纳米Al2O3增强木塑复合材料的制备与性能分析

第３７卷第１０期　２０１７年１０月　中南林业科技大学学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｓｏｕｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｆｏｒｅｓｔｒｙ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｂ１．３７　Ｎｏ．１Ｏ　ｏｃｔ．２Ｏｌ７　

Ｄｏｉ：１０．１４０６７￣．ｃｎｋｉ．１６７３－９２３ｘ．２０１７．１０．０１９　ｈｔｔｐ：／／ｑｋｓ．ｃｓｕｆｔ．ｅｄｕ．ｃｎ　

纳米ＡＩ２０３增强木塑复合材料的制备与性能分析　

袁光明“　，张威　，赵可欣　，肖罗喜　，谭林朋　

（１．中南林业科技大学材料科学与工程学院，湖南长沙４１０００４；　２．“木竹资源高效利用”湖南省高校２０１１协同创新中心，湖南长沙４１００１８）　

摘要：木质纤维经预处理后，添加ＫＨ５５０分散改性后的纳米Ａｌ　Ｏ　粒子，再与ＰＶＣ与ＤＯＰ等组分挤捏后的混　合物一起混炼造粒，热压成型制得试样。测试试样力学性能后，对其进行ＦＴＩＲ，ＳＥＭ，ＴＧ分析表征。结果表明：　ＫＨ５５０成功接枝到纳米Ａｌ　Ｏ　粒子上；纳米Ａｌ　Ｏ，改善了木质纤维与ＰＶＣ的界面结合，提高了复合材的力学性　能和热稳定性　当纳米Ａｌ２ｏ，粒子质量分数达７％时，含ＤＯＰ４０％的试样拉伸强度为５．６　ＭＰａ，比未添加纳米粒　子的提高７４％，断裂拉伸率为１２．８％，提高１Ｏ％；磨耗量为０．１４　ｇ，耐磨性提高３０％；而含ＤＯＰ８０％的试样拉　伸强度为３．２　ＭＰａ，比未添加纳米粒子的提高５７％，断裂拉伸率为２１５．９％，提高１２４％；磨耗量为Ｏ．１５　ｇ，耐磨　性能提高８０％。　关键词：纳米Ａ１：Ｏ，；ＰＶＣ；木质纤维；复合材料；力学性能　中图分类号：￥７８４　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７３．９２３Ｘ（２０１７）１０．０１　１８．０６　

Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｎａｎｏ—Ａｌ２Ｏ３　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ＷＰＣ　

ＹＵＡＮ　Ｇｕａｎｇｍｉｎｇ　，ＺＨＡＮＧ　Ｗｅｉ　，ＺＨＡＯ　Ｋｅｘｉｎ　，ＸＩＡＯ　Ｌｕｏｘｉ　，ＴＡＮ　Ｌｉｎｐｅｎｇ　

（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ　ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１０００４，Ｈｎｎａｎ，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｈｕｎａｎ　Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆＥｆｆｅｃｔｉｖｅ　Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ　ｏｆＷｏｏｄ＆Ｂａｍｂｏｏ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００１８，Ｈｕｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｎａｎｏ．Ａ１２０１　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ａｎｄ　ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ　ｂｙ　ＫＨ５５０　ｊｏｉｎｅｄ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒｅｔｒｅａｔｅｄ　ｗｏｏｄ　ｆｉｂｅｒ，ｔｈｅｎ　ｍｉｘｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ＤＯＰ　ａｎｄ　ＰＶＣ　ｅｔｃ．，　ｗｉｔｈ　ＰＶＣ，ｔｈｅｎ　ｗｏｏｄ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　ｗｅｒｅ　ｍａｄｅ　ｏｕｔ　ｂｙ　ｈｏｔ　ｐｒｅｓｓ　ｍｏｌｄｉｎｇ　ｗａｙ，ｔｈｅｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ　ｂｙ　ＦＴＩＲ，ＳＥＭ　ａｎｄ　ＴＧ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ＫＨ５５０　ｗａｓ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ　ｇｒａｆｔｅｄ．ａｎｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｂｌｅｎｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｅｎｈａｎｃｅｄ　ｗｉｔｈ　ａｄｄｉｎｇ　ｎａｎｏ－　Ａｌ，Ｏ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ　ａｄｈｅｓｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｗｏｏｄ　ｆｉｂｅｒ　ａｎｄ　ＰＶＣ　ｗａｓ　ａｌＳＯ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ，ｔｈｕｓ　ｔｈｅ　ｍｅｅｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　Ｗａｓ　ａｌＳＯ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．　Ｗｈｅｎ　７％ｍａｓｓ　ｆｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｌａｎｏ－Ａｌ２０３　ａｄｄｉｎｇ，ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｗａｓ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅｓｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ｔｈｅ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ　ａｔ　ｂｒｅａｋ　ｏｆ　ＤＯＰ　４０％ｓａｍｐｌｅ　ｗａｓ　５．６　ＭＰａ　ａｎｄ　１２．８％ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｂｙ　７４％ａｎｄ　ｌＯ％：ｆａｃｅ　ａｂｒａｄｉｎｇ　ｑｕａｎｔｉｔｙ　ｗａｓ　Ｏ．１４　ｇ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｂｙ　３Ｏ％；ｔｈｅ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｓ￣ｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ　ａｔ　ｂｒｅａｋ　ｏｆ　ＤＯＰ　８０％ｓａｍｐｌｅ　ｗａｓ　３．２　ＭＰａ　ａｎｄ　２１５．９％，　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｂｙ　５７％ａｎｄ　１２４％；ｆａｃｅ　ａｂｒａｄｉｎｇ　ｑｕａｎｔｉｔｙ　ｗａｇ　０．１５　ｇ．ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｂｙ　８０％．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎａｎｏ—Ａｌ２Ｏ３；ｗｏｏｄ—ｆｉｂｅｒ；ＰＶＣ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　

木塑复合材料（ＷＰＣ）是木质纤维进行预处　

理后与热塑性聚合物或其他材料复合而成的新型　绿色材料；与传统的人造板不同，其生产过程无　

废气，废水排放，使用过程中无游离甲醛等有害　

气体释放，可循环使用，且原料价格低廉，能大　大缓解我国木材资源的供应［１－２］ｏ目前被广泛应用　

于室内装饰、包装、建筑行业及交通工具内饰等　

领域，发展势头强劲【３　。为使其得到更好的发展，　

解决木质纤维与无机填料间的相容性问题，改善　木质纤维与聚合物之间的界面状况与控制其成型　的工艺参数至关重要ｉｓ－６］。　

纳米材料具有量子尺寸效应等特性［７－８］，用　

纳米粒子来改性木质纤维等植物纤维，使植物　

纤维基复合材料具备阻燃、抗老化等性能，还　可增强其力学性能［９ｑ０］。但因纳米粒子自身易　

团聚，需要对其进行改性分散而减少团聚现象　的发生［１１－１　３］，从而使木塑复合材料的性能得到不　

同程度的提高【ｌ　。剐。　

收稿日期：２０１６．０７．２３　基金项目：国家林业公益性行业科研专项经费项目（２０１５０４５０３）；中南林业科技大学大学生研究性学习和创新性实验项目　作者简介：袁光明，教授，博士；Ｅ—ｍａｉｌ：ｙｇｒｎ１２３７＠１６３．ｃｏｍ　引文格式：袁光明，张威，赵可欣，等．纳米Ａｌ　Ｏ３增强木塑复合材料的制备与性能分析［Ｊ】．中南林业科技大学学报，２０１７，３７（１０）　ｌ１８一ｌ２３．

　第３７卷　中南林业科技大学学报　ｌ１９　

本研究在预试验确定工艺参数的基础上，向　

以ＰＶＣ为基体、ＤＯＰ为增塑剂的木塑复合材料体　

系中添加不同重量百分比含量的纳米Ａ１　Ｏ　粒子，　

研究其对复合材料的性能及结构的影响。　

１材料与方法　

１．１试验材料　

木质纤维：杨木，２．０　ｍｍ±０．５　ｍｍ，山西风岳　矿产品有限公司；纳米Ａｌ　Ｏ　：平均粒径６０　ｎｍ，　

南京海泰纳米材料有限公司；聚氯乙烯：ＰＶＣ一　

５Ｇ，新疆中泰化学股份有限公司；石蜡：５６号，　中国石油化工股份有限公司；无水乙醇：分析纯，　

湖南汇虹试剂有限公司；硅烷偶联剂ＫＨ５５０：纯　

度≥９８％，广州忆晖盛化工有限公司；氢氧化钠：　

分析纯，湖南汇虹试剂有限公司。　

１．２主要仪器　

超声波清洗仪：ＳＢ一５２００ＤＴ型，宁波新芝生　

物科技股份有限公司；红外光谱分析仪：ＩＲＡｆｆ　ｉｎｉｔｙ一１型，日本ＳＨＩＭＡＤＵ公司；电子万能力学　

试验机：ＭＷＤ一５０型，济南试金集团有限公司；　

热压机：Ｙ３３—５０型，萍乡九州精密压机有限公司；　

扫描电镜：Ｑｕａｎｔａ４５０型，加速电压２００Ｖ－３０ｋＶ，　

美国ＦＥＩ公司；炼胶机：ＸＫ１６０型，青岛盛华　隆橡胶机械有限公司；塑料粉碎机：ＰＣ．３０型，　

低噪音，常州苏研科技有限公司；冲击试验机：　

ＸＪＪ．５型，河北承德试验机有限公司；恒温干燥箱：　

１０１Ａ一３型，上海试验仪器总厂。　１．３．３木塑复合材料的制备　

为改善ＰＶＣ与木质纤维的界面相容性，将　

质量为木质纤维的５％的硅烷偶联剂ＫＨ５５０制　成的无水乙醇水溶液与木质纤维充分混合，待无　

水乙醇自然蒸发。为提高试样的力学性能，将分　

散改性的、不同质量分数（表１）的纳米Ａ１，Ｏ　

粒子制成的无水乙醇水溶液与木质纤维充分混　合，待木质纤维自然干燥后，与ＰＶＣ及其助剂　

的混合物混炼，造粒后平压成型，试样尺寸为　

２５０　ｍｍ×２５０　ｍｍ×６　ｍｍ。　根据预实验筛选的工艺参数（热压时间，热　压温度）和木塑质量比，控制每个试样的工艺参　

数一致，以纳米Ａ１　Ｏ　粒子的质量分数和ＤＯＰ的　

含量为影响因子，采用单因子法进行对比实验，　

实验方案如表１所示。　

表１试验设计方案　Ｔａｂｌｅ　１　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｃｈｅｍｅ　

试验编号ＤＯＰ质量分数／％　ＡＩ２Ｏ３质量分数，％　

・３试验方法　２　结果与分析　

１．３．１　纳米ＡＩ２Ｏ３分散改性　（１）将纳米Ａｌ，ｏ　粒子置于１００℃干燥箱　

中干燥８　ｈ后取出，添加一定量的无水乙醇，制　

成浓度为３％的纳米粒子水溶液，用ＮａＯＨ调节　ｐＨ＝９后，在６０℃下超声波分散１５　ｍｉｎ，缓慢加　

入纳米Ａｌ，ｏ　粒子质量的３％的ＫＨ５５０，再分散　１５　ｒａｉｎ。　（２）将其干燥、研磨，制成分散后的纳　

米Ａｌ，Ｏ　粉体。　

１．３．２组分混炼　ＰＶＣ与助剂混合：将ＰＶＣ分别与其质量４０％　和８０％的ＤＯＰ在８Ｏ℃下高速搅拌３ｍｉｎ，再与一　

定比例的其他助剂（重质碳酸钙６００，复合稳定剂，　

氯醋树脂ＥＶＡ等）继续捏炼３ｍｉｎ，制得ＰＶＣ与　其配料的混合物。　２．１　复合材力学性能检测分析　

制成８０　ｍｍ￣１０　ｍｍ的试样，用ＭＷＤ—ＷｌＯ型　万能力学试验机，按ＧＢ／Ｔ１０４０５—２００８进行检测分析。　

２．１．１　拉伸强度检测分析　（１）ＤＯＰ含量４０％的试件：由图１可知，　

在纳米Ａｌ　０　的作用下，拉伸强度有所提高，当其　质量分数达到７％（与复合材中的木质纤维相比，　

下同）时，达到最大值５．６　ＭＰａ。相较于未添加纳　

米粒子的试件提高了７４％。原因可能是纳米粒子　比表面积大，比表面能高，紧密吸附在木质纤维上；　

从而提高木质纤维和ＰＶＣ的界面结合强度，试件　

的拉伸强度得到提升。　（２）ＤＯＰ含量８０％的试件：由图２知，添　钧∞∞∞∞∞∞∞∞∞舳∞　２　３　４　５　６　７　８　９　

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