（木材科学与技术专业论文）木塑复合材料的纳米阻燃研究.pdf

声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南林学院或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 签名： 日期：# 竺 关于论文使用授权的说明 本人同意：西南林学院有权保留论文的复印件，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文；提交论文一年后，允许论文被查阅和借阅，学校可以公布论文的全部 或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 一名：牲嗽4 卫 摘要：木塑复合材料是以木材或各种木质纤维素纤维材料为基本体，通过与塑料以不 同复合途径形成的一种新型材料。由于该种材料综合了木材与塑料的性能特点，因而 具有非常广泛的用途。但是木塑复合材料因其有热稳定性差、易燃烧、发烟量大等缺 点而限制了在许多领域上的应用。因此木塑复合材料的阻燃成为阻燃科学领域的关键 问题之一。本论文采用了纳米级与非纳米级阻燃剂、通过热压成型的方法制备阻燃性 的木塑复合材料。通过氧指数测试、锥形量热测试和力学性能测试研究了各种材料对 木塑复合材料燃烧性能和力学性能的影响。主要研究结果如下： ( 1 ) 基质种类对材料的力学性能的影响十分明显，其中h d p e 木刨花复合材料 的力学性能最高，p p 的次之，l l d p e 木刨花复合材料的力学性能最低，其中h d p e 木刨花复合材料的内结合强度、静曲强度和弹性模量比l l d p e 木刨花复合材料分别 高出3 9 4 、3 2 6 和1 9 8 ；就所选用的三种塑料而言，它们对复合材料的阻燃性能 的影响并不明显，无论是氧指数还是h r r 、e h c 等指标参数，相差都不大。 ( 2 ) 木刨花的含量对木塑复合材料的力学性能有重大影响，随着木刨花含量的 增加，复合材料的内结合强度呈明显下降的趋势，刨花含量为5 0 时复合材料的内结 合强度为1 1 m p a ，当刨花含量增加到7 0 时，内结合强度为0 8 6m p a ，下降了2 1 8 ； 当木刨花含量为5 0 和6 0 时，材料的静曲强度分别是1 8 7 5m p a 和1 8 3 7m p a ，相 差不大，当刨花含量增加到7 0 时，静曲强度明显增大，为2 2 5 6 m p a ；随着刨花含量 的增加，材料的弹性模量明显增大。刨花含量的越大，木塑复合材料的阻燃性越好， 随着刨花含量的增加，氧指数有所增大，而h r r 和e h c 等有所下降。 ( 3 ) 偶联剂对改善复合材料的力学性能有很大的影响，各偶联剂均能提高材料 力学性能，但硅烷偶联剂的效果明显好于铝酸酯，而硅烷k i - k 5 5 0 略好于硅烷k h 5 6 0 ， 使用硅烷偶联剂的复合材料的内结合强度、静曲强度和弹性模量要比使用铝酸酯的高 出3 0 以上：偶联剂对复合材料的阻燃性能影响不大。 ( 4 ) 阻燃剂的加入方法和顺序对复合材料力学性能有一定的影响，就内结合强 度、静曲强度和弹性模量而言，最大值与最小值分别相差2 6 5 、l o 2 和2 7 4 ，综 合起来看，塑料与刨花先混合，然后再加入阻燃剂充分混合所制得的复合材料的力学 性能最好；阻燃剂的加入方式对复合材料的氧指数的影响不大，相差不到o 4 。 ( 5 ) 阻燃剂的类型对复合材料力学性能相当明显，采用纳米a t h 与纳米姗混 合处理的复合材料的各力学性能指标都是最低的，而直接采用非纳米a t h 和采用非纳 米a t h 与纳米a t h 混用的复合材料的力学性能较好；就氧指数而言，影响不是很大， 最高的是采用纳米a t h 与非纳米a t h 混用的( 氧指数为2 3 7 ) ，而采用纳米a t h 与纳 米删混用的最低( 2 3 1 ) ；从锥形量热表征的各指标来看，阻燃剂的类型对复合材料 的阻燃性能的有一定的影响，但不明显，其中非纳米a t h 、非纳米a t h 与纳米a t h 混 用的阻燃性稍好，纳米删阻燃效果相对较差。 ( 6 ) 阻燃剂的加入量对复合材料的力学性能和阻燃性能都有很大的影响，取纳 米删的量分别为o 、6 、9 、1 2 、1 5 ，分别检测其力学性能和阻燃性能，结果发 现随着纳米阻燃剂的量的增加，复合材料的力学性能明显下降，当阻燃剂的量从 零增加到1 5 时，复合材料的内结合强度、静曲强度和弹性模量分别下降了5 8 2 、 5 6 2 和3 5 6 ；而氧指数逐渐增大，当阻燃剂的用量为零时，复合材料的氧指数为 2 1 3 ，当阻燃剂的用量增加到1 5 时，复合材料的氧指数增加到2 3 9 ，氧指数提高了 1 2 2 ；随着阻燃剂用量的增加，复合材料的阻燃性能有明显的提高。 关键词：木塑复合材料高密度聚乙烯木刨花纳米阻燃剂氧指数锥形量热仪 a b s t r a c t ：w o o d - p l a s t i c sc o m p o s i t e sa r eak i n do fn e wm a t e r i a l ，w h i c h a r ef o r m e db y w o o d ，w o o df i b e ro ro t h e rl i g n o c e l l u l o s ef i b e r sw i t hv a r i o u sp l a s t c si nd i f f e r e n tc o m b i n i n g p a t h s w i t ht h ei n t e g r a t i n gp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c o fw o o da n dp l a s t i c s ，t h en e w m a t e r i a lw i l lb eu t i l i z e di nv e r ye x t e n s i v ef i e l d o w i n gt ot h es h o r t c o m i n g so fb a d l yh e a t s t a b i t y 、 i n c e n d i v ea n ds m o k e ， w o o d - p l a s t i c sc o m p o s i t e s a r er e s t r i c t e di nm a n y f i e l d s o ，f l a m e - r e t a r d i n go fw o o d - p l a s t i c sc o m p o s i t e sb e c o m e so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t p r o b l e m s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , b a s e do nt h em e t h o do fh o t - p r e s s ，w i t hn a n o f l a m er e t a r d a n c y a n du n n a n o - f l a m er e t a r d a n c y , f l a m er e t a r d a n tw o o d - p l a s t i c sc o m p o s i t e sw e r ep r e p a r e d b y t h et e s to fl o i ，c o n ec a l o r i m e t e ra n dm e c h a n i c a lp r o p e r t y , s t u d yt h ee f f e c to fe v e r ym a t e r i a l o nt h ef l a m er e t a r d a n c ya n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h em a i nc o n c l u s i o n so b t a i n e df r o m a b o v er e s e a r c ha n a l y s e sa n dd i s c u s s i o na r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) d i f f e r e n tp l a s t i c sh a dd i f f e r e n tp r o p e r t i e s ，a n dt h ep r o p e r t i e so ft h e i rw o o d - p l a s t i c c o m p o s i t e sw e r ed i f f e r e n ta l s o t h e r ew a so b v i o u sr e l a t i v i t yb e t w e e nt h ep r o p e r t i e so f p l a s t i c sa n d l e i rw o o d - p l a s t i cc o m p o s i t e s l l d p ew a saf e x i b l ea n dt o u g hp o l y m e r ；t h e c o m p o u n d i n gp r o p e r t y o fl l d p ew i mw o o dp a r t i c l e 停) w a st h eb e s t t h e i m p a c t - r e s i s t a n tp r o p e r t yo fl l d p e w pc o m p o s i t e sw a sg o o d ，b u tt h ef l e x u r a ls t r e n g t h a n dm o d u l u s w a sv e r yl o w h d p ea sar i g i da n db r i t t l em a t e r i a l ，t h ef l e x u r a ls t r e n g t ha n d m o d u l u so fi t sw f c o m p o s i t ew a sv e r yh i g h b e c a u s ep pw a sn o to n l yr i g i db u ta l s ot o u g h , a n dt h eg e n e r a lp r o p e r t i e so fp p w pc o m p o s i t e sw e r ew e l l t h ei b ，m o ra n dm o eo f h d p e w pa r eb i g g e rt h a nl l d p e w p sb y3 9 4 ，3 2 6 a n d l9 8 ；t h ee f f e c to fd i f f e r e n t p l a s t i c so nf l a m er e t a r d a n c yi su n c o n s p i c u o u s ( 2 ) w o o dp a r t i c l e c o n t e n th a s s i g n i f i a n t i n f l u e n c et ot h e p h y s i c a l - m e c h a n i c a l c a p a b i l i t yo fw o o d - p l a s t i c sc o m p o s i t e s w i t ht h ec r e a s eo fw o o dp a r t i c l e ，i bh a so b v i o u s l y d e c l i n e ，w h e nw o o dp a r t i c l ec o n t e n ti s5 0 ，i bi s1 1 m p a , b u ti t so 8 6m p aw h e nc o n t e n ti s 7 0 ，d e c l i n e db y21 8 ；w h e nw o o dp a r t i c l ec o n t e n ta r e5 0 a n d6 0 ，w p c sm o r a r e 18 7 5m p aa n d18 3 7m p a , b u tm o ri s2 2 5 6m p aw h e nt h ec o n t e n ti s7 0 w i t ht h e i n c r e a s eo fw o o dp a r t i c l e ，m o eo fw o o d p l a s t i c ac o m p o s i t e si so b v i o u s l yi m p r o v e d t h e f l a m er e t a r d a n c yo fw o o d - p l a s t i e ac o m p o s i t e si si m p r o v e db yt h ec r e a s eo fw o o dp a r t i c l e c o n t e n t ( 3 ) c o u p l i n ga g e n t sh a v eg r e a ti n f l u e n c eo nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ew p c e a c h c o u p l i n ga g e n tc a ni m p r o v et h em e c h a n i c a lp m p e r t i e so ft h ew p c , b u ts i l a n c ec o u p l i n g l l i a g e n ti ss u p e r i o rt oa l u m i n a t e ，a n ds i l a e ek h 5 5 0 i sab i tb e t t e rt h a ns i l a c ek h 5 6 0 w h e n c o m p a r i n gs i l a n c ew p c t oa l u m i n a t ew p c ，t h ei b ，m o ra n dm o eo ft h ea n t e r i o ra r e m o r et h a nt h el a t t e rb y3 0 t h ee f f e c to fc o u p l i n ga g e n t so nf l a m er e t a r d a n c yi s u n c o n s p i c u o u s ( 4 ) h o wt oi n t e r f u s ef l a m e - r e t a r d a n ta g e n th a se f f e c tt om e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f w p c ，a n dt h em a xa r em o r et h a nt h el e a s tb y2 6 5 ，10 2 a n d 2 7 4 a sa w h o l e ，t h eb e s t m e t h o di s ：f i r s t ，m i x i n gt h ep l a s t i ca n dw o o dp a r t i c l e ，t h e ni n t e r f u s i n gf l a m e - r e t a r d a n ta g e n t t ot h ea d m i x t u r e t h em i x e dm e t h o dh a s n te f f e c ta b o u tb u r n i n gp r o p e r t i e so f w p c ( 5 ) t h e r ei sa b v i o u sr e l a t i v i t yb e t w e e nt h ep r o p e r t i e so ff l a m e - r e t a r d a n t sa n dt h e w p c t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw p cw h i c hj o i n e dn a n oa t h + n a n om hi st h e l o w e s t ，t h e nn o n - n a n oa t ha n dn o n - n a n oa t h + n a n oa t hh a v e 龟v o r a b l ee f f e c t a b o u t o i ，t h ee f f e c ti sn o ts a t i f a c t o r y n a n oa t h + n o n - n a n oa t hh a st h eb i g g e s to i ( 2 3 7 ) ，t h e n n a n oa t h + n a n om hh a st h el o w e s to i ( 2 3 1 ) c o n ec a l o r i m e t e ru s e dt oc h a r a c t e r i z et h e f l a m ep r o p e r t i e so fw p c ，t h et y p eo ff l a m e - r e t a r d a n t a g e n t s ，h a s e f f e c tt of l a m e r e t a r d a n c y , b u tt h ee f f e c ti sn o ts a t i f a c t o r y t h ef l a m er e t a r d a n c yo fn o n - n a n oa t ho r n o n - n a n o 舢+ n a n oa t hi sb e t t e r , n a n om h sf l a m er e t a r d a n c yi st h el o w e s t ( 6 ) a m o u n to f n a n o - f l a m er e t a r d a n th a v es i g n i f i c a n tt ot h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n d b u r n i n gp r o p e r t yo fw p c w h e nt h ea m o u n to fn a n om h i so ，6 ，9 ，12 o r15 ，t h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n db u r n i n gp r o p e r t yo fw p ca r er e s p c t i v e l yt e s t e d t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tn a n om hc a nd e c r e a s et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw p ca b v i o u s l y w h e n t h ea m o u n to fn a n om hi n c r e a s ef r o m0t o15 ，t h ei b ，m o ra n dm o eo fw p ca r e d e c l i n e db y5 8 2 ，5 6 2 a n d3 5 6 b u tn a n om hc a l li n c r e a s et h eo x y g e ni n d e xs a n d i n h a b i tt h ec o m b u s t i o no ft h ec o m p o s i t e ，w h e nt h ea m o u n to fn a n om hi n c r e a s ef r o m0t o 15 ，t h eo x y g e ni n d e xo fw p ca l s oi n c r e a s ef r o m2 1 3t o2 3 9 s o ，丽mt h ei n c r e a s eo f n a n of l a m er e t a r d a n t ，t h ef l a m er e t a r d a n c yo f w p c i si m p m v e sa b v i o u s l y k e yw o r d s ：w o o d p l a s t i c sc o m p o s i t e s , h i g hd e n s i t yp o l y e t h y l e n e ，w o o dp a r t i c l e , n a n o f l a m er e t a r d a n t ，o x y g e ni n d e x ，c o n ec a l o r i m e t e r i v 目录 1 绪论1 1 1w p c 阻燃技术的研究进展1 1 1 1w p c 的研究进展1 1 1 2w p c 阻燃剂的研究进展5 1 1 3w p c 的燃烧理论和阻燃机理6 1 1 4w p c 阻燃效果的测试方法6 1 1 5w p c 阻燃技术的新方向8 1 2 本论文的目的意义和研究内容9 1 2 1 目的意义9 1 2 2 研究内容9 1 2 3 技术路线1 0 2 不同塑料对w p c 性能的影响1 1 2 1 材料与方法1 1 2 1 1 试验材料1 1 2 1 2 仪器设备1 2 2 1 3 试验方法1 2 2 1 4 制样工艺1 2 2 1 5 测试标准1 3 2 2 结果与分析1 3 2 2 1 塑料类型对w p c 力学性能的影响1 3 2 2 2 塑料类型对w p c 燃烧性能的影响1 5 2 3 本章小结 2 3 3 木刨花含量对w p c 性能的影响2 4 3 1 材料与方法2 4 3 1 1 试验材料2 4 3 1 2 仪器设备2 4 3 1 3 试验方法2 4 3 2 结果与分析2 5 3 2 1 木刨花含量对w p c 力学性能的影响 2 5 3 2 2 木刨花含量对w p c 燃烧性能的影响2 7 3 3 本章小结3 3 4 偶联剂对w p c 性能的影响3 4 4 1 材料与方法3 4 4 1 1 试验材料3 4 4 1 2 仪器设备3 5 4 1 3 试验方法3 5 4 2 结果与分析3 5 4 2 1 不同偶联剂对w p c 力学性能和氧指数的影响 3 5 4 2 2 偶联剂的用量对w p c 力学性能和氧指数的影响 3 7 4 3 本章小结4 0 5 纳米阻燃剂的加入方式对w p c 性能的影响 4 1 5 1 材料与方法4 1 5 1 1 试验材料4 1 5 1 2 仪器设备4 l 5 1 3 试验方法4 l 5 2 结果与分析4 2 5 2 1 加入方式对w p c 内结合强度的影响 4 2 5 2 2 加入方式对w p c 静曲强度的影响4 2 5 2 ；3 加入方式对w p c 弹性模量的影响 4 2 5 2 4 加入方式对w p c 氧指数的影响4 3 5 3 本章小结4 4 6 不同的阻燃剂对w p c 性能的影响 4 5 6 1 材料与方法4 5 6 1 1 试验材料4 5 6 1 2 仪器设备4 6 6 1 3 试验方法4 6 6 2 结果与分析4 6 致 射7 5 1 绪论 1 绪论 木塑复合材料( w o o d p l a s t i c sc o m p o s i t e s ，w p c ) 是以木材或各种木质纤维素纤 维为基本材料，通过与塑料以不同的途径复合所形成的一种新型复合材料。与传统木 材相比，木塑复合材料有不翘曲、不开裂、易加工等优点【1 1 。木塑复合材料不但可有 效的解决单一材料的某些性能缺陷，而且木塑复合材料可回收循环利用。木塑复合材 料是当今材料科学的重要研究及发展方向之一。由于该种科学综合了木材与塑料两种 材料的性能特点，因而具有非常广泛的用途【2 1 。并且木塑复合材料不添加甲醛成分， 对环境没有污染，在国外广泛应用于室外建筑材料【3 嘲。国内也正在努力把木塑复合 材料作为一种性能优异的人造板品种，推广应用于建筑、家具和室内环境。 一般建筑材料可分成不燃烧、难燃烧和可燃烧三类。木塑复合材料属于可燃烧材 料，因而能够引起火灾或使火焰扩大。为了减少火灾，全世界范围正在蓬勃开展阻燃 的科学研究，许多国家都以法律的形式要求使用阻燃材料。世界各国对建筑结构或部 件的阻燃等级都作了明确规定，并制定了相应的材料可燃性能的标准实验方法。我国 于1 9 8 8 年颁发了g b 8 6 2 4 8 8 的建筑材料燃烧性能分级方法，并于1 9 9 5 年颁发的 g b 5 0 2 2 2 - 9 5 建筑内部装修设计防火规范中规定了建筑中所使用材料的阻燃等级 和要求【6 】。由此可见，随着国家强制性消防法规执行力度的加大，公众防火意识的普 遍加强，阻燃性的木塑复合材料的研究和开发具有广阔的市场前景和重要的现实意 义。 1 1 阻燃w p c 的研究进展 当前，发达国家阻燃w p c 的工业化发展很快，如美国、日本、德国等国，形成了 一定的产业规模。而我国对w p c 的研究历史不长，起步较晚，技术还不够成熟，对阻 燃w p c 的研究可谓是刚刚起步。 1 1 1 w p c 的研究概况 木塑复合材料有较长的历史，早在1 9 0 7 年b a k e l i t e 就用由木粉和酚醛树脂制成 复合材料。关于w p c 的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) w p c 的制备方法的研究 l 木塑复合材料的纳米阻燃研究 传统的木塑复合材是使用酚醛树脂、异氰酸酯等热固性树脂将木粉粘合后经压制 成型制成板材，但在加工和使用过程中会释放出有毒物质，有逐步被淘汰的趋势【7 】。 后来的浸渍技术，由于浸渍所用的单体或聚合物的费用昂贵，成本过高，今后发展受 到限制 羽。目前木材与塑料复合的途径主要有三类：塑料加工复合途径( 挤出、注塑、 高温捏合) ；人造板加工复合途径( 低温混合、平压或模压成板) 和无纺织工艺( 长 短纤维混杂，针刺成坯) 复合途径。 目前最常用的成型方法有：注塑成型、挤出成型和热压成型。挤塑是一种低消耗 高产出的生产工艺，w p c 的挤出工艺为：木材纤维木粉刨花由特殊的喂料器在塑料 熔融时连续喂料，木材纤维木粉n 花在双螺杆挤出机的熔融段被充分混合，此时木 材中的水分由真空泵带走，在混合充分后，混合物在一定压力下从模口挤出，制成型 材或板材。热压成型加工工艺类似于中密度纤维板的成型工艺。挤压成型工艺是挤出 机和压机联用的一种挤出和加压的同步工艺。 ( 2 ) w p c 相容性的研究 界面相容性一直是木塑复合材料研究的热点课题1 9 。木材和塑料的相容性差( 木 材表面有丰富的极性基团羟基，表现为亲水性；而塑料表面是非极性的，表现为 憎水性) 1 0 1 ，木塑复合材料需要解决的最大问题【l l 】是如何使亲水的强极性的木纤维的 表面与疏水的非极性的塑料基体界面之间具有良好的相容性。目前通常采用三种途径 来改善木塑复合材料的界面相容性。 木纤维的表面处理。在木纤维表面主要是通过对极性官能团进行酯化、醚化、接 枝共聚等改性处理，生成疏水性的非极性化学官能团，使木纤维表面与塑料表面的溶 解度相似，以降低塑料与木纤维表面之间的相斥性，达到提高界面粘合性的目的【1 2 】。 其中最主要的是偶联剂处理。偶联剂分子具有两个或两个以上的官能团，一个官能团 与纤维素的羟基作用，另一个官能团与聚合物基体的官能团作用。硅烷偶联剂和钛酸 酯偶联剂是应用最广泛的两类偶联剂。化学键理论认为【1 3 】，具有双官能团的硅烷分子， 通过化学键与木纤维中的纤维素分子相连，其有机官能团与聚合物基体分子相连接， 在界面处形成由共价键连接的连续相。通常硅烷可用结构简式x 。s i 。r 来表示，其中r 是一个基团，它可与聚合物基体反应；x 代表另外一个基团，在溶液中水解生成硅醇， 它与纤维表面的羟基反应，在酸性条件下硅烷偶联剂能有效地与木纤维发生化学交联 1 1 4 1 。廖兵【1 5 】等用钛酸酯偶联剂处理木纤维增强l l d p e ，发现其拉伸性能高于未经处理 2 1 绪论 的木塑复合材料。李凯夫等人【1 6 】采用单因子试验法重点研究了钛酸酯和铝酸酯作为木 塑复合材料的偶联剂对木塑复合材料相容性的影响，通过e s e m 和f t i r 等现代分析手 段，揭示了两种偶联剂的作用机制和影响规律。 塑料的表面预处理。对塑料进行表面处理使其极性增加，也能够起到改善界面相 容性的效果。具体方法是采用溶剂来改变塑料的极性，也可以把塑料和添加剂直接投 入双螺杆挤出机，使塑料在熔融状态下发生接枝反应等改变极性。例如在自由基存在 的条件下用顺丁二烯二酸酐( m a ) 对聚乙烯进行加成反应，将m a 上的极性基团引入 非极性的聚乙烯分子中，使改性后的聚乙烯分子具有一定的极性，在与木材复合时可 以提高木塑复合材料的力学强度【1 7 1 。 加入界面相溶剂。具有提高界面相溶作用的添加剂称为界面相溶剂，其分子内含 有两种不同的链段：一端主要处于热塑性高聚物相区，可与热塑性高聚物有较好的相 溶性；另一链段主要存在于木纤维区，可与木纤维分子化学键合。根据作用机理的不 同可以分为非反应型相溶剂和反应型相溶剂。非反应型界面相溶剂如乙丙三元橡胶 ( e p 2 d m ) 、聚异丁烯( p i b ) 、氯化聚乙烯( c p e ) 等【1 8 1 ，e p d m 能提高复合材料的韧性 和拉伸断裂伸长率；丙烯腈一丁二烯弹性体由2 7 k j m 2 增加到4 1 k j m * 【1 9 1 ；揣成智【2 0 】 等在研究软木纤维增强聚丙烯复合材料时，以e p d m 对软木纤维进行改性处理，复合 材料的力学性能得到改善。反应型界面相溶剂主要有马来酸酐接枝聚丙烯( m a p p ) 、 马来酸酐接枝聚乙烯( m a p e ) 等，陈国昌等人【2 l 】利用马来酸酐接枝聚丙烯( m a h g p p ) 对聚丙烯( p p ) 木粉进行改性研究结果表明，加入相溶剂后，p p 和木粉的界面相溶 性得到改善，复合材料的弯曲强度、拉伸强度、断裂伸长率和冲击强度均有不同程度 的提高；c o l o m 等【2 2 】以m a p e 作为相溶剂使木纤维p e 复合材料的力学性能有所提高。 ( 3 ) 微发泡技术 w p c 密度高，运输、加工不方便，单位体积成本高，而开发的结构发泡w p c 则是 外观更像传统木材的替代材料，如低密度的发泡w p c 板吸收能量好，质更轻，更像真 正的木材，令安装者施工作业时愉快。a m e r i c a nw o o d f i b e r 公司【2 3 】称“发泡w p c 是 w p c 铺板替代木铺板后的另一个浪潮 或是“新的革命 。发泡w p c 表面质量优于w p c ， 有更清晰的轮廓和拐角【2 4 1 ，质量可以减轻3 0 9 6 以上。l iqx 等【2 5 1 研究了化学发泡剂 的类型、用量对高密度聚乙烯( h d p e ) 木粉复合材料的影响，发现化学发泡剂类型 对复合材料的泡孔尺寸基本上没有影响；但随着发泡剂用量的增加，复合材料的空隙 3 型发泡剂得到的泡孔尺寸比吸热型发泡剂的小，发泡后复合材料的延展性得到提高， 空隙率可达3 5 ；但与此同时，也造成拉伸弹性模量和拉伸强度的降低【3 2 】；m a t u a n al m 等 3 3 - 3 5 】通过试验证实，增塑剂d o p 可以降低p v c 木粉复合材料熔融粘度，有利于气 体在基体中的扩散和泡孔的生长，有助于增加聚合物的弯曲和拉伸能力；b l e d z k ia k 等 3 6 - 3 8 】发现高熔体质量流动速率的p p 基体树脂有助于改善泡孔的形态及其分布； z h a n gsw 等【3 9 】成功生产出平均泡孔尺寸小于l o o l m 的微发泡p p 木粉复合材料； m a t u a n alm 等【柏】研究了工艺参数对微发泡木塑复合材料泡孔结构和性能的影响，发 现孔隙度与螺杆转速无关，但随着挤出机的口模温度的上升而增大；b l e d z k iak 等 【4 l 】通过注塑成型制得了木纤维增强p p 微发泡复合材料发现在注塑过程中熔体流速越 快，密度越小；杨治伟掣4 2 】将纳米氧化锌a c 复合发泡剂应用于p p 发泡，发现纳米 氧化锌的加入不但降低了a c 的分解温度，且提高了a c 的分解速度和发泡倍率；林群 芳等 4 3 】在木粉中添加适量玻璃纤维，改善了复合材料的力学性能；且随着玻璃纤维用 量增大，复合材料的性能得到提高；r i z v ig 等【删利用木纤维中的水分来挤出发泡p s 木纤维复合材料，发现通过控制木粉含水量，设置合适的挤出加工温度可获得约2 0 的体积膨胀率，而且水分的凝结不会导致p s 木纤维复合材料终止发泡，加入少量的 矿物油有助于p s 木纤维复合材料的成核，但不会改变体积膨胀率：d o r o u d i a n is 等【4 5 】采用物理发泡法生产p s 木纤维复合材料研究复合材料的冲击强度及拉伸性能 与发泡过程和泡孔结构之间的联系，发现木纤维用量对拉伸强度和冲击模量的影响最 大；d o r o u d i a n is 等m 比较了物理发泡中浸透压力及木纤维含量对c 0 2 气体在复合材 料中的溶解及扩散能力的影响，发现气体的压力的影响比较显著；z h o ujh 等【卅发 现，在挤出发泡过程中加入具有高挥发率的第二种发泡剂，如戊烷、乙酸乙酯等，能 4 l 绪论 增加成核密度，提高气体的溶解性，最终提高泡孔密度。 ( 4 ) w p c 性能和用途 木塑复合材料具有以下优点：用木材作为填料可以改善塑料的耐热性和塑料的强 度，在改善拉伸强度和弯曲模量上，增强的木材有很大的潜力【4 8 1 ；对设备的磨损小， 并且可以再生利用；具有较低的吸水、吸湿性能，不需要保护性防水涂饰，同时材料 可以根据需要染色或者涂饰；在抗裂纹、霉菌、白蚁方面的能力优于木材 4 9 1 ，可生物 降解；可以像木材一样被加工或者连接；可以通过挤出或模压等方式加工成板材等许 多复杂形状的制品，同时具有高效的原料转化率和自身循环利用率【5 0 1 。 木塑复合材料仍存在着一些不足，主要表现为：密度高；产品的安装费用相对较 高；耐热性和耐紫外线能力较差；制品的硬度和载荷能力较木材差【5 l 】。 木塑复合材料制品兼有木材和塑料的特点，因而被广泛应用于很多家具、建筑、 工业、车辆船舶、包装运输等领域。 1 1 2w p c 阻燃剂的研究进展 基于木塑复合材料的结构、性质和应用特点，木塑复合材料阻燃剂主要为卤系、 有机磷系及卤一磷系、氮系、磷一氮系、硅系、金属氧化物、锑系、硼系等。 目前对聚合物进行阻燃采用最广泛的阻燃剂为卤素阻燃剂，该类阻燃剂阻燃性能 优越，用量少。但是该类阻燃剂在材料燃烧时会形成有毒或有腐蚀性的物质，因此应 用受到限制。例如：1 9 8 6 年德国的研究人员在实验室裂解溴代二苯醚时发现其分解 产物中含有溴的二嗯英类物质p b d d 和p b d f 。二噫英类物质是高熔点、高沸点物质， 在常温下以固态存在，二噫英类是毒性极强的物质，对人体的毒性超过氰花钾1 0 0 0 倍以上，会引起浮肿、胸腺、肝脏功能障碍等疾病。这一发现引起全世界的广泛关注， 因为多溴二苯醚p b d p o ( p o l y b r o m i n a t e dd i p h e n y lo x i d e ) 是广泛使用的聚合物阻 燃剂【5 2 】，此后，阻燃剂无卤化的呼声日愈高长。 无卤阻燃体系中对环境和人体几乎没有危害的当属填料型阻燃剂，如氢氧化铝和 氢氧化镁。其作用机理是在受热时分解产生水，从而吸收热量。它们的阻燃机理为在 裂解过程中，加入的填料发生吸热脱水反应，通过填料的脱水吸收热量而达到阻燃的 目的。尽管该类阻燃剂属于最环保型的阻燃剂，但是用填料型阻燃剂聚合物材料时， 其用量很大。为了降低其用量，而又保证良好的阻燃效果，微米级甚至纳米级的氢氧 5 木塑复合材料的纳米阻燃研究 化铝和氢氧化镁正逐渐被拿来阻燃木塑复合材料。 1 1 3w p c 阻燃机理 关于木塑复合材料的燃烧比较复杂，它涉及到塑料的燃烧和木纤维的燃烧，以及 各种助剂的燃烧，目前尚无详细报道，其具体的燃烧过程和燃烧理论有待进一步研究。 燃烧有三个要素：可燃物、氧和热，只要干扰其中一个要素就可以中断燃烧，这 就是阻燃的基本原理。木塑复合材料的阻燃机理包括凝聚相阻燃和气相阻燃。 凝聚相阻燃机理：在固相中延缓或中止热分解，减少或中断可燃物的来源；在燃 烧表面生成多孔炭层，此层隔热隔氧，又可以阻止可燃性气体进入气相；大量的无机 填料可稀释被阻燃材料，且热容较大，即可蓄热又可导热；阻燃剂分解吸热，阻止被 阻燃材料温度升高。 气相阻燃机理：阻燃剂受热产生能捕捉促进燃烧反应链增长的自由基；阻燃剂受 热生成能促进自由基结合的细微粒子；阻燃剂受热分解能释放大量可稀释可燃气体并 降低可燃气温度的惰性气体；阻燃剂受热释放出可覆盖可燃气的高密度蒸气。 优良的阻燃剂往往具有一种以上的阻燃作用 5 3 , 5 4 。至今尚不能解释所有阻燃剂作 用的统一机理，只能根据具体现象选择某一个或几个机理的综合作用加以解释。 1 1 4 阻燃效果测试方法 木塑复合材料是一种新型材料，国内外尚无统一确定的设备和方法，一般参照其 他材料的检测标准，主要测试方法可归纳为以下几种【5 5 - 6 0 ： ( 1 ) 可燃性试验法。外焰将材料一端点燃一定时间，火焰沿材表蔓延的速度和 燃烧时间、残焰时间、材料表面的炭化长度、炭化面积、烧毁长度及材料的失重率、 烟气温度等均代表火焰的燃烧性。方法有垂直燃烧法，美国标准有a s t md 5 6 8 ，国 标有i s o9 7 7 3 1 9 9 0 ，我国行业标准g b4 6 0 9 8 4 ；4 5 。角燃烧法，在这方面的标准有 日本j i sa 1 3 2 2 6 6 ，美国a s t md 1 3 6 0 7 9 ，我国行业标准z b g 5 1 0 0 3 8 3 d , 室法等，该 法在胶合板上有人使用 6 1 - 6 3 】。 ( 2 ) 材料着火评价方法。它是衡量火灾危险性重要因素之一着火难易可用材 料分解温度、闪点和自燃点来衡量。常用氧指数表示着火性，即材料持续燃烧所需最 低氧气浓度或体积百分数。该法首先用于塑料阻燃性测定，现在亦用于木质材料的阻 6 l 绪论 燃性测定。我国标准有g b 2 4 0 6 8 0 9 3 ，国外标准有a s t md 2 8 6 3 7 7 ，j i sd 1 2 0 1 等。 我国有许多人借用此方法测试胶合板的阻燃性能【“7 4 】。 ( 3 ) 燃烧热和放热速度的测试方法。燃烧热是单位质量材料完全燃烧时所释放 的热量；放热速度是材料燃烧时单位质量、单位时间放出的热量，两者是消防部门需 要考虑的基本参数之一。标准有a s t me 9 0 6 、i s 0 1 7 1 6 等。 ( 4 ) 材料发烟测试方法。材料热解或燃烧时产生的烟量，可用烟对光的遮蔽程 度来表示。试验标准有a s t me 6 6 2 8 3 和j i sd 1 2 0 1 等。 ( 5 ) 氧指数法。氧指数定义为：在规定的实验条件下，被测样品尚能够维持燃 烧的最低氧浓度，即在燃烧的实验环境气体一氧氮混