滑石粉对聚丙烯木塑复合材料性能影响的研究

杨霄云，王爱东，于海鸥，肖 鹏，陶四平

(金发科技股份有限公司产品研发中心，塑料改性与加工国家工程实验室，广东 广州，510520)

滑石粉对聚丙烯木塑复合材料性能影响的研究

杨霄云，王爱东，于海鸥，肖 鹏，陶四平

(金发科技股份有限公司产品研发中心，塑料改性与加工国家工程实验室，广东 广州，510520)

研究了不同含量的滑石粉对聚丙烯木塑复合材料力学性能和加工性能的影响。结果表明:滑石粉能够在一定程度上改善聚丙烯木塑复合材料的力学性能和加工性能。硅烷偶联剂对复合材料的处理效果要优于钛酸酯偶联剂。

木塑复合材料;聚丙烯;木粉;滑石粉

木塑复合材料(WPC)是以木纤维或植物纤维作为增强材料，以热塑性塑料作为基体材料，通过适当的方法复合而得到的一种新型材料。这种新型的、可循环使用的耐久性材料，既能克服木材的各向异性、强度低和变异性大等使用局限性，又具有比单一高分子聚合材料较好的力学性能，克服有机材料的低模量等使用缺陷。这种绿色复合材料集木材及塑料的优点于一身，应用非常广泛，是近年来的研究热点［1－3］。但是由于组成木纤维的纤维素、半纤维素、木质素等含有大量的亲水性羟基，在与憎水性的热塑性聚合物复合时，木质纤维与聚合物界面相容性较差［4－6］。使用偶联剂对木粉进行表面改性，能有效改善其界面相容性［7－8］，提高木塑复合材料的力学性能。同时在高分子基体中添加大量的木粉、纤维等填充物后，复合材料的加工性能下降严重，因而有必要在保持一定使用性能的前提下改善木塑复合材料的加工性能。本文主要研究改变各种添加组分的比例配方等，引入滑石粉，对聚丙烯(PP)木塑复合材料力学性能与加工性能和热变形的影响。

1 实验部分

1.1 原材料

PP320:粉状，中国石油化工股份有限公司茂名分公司;滑石粉:1250目，3000目，5000目，合山化工(辽宁有限公司);马来酸酐－PP:自制;木粉:100目，江门双水伟华;硅烷偶联剂:市售;钛酸酯偶联剂:市售。

1.2 仪器与设备

双螺杆挤出机:SHJ－30型，南京瑞亚高聚物装备有限公司;电子拉力试验机:LWK－250型，广州试验仪器厂;冲击试验机:CBL－11J型，长春第二试验机有限公司;维卡温度测试仪:TINIUS OLSEN;熔融指数测试仪:XNR－400A，长春第二试验机有限公司。

1.3 试样制备

1.4 测试手段

拉伸强度和断裂伸长率按照GB/T 1040－92进行测试;悬臂梁缺口冲击强度测试按照GB/T 1843－1996进行;弯曲强度和弯曲模量按照GB/TG 431－2000进行测试;熔融指数按照GB/T 3682－2000进行;维卡温度按照GB/T 8802－2001进行。

2 结果与讨论

2.1 基本力学性能

为了更好地探讨各种助剂对PP基材木塑复合材料的性能影响，我们从配方上着手，列出了三个系列的配方，见表1、表2与表3。相应的性能结果也列于表4、表5与表6中。从测试结果可以看到，拉伸强度保持在33～36MPa的幅度，断裂伸长率较低，保持在5% ～7%之间，缺口冲击强度则在2KJ·m2左右。滑石粉的精细程度对复合材料的拉伸强度影响不是很大，断裂伸长率随着滑石粉粒径变小而略有降低。熔融指数随着木粉含量增加而降低比较严重。滑石粉的粒径大小也对熔融指数有所影响，随着滑石粉粒径变小而降低。

表1 1#系列配方Table1 1#recipes

表2 2#系列配方Table 2 2#recipes

表3 3#系列配方Table 3 3#recipes

表4 1#系列配方测试结果Table 4 The test result of 1#recipes

表5 2#系列配方测试结果Table 5 The test result of 2#recipes

表6 3#系列配方测试结果Table 6 The test result of 3#recipes

2.2 偶联剂对性能的影响

从三个系列配方总体来看，添加了硅烷偶联剂的配方性能略优于钛酸酯偶联剂的配方。其原因可能是:随着木粉用量的增加，纤维含量也增加，木粉中的羟基容易形成分子内及分子间氢键，使分散不均;另一方面，由于木粉密度较小，随着木粉填充量的增加，容易出现团聚现象，使熔体流动性降低，成型困难，聚集的颗粒引起材料的应力集中及产生缺陷的几率增大，降低了树脂基体产生塑性形变的能力。硅烷偶联剂使填料与树脂基体之间形成一个界面层，界面层能传递应力，从而增强了填料与树脂之间的黏合强度，提高了复合材料的性能。但是我们必须指出，三大系列配方中，木粉与PP接枝马来酸酐共聚物的比例保持一定下，PP基体的用量是做了调整的。随着PP用量减少，相应的木粉填充量增加。通常来说，在PP作为基材的情况下，木粉作为填充材料，拉伸强度会随着木材填充量增大而有所上升，缺口冲击强度会有下降的趋势。在我们的配方试验中，上述的各个基本力学性能变化不大，基本维持在一定的范围内，这可能是由于滑石粉以及偶联剂的共同作用结果。但是弯曲强度与弯曲模量随着木粉的含量增加而有较明显的增大。

图1给出了使用滑石粉1250目的情况下，两种偶联剂对复合材料的性能影响。从图1上可以看到硅烷偶联剂对拉伸强度与弯曲强度的改善要稍微好于钛酸酯偶联剂，而缺口冲击则略逊。对于熔融指数，影响最大的因素要归属于木粉在PP基体中的含量。

图1 偶联剂对PP/木塑复合材料的性能影响Fig.1 The effect of coupling agent on the properties of PP/WPC

2.3 滑石粉对弯曲性能的影响

在我们的实验配方中，虽然拉伸强度、缺口冲击强度、断裂伸长率等的变化不大，但是从表4、表5与表6可以看到，随着PP基体用量的减少，弯曲强度以及弯曲模量是增大的。反过来也就是说木粉的填充可以增大复合材料的弯曲模量以及弯曲强度。但是仔细比较1－1，1－2，1－3与2－1，2－2，2－3和3－1，3－2，3－3的结果，可以发现滑石粉的粒径越小，弯曲模量与弯曲强度越大，这可以从图2中看出。虽然滑石粉作为一种惰性填料，在我们的配方中主要是以期改善复合材料的加工性能，但是在我们的配方实验中，它确实能够改善弯曲性能。同时，在配方中，滑石粉的填充量也是随着PP基体减小而用量增大，这说明，滑石粉在本配方中不仅可以改善弯曲强度，同时随着滑石粉含量的增大，复合材料的模量也得到提高。从实验结果还可以看到硅烷偶联剂改善木塑复合材料的弯曲强度的效果要优于钛酸酯偶联剂。

图2 滑石粉对PP/木塑复合材料的性能影响Fig.2 The effect of talc on the mechanical properties of PP/WPC

2.4 滑石粉对加工性能的影响

从上述三个系列配方的结果可以看到，适量的滑石粉的加入确实能够改善PP木塑复合材料的加工性能，如图3中的配方2。随着滑石粉的粒径减小，加工性能有所变差。这可能是因为粒径越小，吸附越强，越难以分散在复合材料中。值得注意的是在我们的配方中，虽然滑石粉的用量增加了，但是相应的PP基体的用量也是减小的，也就是说木粉用量比重增大。因此木粉的加入使得复合材料的加工性能变差再次得到证实，如图1中熔融指数随着木粉用量的增大大幅降低，这非常不利于木塑复合材料的大规模快速加工生产。从图3还可以很清楚地看到钛酸酯偶联剂在加工性能方面比硅烷偶联剂略占优势。我们的实验中，大粒径的滑石粉是一个较好的选择，在保持一定力学性能的同时使材料的加工性能得到了一定的改善，当然，木塑复合材料的加工性能还有待更好的优化。

图3 滑石粉对PP/木塑复合材料的熔融指数影响Fig.3 The effect of talc on the melt index of PP/WPC

2.5 滑石粉对热性能的影响

从三个系列配方测试的热变形温度与维卡软化点的数据结果，我们可以发现，随着木粉和滑石粉总填充量的增加，复合材料的热变形温度、维卡软化点得到了提高。这主要是因为大量的木粉和滑石粉填充后限制了PP分子链的局部运动，体系的粘度急剧增大的缘故。从图3也可以看出，滑石粉的粒径也对复合材料的热变形有所影响，基本趋势是:随着滑石粉粒径减小，热变形性能得到改善。这可能也是因为小粒径的增粘效果。

图4 滑石粉对PP/木塑复合材料的热性能影响Fig.4 The effect of talc on the thermal properties of PP/WPC

3 结论

在本实验配方中，从总体性能上来说硅烷偶联剂优于钛酸酯偶联剂，但是就加工性能而言，钛酸酯偶联剂则略占优势。滑石粉的加入使PP木塑复合材料的加工性能得到一定的改善。滑石粉的粒径越小，弯曲模量性能越好，热变形性能得到提高。滑石粉还可以起到增强木塑复合材料的作用。

［1］刘涛，洪凤宏，武德珍.木粉表面处理对PVC/木粉复合体系性能的影响［J］.中国塑料，2005(1):27－30.

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［7］钟鑫，薛平，丁筠.改性木粉/PVC复合材料的性能研究［J］.中国塑料，2004，(3):62－66.

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The Study of the Effect of Talcum on Properties of Polypropylene/Wood Powder Composites

YANG Xiao-yun，WANG Ai-dong，YU Hai-ou，XIAO Peng，TAO Si-ping
(Research and Development Center，National Engineering Laboratory for Plastic Modification and Processing，Kingfa Science and Technology Co.Ltd.，Guangzhou 510520，Guangdong，China)

The properties of PP/wood powder composites of different formulas were studied.Talcum powders were used to improve the processing property of the composites.The results were indicated that the modification effect of silicone ester coupling agent on composites is better than that of titanic acid ester.Talcum powders benefit to improving the processing property of the composites.

wood powder composites;polypropylene;wood powder;talcum

TQ 325.1+4

2011－10－10