新型加工助剂对pvc木塑复合材料性能的影响

新型加工助剂对pvc木塑复合材料性能的影响

木塑材料是近年来迅速发展的一种新型环保材料。它具有塑料和木材的主要优点。利用旧塑料和木材加工废物和其他资源，有助于解决白色污染，弥补森林资源不足的问题。木粉属于轻而硬的颗粒材料,少量填充于塑料基体时,所得木塑制品欠缺硬木的质感,只有在木粉用量较大时才能显示出木塑材料的优点和价格优势。然而,由于木粉中含有大量的羟基官能团,呈现较强的化学极性,在挤压加工中,木粉颗粒容易自聚而结团,这些团聚点很容易引起应力集中,应力不能在界面有效传递,导致复合材料性能下降;另一方面,高温下木粉容易炭化,PVC也较易热分解,所以PVC木塑材料的成型加工温度范围较窄。显然,木粉用量越大,越不容易快速而均匀地分散在塑料基体中,木粉被基体完全包覆的程度越小,导致在熔融温度下木塑材料的熔体流动性差、物理力学性能低劣、制品表面粗糙等缺陷。因此,要实现木粉的高填充量,并且使木塑材料具有良好的加工性能和物理力学性能,关键是在有限的加工温度范围内,提高木粉的分散性,使其快速而均匀地分散在塑料基体中。本文采用不同品种和用量的加工助剂,研究其对木粉在PVC基体中的分散性,以及对PVC和木粉相容性的影响,以期改善高木粉填充量的PVC木塑材料的加工性能和物理力学性能,达到提高PVC木塑材料性价比的目的。1实验部分1.1芳香族碳氢化合物PVC,SG-7型,天津渤海化工有限责任公司;松木粉,100目,江西南康方舟纤粉厂;加工助剂:Homogenizers501(简称H501),不饱和芳香族碳氢化合物之聚合体,软化点95~105℃;Struktol60NSF,浅色脂肪烃树脂混合物,滴落点95~105℃;StruktolWB16,钙皂和饱和脂肪酸酰胺混合物,熔点96~108℃;DeoflowA,脂肪醇和脂肪酸酯的混合物,滴落点93~103℃,广州金昌盛科技有限公司;氯化聚乙烯(CPE),135A;丙烯酸酯类加工改性剂(ACR);热稳定剂(锌皂和钙皂复合物),广州创科塑料型材有限公司。1.2试验设备及仪器电子万能试验机,CMT4204,深圳市新三思材料检测有限公司;冲击试验机,XCJ-4;万能制样机,ZHYW,河北省承德市材料试验机厂;开放式塑炼机,SK-160B;平板硫化机,QLB-400×400,上海橡胶机械厂;高速搅拌机,GRH-10,辽宁阜新热源设备厂;电热烘箱,101-5,南通科学仪器厂;扭矩流变仪,德国HaakeRheomix公司;扫描电子显微镜(SEM),XL-30FEG,荷兰PHILIPS公司。1.3木粉、cpe和钙皂混合物zea实验基本配方为:PVC,100phr;木粉,100phr;CPE,10phr;ACR,5.0phr;锌皂和钙皂复合物,4.0phr;加工助剂,改变品种及用量。1.4混合料片材外观检测木粉先在120℃烘箱干燥2h,常温下将干燥木粉、PVC及其他配合剂在高速搅拌机中连续混合3min。混合料在175~185℃的塑炼机上熔融混合,观察物料的包辊情况,薄通6次后出片,正常光线下目测片材外观。然后在180~190℃的平板硫化机上制得4mm厚的片材,用万能制样机制成标准试样。1.5性能测试方法拉伸强度按GB/T1040—1992执行,拉伸速率50mm/min;冲击强度按GB/T1843—1996执行,为无缺口试样;弯曲性能按GB/T9341—2000执行;吸水率按GB/T1034—1998执行,试样尺寸4mm×10mm×10mm,用电子分析天平称取样品在室温的自来水中浸泡48h前后的质量,以浸泡后所增加的质量与浸泡前质量的百分比计算其吸水率;加工性能用HaakeRheomix扭矩流变仪测试,温度170℃,转子转速30r/min;SEM分析:试样经脆断,断面真空镀金处理后,进行观察。2结果与讨论2.1加工助剂对表面活性剂的影响当木粉用量较大时,其在基体中不易均匀分散,造成混合物包辊困难,片材表面粗糙且缺少塑料特有的光泽。故通过观察复合材料熔体在塑炼机上的包辊情况和片材表面状况,可判断木粉在塑料基体中的分散程度。加工助剂对复合材料加工性能的影响如表1所示。从表1可以看出,四种加工助剂均有利于复合材料熔体熔融混合和包辊,加工助剂用量越大,复合材料熔体越容易包辊,薄通出片所得片材的表面越有光泽。在较低用量时,WB16和DeoflowA比H501和60NSF的改善效果更明显。加工助剂H501或60NSF的主要组分是不饱和芳香族碳氢化合物或脂肪烃树脂混合物,能够作为高效连接体,与绝大多数极性或非极性聚合物相容,起均化、增塑和增黏作用;在混炼加工温度下,H501或60NSF处于黏流态,能加快塑料基体与木粉之间的渗透与扩散,从而促进木粉的分散。加工助剂WB16或DeoflowA的主要组分是钙皂和饱和脂肪酸酰胺混合物或脂肪醇和脂肪酸酯的混合物,具有润滑和促进木粉分散的作用;在加工过程中,WB16和DeoflowA的分子间作用力小,容易被吸附在木粉粒子上,起到隔离、润滑、增塑和促进木粉分散的作用。因此,这些加工助剂都能起到防止木粉团聚、降低熔体黏度、促使木粉在较短时间混入PVC基体并均匀分散的作用;而且用量越大,作用越明显。2.2助剂对pvc木塑材料加工性能的影响加工助剂对复合材料流变性能和吸水率的影响如表2所示。从表2可以看出,复合材料的最大转矩、平衡转矩和平衡时间随着加工助剂用量的增加而减小,而且添加WB16或DeoflowA的减小幅度更大。最大转距即塑化转矩变小,说明复合材料产生形变的难度变小,加工性能变好;平衡转矩小,表明复合材料流动性好;平衡时间小,表明塑化时间短。因此加工助剂有助于改善PVC木塑材料的加工性能。与H501或60NSF相比,WB16或DeoflowA具有更优异的隔离、润滑和增塑效能,对木塑材料加工性能的提高更加明显。另一方面,加入加工助剂后,复合材料的吸水率有较大程度的下降。说明加工助剂提高了木粉的分散性,木粉被基体包覆的几率增加,减少了疏松状木粉吸附低分子量物质的机会,从而提高了复合材料的耐水性能。2.3复合剂用量的影响加工助剂对复合材料力学性能的影响如图1~图4所示。从图1~图4可以看出,随H501或60NSF用量的增加,复合材料的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量增加,在3.0~6.0phr范围达到最大值并趋于不变,冲击强度也表现出类似的变化规律。随WB16或DeoflowA用量的增加,复合材料力学性能先上升再下降,其最佳用量范围在1.5~3.0phr左右。填充高聚物的力学性能是基体分子之间、基体与填料之间相互作用的综合反映。未加入加工助剂时,木粉不能被基体完全包覆且存在较多团聚点,当承受外力时,这些团聚点很容易引起应力集中,导致复合材料的力学性能低劣;随加工助剂用量的增加,促进了木粉在基体中的分散,木粉的团聚点减少,复合材料的力学性能随之提高。然而,主要起润滑和隔离作用的加工助剂,如WB16或DeoflowA化学惰性较强,当其用量超过一定范围时,反而会削弱极性高聚物基体之间、基体与填料之间的相互作用,从而对复合材料的力学性能产生不利影响。另一方面,H501或60NSF除了促进木粉分散外,还具有与极性木粉和PVC相容性好、能促进基体与木粉相互作用的特点;而且其常温下呈固态,本身的力学强度和模量较高,因此,H501或60NSF在用量较大(3.0~6.0phr)时,复合材料的拉伸强度、冲击强度、弯曲强度和弯曲模量更好。2.4粉与pvc抗体的相关性图5为复合材料冲断断面的SEM照片。从图5(a)可以看出,没加入加工助剂时,木粉与PVC基体间存在清晰的相界面,木粉被拔出后留下的空穴表面光滑,且木粉呈不规则团聚,说明木粉与PVC基体相容性差;从图5(b)和图5(c)可以看出,分别加入6phrH501和60NSF后,木粉分散较为均匀,冲击断面产生了明显的白化现象,基体与木粉之间的界面模糊,没有较大的空洞,木粉与基体浑然一体,说明H501和60NSF起到了促进木粉分散和提高基体与木粉相容性的作用;从图5(d)和图5(e)可以看出,分别加入3phrWB16和DeoflowA后,木粉没有明显的团聚,分散较均匀,但与图5(b)、图5(c)相比,相界面更为光滑,表明WB16和DeoflowA在改善木粉与基体相容性方面,效果较差。3材料用量对pvc木塑材料力学性能的影响加工助剂H501或60NSF能够提高木粉在P