改善木塑复合材料界面相容性的途径.doc

改善木塑复合材料界面相容性的途径2009-12-10我爱木门网收藏该文章 木质材料是由纤维素、半纤维素、木素以及各种抽提物组成的天然高分子复合材料，由于它是一种不均匀地各向异性材料，因此界面特性十分复杂。由于组成木质材料的纤维素、半纤维素和木素等主要成分中含有大量的极性羟基和酚羟基官能团，其表面表现出很强的化学极性。因此，在进行木质纤维塑料体系木塑复合材料的研制过程中，需要解决的最大问题是如何使亲水的极性木质表面与疏水的非极性塑料基材界面之间具有良好的相容性，从而使木质材料的表面层与塑料的表面层之间达到分子间的融合，把这两种不同性质的材料适当地复合在一起，产生比原来单一材料性能更加优良的新材料。为达到这一目的，国内外在这方面已经进行了许多研究工作。 改进两种不同性质的界面融合性能通常采用两种方法来实现。一种是通过加入一组共聚融合剂以改善两种互不相容聚合物之间的粘和性能。这一方法是根据共聚融合剂中的一个组份与其中的一种聚合物相容，其它的组份与另一种聚合物相容，最终达到两聚合物之间的容合这一原理进行的。这种方法同样可以用在聚合物填充系统中，以改善木材填充物与聚合物基材之间的粘合性能。虽然用这种方法不能使两种材料达到完全的容合，但它被认为可以降低界面的能量，从而使木材与塑料聚合物之间的界面间达到较好粘合。 在早期的研究中，通常采用苯乙烯丁二烯苯乙烯(SBS)共聚物作为融合剂，使木粉与低密聚乙烯(LDPE)之间的相互作用得到了改善。这一点可以从在使用了SBS后，复合材料的抗张强度和断裂强度比不使用SBS得到提高，以及扫描电镜的观察结果得到证实。这说明SBS改善了聚合物基材与填充物木粉之间的相互作用。在复合过程中，共聚融合物中的聚苯乙烯(PS)与纤维素的链相结合，而共聚物中的乙烯丁烯部分则与线性低密聚乙烯(LLDPE)相结合，从而实现在两个界面间的紧密结合。但这种改善并不十分明显。这是因为纤维素的溶解参数与苯乙烯的溶解参数不一样，在苯乙烯与纤维素之间的融合过程会受到排斥效应的影响，或由于高温处理产生了接枝(生成化学键)，使两种材料之间不能彻底的均匀融合，因而不能很好地改善界面间的结合效果。在用顺丁烯二酸酐改性的聚丙烯(MAPP)作为木塑复合材料耦联剂的研究中，所有的研究者都报道，这种耦联剂能改善复合材料的力学性质。他们发现在顺丁烯二酸酐基团与木材纤维素的羟基基团之间有化学键联接，MAPP共聚物以酯化和氢键结合的方式与木材纤维素的纤维键合在一起。在木材纤维与热塑性高分子聚合物制成的复合材料中，在使用了含离子键的热塑性聚合物作为弹塑性耦联添加剂后，复合材料的抗冲击强度得到改善，但作为填充物的木纤维的分散性较差。对于这种情况的融合机理尚未进行研究，但一般认为，这是在热塑性高分子聚合物中的负离子和纤维素的羟基之间产生了极性力或化学键。 目前进行的研究是寻找一种比SBS更好的融合剂，以改善木材与聚乙烯之间的粘合性能。因为木材与热塑性聚合物表面的良好粘合可以提高复合材料的力学性质和抗冲击强度。适合的耦联剂可以降低木材颗粒和塑料基材之间的界面能量，并改善木材的分散性。现在选用的耦联剂主要为苯乙烯乙烯/丁烯苯乙烯(SEBS1)三元共聚物、苯乙烯组分由顺丁烯二酸酐改性的苯乙烯乙烯/丁烯苯乙烯(SEBE2)三元共聚物、顺丁烯二酸酐聚乙烯共聚物(MAPE)和离子型聚合物等。 复合材料的力学性质可以间接地提供复合界面行为的信息，如果在木材填充物与塑料基材之间没有充分粘合，它们之间的界面层就容易受到水分的破坏，从而使强度降低。复合材料的强度性质应在干燥和浸湿两种条件下进行测定，以了解在使用不同的融合剂时木材颗粒与LLDPE基材之间的粘合性能是否得到了改善。研究结果表明：在WF/LLDPE为30/70时，LLDPE/WF/SEBS2体系的复合材料能表现出良好的界面相容性潜力，抗冲击强度和抗张强度得到了提高，最大抗压比LLDPE/WF体系要高得多，这表明在两相之间发生了界面间的相互作用，但从扫描电镜观察这种作用并不均匀；使用SEBS1和MAPE作为耦联剂的木塑复合材料，在木材和LLDPE基材之间的相互作用没有得到改善。扫描电镜研究表明：MAPE没有与木材的结构相容合，这可能是这种复合材料力学性质较差的原因所在；使用离子型高分子聚合物作为耦联剂研制的木塑复合材料，可以提高抗张强度，但对提高抗冲击强度没有影响。虽然所有木塑复合材料的断裂度比纯LLDPE有所下降，但用木粉作为增强填料对提高复合材料的杨氏弹性模量非常有效，它的杨氏弹性模量比纯LLDPE增加了4.55.3倍。此外，在用水浸泡65小时后进行的断裂强度测定表明，无论使用何种耦联剂，水浸对断裂强度基本没有影响。这说明用不同的耦联剂制成的木塑复合材料都具有很好的拒水性。同样也表明，在木塑复合材料中热塑性高分子聚合物含量高时，水浸对复合材料的影响很小。 木塑复合材料的韧性通常随着界面粘合性能的增加而增加。界面结合的薄弱点也许就是复合材料最容易断裂的部位。从扫描电镜图像可见，木材颗粒是嵌在热塑性聚合物基材中。在未加耦联剂的复合材料中，木材表面光滑，而且在细胞壁中的纤维方向清晰可见。但在使用了耦联剂SEBS之后，木材表面就不那么光滑了，也看不见纤维方向。在两相的边缘可以看到非常薄的线状体，这种线状体就是因为聚合物进入了木材颗粒的表面形成的。它们的存在可以表示木材和塑料之间所产生的粘合现象。此外，LLDPE/WF复合材料的吸水性和尺寸稳定性的优劣，取决于在复合过程中木粉是否在热塑性聚合物基材中均匀分散，而与是否使用耦联剂无关。 从上述研究结果可见：在木塑复合材料中加入耦联剂可以改善木塑两种材料界面的容合效果，提高复合材料的抗张强度、抗冲击强度和弹性模量等力学性质。但耦联剂的加入并不能使木材和塑料两界面相之间达到完全、均匀的容合，并提高木材在基材中的分散性，使研制出的复合材料变异性很大。 另一种改善复合材料两相界面的粘合性能的方法是对木材或塑料表面进行改性处理，使两种材料表面的极性和溶解度相近，在复合过程中使两界面间实现分子间的融合，从而改善两界面间的粘合性能。在木材表面主要通过对极性官能团进行酯化、醚化和接枝共聚等改性处理，使其生成疏水的非极性化学官能团并具有热流动性，使木材表面与塑料表面的溶解度相似，以降低塑料基材与木质材料表面间的相斥性，达到提高界面的粘合性的目的。最常用的木材酯化方式是木材的乙酰化处理。木材表面的羟基经乙酸酐或烯酮处理后，木材上的极性羟基基团被非极性的乙酰基取代而生成酯。在工业上通常使用乙酸酐冰乙酸硫酸的混合液进行乙酰化处理。木材的醚化可以甲基醚和羟乙基醚的方式进行。木材表面的甲基醚的生成，一般用甲基氯与经过碱处理的木材反应。羟乙基醚是通过木材在碱存在条件下与环氧乙烷或2-氯乙醇反应制得。对木材表面进行接枝处理的研究方法是，将经过碱预处理的木材用丙烯溴在5070 条件下处理0.53小时，使木材表面丙烯基化。用这种方法进行的木材表面接枝反应，经红外光谱测定表明，木材表面的羟基官能团被丙烯基官能团以醚键方式取代，这种醚化反应不但在木材中的纤维素上进行，而且也在木素上进行，这为在木材表面生成单一、均匀的非极性表面层提供了条件。木材经丙烯基化接技处理后，表面即具有粘合性和热流动性，表面与表面之间可直接热压成型，也可以与苯乙烯单体在引发剂的作用下复合共聚成型。但是否能与热塑性高分子聚合物形成良好的复合界面尚未见报道。 对塑料基材进行的化学