木塑復(fù)合材料界面改性研究進(jìn)展

木塑復(fù)合材料界面改性研究進(jìn)展

木塑料（wpc）是一種新型的建筑材料，由加熱樹脂、木纖維（木粉）或其他植物纖維按一定比例制備而成。由于兼具木材優(yōu)良的物理機(jī)械性能和塑料的良好加工性能,WPC已有逐漸替代實(shí)體木材的趨勢(shì),并在建筑、室內(nèi)裝潢、汽車、包裝、倉儲(chǔ)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。WPC的應(yīng)用不僅可以節(jié)約日益匱乏的木材資源,也能為廢舊塑料的回收利用提供很好的途徑。由于木質(zhì)纖維表面存在大量的極性羥基和酚羥基官能團(tuán),具有親水性,而多數(shù)的熱塑性塑料為非極性,具有疏水性,因此樹脂基體與填料間的界面相容性較差;同時(shí)木質(zhì)纖維在基體中易發(fā)生團(tuán)聚而無法均勻分散,導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能下降,難以滿足實(shí)際使用要求。解決這些問題的關(guān)鍵在于對(duì)WPC界面相容性的改進(jìn)。通常,WPC的界面改性主要有以下三種方法:首先,對(duì)植物纖維進(jìn)行改性,降低其極性;其次,對(duì)塑料基體進(jìn)行改性,改變基體的表面化學(xué)組成,提高基體的極性;此外,添加第三組分,使之在兩相之間起橋梁作用,提高木塑界面的相容性。1改善表面理化性質(zhì)對(duì)木質(zhì)纖維預(yù)處理的作用主要包括:1)除去纖維中的雜質(zhì)成分(如半纖維素),提高纖維的熱穩(wěn)定性和粗糙度,降低復(fù)合材料的吸水率;2)通過表面改性,降低木質(zhì)纖維的極性,并在纖維表面生成非極性基團(tuán),改善其與塑料基體的界面相容性。Bouafif等研究發(fā)現(xiàn),木質(zhì)纖維的長(zhǎng)度、表面化學(xué)性質(zhì)均能顯著影響復(fù)合材料的物理機(jī)械性能。通過對(duì)木質(zhì)纖維進(jìn)行改性處理,改變纖維表面的理化性質(zhì)是改善WPC界面相容性和提高復(fù)合材料物理力學(xué)性能的一個(gè)重要手段。此外,木粉含水率對(duì)木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能也有很大影響。1.1木塑復(fù)合材料物理處理主要通過物理方法去除木質(zhì)纖維中的雜質(zhì)成分,改變木質(zhì)纖維極性從而達(dá)到界面改性的目的,主要包括蒸汽爆破、物理加工以及電暈放電等。蒸汽爆破是將木質(zhì)材料在飽和蒸汽下加熱至一定溫度后使用空氣壓縮機(jī)加壓再進(jìn)行波動(dòng)卸壓,使木材內(nèi)部產(chǎn)生沖擊,纖維素發(fā)生斷裂,并破壞分子內(nèi)氫鍵作用,以利于木質(zhì)纖維在基體中均勻分散。瞿金平等對(duì)棉皮纖維進(jìn)行蒸汽爆破處理,與低密度聚乙烯(LDPE)制成木塑復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn),蒸汽爆破處理提高了棉皮纖維與LDPE的相容性,改善了木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能,當(dāng)蒸汽壓力為1.8MPa時(shí),對(duì)復(fù)合材料的增強(qiáng)效果最好。Huang等使用經(jīng)機(jī)械磨損處理的甘蔗渣與聚氯乙烯(PVC)制備木塑復(fù)合材料。掃描電鏡結(jié)果顯示,機(jī)械磨損預(yù)處理能有效改善甘蔗渣在PVC基體中的分散性和界面附著力。此外,還有表面灼燒、放電處理等物理改性方法,它們主要通過改變纖維素表面能,或者有選擇性地改變纖維表面張力或吸濕性等參數(shù),以達(dá)到界面改性的目的。Moghadamzadeh等對(duì)木粉分別進(jìn)行表面灼燒、電暈放電處理、機(jī)械磨損處理,以及先電暈放電、后機(jī)械磨損的聯(lián)合處理。通過黏附強(qiáng)度測(cè)試發(fā)現(xiàn),經(jīng)上述物理方法處理后均可有效地改善木塑材料的界面相容性,其中經(jīng)聯(lián)合處理后的木粉所制得的木塑材料,其黏附強(qiáng)度有更為顯著的提升。1.2超聲復(fù)合堿強(qiáng)化木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能堿處理是植物纖維改性處理中最常用的一種方式,它能除去植物纖維中的果膠、木素、半纖維素等雜質(zhì),有助于塑料基體滲透進(jìn)入植物纖維內(nèi)部。此外,半纖維素在木質(zhì)糖中親水性最強(qiáng),除去半纖維素可以有效地降低植物纖維的親水性,提升WPC的界面相容性和物理力學(xué)性能。MoshiulAlam等對(duì)油棕櫚果實(shí)纖維進(jìn)行超聲波復(fù)合堿處理后與PLA制得木塑復(fù)合材料。通過拉伸、沖擊測(cè)試發(fā)現(xiàn),超聲波復(fù)合堿處理可以有效提升木塑兩相界面相容性,改善其力學(xué)性能。木粉表面含有大量羥基,用異氰酸酯處理木粉,可使異氰酸酯中的異氰酸基和木粉表面的羥基(—OH)形成化學(xué)鍵合。許家友使用FTIR、SEM等表征方法研究了異氰酸酯改性木粉填充PVC復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn),異氰酸酯可以改善木粉與PVC之間的界面黏結(jié)作用,提升PVC木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能。Dominkovics等用NaOH溶液在105℃條件對(duì)木粉進(jìn)行芐基化處理。研究發(fā)現(xiàn),芐基化處理能顯著地提升木塑界面相容性,改善復(fù)合材料的力學(xué)性能。此外,Muller等用氨基硅烷、三聚氰胺和乙酸酐處理木粉制備PVC木塑復(fù)合材料,所得WPC的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率以及沖擊韌性均得到了明顯提高。上述的處理方法均利用化學(xué)反應(yīng)降低植物纖維的表面極性,使其易于在基體中分散,從而達(dá)到改善纖維和聚合物界面相容性的目的。2不同改性劑對(duì)復(fù)合材料的改性樹脂基體表面改性后接有極性基團(tuán),而木纖維分子表面有羥基,由于極性相近,分子間力作用力增強(qiáng),二者間的相容性增強(qiáng),從而提高復(fù)合材料的各項(xiàng)物理性能。樹脂基體改性最常用的方法是接枝處理。馬來酸酐(MAH)接枝聚合物常用于提高復(fù)合材料的界面相容性。Gao等用MAH對(duì)PP/PE混合物進(jìn)行接枝改性,并制備了PP/PE基木塑復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn),接枝改性提高了PP/PE共混體系的相容性,同時(shí)改善了木纖維與PP/PE共混物之間的界面結(jié)合力,使復(fù)合材料的力學(xué)性能得到顯著提高。王寶云等使用氯化聚乙烯(CPE)、馬來酸酐接枝聚乙烯(MAH-g-PE)、聚丙烯酸酯(ACR)為改性劑,對(duì)PE/PVC共混體系進(jìn)行增容。實(shí)驗(yàn)證明,CPE和MAH-g-PE均能有效改善界面相容性。其中,以CPE改性的WPC力學(xué)性能提升效果較好,ACR能夠明顯改善PVC/PE基木塑復(fù)合材料的加工性能,提高材料的儲(chǔ)能模量。盡管對(duì)塑料基體改性可以有效提高界面相容性,但改性過程較為復(fù)雜。另一種更為可行的方法是:先對(duì)聚合物進(jìn)行增容改性,制備大分子增容劑,再將增容劑加入樹脂基體中,制成復(fù)合材料。張清鋒等以高密度聚乙烯(HDPE)和MAH-g-PE共混物為基體,以木粉為填料,采用壓制成型的方法制備了木塑復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn),MAH-g-PE含量對(duì)塑料基體的沖擊強(qiáng)度影響顯著。同樣,WPC的沖擊強(qiáng)度隨MAH-g-PE的含量增加逐漸增大。Karmarkar等使用異氰酸酯接枝PP(m-TMI-g-PP)作為增容劑。結(jié)果表明,m-TMI-g-PP可以有效地提升PP木塑材料的物理力學(xué)性能(拉伸強(qiáng)度提高45%,彎曲性能提高85%)。雷芳以接枝率均為0.8%的馬來酸酐接枝(乙烯-辛烯)共聚物(MAH-g-POE)、馬來酸酐接枝聚丙烯(MAH-g-PP)以及馬來酸酐接枝乙丙橡膠(MAH-g-EPDM)作為增容劑,對(duì)稻糠/聚丙烯復(fù)合材料體系進(jìn)行界面改性。研究發(fā)現(xiàn),增容劑的加入可以有效地改善稻糠與聚丙烯(PP)樹脂的界面結(jié)合,提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。李躍文等使用甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)與木質(zhì)填料、樹脂熔融共混,在引發(fā)劑過氧化二異丙苯(DCP)的引發(fā)下在木塑界面直接與樹脂接枝,可以省去預(yù)先合成高分子增容劑這一步,從而實(shí)現(xiàn)單體對(duì)WPC的直接反應(yīng)增容,達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。3偶聯(lián)劑對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響木塑復(fù)合材料界面改性處理中添加的第三組分主要為各種偶聯(lián)劑。偶聯(lián)劑往往一端含有極性基團(tuán)可以與木質(zhì)成分相容,而另一端含有非極性基團(tuán)能與塑料部分相容,在兩相之間起到橋梁的作用,將兩相連接以提高木塑材料的界面相容性。硅烷偶聯(lián)劑是WPC生產(chǎn)中最常用的一種偶聯(lián)劑。Bouza等研究了乙烯基三甲氧基硅烷偶聯(lián)劑對(duì)聚丙烯基木塑材料動(dòng)態(tài)力學(xué)、熱性能的影響,并與MAH-g-PP處理進(jìn)行了比較,認(rèn)為硅烷偶聯(lián)劑比MAH-g-PP更能提升木塑材料結(jié)晶速度。由于工業(yè)生產(chǎn)節(jié)約成本的需要,往往使用回收塑料作為基體制成木塑復(fù)合材料。Grubbstr9m等探究了硅烷偶聯(lián)劑交聯(lián)處理對(duì)回收LDPE木塑材料的力學(xué)性能影響。結(jié)果表明,交聯(lián)處理使木塑材料的彎曲強(qiáng)度提高了一倍,而沖擊韌性和抗蠕變性能也得到了顯著提高。FTIR光譜表明,Si—O—C鍵在復(fù)合體系中起到了橋梁作用,增強(qiáng)了木質(zhì)材料與LDPE間的界面附著力。不同種類的偶聯(lián)劑、改性劑對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能影響也不同。胡圣飛等研究了硅烷偶聯(lián)劑、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、CPE和MAH-g-POE對(duì)PVC基木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)證明,表面改性劑能提高PVC木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能,其中MMA對(duì)提升材料的拉伸強(qiáng)度最為明顯,而硅烷偶聯(lián)劑對(duì)提升材料的沖擊強(qiáng)度最為有效,在復(fù)合材料中加入彈性體可以進(jìn)一步提升復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度。張波等用含柔性長(zhǎng)鏈的大分子偶聯(lián)劑對(duì)劍麻纖維(SF)進(jìn)行表面處理。結(jié)果表明,使用含有柔性鏈段的大分子偶聯(lián)劑處理SF后,復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度提高了大約50%,SEM觀察發(fā)現(xiàn),偶聯(lián)劑處理提高了纖維與樹脂基體之間的界面相容性。陳元芳等研究了PP基木塑復(fù)合材料中偶聯(lián)劑含量、彈性體種類對(duì)木塑材料流變性能、耐熱性能、力學(xué)性能等的影響。隨著乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)和熱塑性丁苯橡膠(SBS)的加入,WPC的加工性能、沖擊韌性得到顯著提高,但耐熱性能有所下降。加入鋁酸酯偶聯(lián)劑,復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能都得到了顯著的提升。此外,偶聯(lián)劑的添加量對(duì)復(fù)合材料物理力學(xué)性能也有較大的影響。Gwon等以乙烯基三乙氧基硅烷(TEVS)為偶聯(lián)劑,處理已經(jīng)過堿處理的木粉。研究發(fā)現(xiàn),添加2.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的硅烷偶聯(lián)劑效果最好,可以使WPC拉伸強(qiáng)度提高49%。朱東鋒等使用硅烷偶聯(lián)劑KH-550及鈦酸酯偶聯(lián)劑NXT-201處理木粉,以及馬來酸酐接枝處理PVC等方法進(jìn)行木塑復(fù)合材料改性。研究發(fā)現(xiàn),復(fù)合材料物理性能雖然有所提升但是提升效果尚不明顯,其主要原因在于單種改性劑的改性效果較為單一,而分別使用復(fù)配偶聯(lián)劑處理木粉、馬來酸酐處理PVC基體再進(jìn)行復(fù)合,所制成的復(fù)合材料性能明顯優(yōu)于單一改性的性能。Cui等分別對(duì)木質(zhì)纖維進(jìn)行堿處理、硅烷偶聯(lián)劑處理和先堿處理后硅烷偶聯(lián)劑改性的復(fù)合改性處理,并將MAH-g-PP與HDPE混合作為基體制成木塑復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),進(jìn)行復(fù)合改性處理的WPC較之單一處理的WPC具有更好的物理力學(xué)性能。因此,對(duì)現(xiàn)有的偶聯(lián)劑進(jìn)行復(fù)配,或者同時(shí)通過多種改性方法處理原料能夠更有效地改善木塑材料的界面相容性,提高物理力學(xué)性能。同樣,使用增韌劑、潤(rùn)滑劑、相容劑和阻燃劑等添加劑、改善塑料基體的配方也均能改善WPC的力學(xué)性能。李珊珊等探究了阻燃劑聚磷酸銨(APP)的添加量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。隨著木塑復(fù)合材料中阻燃劑APP含量的增加,木塑復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度顯著增加,當(dāng)APP質(zhì)量含量為16%時(shí),彎曲強(qiáng)度達(dá)到最大值。APP對(duì)木塑復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的影響與其對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響規(guī)律類似,這可能是因?yàn)锳PP促進(jìn)了相容劑MAH-g-PE與木粉表面羥基的成酯反應(yīng),提高了木塑界面相容性。蔡建臣等采用EVA作為改性劑,分析了不同EVA含量對(duì)PE基木塑微發(fā)泡復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)EVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.5%時(shí),復(fù)合材料具有更好的力學(xué)性能。SEM結(jié)果表明,EVA能在木粉表面形成包覆層,降低木粉表面極性,從而增加其與非極性PE基體的相容性。Ou等使用凱夫拉纖維增強(qiáng)聚乙烯基WPC的力學(xué)性能。研究證明,添加凱夫拉纖維能有效促進(jìn)聚乙烯結(jié)晶,從而達(dá)到界面改性、增強(qiáng)力學(xué)性能的目的。4偶聯(lián)劑改性木塑產(chǎn)品對(duì)木質(zhì)纖維的改性處理、對(duì)樹脂基體進(jìn)行改性等方法均能夠有效改善木質(zhì)纖維與樹脂基體的相容性,但往往