几种木塑复合材料的性能对比

木塑复合材料(WPC)具有加工方便、耐腐蚀、可回收再利用、能生物降解等特点，因而广泛用于轿车内装饰基材、建筑装饰装修材料、家具材料、包装材料等 。I。理论上，任何一种热塑性塑料均可与木粉形成WPC，然而基体不同对WPC的性能影响极大，从而影响wPC的使用性能。因此研究不同WPC性能上的差另Ij对于实际生产中的选材及确定产品的应用范围均具有重要意义 J。

1实验部分

1．1原材料

木粉(意杨木粉)，过20目筛，江苏泗阳；

高密度聚乙烯(HDPE)，2lOOJ，扬子石化公司；

聚丙烯(PP)，EM840A 5H06NA10， 日本SunAllomer株式会社；

聚苯乙烯(Ps)，l43E， 扬子巴斯夫苯乙烯系列有限公司；

聚丙烯接枝马来酸酐(PP—g—MAH)，南京华都科技有限公司；

聚乙烯接枝马来酸酐(PE—g—MAH)，南京德巴化工有限公司。

1．2仪器设备

双辊塑炼机，SXK，常州市东方华阳机械厂；

平板硫化机，XLB—D 350×350×2，上海{dy}橡胶机械厂；

模具，200mm×200mm 南京中亚模具厂；

电子天平，T-500，常熟双杰测试仪器厂；

电热鼓风干燥机，HG10HADC，上海索谱仪器有限公司；

电子{wn}试验机，CMT4204，深圳新三思材料检测有限公司；

冲击强度试验机，XJJ一5，承德实验机有限公司；

差示扫描量热仪，DSC204F1，德国Netzsch公司。

1．3成型工艺

1．3．1预混合

将木粉在105℃下烘干，冷却至室温后， 与HDPE、PP或PS~I]增容剂PP—g—MAH或PE—g—MAH

按一定比例充分混合。然后用双辊塑炼机分别进行塑炼，并把塑炼好的混合物裁剪成较小的块状。

1．3．2模压成型

称取一定量预混好的块状料，放入模具之阴模中，在180℃下预热5min后，合上阳模，在180"(2、10MPa下模压成型，保压90min。

1．4性能测试

拉伸性能按GB／T 1040--1992进行，拉伸速率10mm／min；

弯曲性能按GB／T 9341-2000进行；用DSC~I]试材料的熔融性能，氮气保护，温度范围20～230~C，升温速率20~C／min。

2结果与讨论

2．1木塑复合材料的力学性能

2．1．1不同树脂基WPC的力学性能图1为不同树脂基WPC的力学性能。从图1(a)可以看出，不同树脂基WPC的拉伸强度彼此不同，HDPE基WPC的拉伸强度随木粉含量的增加而逐渐降低，木粉含量40％时， 复合材料的拉伸强度为纯HDPE的66．62％ ，这是由于填料与HDPE间的键结合较弱，从而阻碍了应力传递 】；PP中加入20％的木粉后，其拉伸强度增加，但加入更多的木粉(40％)，拉伸强度却又下降；而PS与此相反，加入40％木粉形成复合材料后，其拉伸强度不仅比纯PS高出29．3O％ ，而且比HDPE复合材料的拉伸强度高105．02％，说明复合材料中树脂基体的种类对其拉伸强度有显著影响。

弯曲强度试验结果(图1(b))表明，不加木粉时，PP的弯曲强度{zg}，PS{zd1}，其原因可能是由于Ps中含有刚性苯环，受弯曲应力时，脆性大，更易断裂。HDPE及PPJJU入木粉后降低了其弯曲强度，且木粉含量越高，弯曲强度越低。木粉含量20％时，PS复合材料的弯曲强度比纯PS略低，而木粉含量在40％时，其弯曲强度比纯PS提高l3．35％。复合材料的拉伸模量随木粉含量的增加而逐渐升高(图1(C))，其中木粉对Ps拉伸模量的影

响{zd0}，当木粉含量为20％~140％时，其拉伸模量分别为2．83GPa~I14．78GPa， 分别比纯PS的拉伸模量(1．62GPa)提高了74．69％ 和195．06％ ；从图1(C)还可以看出，随木粉含量的增加，HDPE基

WPC拉伸模量的提高幅度大于PP基WPC，说明木粉对通用塑料WPC的拉伸模量有较大影响。图1(d)为WPC弯曲模量的试验结果。从图l(d)可以看出，3种树脂基WPC的弯曲模量均随木粉含量的增加而增加。根据混合法则：

E=Ef ， =l，可得 (1一 )= +( ) ，由于木粉的模量驮于基体模N．erm，所以木粉的体积分数Vdg大，复合材料的模量就越高。图1(e)为木粉含量对3种树脂断裂伸长率的影响。从图1(e)可以看出，随木粉含量的增加，复合材料的断裂伸长率明显下降。Ps基复合材料的伸长率下降速度最快。这是由于木粉的模量高于树脂基体，加入木粉后，根据混合法则，复合材料的模量较纯树脂有明显提高，模量高的材料一般均具有较低的断裂伸长率。

2．1．2增容剂对WPC力学性能的影响使用增容剂可大幅度提高植物纤维／聚合物复合材料的力学性能[8】，PP．g—MAH、PE—g—MAH是两种较为常用的界面增容剂[9。o]。保持木粉含量40％不变，分别选用不同的界面增容剂添加到复合材料中，其中HDPE基及Ps基复合材料选用PE．g-MAH，PP基复合材料选用PP—g—MAH，实验得到不同增容剂含量复合材料的力学性能如图2所示。

从图2(a)可以看出，HDPE基复合材料的拉伸强度随着增容剂含量的增加而逐渐增大，这是由于PE—g—MAH对HDPE有较好的润湿作用，在基体与木粉之间起到一种“桥梁” 作用，使两者之间结合更牢固，应力在两者间更易传递，拉伸时不易被破士不I ；但Ps基复合材料却相反，I~I]PE—g—

MAH含量越高，其拉伸强度反而越低，说明PE—g-MAH并不适用于作Ps与木粉的增容剂，原因是PS与HDPE的结构明显不同；PP基复合材料的拉伸强度随着PP—g—MAH含量的增加开始时增大，当PP—g—MAH含量超过5％时却逐渐下降，说明PP—g—MAH含量较低时，可提高复合材料的拉伸强度，但过多时却不利于复合材料拉伸强度的提高。图2(b)表明， 用PE—g—MAH作界面增容剂的PS基复合材料，效果同样较差，其弯曲强度大幅度下降，当增容剂含量为15％时，弯曲强度降至17．5MPa，降幅达57％ ；而HDPE基、PP基复合材料的变化趋势与拉伸强度相似，PP—g—MAH含量为5％时，PP基复合材料的弯曲强度{zg}，比未使用增容剂时提高6 1％ ，但进一步提高PP—g—MAH含量反而不利于弯曲强度的改善。从图2(C)可以看出，Ps基复合材料的拉伸模量随PE—g—MAH含量的增加而逐渐减小。因此PE—g—MAH并非Ps基复合材料良好的增容剂，它并不能使Ps树脂与木粉牢固地结合，相反，由于其自身模量较低，导致复合材料总的拉伸模量不升反降。从图2(d)可以看出，当增容剂含量分别为20％ 、10％ 和15％ 时，HDPE、PP、PS树脂基复合材料的弯曲模量分别达到{zd0}值。复合材料的弯曲模量随增容剂含量的变化情况不同于拉伸模量，其主要原因是拉伸和弯曲断裂的机理不同，弯曲试验过程中，材料除发生弯曲外，还同时发生拉伸及剪t刀I?。短纤维复合材料的模量取决于纤维长度、纤维取向、纤维含量及各自的模量等。使用增容剂后，对纤维性能的影响很小，基体的性能也基本不 】，因此增容剂改善WPC模量的原因可能是由于孔洞的减少及界面结合的牢固等。图2(e)表明，HDPE基复合材料的断裂伸长率随增容剂含量增加而增大，而PP、PS基复合材料的断裂伸长率受增容剂的影响较小，原因可能是：(1)Ps的刚性给拉伸伸长带来困难；(2)PE—g-MAH作为PS与木粉的增容剂，对界面的改性效果并不明显。

2．2熔融性能

图3(a)是木粉含量为40％时，几种WPC的DSC曲线。从图3(a)可以看出，HDPE基复合材料在125～140~C范围内出现一个尖锐的熔融峰(主峰)，PP基复合材料在155～l80℃范围内却出现一个中等强度及宽度的主熔融峰，而Ps基复合材料的熔融峰相当低矮，峰的位置出现在127．5℃ ，峰较宽。另外，3种复合材料熔融峰的面积存在显著差异，分别对应于41．10J／g、34．22J／g~l：160．46J／g，说明Ps基复合材料熔融时将吸收更多的热量，其原因可能是由于PS上存在刚性苯环所致。

用2O％ 的增容剂改性WPC的DSC曲线如图3(b)所示。从图3(b)可以看出，HDPE基复合材料的主熔融峰面积升至71．07J／g，峰宽及峰高均比未使用增容剂有所提高，说明使用PE．g．MAH增强了HDPE基体与木粉的结合力；PP基复合材料的主峰的面积变为32．75J／g，较之前略有下降，如前所述，2O％的PP．g．MAH并不利于其WPC中界面的结合；与HDPE、PP基体相比，PS基复合材料熔融峰的形状变化{zd0}，其峰面积仅1．865J／g(在做DSC曲线时，通常采用单位质量样品的吸放热量来表示其曲线所包围面积的大小)，说明PS基WPC最易熔融，因此PE．g-MAH对PS基WPC界面的增容效果较差，而且还有破坏作用。

3结论

(1)HDPE、PP及PS分别与木粉复合后，其拉伸模量、弯曲模量均可提高，断裂伸长率下降，但拉伸强度、弯曲强度的变化趋势则有所不同。

(2)PE．g．MAH可改善HDPE基WPC的力学性能，其含量越高，复合材料的拉伸强度、弯曲强度、断裂伸长率均越大，而PE．g．MAH含量为l0％时，可使其WPC拉伸模量达{zd0}值；PP．g．MAH可改善PP基WPC的力学性能，但其{zj0}使用量应控制为5％；PE．g．MAH对PS基WPC的力学性能无改善作用。

(3)使用增容剂后，3种WPC熔融峰的面积均发生了改变，HDPE基WPC的熔融峰面积增大，PS基WPC的熔融峰面积最小。