木塑复合材料界面改性研究进展

木塑复合材料界面改性研究进展

木塑料（wpc）是一种新型的建筑材料，由加热树脂、木纤维（木粉）或其他植物纤维按一定比例制备而成。由于兼具木材优良的物理机械性能和塑料的良好加工性能,WPC已有逐渐替代实体木材的趋势,并在建筑、室内装潢、汽车、包装、仓储等领域得到了广泛应用。WPC的应用不仅可以节约日益匮乏的木材资源,也能为废旧塑料的回收利用提供很好的途径。由于木质纤维表面存在大量的极性羟基和酚羟基官能团,具有亲水性,而多数的热塑性塑料为非极性,具有疏水性,因此树脂基体与填料间的界面相容性较差;同时木质纤维在基体中易发生团聚而无法均匀分散,导致复合材料力学性能下降,难以满足实际使用要求。解决这些问题的关键在于对WPC界面相容性的改进。通常,WPC的界面改性主要有以下三种方法:首先,对植物纤维进行改性,降低其极性;其次,对塑料基体进行改性,改变基体的表面化学组成,提高基体的极性;此外,添加第三组分,使之在两相之间起桥梁作用,提高木塑界面的相容性。1改善表面理化性质对木质纤维预处理的作用主要包括:1)除去纤维中的杂质成分(如半纤维素),提高纤维的热稳定性和粗糙度,降低复合材料的吸水率;2)通过表面改性,降低木质纤维的极性,并在纤维表面生成非极性基团,改善其与塑料基体的界面相容性。Bouafif等研究发现,木质纤维的长度、表面化学性质均能显著影响复合材料的物理机械性能。通过对木质纤维进行改性处理,改变纤维表面的理化性质是改善WPC界面相容性和提高复合材料物理力学性能的一个重要手段。此外,木粉含水率对木塑复合材料的力学性能也有很大影响。1.1木塑复合材料物理处理主要通过物理方法去除木质纤维中的杂质成分,改变木质纤维极性从而达到界面改性的目的,主要包括蒸汽爆破、物理加工以及电晕放电等。蒸汽爆破是将木质材料在饱和蒸汽下加热至一定温度后使用空气压缩机加压再进行波动卸压,使木材内部产生冲击,纤维素发生断裂,并破坏分子内氢键作用,以利于木质纤维在基体中均匀分散。瞿金平等对棉皮纤维进行蒸汽爆破处理,与低密度聚乙烯(LDPE)制成木塑复合材料。研究发现,蒸汽爆破处理提高了棉皮纤维与LDPE的相容性,改善了木塑复合材料的力学性能,当蒸汽压力为1.8MPa时,对复合材料的增强效果最好。Huang等使用经机械磨损处理的甘蔗渣与聚氯乙烯(PVC)制备木塑复合材料。扫描电镜结果显示,机械磨损预处理能有效改善甘蔗渣在PVC基体中的分散性和界面附着力。此外,还有表面灼烧、放电处理等物理改性方法,它们主要通过改变纤维素表面能,或者有选择性地改变纤维表面张力或吸湿性等参数,以达到界面改性的目的。Moghadamzadeh等对木粉分别进行表面灼烧、电晕放电处理、机械磨损处理,以及先电晕放电、后机械磨损的联合处理。通过黏附强度测试发现,经上述物理方法处理后均可有效地改善木塑材料的界面相容性,其中经联合处理后的木粉所制得的木塑材料,其黏附强度有更为显著的提升。1.2超声复合碱强化木塑复合材料的力学性能碱处理是植物纤维改性处理中最常用的一种方式,它能除去植物纤维中的果胶、木素、半纤维素等杂质,有助于塑料基体渗透进入植物纤维内部。此外,半纤维素在木质糖中亲水性最强,除去半纤维素可以有效地降低植物纤维的亲水性,提升WPC的界面相容性和物理力学性能。MoshiulAlam等对油棕榈果实纤维进行超声波复合碱处理后与PLA制得木塑复合材料。通过拉伸、冲击测试发现,超声波复合碱处理可以有效提升木塑两相界面相容性,改善其力学性能。木粉表面含有大量羟基,用异氰酸酯处理木粉,可使异氰酸酯中的异氰酸基和木粉表面的羟基(—OH)形成化学键合。许家友使用FTIR、SEM等表征方法研究了异氰酸酯改性木粉填充PVC复合材料。研究发现,异氰酸酯可以改善木粉与PVC之间的界面黏结作用,提升PVC木塑复合材料的力学性能。Dominkovics等用NaOH溶液在105℃条件对木粉进行苄基化处理。研究发现,苄基化处理能显著地提升木塑界面相容性,改善复合材料的力学性能。此外,Muller等用氨基硅烷、三聚氰胺和乙酸酐处理木粉制备PVC木塑复合材料,所得WPC的拉伸强度、断裂伸长率以及冲击韧性均得到了明显提高。上述的处理方法均利用化学反应降低植物纤维的表面极性,使其易于在基体中分散,从而达到改善纤维和聚合物界面相容性的目的。2不同改性剂对复合材料的改性树脂基体表面改性后接有极性基团,而木纤维分子表面有羟基,由于极性相近,分子间力作用力增强,二者间的相容性增强,从而提高复合材料的各项物理性能。树脂基体改性最常用的方法是接枝处理。马来酸酐(MAH)接枝聚合物常用于提高复合材料的界面相容性。Gao等用MAH对PP/PE混合物进行接枝改性,并制备了PP/PE基木塑复合材料。研究发现,接枝改性提高了PP/PE共混体系的相容性,同时改善了木纤维与PP/PE共混物之间的界面结合力,使复合材料的力学性能得到显著提高。王宝云等使用氯化聚乙烯(CPE)、马来酸酐接枝聚乙烯(MAH-g-PE)、聚丙烯酸酯(ACR)为改性剂,对PE/PVC共混体系进行增容。实验证明,CPE和MAH-g-PE均能有效改善界面相容性。其中,以CPE改性的WPC力学性能提升效果较好,ACR能够明显改善PVC/PE基木塑复合材料的加工性能,提高材料的储能模量。尽管对塑料基体改性可以有效提高界面相容性,但改性过程较为复杂。另一种更为可行的方法是:先对聚合物进行增容改性,制备大分子增容剂,再将增容剂加入树脂基体中,制成复合材料。张清锋等以高密度聚乙烯(HDPE)和MAH-g-PE共混物为基体,以木粉为填料,采用压制成型的方法制备了木塑复合材料。研究发现,MAH-g-PE含量对塑料基体的冲击强度影响显著。同样,WPC的冲击强度随MAH-g-PE的含量增加逐渐增大。Karmarkar等使用异氰酸酯接枝PP(m-TMI-g-PP)作为增容剂。结果表明,m-TMI-g-PP可以有效地提升PP木塑材料的物理力学性能(拉伸强度提高45%,弯曲性能提高85%)。雷芳以接枝率均为0.8%的马来酸酐接枝(乙烯-辛烯)共聚物(MAH-g-POE)、马来酸酐接枝聚丙烯(MAH-g-PP)以及马来酸酐接枝乙丙橡胶(MAH-g-EPDM)作为增容剂,对稻糠/聚丙烯复合材料体系进行界面改性。研究发现,增容剂的加入可以有效地改善稻糠与聚丙烯(PP)树脂的界面结合,提高复合材料的力学性能。李跃文等使用甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)与木质填料、树脂熔融共混,在引发剂过氧化二异丙苯(DCP)的引发下在木塑界面直接与树脂接枝,可以省去预先合成高分子增容剂这一步,从而实现单体对WPC的直接反应增容,达到降低生产成本的目的。3偶联剂对复合材料力学性能的影响木塑复合材料界面改性处理中添加的第三组分主要为各种偶联剂。偶联剂往往一端含有极性基团可以与木质成分相容,而另一端含有非极性基团能与塑料部分相容,在两相之间起到桥梁的作用,将两相连接以提高木塑材料的界面相容性。硅烷偶联剂是WPC生产中最常用的一种偶联剂。Bouza等研究了乙烯基三甲氧基硅烷偶联剂对聚丙烯基木塑材料动态力学、热性能的影响,并与MAH-g-PP处理进行了比较,认为硅烷偶联剂比MAH-g-PP更能提升木塑材料结晶速度。由于工业生产节约成本的需要,往往使用回收塑料作为基体制成木塑复合材料。Grubbstr9m等探究了硅烷偶联剂交联处理对回收LDPE木塑材料的力学性能影响。结果表明,交联处理使木塑材料的弯曲强度提高了一倍,而冲击韧性和抗蠕变性能也得到了显著提高。FTIR光谱表明,Si—O—C键在复合体系中起到了桥梁作用,增强了木质材料与LDPE间的界面附着力。不同种类的偶联剂、改性剂对复合材料的力学性能影响也不同。胡圣飞等研究了硅烷偶联剂、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、CPE和MAH-g-POE对PVC基木塑复合材料力学性能的影响。实验证明,表面改性剂能提高PVC木塑复合材料的力学性能,其中MMA对提升材料的拉伸强度最为明显,而硅烷偶联剂对提升材料的冲击强度最为有效,在复合材料中加入弹性体可以进一步提升复合材料的冲击强度。张波等用含柔性长链的大分子偶联剂对剑麻纤维(SF)进行表面处理。结果表明,使用含有柔性链段的大分子偶联剂处理SF后,复合材料的冲击强度提高了大约50%,SEM观察发现,偶联剂处理提高了纤维与树脂基体之间的界面相容性。陈元芳等研究了PP基木塑复合材料中偶联剂含量、弹性体种类对木塑材料流变性能、耐热性能、力学性能等的影响。随着乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)和热塑性丁苯橡胶(SBS)的加入,WPC的加工性能、冲击韧性得到显著提高,但耐热性能有所下降。加入铝酸酯偶联剂,复合材料的各项力学性能都得到了显著的提升。此外,偶联剂的添加量对复合材料物理力学性能也有较大的影响。Gwon等以乙烯基三乙氧基硅烷(TEVS)为偶联剂,处理已经过碱处理的木粉。研究发现,添加2.5%(质量分数)的硅烷偶联剂效果最好,可以使WPC拉伸强度提高49%。朱东锋等使用硅烷偶联剂KH-550及钛酸酯偶联剂NXT-201处理木粉,以及马来酸酐接枝处理PVC等方法进行木塑复合材料改性。研究发现,复合材料物理性能虽然有所提升但是提升效果尚不明显,其主要原因在于单种改性剂的改性效果较为单一,而分别使用复配偶联剂处理木粉、马来酸酐处理PVC基体再进行复合,所制成的复合材料性能明显优于单一改性的性能。Cui等分别对木质纤维进行碱处理、硅烷偶联剂处理和先碱处理后硅烷偶联剂改性的复合改性处理,并将MAH-g-PP与HDPE混合作为基体制成木塑复合材料。实验发现,进行复合改性处理的WPC较之单一处理的WPC具有更好的物理力学性能。因此,对现有的偶联剂进行复配,或者同时通过多种改性方法处理原料能够更有效地改善木塑材料的界面相容性,提高物理力学性能。同样,使用增韧剂、润滑剂、相容剂和阻燃剂等添加剂、改善塑料基体的配方也均能改善WPC的力学性能。李珊珊等探究了阻燃剂聚磷酸铵(APP)的添加量对复合材料力学性能的影响。随着木塑复合材料中阻燃剂APP含量的增加,木塑复合材料的弯曲强度显著增加,当APP质量含量为16%时,弯曲强度达到最大值。APP对木塑复合材料冲击强度的影响与其对弯曲强度的影响规律类似,这可能是因为APP促进了相容剂MAH-g-PE与木粉表面羟基的成酯反应,提高了木塑界面相容性。蔡建臣等采用EVA作为改性剂,分析了不同EVA含量对PE基木塑微发泡复合材料力学性能的影响。实验发现,当EVA质量分数为12.5%时,复合材料具有更好的力学性能。SEM结果表明,EVA能在木粉表面形成包覆层,降低木粉表面极性,从而增加其与非极性PE基体的相容性。Ou等使用凯夫拉纤维增强聚乙烯基WPC的力学性能。研究证明,添加凯夫拉纤维能有效促进聚乙烯结晶,从而达到界面改性、增强力学性能的目的。4偶联剂改性木塑产品对木质纤维的改性处理、对树脂基体进行改性等方法均能够有效改善木质纤维与树脂基体的相容性,但往往