资源危机和生态问题引发了全世界对可持续发展和保护生态环境研究的热潮。木塑复合材料(WPC)是将有机纤维素填料如木材、糠壳、竹屑和坚果硬壳等以粉状、纤维状和刨花等形态作为增强物或填料,加入到热塑性或热固性塑料中进行复合得到的新型功能材料,综合了木质材料和塑料两者的优点,具有原料可再生、尺寸稳定性好、耐腐蚀、耐老化,可回收再利用、无污染等优点,被认为是最具发展潜力的新型材料。
聚丙烯(PP)是重要的通用塑料材料之一,具有力学性能优异、化学稳定性好、价格低廉、无毒和易于加工成型等特点,是优良的木塑材料基体,因此PP基木塑复合材料的研究受到广泛关注。
1. 木粉填充的PP基复合材料
中南民族大学杨玲玲等研究了PP基木塑复合材料的界面形态,采用两种不同的偶联剂对木粉进行表面处理。结果表明,复合材料的性能得到提高;随着混炼时间的增加,材料的冲击强度和拉伸强度呈先升后降的趋势。青岛科技大学橡塑材料与工程教育部重点实验室刘文鹏等研究了偶联剂、相容剂、木粉用量和木质填料种类对以PP为基体树脂的木塑复合材料力学性能的影响。结果表明,以硅烷偶联剂处理木粉或直接加入相容剂均使复合材料力学性能得到提高;木粉用量的提高使复合材料冲击强度下降,弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度则大幅提高。重庆理工大学材料科学与工程学院宫敬禹等以PP为基体,采用热压成型方法制备木塑复合材料。结果表明,随着木粉含量的增加,复合材料的拉伸强度有所提高,而冲击性能明显降低。加入0. 5分铝酸酯偶联剂时,材料的加工性能也有所改善。
徐州工业职业技术学院材料系聂恒凯等研究了木粉、相容剂、胶粉用量对以PP为基体树脂制备木塑复合材料力学性能、加工性能的影响。结果表明,随着木粉用量的增加,木塑体系拉伸强度先升高后降低,体系冲击强度总体趋势为逐渐增大;马来酸酐接枝PP( PP-g-MAH) 用量为10分时,体系综合力学性能最好。H. P. S. Akhalil 等研究了不同尺寸的填充物对木粉/PP复合材料吸水性和力学性能的影响。结果表明,添加木粉后复合材料的力学强度比纯PP的低,复合材料中木粉添加尺寸为100μm时比212μm和300μm时拉伸性能好。上海交通大学俞炜等采用原位反应复合的办法研究制备了长支化PP/木粉复合材料。结果表明,长支化反应提高了木塑材料的冲击强度和拉伸强度,最大幅度分别达到29.44%和 27.75%。V. N. Hristov等研究了以PP-g-MAH为相容剂,木粉为填料制得的木塑复合材料。结果表明,材料的拉伸强度、断裂伸长率和冲击强度均随改性剂含量的提高而有不同程度的提高。
2. 其他材料填充PP基复合材料
南京农业大学工学院张东辉等采用模压成型工艺制备稻秸秆粉/PP木塑复合材料。结果表明,稻秸秆粉质量分数为50%,粒度为60目时,复合材料综合力学性能较好。贵州大学化学与化工学院金翠霞等用化学发泡法注塑成型制备了木纤维/PP复合微孔发泡材料。结果表明,木纤维的添加使得材料的力学性能显著提高,且材料的冲击强度和弯曲强度要高于未发泡材料。东北林业大学党文杰等利用PP-g-MAH及SEBS-g-MAH对木纤维/PP进行增强和增韧改性。结果显示,添加PP-g-MAH 和SEBS-g-MAH 增强了木纤维和PP基体之间的粘合性,使两相结合得更加紧密,进而提高了木塑复合材的力学性能。Adrian等制备了PP/木纤维复合材料,比较了用MAH处理木纤维和直接加入MAH接枝PP(MAPP)对材料性能的影响,结果表明,两种方法都能提高木纤维在材料中的分散性,而MAPP的加入同时提高了材料的抗蠕变性能。
东北林业大学高华等利用MAH对PP/PE混合物进行接枝改性,然后以接枝共混物作为基体与木纤维复合制备木塑复合材料。结果显示,基体经过接枝改性后,复合材料的弯曲强度和无缺口冲击强度均大幅度升高,当MAH用量为1%时,弯曲强度提高了50.4%,无缺口冲击强度提高了90.8%,而以废旧塑料为原料制备的复合材料的弯曲强度和无缺口冲击强度分别提高40.2%和53.4%。Bledzki等发现高熔体指数的PP基体树脂有助于改善泡孔的形态及其分布,并发现木纤维的长度、几何形状及其含量对复合材料中泡孔的大小、形状及分布有一定影响。放热型发泡剂有助于PP/木纤维复合材料获得良好的微泡孔结构。他们还研究发现采用MAPP的硬木纤维复合材料样品比软木纤维复合材料样品有更好的性能,拉伸强度和冲击强度最大时提高了50%和20%。
3. 结束语
PP基木塑复合材料绿色环保,兼备了PP和植物纤维的优点,不仅具有优良的物理性能、良好的机械加工性能、防腐和易着色等优点,更有木质的感观,并可像木材一样进行切、削、钻、钉、刨等二次加工,还能回收再利用、生物降解、利于保护环境,有良好的社会效益和经济效益,可广泛应用于建筑、汽车、仓储、交通运输、农业、军事以及游乐设施等领域,在不断追求和向往新型环保材料、节约资源、保护环境的今天,表现出强大的生命力和发展前景。但我国研究起步较晚,工业化产品尚不多,今后需要重点研究的重点问题有:① 改善木塑复合材料界面性能。因植物纤维具有很强的极性,而常见树脂基体通常为非极性、不亲水的,故植物纤维和树脂基体间的相容性很差,界面粘结强度低,影响了PP木塑复合材料的机械性能。②改善植物纤维在基体树脂中的分散性。由于羟基间可形成氢键,植物纤维之间有很强的相互作用,使得其在树脂基体中的分散极差,要达到均匀分散较为困难。要达到上述目的,应加强界面学的研究,同时加强性价比的调整优化,使PP木塑复合材料向轻质、高性能、高附加值、高纤维含量、功能化的方向发展。