课程名称: 聚合物复合材料
论文题目：改性木粉/PVC复合材料的研究进展任课老师：符新教授
学院：材料与化工学院
专业：材料学
班级：材料学
学生XX：周宇
学生证号：008
改性木粉/PVC复合材料的研究进展
1 木/塑复合材料的发展和背景
木/塑复合材料是利用木粉和废旧热塑性塑料或树脂为主要原料,经高温混炼、再经成型加工而制得的一种廉价的新型复合材料。它是当代工业基础材料废物利用的最佳科研成果在工业生产中的应用,有“合成木材”之名,在建筑、交通、轻工等部门具有广阔的应用前景[1]。这种木/塑复合材料不仅可以替代货物木质包装材料和铺垫材料,还能用于门、窗框、建筑模板、地板、汽车配件的生产[2]。
20世纪80年代,这种新型复合材料在国外已有研究成果和实际应用[3]。日本阿特隆公司于1980年发表了相关专利并向世界推广[4]。这也是近年来国外发展较快且经济效益显著的实用型技术。木/塑复合材料之所以发展得这么快,是由于人们环境观念的加强。美国建筑工业寻找木材的替代材料,要求不腐蚀、不翘曲、维修方便、外观与木材相似。而韩国和日本的纸、木材加工厂对锯木粉、废木屑等的应用都推动和加速了木/塑复合材料的研究和应用开发[5]。我国是一个木材资源不丰富的国家,储量小,产量满足不了市场的需要。另外,自1998年2月开始,美国、加拿大和欧盟国家相继对我国出口货物的木质包装材料实施新的检疫标准,要求采取熏蒸或高温消毒处理,否则将拒绝入境,这也促进和推动了我XX用木塑型材做包装用托盘为代表的制品发展。
现在国外已对木/塑复合材料有了较深入的研究, 开发出PE木塑、PS木塑、PP木塑、PVC木塑等多种复合材料及制品[6]。而国内开展研究起步较晚,在这方面的研究只是近几年的事情。目前国内主要是对PE、PP基木塑复合材料的研究[7],产品开发主要是PE基木塑复合材料制品,而对PVC基木塑复合材料深入研究的报道较少,相应的产品开发也少有报道。PVC是目前世界上最重要的两种塑料材料之一,每年庞大的PVC消费量相应地产生了大量的废旧塑料,可是这些废旧塑料的回收率还很低,使得大量的废旧塑料制品成为垃圾,给环境造成很大污染[8]。因此,
研究和开发木/塑复合材料的生产和应用,不仅将为国民经济建设增添一种价廉而有广泛应用前景的新材料,而且能为治理废旧塑料制品的危害和提高木材的综合利用率开辟一条新途径;反过来,大量的木屑和废旧塑料又为生产木/塑复合材料提供充足的原料来源,其重要意义是不言而喻的。
2 木/塑复合材料性能
木纤维和植物纤维最初是以低成本来提高塑料刚性的改性填充材料。木塑材料可充分利用资源,而且可回收利用,而材料能否回收利用已成为工业界选材的重要考虑因素,因而前景看好。其主要特点可归纳如下: 1)耐用、寿命长,有类似木质外观,比塑料硬度高; 2)具有优良的物性,比木材尺寸稳定性好,不会产生裂缝、翘曲、无木材节痕、斜纹,加入着色剂、覆层或复合表层可制成色彩绚丽的各种制品; 3)具有热塑性塑料的加工性,容易成型,用一般塑料加工设备或稍加改造后便可进行成型加工,加工设备新投入资金少,便于推广应用; 4)有类似木材的二次加工性,可涂漆,产品规格形状可根据用户要求调整,灵活性大; 5)不怕虫咬、耐老化、耐腐蚀、吸水性小,不会吸湿变形; 6)能重复使用和回收再利用,环境友好; 7)维修费用低。缺点是韧性低于塑料母体树脂,加工设备、下游装置、模具均需作相应调整和改造。
3 木/塑复合材料的生产流程
生产流程如图1所示。
图1 生产流程图
4 木粉的改性
研制PVC基木塑复合材料的重点是提高PVC基木塑复合材料的界面粘接性,解决植物纤维与PVC树脂的界面粘合作用,这是提高木/塑复合材料性能的关键技术问题,也是目前PVC基木塑复合材料研究的热点问题[9]。
4.1 木质材料的性质
木质材料是由纤维素、半纤维素、木素以及各种抽提物组成的天然高分子复合材料,它不但具有生物学特征,也具有化学和物理特征。由于组成木质材料的纤
维素、半纤维素、木质素以及各种抽出物在木材中并非按规律分布,因此它是一种不均匀的各向异性材料。此外,由于树种木材切面的不同,使木质材料表面裸露的分子形态、比例及化学组成各不相同。这些差异对木质材料表面的形状、表面物理和化学性质均有影响[10]。
另外,组成木质材料的纤维素、半纤维素和木素等主要成分中含有大量的极性羟基和酚羟基官能团,使其表面表现出很强的化学极性。因此,在木质纤维-塑料体系木塑复合材料的研制过程中,需要解决的最大问题是如何使亲水的极性木粉表面与疏水的某些塑料基材界面之间具有良好的相容性[11],从而使木质材料的表面层与塑料的表面层之间达到分子间的融合或产生化学交联,把这两种不同性质的材料适当地复合在一起,生产比单一材料性能更加优良的新材料。
4.2 木粉改性的方法
在木/塑复合材料的研制过程中,木粉表面所具有的极性和由此产生的分子间氢键,阻碍了亲水的木粉填料和热塑性材料之间的分散性和表面粘合性,从而影响了木/塑复合材料的复合性能[12]。因此要对木粉进行改性,消除或降低其表面极性化程度,提高木塑复合材料的复合性能。
目前,对木粉进行改性的方法有物理和化学改性的方法[13]。
物理方法主要有: 1)拉伸、压延、热处理、混纺等,用以改变纤维的结构和表面性质,有利于复合过程中纤维的机械交联作用; 2)放电技术,包括电晕、低温等离子体、辐射等方法。电晕处理技术可以大量激活纤维表面的醛基,改变纤维素纤维的表面能量;低温等离子体处理技术依据所用气体的不同,可以进行系列化的纤维表面处理,使纤维表面产生自由基和官能团;放电方法也是对惰性高分子聚合物如PS、PE、PP等改性的行之有效的方法。
化学改性方法主要有: 1)偶联剂法,如采用硅烷、异氰酸酯、钛酸酯、铝酸酯等偶联剂处理纤维,改善纤维素纤维与树脂的相容性; 2)相容剂法,如用马来酸酐等接枝植物纤维或马来酸酐改性的聚烯烃树脂作相容剂,也可采用与共混两相或多相都能良好相容的共同相容剂等; 3)碱金属溶液处理法[14]。
化学方法在木塑复合材料中通过加入偶联剂来改善木塑两种材料界面的容合效果,提高复合材料的拉伸强度、冲击强度和弹性模量等力学性质。例如胡圣飞等[15]用3% (经过稀释)钛酸偶联剂与纳米级CaCO3共同改性木粉,取得良好的改性效果。而加入纳米级CaCO3的目的是为了吸收木粉在高温下放出的酸性物质,从而提高木粉的耐热性,同时纳米级CaCO3吸附于木粉的表面,有利于改善挤出材料的表面光洁度,而偶联剂则改善木纤维与PVC树脂间的相容性。苑会林等[16]用铝酸酯偶联剂来改善木粉也取得很好的改性效果。这是因为用铝酸酯处理木粉后具有双官能团的铝酸酯分子,通过化学键与纤维填料的纤维素分子相连使木粉表面的亲水性OH-基数减少,其有机官能团与聚合物连接。通过这两方面的反应,在相界面上形成由共价键连接的连续体强化了PVC与木粉表面之间的界面键合,提高了木粉与PVC的相容性及分散性。
另一种化学方法中改善复合材料两相界面粘合性能的方法是对木粉表面进行改性处理,使两种材料表面的极性和溶解度相近,在复合过程中使两界面间实现分子间的融合,从而改善两界面间粘合性能。在木粉表面主要通过对极性官能团进行酯化、醚化和接枝共聚等改性处理,使其生成疏水的非极性化学官能团并具有热流动性,使木粉表面与塑料表面的溶解度相似,以降低塑料基材与木质材料表面间的相斥性,达到提高界面粘合性的目的。最常用的木材酯化方式是木粉的乙酰化处理。木粉表面的羟基经乙酸酐或烯酮处理后,木粉上的极性羟基基团被非
