MAPP—g—PEG增容聚丙烯木塑复合材料的研究

赵秀琴　向乾坤

摘要：为了增强木粉与聚丙烯间的相容性，改善木塑复合材料的性能，制备马来酸酐接枝聚丙烯接枝聚乙二醇（MAPP-g-PEG）作为增容剂添加到聚丙烯木塑复合材料中，考察增容剂对制备的木塑复合材料的静曲强度、弹性模量、缺口冲击强度及吸水厚度膨胀率等指标的影响，采用扫描电镜观察材料的断面形貌。结果表明，添加MAPP-g-PEG增容剂后，木塑复合材料的静曲强度、弹性模量升高，缺口冲击强度增强，吸水厚度膨胀率降低。聚丙烯基体与木粉填料的界面结合紧密，且填料分散均匀，很好地改善了聚丙烯木塑复合材料的性能。

关键词：木塑复合材料；增容剂；聚丙烯

中图分类号：TQ321.5 文献标识码： A 文章编号：0439-8114（2013）07-1641-03

木塑复合材料（WPC）是采用木粉等植物纤维和聚丙烯、聚乙烯等热塑性树脂经过混炼加工而制成的新型绿色环保材料[1-4]，它具有比木材更好的耐水性、耐久性、成型性，又具有比塑料更低的热膨胀性和较自然的外观，被广泛用作台面、扶手（栏杆）、建筑门窗框、与运输有关的用具（托盘）、公共设施材料等[5-9]。木粉中主要含有木质素和纤维素，具有强极性，而聚丙烯（PP）几乎没有极性，如果不经过处理，两相间的粘结效果差。为了提高聚合物和植物纤维之间的界面粘结性能，改善两者之间的相容性[10，11]，本研究制备并添加马来酸酐接枝聚丙烯接枝聚乙二醇（MAPP-g-PEG）对聚丙烯进行改性，使其生成极性官能团并具有流动性，从而提高材料的界面粘合性。

1 材料与方法

1.1 原料与仪器

聚丙烯（PP），中国石油兰州化工有限公司；马来酸酐（MAH），分析纯，天津市博迪化工有限公司；聚乙二醇（PEG），无锡市亚盛化工有限公司；抗氧剂（1010，168），工业级，上海高桥石化公司；对甲苯磺酸，工业级，常州市捷胜化工有限公司；二甲苯，分析纯，上海润浩源实业有限公司；丙酮，分析纯，青岛宏泰化工国贸有限公司；无水乙醇，分析纯，济南丰源石油化工贸易有限公司。

主要仪器有电子万能试验机（深圳新三思计量技术有限公司）、简支梁冲击试验机（宁波璟瑞仪器仪表有限公司）、平行双螺杆挤出机（昆山科信橡塑机械有限公司）、JSM-6330F型场发射扫描电镜（日本电子株式会社）等。

1.2 试验方法

1.2.1 增容剂的制备 在四口烧瓶中加入相同质量的马来酸酐和聚丙烯，并加入100 mL的二甲苯作溶剂，放置于恒温油浴锅内加热，加热搅拌至其完全溶解。四口烧瓶抽真空后注满氮气，然后利用恒温滴液漏斗分3次加入适量的过氧化苯甲酰。将温度提升到120 ℃，在恒定的温度和搅拌速率下回流反应150 min得到黄色透明溶液。用丙酮作沉淀剂沉淀析出，抽滤、洗涤、烘干得到马来酸酐接枝聚丙烯。

称取2 g左右的马来酸酐接枝聚丙烯和1.6 g聚乙二醇置于250 mL的圆底烧瓶中，加入100 mL二甲苯，用电热套加热溶解，温度保持在130 ℃左右，加入0.1 g对甲苯磺酸，通入氮气，恒温反应2 h后降温到90 ℃，加入乙醇，使之充分沉淀，过滤，滤饼用真空泵抽滤后再用大量乙醇洗涤，最后放到烘箱中80 ℃烘干，制得MAPP-g-PEG增容剂备用。

1.2.2 聚丙烯木塑复合材料的制备 将木粉、聚丙烯及MAPP-g-PEG增容剂按表1的配方混匀，在高速混炼机中混炼3～5 min，然后在双螺杆挤出机中挤出造粒，干燥后注塑成型，得到木塑复合材料，进行性能测试。

1.2.3 指标测定 参照《GB/T 17657-1999 人造板及饰面人造板理化性能试验方法》测定木塑复合材料的静曲强度、弹性模量、缺口冲击性能、吸水厚度膨胀率等指标；用JSM-6330F型场发射扫描电镜观察样品的断面形貌。

2 结果与分析

2.1 增容剂对木塑复合材料弹性模量和静曲强度的影响

按不同配方制备木塑复合材料，测定其弹性模量和静曲强度，结果见图1和图2。从图1和图2可以看出，添加增容剂后木塑复合材料的弹性模量和静曲强度较没有添加增容剂的产品明显提高。在试验范围内，除未添加增容剂的处理外，增容剂用量相同时木塑复合材料的弹性模量和静曲强度随木粉质量分数的增加而升高；而木粉质量分数相同时，木塑复合材料的这两项指标随增容剂用量的增加而升高。未加增容剂的体系中木粉和塑料间的相容性较差，制得的木塑复合材料力学性能也较差，加入增容剂后木粉与塑料间的界面粘接性能得到改善，木塑复合材料的力学性能提高[12]。

2.2 增容剂对木塑复合材料缺口冲击强度的影响

缺口冲击强度是评价材料韧性的重要指标，图3为按不同配方制备的木塑复合材料的缺口冲击强度。由图3可知，未添加增容剂时，缺口冲击强度随木粉质量分数的增加而降低，这是因为不添加增容剂时木粉与聚丙烯的界面相互作用较弱，导致受外界冲击时界面处形成破坏性裂纹，致使缺口冲击强度下降[13]。在试验范围内，增容剂用量相同时材料的缺口冲击强度随木粉质量分数的增加而增强；在木粉质量分数相同的情况下，材料的缺口冲击强度随增容剂用量的增加而增强，这可能是因为MAPP-g-PEG的加入在复合体系间形成了具有柔韧性的中间相，增强了复合体系的韧性，因而体系的冲击强度大大增强[14]。

2.3 增容剂用量对板材吸水厚度膨胀率的影响

由于吸水厚度膨胀率与被测板材的厚度有关，图4中所列数据为4 mm厚不同木塑板材的吸水厚度膨胀率。从图4可以看出，当木塑复合材料中没有增容剂存在时，由于聚丙烯与木粉之间的界面相互作用弱，水容易浸入木粉中而使得材料吸水膨胀，吸水厚度膨胀率很高，与普通的密度板差别不大。而加入增容剂的体系中，板材的吸水厚度膨胀率迅速降低，在试验范围内，木粉质量分数相同时木塑复合材料的吸水厚度膨胀率随增容剂用量的增大而降低；增容剂用量相同时材料的吸水厚度膨胀率随木粉质量分数的增大而升高。

2.4 扫描电镜检测结果

图5为加入MAPP-g-PEG增容剂前后木塑复合材料的断面扫描电镜图。从图5可以看出，添加了增容剂的木塑复合材料中聚丙烯基体与木粉填料的界面结合紧密，且填料分散均匀（图5A）；而未加增容剂的木塑复合材料中填料分散不均匀，存在间隙（图5B）。

3 小结与讨论

MAPP-g-PEG增容剂可以提高聚丙烯木塑复合材料的相容性，共混体系的综合性能可以得到较明显的改善。添加增容剂后木塑复合材料的弹性模量、静曲强度升高，缺口冲击强度增强，吸水厚度膨胀率下降，聚丙烯基体与木粉填料的界面结合紧密，而且填料分散均匀，可见MAPP-g-PEG很好地改善了聚丙烯木塑复合材料的性能。

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