木质素对聚丙烯基木塑复合材料性能的影响*

文 霞，田大慧,汤瑛召

(芜湖职业技术学院 材料工程学院， 安徽 芜湖 241000)

木粉填充改性的PP基木塑复合材料以其独特的优点(耐潮湿、耐腐蚀、防虫蛀、易加工等)使其在室外用的非结构性和半结构性材料方面得到了很好的应用[1-2]。PP基木塑复合材料经常用于近水、高湿的室外环境中，长时间承受太阳光辐照、雨水淋浴，露水侵蚀、冰雪覆盖等恶劣的气候，会发生严重的热氧老化和光降解，综合性能必然会出现下降[3-4]。木粉主要是由纤维素、木质素和半纤维素组成[5]。目前，木塑复合材料的新技术研究中更侧重于木粉研究，以提高木粉与基体之间的相容性，从而提高材料性能,但很少关注木粉的各个组分对木塑材料性能的影响。本文从木质纤维素的化学成分作为切入点，利用紫外线加速老化实验，考察添加量的木质素衍生物——木质素磺酸钠的添加量对木塑复合材料性能的影响，为研究木塑复合材料的性能提供了一定的实际参考价值。

1 材料与方法

1.1 材料

聚丙烯树脂(PP)(型号K8003)，北京燕山石化有限公司；松木粉(粒径为0.147～0.175 mm)，南京赛旺科技发展有限公司，含水率w≤5%；马来酸酐接枝聚丙烯(MAPP)微粉，0.087 mm，接枝率1.5%，广州市中杰化工科技有限公司；硅烷偶联剂KH550，南京道熙新材料科技有限公司；光稳定剂UV-326，常州友丰化工有限公司；木质素磺酸钠，拓亿新材料(广州)有限公司。

1.2 设备及仪器

SWMSZ-01型木塑造粒机，南京赛旺科技发展有限公司；HJ5000注塑机，宁波海晶塑机制造有限公司；SHR-10A高速混合机，张家港格兰机械有限公司；Q-Sun Xe-3HS氙灯人工耐候试验机，美国Q-Lab公司；ETM-C台式微机控制电子万能试验机，深圳万测试验设备有限公司；SC-80C全自动色差计，北京康光仪器有限公司。

1.3 试样制备

1.3.1 试样配方

将聚丙烯树脂、杉木粉、硅烷偶联剂、紫外光稳定剂及其他助剂按配比经过成型得到样条(配方如表1)，试样尺寸为120 mm×100 mm×5 mm。

1.3.2 试样成型工艺

将木粉自动过筛，控制木粉粒径在0.147～0.175 mm。在鼓风烘箱中将木粉充分干燥，使得含水率低于0.8%。将各个原料按照表1中的比例加入至SHR-10A高速混合机中，在105 ℃下混合22 min后取出，然后采用SWMSZ-01型木塑造粒机挤出造粒。机筒各区及模头温度范围在135～240 ℃，再采用HJ5000注塑机注塑成试样。

表1 PP基木塑复合材料的配方表

1.4 测试与表征

1.4.1 力学性能测试

拉伸试验按照GB/T1040.4—2006进行，拉伸速度为2 mm/min；弯曲试验按照GB/T 9341—2008进行，跨距为48 mm，加载速度为2 mm/min；冲击强度试验按照GB/T1843—2008进行。

1.4.2 热降解性能试验[6]

取一定质量的试样，均匀放置于铝坩埚内。试样和参比物在氮气或者空气氛围中，以恒定速度从室温升至试验规定温度，恒温3 min，切换氧气；然后保持温度稳定不变，至热分析曲线上出现氧化反应，显示氧化放热达到峰值则结束实验。热降解初始温度从试样放热量的突增来表示，热曲线上的氧化放热最大值为最大热降解温度。

1.4.3 紫外光加速老化试验

依据ASTM G154—00标准设定PP基木塑复合材料的老化过程：选用辐射强度为0.77 W/m2的 340 nm 紫外线灯光照 8 h，冷凝 4 h，黑板温度控制为 60 ℃，冷凝温度控制为 50 ℃，12 h 为一个循环周期，老化时间为 2000 h。每组平行老化10个试样以备各种测试使用。

1.4.4 色差分析

材料表面颜色的改变最能直接反馈材料老化情况，色差ΔE*是衡量外观颜色变化的重要手段之一。按照GB/T7921—2008采用SC-80C色差计测试紫外光加速老化前后材料表面颜色变化，利用CIELAB颜色系统中的L*、a*和b*来表征表面颜色指标。根据公式计算色差ΔE*。每组样品平行试验6次，每个样品上取样5个位置点。

式中：ΔL*为L*的差值,L*表示明度指数;Δa*为a*的差值,a*表示红绿指数，(+a*)为红色，(-a*)为绿色；Δb*为b*的差值,b*表示黄蓝指数，(+b*)为黄色，(-b*)为蓝色。

2 结果与分析

2.1 力学性能分析

PP基木塑复合材料的木粉由松木粉和木质素磺酸钠按比例混合而成。松木粉中含有51.86%纤维素，28.42%木质素，8.56%聚戊糖，0.33%灰分，0.94%果胶，木质素磺酸钠作为木质素添加到木粉中。木粉中的纤维素赋予了材料一定的强度和结构稳定性。木质素，作为一种网状聚合物，在木粉细胞中起到“结壳作用”，具有一定的胶黏剂的作用；同时木质素结构中含有大量的疏水结构，与PP基体的相容性比较好，增加木质素的含量，相当于增加了体系中偶联剂的分量，提高了木粉和基体PP的界面结合力，有效提高材料的力学强度。因此当m(木质素磺酸钠)/m(木粉)提高到15%时，木塑复合材料的拉伸强度可达 42.5 MPa(图1)，弯曲强度可达 78.5 MPa(见图2)，而冲击强度仅为 25.23 J/m2。木质素是由酯键、醚键、碳-碳键形成的具有一定交联度的无定形高聚物，本身具有一定的刚性，随着木质素磺酸钠含量的提高，刚性粒子会形成一定比例的应力集中中心，使得拉伸强度、弯曲强度出现了不同程度的下降；而冲击强度则持续下降，从 34.07 J/m2降至 19.86 J/m2(如图3)。

图1 木质素含量对材料拉伸性能的影响

图2 木质素含量对材料弯曲性能的影响

图3 木质素含量对材料韧性的影响

2.2 热性能分析

相比较于纤维素，木质素拥有类似“刚性粒子”的结构，其热稳定性较好。通过添加木质素，在氮气实验条件下，材料热降解温度从 211 ℃ 提高到 248 ℃，最大热降解温度从 322 ℃ 提高至 387 ℃；在空气实验条件下，材料热降解温度从 213 ℃ 提高至 240 ℃，最大热降解温度从 324 ℃ 提高至 397 ℃。当温度上升至 350 ℃，松木粉中51.86%的纤维素出现了迅速降解，降解生成的羟基乙醛成为木塑复合材料热降解的催化剂，使得材料的耐热性能迅速下降(表2)。

表2 实验条件对PP基木塑复合材料的热降解性能

2.3 PP基木塑复合材料耐候性能

木质素中含有大量的酚羟基，在经过紫外光加速老化实验之后，材料的色差逐渐加深。产生这种现象的原因是，木质素中的酚羟基在紫外光的辐射照射下，发生氧化反应生成了苯醌基团，加速了老化反应，材料的色变明显，材料的ΔE*从10.87上升至37.45。随着木粉中木质素质量分数的提高，材料的力学性能出现了急剧的下降，表面裂纹增加。当木质素质量分数为15%时，拉伸强度从老化前 39.98 MPa 降至老化后 21.74 MPa，弯曲强度从 77.66 MPa 降至 47.23 MPa，冲击强度从 25.23 J/m2降至 7.26 J/m2，说明了木质素的大量存在会加速材料的老化。详见图4～图7。

图4 老化前后不同木质素含量材料的色差

图5 老化前后不同木质素含量材料的拉伸强度

图6 老化前后不同木质素含量材料的弯曲强度

图7 老化前后不同木质素含量材料的冲击强度

3 结论

1)PP基木塑复合材料的木粉中木质素质量分数提高到13%[即m(木质素)/m(木粉)=0.15]， 拉伸强度可高达 42.5 MPa，弯曲强度可达 78.5 MPa，但冲击强度出现了下降。

2)随着木粉中木质素质量分数的提高，热降解温度从 213 ℃ 提高至 240 ℃，最大热降解温度从 324 ℃ 提高至 397 ℃，材料的热性能得到了有效提高。

3)经过紫外光加速老化试验之后，随着木粉中木质素质量分数的提高，材料拉伸强度下降，表面裂纹增加，木质素的存在会加速材料老化进程。