木塑复合材料人工加速老化的研究动态*

陈 圆 王 欣 胡建鹏

（内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院，内蒙古 呼和浩特 010018）

木塑复合材料（Wood plastic composites，WPC）是一种具有巨大潜能的绿色环保复合材料。WPC主要以废旧塑料和废旧木质材料为原料，并添加偶联剂或功能助剂，通过模压、挤出或注塑等方式成型的复合材料[1]。WPC因其成本低、抑菌性强、实用性高等优点被广泛应用于装饰装修、建筑、景观以及园林装饰等领域。WPC不仅具备木材的高强重比和环境友好性，还具备塑料的韧性和可加工性，且可回收重复利用，极大地缓解了废弃木材和塑料带来的环境污染问题[2-4]。然而，当WPC长期在户外服役时，会受到氧、水气、光、热、真菌等因素影响，产生老化，使其表面出现粉化、裂纹等现象，性能下降，使用寿命缩短。研究者通过各种技术手段对木塑复合材进行改性处理，能够提高材料的耐老化性，延长WPC的使用寿命[5-7]。由此可见，对WPC产品在使用过程中的耐老化性开展研究与评价显得尤为重要。其中，采用人工加速老化试验法的研究逐渐成为了研究热点。

本文旨在从方法原理和影响因素的角度对木塑复合材料领域的人工加速老化方法进行系统综述，以期为提高木塑复合材料耐老化性能的研究提供科学依据。

1 WPC人工加速老化方法

当前，人工加速老化法是用来评价材料耐老化性能最常用的方法，通过人工方式设定材料所需要的环境因素，尽可能模拟出和自然条件相类似的环境。主要方法包括湿热老化、热氧老化、光老化、人工气候箱老化、盐雾老化、冻融循环、臭氧老化、抗菌试验等。相较于自然大气老化测试方法，人工加速老化法的优势在于能够极大缩短试验周期，更快地获得试验结果，满足科研与生产的需求[8]。目前，在WPC研究领域应用最为广泛的人工加速老化法包括湿热老化、热氧老化、光老化以及人工气候箱老化。

1.1 湿热老化法

在潮湿的环境中，植物纤维颗粒会发生润胀，水分很容易渗入到木塑复合材料的中心，引起裂纹，导致其性能发生变化。当前，木塑复合材料被越来越多应用于码头、桥梁、河边栈道等，由于长期浸泡在水中，加速了材料的老化。湿热老化性能对于评价WPC是否能够长期适用在潮湿环境具有重要意义[9-10]。湿热老化法是将所需测试的材料放置在潮湿环境的设备中，设定与实际应用环境相符的测试条件，并且确保温度和湿度的稳定性，在一定的试验周期中，根据材料性能的变化来评价其耐湿热性能。研究表明：温度的升高加速老化进程，因而适当提高温度可在一定程度上缩短试验周期。

潘惠等[11]通过添加不同颜料制备了四种颜色的高密度聚乙烯基木塑复合材料，并对材料进行45 ℃的湿热老化测试，研究颜料对其湿热老化性能的影响。结果发现，随着老化时间延长，材料受热膨胀，聚合物分子链运动加剧，在水分的作用下，少量颜料从材料中析出，导致材料褪色，而添加巧克力色颜料的材料明度变化值最小，褪色程度最轻，表明添加颜料能有效提高木塑复合材料的颜色稳定性。徐琪等[12]分别使用甲基丙烯酸甲酯、硅烷偶联剂和马来酸酐对木纤维进行化学处理，而后制备木塑复合材料，并置于80 ℃的恒温水浴中研究其耐湿热特性。试验表明：硅烷偶联剂能够改善木纤维与聚丙烯基体之间的界面相容性，降低了木塑复合材料的吸水性，使其更适用于湿热的环境。Wang等[13]采用木粉、聚丙烯和马来酸酐接枝聚丙烯制成具有不同木粉含量的木粉/聚丙烯复合材料，随后将其分别放置在23、60 ℃和80 ℃的蒸馏水中进行耐水性试验。结果表明：温度可以增加复合材料的吸水率。此外，对比测试了复合材料和纯聚丙烯的拉伸和弯曲强度。结果显示：木粉能够增强基体抗错位能力，且木粉中木质素疏水性强，不易被水降解，能够提高材料的刚度和耐湿热性能。Lin等[14]采用不同目数的木粉、聚丙烯和马来酸酐接枝聚丙烯制成木粉/聚丙烯复合材料，随后将其分别放置在温度为23、60 ℃和100 ℃的蒸馏水中进行耐水性试验。同样发现，温度可加速复合材料的吸水率。此外，结果显示：经偶联剂A-1100和马来酸酐接枝聚丙烯处理后，木粉表面的疏水性提高，且目数较低的木粉越能有效分隔水从复合材料表面进入其内部区域，使复合材料的耐湿热性能得到增强。

1.2 热氧老化法

木塑复合材由于长时间暴露在空气中，受到温度和氧气的影响会发生缓慢的热氧老化反应。值得注意的是，高温时高分子材料的热氧老化现象更加明显[15]。热氧老化试验是将试样置于具有高温和氧的老化试验箱中进行。在试验过程中，老化程度受到试验温度的选择、风速的大小和试样放置的疏密情况等因素的影响。为了加快老化的速度，可在不造成严重变形、不改变老化反应的前提下，尽可能提高试验温度。另外，提高风速可升高热交换率，从而加快老化速率。为获得准确的老化结果，应选择适当的风速并保证风速稳定。

雷文等[16]将分别添加了抗氧剂和增容剂的木塑复合材料以及纯木塑复合材料放置在70 ℃的试验箱中进行热氧老化试验，并于600 h后取出，在室温下浸泡在水中。试验结果表明：当浸泡时间达到200 h后，添加抗氧剂的复合材料，其宽度变化率低于纯WPC，说明使用抗氧剂可有效改善热氧老化对木塑复合材料吸水性能的影响，延长材料使用寿命。陆绍荣等[17]以剑麻纤维和聚丙烯为原料制备木塑复合材料，并将其放入100 ℃的热氧老化试验箱中，老化16 h后取出。结果表明：在试验初期，材料内部的聚丙烯和剑麻纤维发生的交联反应使得材料的相容性得到提高，暂时抑制了材料性能减弱的速度。随着老化时间的延长，氧化降解反应超过交联反应，使得聚丙烯发生无规则降解，因而材料力学性能下降。余旺旺等[18]以高密度聚乙烯和木粉为原料，以马来酸酐接枝聚乙烯为界面增容剂，并添加不同量的抗氧化剂制备木塑复合材料，随后将其放置在70 ℃的试验箱中进行热氧老化试验，于600 h后取出。结果表明，添加抗氧剂可较大幅度提高WPC的弯曲强度，老化600 h后，添加抗氧剂的WPC，其弯曲强度均高于未加抗氧剂的WPC，且含量为2.0%时效果最佳。因此，抗氧剂可有效改善木塑复合材料的耐老化性能。谢雪甜等[7]将黎蒴栲、碳酸钙和铝酸类偶联剂共混，再加入热稳定剂和光稳定剂制成黎蒴栲/聚氯乙烯复合材料，置于温度交替变化的试验箱中进行热氧老化，33.5 d后取出并测量其力学性能的变化。结果显示：热氧老化后材料的抗弯强度和抗拉强度有明显的下降，而添加受阻胺光稳定剂和紫外吸收剂UV300后，复合材料的抗弯强度和抗拉强度降低减缓，说明光稳定剂能够加强材料的耐老化性能。

1.3 光老化法

不论是在室内还是户外，WPC的性能因受到太阳光的照射而发生变化。因此，光老化是木塑复合材最典型的老化形式之一。光老化测试试验是模拟材料长期暴露在阳光的照射下产生反应的试验，并且光老化测试试验采用的光照强度远高于实际光照，因此可缩短试验周期，更快得到试验结果[19]。紫外光因其活性大、能量高，对材料的破坏最为严重，所以光老化试验的光源以紫外光及部分可见光为主[20]。

光老化试验的灯管主要包括荧光紫外灯、氙灯和碳弧灯等。荧光紫外灯老化主要模拟紫外光破坏材料性能，该试验将需测试材料放置于老化试验箱内，设定一定的周期、温度、湿度和照射强度，同时还可以通过冷凝和喷淋模式加速老化试验[21]。最后根据试验前后材料的变化情况，确定其耐光老化性的强弱。氙灯老化主要模拟紫外灯和部分可见光，可通过降雨、湿度和冷凝等多种水分环境共同作用的方式加速老化试验，还可通过不同的组合方式达到不同的模拟效果[22]，目前已成为主要的人工加速光老化试验方法。碳弧灯的模拟效果比荧光紫外灯和氩灯差，通常不推荐。

文霞等[23]将聚丙烯、杉木粉、马来酸酐接枝聚丙烯及三种光稳定剂混合制备木塑复合材料，并将其放置在紫外灯老化设备中老化1 000 h。结果表明：纯WPC颜色变化最明显，添加苯并三唑类光稳定剂的WPC颜色变化最小，说明光稳定剂能够有效改善复合材料的耐老化性能。Stark等[24]在木粉/高密度聚乙烯复合材料中添加了光稳定剂，并置于紫外线下暴晒2 000 h。结果显示：未添加光稳定剂的复合材料，其弯曲强度和弹性模量下降更为明显。Muasher等[25]通过添加不同的受阻胺类光稳定剂和紫外线吸收剂制备了木粉/高密度聚乙烯木塑复合材料，并对比其室外环境和人工紫外加速老化箱中的老化行为，总时长为2 000 h。研究发现，与自然光相比，紫外光照射更容易使材料发生光漂白，导致样品的颜色变浅，但同时添加受阻胺类光稳定剂和苯并三唑紫外线吸收剂能够有效减少复合材料的褪色，加强了WPC的耐光老化性能。

1.4 人工气候箱法

气候的影响使木塑复合材在各个阶段都可能发生性能变化，例如变色、性能下降、开裂、剥落、粉化、氧化等。主要原因是阳光（特别是紫外光）、高温以及雨水、露水等形成的湿气，当WPC处于光照和湿气共同作用时，其本身单一的耐光性和抗湿性能急剧下降。人工气候箱老化法就是用人工的方法模拟和强化材料在自然气候中受到的光、氧、热、降雨、湿气等为主要破坏的环境因素，在实验室条件下通过较短的时间评价复合材料的耐老化性能[26-27]。与光老化法不同，人工气候箱法除了能够模拟光、氧、热等因素，还能够进行温湿度的调节，使木塑复合材料的测试更贴近自然环境。

倪欣宇等[28]将聚氯乙烯、木粉、碳酸钙和钢材混合制成木塑/钢材复合材料，将其放置在（60±3）℃的紫外灯下辐照暴露8 h后，在（50±3）℃下无辐射的冷凝条件中暴露4 h，循环往复，总时间为250 h。对比添加钢材和未添加钢材复合材料的抗弯强度的变化。结果表明：添加钢材的复合材料，其抗弯性能比普通木塑复合材料有显著提高，且延展性提高了约3倍，表明钢材优良的力学性能有助于提高WPC的耐老化性能。

1.5 其他老化方法

目前，抗菌老化法与盐雾老化法等已被广泛应用在高分子复合材料领域，借此评价复合材料在特殊环境下的耐久性。然而上述老化方法在木塑复合材料领域未见报道。

1.5.1 抗菌老化法

塑料因其质轻、机械性能优异、便于加工等优点在包装市场上得到广泛的应用。在实际生产中，一般会在塑料中加入抗氧化剂、增塑剂、紫外光吸收剂等添加剂以提高塑料的性能，使其免于在光照、氧气和微生物等作用下发生老化、霉变等现象[29]。但添加剂的加入使微生物具有了更适宜繁殖的环境，导致塑料包装成为了细菌污染源和疾病传播源，从而危害人类健康。因此，对于包装材料的抗菌试验的研究显得尤为重要。

宋洪泽等[30]采用纳米银、纳米氧化锌、抗氧化剂168和低密度聚乙烯制备塑料片材，通过贴膜法对片材进行抗菌试验。研究表明：虽然纳米银、纳米氧化锌抑菌持久性较好，但二者对塑料片材的抗菌性均无显著影响；而抗氧化剂168虽然没有抗菌性，但其处理片材的抗菌率可达90.41%，认为是其降解产物具有抗菌性。

1.5.2 盐雾老化法

盐雾环境中氯化物的含量较高，对复合材料的腐蚀速度明显增加，是天然环境中的几倍或几十倍[31]。因此，人工模拟盐雾环境测试能够在较短的时间里确定复合材料耐老化性能。

徐志伟等[32]将碳纤维、玻璃纤维和环氧树脂混合制成环氧树脂/混合纤维复合材料，置于温度为（35±2） ℃，腐蚀介质为5%的NaCl溶液中进行600 h的盐雾试验。结果显示：盐雾的渗入腐蚀了树脂，破坏了纤维和树脂的界面结构，导致复合材料质量和拉伸强度下降，复合材料出现微观缺陷；但在360 h后材料变化趋势明显变缓，且在600 h时性能维持不变，说明该复合材料适用于盐雾环境。

2 人工加速老化方法的现状与存在问题

2.1 现状

通过对WPC在湿热老化法、热氧老化法、光老化法以及人工气候箱法等领域的研究概述，总结当前研究现状如下：

1） 湿热老化是目前WPC耐老化性能领域应用最为广泛的方法之一，材料长期暴露在潮湿的环境中会加快老化速度，尤其是有些材料在地下工程或者埋在土中、高湿热厂房、通风不良的仓库等环境下。湿热老化的优势在于可以通过测试，针对需要长期处于潮湿环境的材料提前采取相应措施。

2） 热氧老化的主要影响因素是温度和氧气，温度的升高可以加快材料的氧化反应。针对长期暴露在温度较高环境中的材料，可添加抗氧化剂抑制氧化反应来减缓材料老化速度，或是添加相关材料使复合材料内部发生交联反应，提高材料的相容性，抑制材料性能衰减速度。

3） 光老化主要以荧光紫外灯、氙灯和碳弧灯老化等方法为主，其中紫外光的破坏最为严重。添加合适的光稳定剂能够有效抑制或减弱光降解反应，提高材料的耐老化性。

4） 人工气候箱法不仅能够设定光和温度等因素对材料的影响，还能调节材料所需的湿度环境，使测试环境更贴近现实，试验数据更具真实性。由于人工气候箱法的测试条件比较复杂且仪器价格较高，目前该方法的应用研究较少。

2.2 存在问题

综上可知，人工加速老化方法已被广泛应用到木塑复合材料领域，并取得了一定成果，但仍存在以下三个方面的问题：

1） 热氧老化和光老化测试方法通常是分析WPC在单一因素（如温度、光波频率等）下的老化效果，虽然上述两种方法的老化降解机制已被学者阐述清楚，但与复杂自然条件下的老化降解机制相比，仍存在较大差距。

2） 湿热老化和人工气候箱老化法可同时设置两个或两个以上影响因素（温度、湿度、水分、光照类型及光波频率等）对WPC进行老化处理，能在一定程度上解释WPC在复杂环境下的老化降解机制，但是缺少与自然老化法的相互印证与联系。

3） 着眼于木塑复合材料今后更为广阔的应用前景，目前抗菌老化、盐雾老化等特殊环境条件下的老化研究值得关注。

3 结语

就科研需求和材料实际应用价值方面而言，人工加速老化法能够快速获得木塑复合材料老化性能的结果。建议今后的研究中围绕以下几个方面展开：

1）加强人工加速老化方法与自然老化法之间的试验数据对比，构建相关联系机制，有利于进一步对WPC的实际应用效果进行评价。

2）通过计算机和数学方法建立加速老化模型，不断丰富数据，对模型参数进行修正改进，利用智能网络实现对WPC性能与使用寿命的预测。

3）加强抗菌测试、盐雾测试等人工加速老化测试方法在WPC研究领域的拓展应用，为WPC在今后更广阔的应用提供科学依据。