木塑复合缓冲包装材料老化性能分析

谭伟平，肖生苓

(东北林业大学工程技术学院，哈尔滨150040)

复合材料的耐老化性能是衡量产品性能的一项重要指标，它是指复合材料抵抗温度、水、光等环境因素作用的最大承受能力，是综合评价复合材料实际使用质量优劣的最有说服力的指标［1］。因此，木塑复合缓冲包装材料的老化性能研究，对于其投入实际生产和使用具有重要的现实意义。本研究是以木粉、PVC树脂为原材料，应用PVC树脂、木质纤维改性以及改善界面相容性等技术手段，在添加如偶联剂、增塑剂、润滑剂、热稳定剂和发泡剂等特制助剂的基础上，采用一定工艺制备的木塑复合缓冲包装材料。

1 木塑复合缓冲包装材料老化原因分析

木塑复合缓冲包装材料在使用过程中，容易受到外界如光照、温度、湿度、机械应力及细菌侵袭等老化因素的影响，木塑复合材料的表面氧化及吸湿导致界面分离和材质结晶度改变等因素的综合作用使其拉伸性能、压缩性能、剪切性能、弯曲性能和冲击性能等力学性能下降。

影响木塑复合缓冲包装材料老化性能的因素有很多，这里探究其主要的配方组分 (木粉、PVC树脂、偶联剂、增塑剂等)对其老化性能的影响。

1.1 木粉

木质剩余物本身的老化过程与实木的老化过程相似［2］。木塑复合缓冲包装材料中的木粉由于日光的照射，尤其是日光中紫外线的照射，会使复合材料质地松软、粗糙和脱落，使材料的表观性能发生变化，研究证明，紫外线光照射加喷水处理实际上会冲刷掉一层木质素，使木材降解［3］，木材表面遭到破坏，使得水分更容易进入材料内部，水分的侵入减小了材料界面的粘合力，进而降低了基体与填充材料之间的应力传递，水分进入材料内部，使得材料整体发生膨胀，材料内部部分产生细微裂纹，水分与光线更容易进入材料内部，进一步加速了材料的老化，遭受破坏后生成水溶性产物并最终形成发色官能团，如羧基、过氧羟基等结构，成为木材褪色的主要原因。木塑复合材料中的木粉还会受到真菌的腐蚀，破坏其中的纤维素和木质素等，使得材料的力学性能降低。

木塑复合材料的主要组分之一是木粉，木粉中含有大量的植物纤维，植物纤维表面含有大量的羟基，具有很强的极性，是亲水性物质［4］，木塑复合材料的吸水主要是由木粉中的木质纤维引起的，木粉中含有的水分子也降低了木塑复合材料中特制助剂的作用，特别是当木粉含量较大而又发生聚团时，木塑复合材料就更容易吸水［5］。长时间暴露于外界的木塑复合材料，水分会使木材基体发生溶胀，当剪应力大于黏合力时，就会引起脱黏破坏两种物质的化学结合［6］，进而减小了木塑复合材料木粉与聚合物的结合应力，加剧了材料内部的开裂，从而加速了材料的老化。

另外，复合材料的质量还会由于外界的挤压碰撞以及机械摩擦而降低。木塑复合缓冲包装材料主要用于防止外界物理作用对物品的破坏，材料中的气泡更容易在外界挤压碰撞下减少，使得材料变得坚硬，失去材料应有的特性。

1.2 PVC树脂

PVC树脂是一种极性非结晶性高聚物。它的化学性稳定，具有良好的可塑性。可耐大部分强酸和盐类以及还原剂和氧化剂;离开火焰自熄，是一种“自熄性”、 “难燃性”的物质。但是，它在100℃以上的温度下，开始分解并释放HCL，并且随着温度的升高，分解的速度加快，导致PVC的颜色也发生变化。PVC树脂在高于100℃的温度下，物理及化学性质开始发生变化，使其强度及几何性能降低。

木塑复合材料的主要组分是植物纤维 (本文是木粉)和塑料 (本文是PVC树脂)，一定温度范围内，温度对植物纤维的强度较小［7］，但是对塑料的强度影响较大，因此，温度主要是通过影响塑料强度来影响木塑复合材料的强度［8］。随着温度升高，木塑复合材料中的塑料基体大分子链运动加剧而发生断裂，高聚物降解，其原有的分子组成和结构发生改变，分子间作用力减弱，导致木塑复合材料拉伸强度和弯曲强度减小，断裂伸长率增加，降低了材料的力学性能。

1.3 偶联剂

偶联剂主要用于改善填充剂的分散度以提高加工性能以及增强材料的界面性能。偶联剂的使用增强了木粉与树脂的粘合强度，使界面层传递应力，提高复合材料的性能。可见，偶联剂的老化对复合材料的质量有着至关重要的影响。常使用的偶联剂主要有硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂。硅烷偶联剂含有可以水解的烷氧基，其遇水水解，降低了复合材料的力学性能，因而其耐候性差，且用硅烷偶联剂处理过的木粉能降低式样的气体渗透能力［9］。而钛酸酯偶联剂具有很好的水解稳定性，适用于含湿量较高的填充剂。偶联剂的使用提高了材料的耐老化性、耐磨性和耐应力等性能。含有钛酸酯化学结构的偶联剂，如果在材料中过剩，能使复合物表面的性能发生变化，粘度大幅降低。

1.4 增塑剂

增塑剂用于增加复合物的塑性，在木塑复合缓冲包装材料的使用中还用于泡孔的形成。增塑剂在木塑复合材料中的含量，对泡孔的形态有重要的影响。木塑复合材料中的的增塑剂容易受外在环境如温度、使用时间及pH值等因素的影响而释放到外界环境中去;增塑剂很不稳定，在与非极性油脂的物品的接触过程中，容易从木塑复合材料中溢出，尤其随着外界湿度高低的不断变化，复合材料内的含水率起伏变化，小分子添加剂增塑剂容易随着复合材料中水分的运动而溢出。

2 木塑复合缓冲包装材料老化设备及使用注意事项

在木塑复合缓冲包装材料老化性能的研究中，其老化性能的测试是最重要的。老化方法一般分为自然老化和人工加速老化，自然老化是最能反映材料实际老化的结果的，但其试验周期长，不适用于实验的进行。人工加速老化能够拟补自然老化周期长的缺点，虽然由于某些老化因素组合难以模拟，使得人工加速老化实验得到的结果与自然环境下得到的试验结果有所差异，但对于测试材料的老化性能没有太大影响［10］。因此，人工加速老化在时机试验中较为常用。

为了模拟自然气候以便在实验室内创造人工气候，来进行人工加速老化试验，一般采用老化仪进行试验。

2.1 老化试验设备

根据所采用的光源，人工气候老化试验机可分为紫外碳弧形、阳光碳弧形、紫外荧光灯型、氙弧灯型和金属卤素灯型等。

2.2 老化试验设备的比较

紫外碳弧形装置的特点:此装置光谱不足，难维护，需喷水淋温，不能校正。

阳光碳弧形装置的特点:此装置的碳棒中含有某种特殊金属元素，光谱能量的分布较为接近太阳光。阳光碳弧装置的短波紫外线太强，地球表面没有此太阳光，破坏加速，与实际不符。长波紫外线与可见光与日光相差较大，不能校正，维修成本高，需喷水淋降温。

氙弧灯型装置的特点:此装置分为水冷和风冷型，结构上分为样板固定和旋转式。其与户外暴晒相关性较好，特别用于了解光照导致颜色变化的研究。氙弧灯型装置的投资和运行费用较高，但低于阳光碳弧形装置。

紫外荧光灯型装置的特点:此装置能在相对较窄的波长间隔内产生连续光谱，通常分布成弱峰。光源中的UVA灯管产生的从300～340 nm的波长与日光有很好的相符性，但它也发出大量波长低于300 nm的射线，正好位于太阳光波长范围外，这就导致了户外不会发生的老化过程的发生，即会引起非自然光化学变化。紫外荧光灯型几乎没有可见光部分，有许多褪色变化受可见光影响，因此，涉及到颜色变化的老化试验不建议用此法。但它具有加速性较好，光谱稳定，模拟露水侵蚀简便。相对氙弧灯型装置，价格、运行成本和维修成本较低，操作简单，校准方便。

2.3 人工模拟设备注意问题

(1)与户外环境准确匹配。人工加速老化设备对试验参数的设置很灵活，可以根据不同地域、不同气候的差异进行设置，这样才能更接近反映材料在真实自然气候下的各种性能。

(2)不改变降解机理，与户外暴晒具有相关性。材料在户外阳光下的作用下降解，进而发生老化，对材料的老化性能产生影响的主要是阳光中可见光和紫外线，因此，选用氙弧灯型装置比较符合自然条件下的老化。

(3)可重复性和可再现性。试验时，同一人用同一实验设备对同一材料样品进行多次测量，对测量值进行差异比较;不同人用同一实验设备对同一材料样品进行多次测量，对测量值进行比较。这样做能够在一定程度上减小偶然误差和人为因素带来的误差。

(4)要素的独立控制。在研究某一要素对材料老化性能的影响时，在对该要素进行改变的同时，要保持其他要素不变，这样才能保证实验结果的准确性。

(5)与真实时间相比具有加速性。人工加速老化实验法相对于自然老化，最大的优点是能够加速材料老化，从而缩短试验时间。

3 结束语

木塑复合缓冲包装材料老化与多种因素有关，材料的各组分的用量、性能以及制备工艺都对材料的老化性能有一定的影响。本文首先分析了木塑复合缓冲包装材料的老化性的影响因素:木粉、PVC树脂、偶联剂、增塑剂。再次简单讲述了人工气候老化试验机的相关类型，和每一种装置的各自使用事项及优缺点。最后，列举了使用人工模拟设备应注意的相关问题。

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