木塑复合材料用偶联剂.doc

木塑复合材料用偶联剂绪论 应用 偶联剂的分类马来酸酐接枝聚烯烃硅烷氯化石蜡 作为相容剂的润滑剂 结论 绪论随着木塑复合材料工业的迅速发展，木塑复合材料的优势显得越来越明显，也使得木塑复合材料相对于传统的纯塑料产品而言就有更高的挑战性。木塑复合材料的优点包括：具有更高的抗弯曲性能和抗冲击性能、良好的防潮性、收缩率低以及更高的耐候性等。木塑复合材料的性能影响的关键因素是配方中添加剂的选择。试验表明：木塑复合材料配方中最重要的助剂是偶联剂主要是为了提高非极性塑料树脂与高极性木纤维之间的相容性。偶联剂可以帮助木纤维传递给塑料制品更高的强度，因为偶联剂可以将木纤维与高分子结构之间建立一个很好的桥梁关系。同时，偶联剂也可以帮助木纤维能更好地分散在高分子材料树脂中。偶联剂可以与其他的助剂同时使用。其他的助剂包括：润滑剂、热稳定剂、光稳定剂、颜料、抗菌剂和发泡剂等。有时候，这些助剂具有协同的效应例如：润滑剂有时候同时也可作为一种偶联剂。现在关于木塑复合材料用助剂的研究主要是为了将各种助剂之间的干扰达到最小的程度。另外一个目标就是研发多功能的助剂，比如说单组分的助剂，而这种助剂同时具有偶联剂和润滑剂的性能。应用木塑复合材料可以应用在装饰、家居、门窗、建筑等领域。木塑复合材料所选用的基体树脂大部分是聚烯烃，如高分子量聚乙烯（HDPE）和聚丙烯（PP）。聚氯乙稀（PVC）也可以用作木塑复合材料的基体树脂，这种材料可以应用在门窗等建筑领域。而在木塑复合材料基体树脂中，很少选用聚苯乙烯和ABS。复合材料包括木质纤维和木粉。在木塑复合材料领域，采用木质纤维的占到了50到70。偶联剂的添加量一般为木塑填料重量的1到3。偶联剂的分类到目前为止，用的最多的偶联剂是马来酸酐接枝聚烯烃。这些主要由聚乙烯或聚丙烯和马来酸酐多功能官能团键与键之间发生反应而成。键与键之间的嫁接主要是通过过氧化物引发剂进行引发，然后在聚合物长链具有活性的碳原子或者是在官能团的末端发生反应而成。当接枝的聚烯烃和其他具有很相似组分的聚合物熔融然后再冷却时，就可以生成基体树脂，当马来酸酐与木纤维表面的马来酸酐羟基发生反应时，就能形成很强的共价键。马来酸酐聚烯烃可以先造粒，然后再添加到标准的挤出机或注塑设备中进行加工。另外在木塑复合材料中使用的偶联剂还包括：硅烷、脂肪酸、长链氯化石蜡以及聚烯烃和酸酐的共聚物等。马来酸酐接枝聚烯烃一般的，在木塑复合材料中使用偶联剂能达到很好的效果。马来酸酐接枝聚烯烃作为偶联剂与不添加偶联剂的木塑复合材料相比，能提高聚烯烃木塑复合材料拉伸强度200到300%(杜邦的产品）。另外一个产品是Equistar公司的马来酸酐接枝聚乙烯，用这种偶联剂添加到木塑复合材料中，复合材料的缺口冲击强度可以提高到不加偶联剂之前的300。木塑复合材料的断裂模量在偶联剂添加量为2的情况下能提高1倍。 图 1: 马来酸酐就象表面活性剂，能提高木质纤维与塑料基体树脂之间的相容性。 (来源: 杜邦)同样地，添加3的马来酸酐接枝聚乙烯偶联剂（伊士曼化工的Epolene G-2608）也能使材料的拉伸强度翻翻，冲击强度能达到未添加偶联剂时的3倍。因为马来酸酐接枝聚烯烃偶联剂具有很强的协同效应，因此，在配方中使用正确的润滑剂也是很重要的。Equistar的研究数据表明，硬质酸锌润滑剂与材料表面的马来酸酐接枝聚乙烯偶联剂具有很好的协同效应。但是如果使用不含金属的硬质酸盐润滑剂的话，马来酸酐接枝聚烯烃偶联剂大部分性能都能够保留下来。图 2: 通过电镜扫描表明：当不添加偶联剂时，在HDPE木塑复合材料里的木粉粒子并没有融入到复合材料中（左）；而当添加2的马来酸酐接枝聚乙烯偶联剂时，木纤维粒子和聚合物之间就能性能矩阵式的排列方式（右） (来源: Equistar.)以聚烯烃为基体树脂的偶联剂生产商Dyneon已经研发成功了一种通过助剂控制聚合物结构的方法，从而最大化地优化产品的性能。这种材料被称作为结构控制性材料（CAM），包括：马来酸酐和其他的功能性物质。这些偶联剂能合成一体而成为添加剂体系，当然这个体系里面也会包括润滑剂。Dyneon公司的研究表明：1的CAM添加剂能使聚丙烯木塑复合材料在挤出压力降低50的条件下，复合材料的MOR值提高41。同时，这种助剂能减少复合材料边缘的撕裂、较少的废料产生并且能提高材料的表面美观度。应用结构熔体流动速率 190 C% 马来酸酐的含量 用量*HDPEMA-HDPE (3009)51.01.5-2.5%PPMA-PP (3200)1101.01.5-2.5%LLDPEMA-LLDPE (3109)301.01.5-2.5%LDPEMA-HDPE (3009)51.01.5-2.5%LDPEMA-LLDPE (3109)301.01.5-2.5%*整个配方中的百分比含量表 1: 马来酸酐接枝典型的碳链作为偶联剂添加到3070木纤维含量的木塑复合材料中的型号和应用 (来源: Chemtura.)用含有酸酐的物质作为反应型单体的共聚物替代马来酸酐接枝聚烯烃作为偶联剂是现在木塑复合材料研发的热点。这种方法的优点是不需要使用太多的偶联剂。这个研究杜邦公司正在进行之中，杜邦称：该公司已经成功地研制了这种共聚物偶联剂。该公司报告称：这种新的共聚物添加剂（Fusabond W PC-567D）可以应用在木塑复合材料中，而且只需要添加0.5的量。即使偶联剂的含量比较少，但是，添加此种偶联剂之后，可以使55木纤维含量HDPE木塑复合材料吸水性减少3倍（与不添加任何偶联剂相比）。同时，这种新的助剂还具有双重的效果，即：在提高复合材料的强度的同时能提高材料的硬度。图 3: 木塑复合材料的显微镜照片表明：采用Dyneon的产品，添加量少，表面反而光滑(来源: Dyneon.)硅烷有机硅烷可以通过两种途径来提高木纤维与树脂之间的相容性。木纤维可以直接与硅发生反应，从而改变材料的极性，与树脂具有很好的相容性。另外一种途径就是：硅也可以作为一种偶联剂，可以提高木纤维与基体树脂之间的粘合性。据报导，有机硅烷偶联剂的作用包括：提高拉伸强度、韧性、抗冲击强速以及提高产品的热变形温度，降低吸湿率。长链氯化石蜡长链氯化石蜡（LCCPs）同样也可作为木塑复合材料的偶联剂，同时还具有润滑的效果。添加5到7（总共的重量百分比）的LCCPs能提高复合材料的弯曲强度。据报导，这种材料能在木塑复合材料的加工工程中提高材料的润滑性，同时又不会降低基体树脂与木纤维之间的相容性。而且，这种材料能降低对设备的损坏，降低加工温度，同时提高复合材料的扰曲强度。作为相容剂的润滑剂几种润滑剂体系也能提高基体树脂与木纤维之间的相容性。Struktol公司的多用途体系（TPW 101）是一种硬脂酸锌和蜡的共混物，主要是能提高高填充量聚烯烃的加工性能，同时，也能提高填料在整个复合物体系种的分散性。另外的一个润滑体系(TPW 104)是羟基脂肪酸和盐的混合物，这种材料能提高木塑复合材料的生产效率并且提高复合材料的表面性能、另外一种润滑剂（TPW 113）是脂肪酸酯，这种材料能提高木塑复合材料中木纤维的含量。Struktol润滑剂的一个作用就是提高材料的加工性能、表面性能以及PVC木塑复合材料的物理性能。图 4: 马来酸酐接枝LLDPE作为偶联剂(Integrate NE 534-003)能大大地提高HDPE 木塑复合材料的缺口冲击强度（木纤维填充量为60）。 (来源: Equistar.)结论木塑复合材料的优点在很大的程度上得意于偶联剂作为基体树脂和木纤维之间的相容剂填充到复合材料中，使复合材料的性能得以改善。一般偶联剂的添加量为1到3，偶联剂能很大程度地提高木塑复合材料的强度，降低复合材料的吸湿性，同时提高材料的耐候性和尺寸稳定