，王平华

(合肥工业大学 化学与化工学院，安徽 合肥 230009)

木塑复合材料(WPC)是指将木屑、竹屑、麦秆等废弃的生物质材料破碎后，以纤维或粉末状态作为填料添加到高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)等热塑性树脂中，通过挤出、热压、注塑等加工工艺制备的一种新型环境友好型复合材料[1]。由于木粉与塑料机体相容性比较差，界面结合程度也较低，因而一般情况下，WPC的冲击强度很低，这影响了WPC的应用。为了提高WPC的韧性，扩展其应用，通常采用弹性体增韧聚合物基质的韧性、偶联剂处理木粉以增强聚合物基质和填料之间的界面结合力[2-7]。然而普通弹性体的添加虽然对WPC的韧性有所改观，但是拉伸强度、弯曲强度等性能则会下降；硅烷偶联剂处理木粉虽在一定程度上能够改善WPC的韧性和强度，但是由于工艺复杂，工业上应用也并不多。马来酸酐接枝弹性体因其具有极性基团马来酸酐，能够与木粉的羟基反应生成酯而使木粉与聚合物基体相容性增强，同时弹性体能够增韧聚合物基体，既可以作为增韧剂又起到了增容剂的作用。本文采用马来酸酐接枝聚烯烃弹性体(POE-g-MAH)作为增韧剂改性回收HDPE，以期提高其韧性和强度。

1 实验部分

1.1 原料

杨木粉、HDPE回收料、POE-g-MAH：安徽红树林新材料科技有限公司；抗氧剂1010：湖北兴银河化工有限公司；硬脂酸：分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司。

1.2 仪器设备

电子分析天平：FA2004B，上海精密实验仪器公司；真空干燥箱：DZF-6020，上海精宏实验设备公司；高速混合机：SHR-10C，张家港市贝尔机械有限公司；平行双螺杆挤出机：SJSH-30，南京橡塑机械厂；平板硫化仪：XLB，上海第一橡胶厂；万能制样机：RGT-5，河北省承德试验机厂；摆锤式冲击试验机：ZBC1400-A，美特斯工业系统有限公司；电子万能试验机：CMT4303，深圳新三思材料检测公司；LX数显邵氏D型硬度计：LX-D，深圳市宝利根精密仪器有限公司；扫描电子显微镜：Hitach-i650，日本电子制造公司。

1.3 试样制备

将原料分别进行干燥处理，其中木粉需在105 ℃下干燥24 h，控制其含水量在1%(质量分数)左右。由于物料中的水分在成型过程中会形成缺陷，对材料性能造成很大的影响，尤其是本实验中所需的木粉吸水性很强，因此实验前必须对物料进行干燥。将原料按表1配方称量好后加入高速混合机中进行高速搅拌得到预混料，搅拌时间约为10 min。之后再将预混料用双螺杆挤出机挤出混合(双螺杆挤出机加工温度参数如表2所示)。将挤出的物料粉碎后用平板硫化机热压成型，热压温度为180 ℃，压力为10～15 MPa，热压时间为8～10 min，然后在冷压机中冷却5 min左右后取出，在万能制样机中将上面压制的板材切样，制成实验需要的标准测试样条。

表1 木塑复合材料配方

表2 平行双螺杆挤出机温度参数

1.4 性能测试

拉伸性能按GB/T 1040—2006进行测试，速率为10 mm/min；弯曲性能按GB/T 9341—2008进行测试，速率为1 mm/min；悬臂梁无缺口冲击性能按GB/T 1043—2008进行测试；邵氏D硬度按GB/T 2411—2008进行测试；扫描电镜分析(SEM)：加速电压为20 kV，冲断试样表面喷金，观察材料的断面形貌。

2 结果与讨论

2.1 POE-g-MAH用量对WPC拉伸强度的影响

图1为增韧剂POE-g-MAH用量与WPC拉伸强度之间的关系。从图1中可以看出，增韧剂对WPC的拉伸强度有增强作用。这是因为增韧剂POE-g-MAH带有极性基团马来酸酐，马来酸酐可以与木粉中的羟基发生酯化反应生成化学键，而弹性体又可以与回收的HDPE基体相互作用，由此提高了木粉与有机物基体的界面相容性，使得WPC拉伸强度得到提高。同时，由于聚烯烃弹性体(POE)的加工流动性很好，因此在回收的HDPE基体中分散性很好，且POE与HDPE的相容性也十分优良，因此与HDPE的相互作用比较强烈，因而材料的拉伸强度能显著提高。当POE-g-MAH质量分数为6%时，WPC拉伸强度达到最大值，为13.78 MPa，较未添加增韧剂时提高了91.1%。其后拉伸强度随着POE-g-MAH用量增加开始下降，这是由于随着POE-g-MAH用量增加，回收的HDPE基体用量降低，POE本身拉伸强度较差对WPC产生较大影响，故而拉伸强度开始下降。

w(POE-g-MAH)/%图1 POE-g-MAH用量对WPC拉伸强度的影响

2.2 POE-g-MAH用量对WPC冲击强度的影响

图2为POE-g-MAH用量与WPC无缺口冲击强度之间的关系。

w(POE-g-MAH)/%图2 POE-g-MAH用量对WPC冲击强度的影响

从图2可以看出，WPC的无缺口冲击强度随POE-g-MAH用量增加而逐渐增大。WPC冲击强度的提高可以用银纹-剪切带理论和银纹支化理论来解释：塑料中加入弹性体后，当材料受冲击应力时，弹性体颗粒可以充做应力集中中心，诱发大量银纹和剪切带，并使银纹支化[8-10]。同时，弹性体颗粒的存在能够控制银纹的发展并使银纹及时终止而不致发展成破坏性的裂纹。银纹和剪切带的产生与发展都要消耗大量冲击能量，进而大幅度提高其冲击强度。当增韧剂质量分数为10%时，WPC的冲击强度达到11.48 kJ/m2，较未添加增韧剂提高了236.7%。

2.3 POE-g-MAH用量对WPC弯曲性能的影响

图3为POE-g-MAH用量对WPC弯曲性能的影响。从图3(a)可以看出，WPC的弯曲强度随着增韧剂用量增加呈先上升后下降趋势。弯曲强度的提高是由于POE-g-MAH提高了木粉与有机物基体界面相容性的缘故。其后弯曲强度开始下降则是由于POE-g-MAH用量增加降低了回收HDPE基体用量，POE本身弯曲强度远低于HDPE，故而WPC弯曲强度开始下降。当POE-g-MAH的质量分数为6%时，WPC的弯曲强度达到最大值，为20.87 MPa，较未添加增韧剂提高了46.9%。

从图3(b)可以看出，WPC的弯曲模量随着增韧剂用量增加呈现逐步下降趋势，这是因为POE本身弯曲模量远低于HDPE，且增韧作用也使得WPC在受到弯曲应力时所产生的弯曲形变大大提高，因而弯曲模量逐步下降。

w(POE-g-MAH)/%(a)

w(POE-g-MAH)/%(b)图3 POE-g-MAH用量对WPC弯曲性能的影响

2.4 POE-g-MAH用量对WPC硬度的影响

图4为POE-g-MAH用量对WPC硬度的影响。从图4可以看出，添加增韧剂以后，WPC的硬度呈现先增加后下降的趋势，这是因为接枝了马来酸酐以后的POE提高了木粉与有机物基体的界面相容性，增强了木粉纤维对回收HDPE基体链段的限制作用，使得聚合物表面刚性增加，硬度因而变大。其后随着弹性体用量增多，回收HDPE基体用量降低，弹性体本身硬度远低于HDPE对WPC的影响，硬度开始下降。当POE-g-MAH的质量分数为6%时，WPC的硬度最大。

w(POE-g-MAH)/%图4 POE-g-MAH用量对WPC硬度的影响

2.5 SEM分析

WPC的常温断口样貌见图5。

(a)w(POE-g-MAH)=0

(b)w(POE-g-MAH)=6%图5 WPC的常温断口样貌

图5(a)为未添加增韧剂的WPC常温冲击断口的SEM图。由图5(a)可以看出，木粉与回收的HDPE相容性并不好，有大量的木粉纤维裸露，木粉纤维易从基体中拔出。图5(b)为添加6% (质量分数)POE-g-MAH的WPC常温冲击断口SEM图。由图5(b)可以看出，木粉与有机物基体的相容性得到改善，聚合物基体对木粉的包覆明显提高，这也是木塑复合材料的冲击性能得到提升的原因。

3 结 论

(1) 在实验范围内，WPC的韧性随着增韧剂用量的上升而逐渐提高。当POE-g-MAH的质量分数为10%时， WPC的冲击强度达到11.48 kJ/m2，较未添加增韧剂提高了236.7%。

(2) 增韧剂POE-g-MAH的添加也可以提高WPC的拉伸强度、弯曲强度和硬度。

(3) 综合考虑WPC的性能，当增韧剂质量分数为6%时，WPC具有良好的综合性能。

参 考 文 献：

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[3] 滕国敏，张勇，万超瑛，等．木塑复合材料的改性方法[J].化工新型材料，2005，33(5)：7-9.

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