聚氯乙烯-速生杨木复合材料的制备及性能研究.pdf

材料及应用 2023 年 第 8 期 总第 221 期 造纸装备及材料80聚氯乙烯-速生杨木复合材料的制备及性能研究张一心河北工业大学亚利桑那工业学院，天津 300401摘要：为了有效地解决速生杨木力学性能差、耐腐蚀性差的缺点，将聚氯乙烯（PVC）和其他添加剂与速生杨木的木质纤维通过一定的方法加工成木塑复合材料。文章对这种方法进行了介绍，并对利用该方法制备的木塑复合材料进行了力学性能、热学性能、吸水性能和耐久性能等方面的分析，为木塑复合材料的高效合理利用提供了借鉴和参考。关键词：PVC；速生杨；木塑复合材料；力学性能；热学性能分类号：TB322自上世纪末以来，速生杨在我国黄淮地区、江淮平原以及长江中下游流域的浙、闽、粤等广大地区被迅速推广，由于其生长快、适应性强、抗寒及抗病虫害能力强、木质轻、易加工、容易管理等特点，一度成为我国主要经济林木资源。但是其缺点也很突出，包括力学性能差和耐腐蚀性差，其刚度和强度无法满足各种结构件的要求，并且不能适应各种腐蚀性环境1。为此，使用聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等热塑性塑料，与超过 50%的木质纤维混合，再经挤压、模压、注射成型等加工工艺，生产出新型复合材料。这种新型复合材料被称为木塑复合材料，由于其具有良好的可塑性和耐腐蚀性，已经被广泛地应用在建材、家具、物流包装等行业。但是人们在使用过程中也发现了这种木塑复合材料的缺点，主要表现为以下三点：一是密度大，与纯实木相比自重增加了至少一倍，给建筑和施工带来了不便；二是耐热性和耐紫外线能力较差，露天使用时老化得快；三是不能跨度太大，时间长了容易变形，影响使用效果2。为了扬长避短，充分发挥木塑复合材料的长处，减少木塑复合材料的短处，将聚氯乙烯（PVC）和其他添加剂与速生杨木的木质纤维通过一定的方法加工成木塑复合材料，在加工时注意克服木塑复合材料的上述缺点，并对制备的木塑复合材料进行了力学性能、热学性能、吸水性能和耐久性能等方面的分析，为木塑复合材料的高效合理利用提供了借鉴和参考3。1 制备实验1.1 实验材料制备聚氯乙烯-速生杨木复合材料的实验材料如表 1 所示。表 1 实验材料一览表原料牌号与规格产地聚氯乙烯树脂分析纯东莞市丰泰新材料有限公司杨木粉100 目临沂盛森木粉有限公司竹炭100 目衢州益家竹炭制品有限公司壳聚糖食品级江苏奥福生物科技有限公司无机发泡剂BF210上海琦鸿新材料科技有限公司贝壳粉200 目灵寿县宏润矿产品加工厂乙酸酐98.5%南京化学试剂股份有限公司无水乙醇99.8%天津市金卫尔化工有限公司硅烷偶联剂KH590南京化学试剂股份有限公司钙锌复合稳定剂300 石家庄东臻化工有限公司聚乙烯蜡塑料级广州市新稀冶金化工有限公司1.2 实验仪器制备聚氯乙烯-速生杨木复合材料的实验仪器如表 2 所示。1.3 制备方法聚氯乙烯-速生杨木复合材料的制备过程如图 1所示。（1）干燥杨木粉料。将杨木粉料放置于电热恒温烘箱中，设定温度为 85，烘 24 h 后取出4。（2）木粉改性。将上述干燥处理好的干燥杨木粉料与无水乙醇和硅烷偶联剂按照一定比例混合，设定温度为 55，在混合机中搅拌 2.5 h。作者简介：张一心，男，河北工业大学本科在读，研究方向为材料物理。文章编号：2096-3092（2023）08-0080-04造纸装备及材料 第 52 卷 总第 221 期 2023 年 8 月 材料及应用81（3）混合。将上述改性好的木粉与聚乙烯蜡、竹炭粉、壳聚糖、无机发泡剂、贝壳粉、钙锌复合稳定剂以及乙酸酐按照一定比例进行混合，放入混合机中，设置温度为 90，搅拌时间为 15 min。（4）成型。将上述混合反应后的混合料放置于双辊开炼机中，设置温度为 180，混炼时间为 15 min，然后使用双平板热压机在 180 和 5 MPa 的条件下热压 10 min，再在 7 MPa 的条件下冷压 10 min，即可得到聚氯乙烯-速生杨木复合材料5。1.4 聚氯乙烯-速生杨木复合材料的性能评价1.4.1 力学性能拟测量聚氯乙烯-速生杨木复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量和冲击强度，以此来评价该复合材料的力学性能。测试依据国家标准塑料 拉伸性能的测定塑料 拉伸性能的测定 第 1 部分：总则（GB/T 1040.12018）、塑料 弯曲性能的测定（GB/T 93412008）和塑料 简支梁冲击性能的测定 第 1 部分：非仪器化冲击试验（GB/T 1043.12008）。1.4.2 热学性能拟使用热重分析仪测量聚氯乙烯-速生杨木复合材料的热重曲线，并以此评价其热学性能6。实验采用氮气氛围，升温速率为 10 /min，最高温度为650。1.4.3 吸水性能拟测量聚氯乙烯-速生杨木复合材料的吸水率，以吸水率为评价指标，测定复合材料的吸水性能7。测试依据国家标准人造板及饰面人造板理化性能试验方法（GB/T 176572022）。1.4.4 耐久性能使用塑料压痕硬度测定仪，测量聚氯乙烯-速生杨木复合材料在模拟自然条件下（温度为 24、湿度为 60%）放置不同时间后的硬度变化情况，并以此评价其耐久性能8。2 性能测试2.1 力学性能测试通过查阅文献发现，竹炭的加入可以有效增加聚氯乙烯和杨木粉之间的机械作用力，壳聚糖的加入可以有效增加其与聚氯乙烯分子之间的作用力9。为了测试竹炭和壳聚糖的最佳含量，团队做了三组试验。2.1.1 试验一如表 3 所示，此次试验中壳聚糖含量为 0 g，竹炭的含量从 0.0 g 递增到 3.0 g，其他材料的含量不变，对按照这 7 个配方制备出来的聚氯乙烯-速生杨木复合材料，分别使用检验设备测量其拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量和冲击强度，得到结果如表 4 所示。表 3 试验一：不同含量竹炭的聚氯乙烯-速生杨木复合材料配方一览表 单位：g配方杨木粉PVC竹炭壳聚糖其他材料配方 15032.50.0010.5配方 25032.50.5010.5配方 35032.51.0010.5配方 45032.51.5010.5配方 55032.52.0010.5配方 65032.52.5010.5配方 75032.53.0010.5由此可以看出，在配方中加入竹炭，能够有效提高复合材料的各项力学性能，但是，竹炭的加入不是无限制的10。随着竹炭的加入，复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量和冲击强度均有所提升，加到 2.0 g表 2 实验仪器一览表实验仪器牌号与规格产地电热恒温烘箱ZYLH-9425A中研立华仪器科技有限公司三维运动混合机SYH-600常州市金象干燥设备有限公司双辊开炼机TY-7007A江苏天源试验设备有限公司双平板热压机RYJ-600Z4上海新诺仪器集团有限公司数显电子万能试验机CMT6104美特斯工业系统有限公司电子分析天平FA1004/124上海熠昕电子科技有限公司数显硬质塑料悬臂梁冲击试验机50 kg上海湘杰仪器仪表科技有限公司塑料压痕硬度测定仪XWK-70承德聚缘检测设备制造有限公司热重分析仪MKC-R1A青岛迈威微波化学设备有限公司PVC 粉料干燥杨木粉料混合成型木塑复合材料添加剂工业助剂图 1 聚氯乙烯-速生杨木复合材料的制备工艺流程 材料及应用 2023 年 第 8 期 总第 221 期 造纸装备及材料82时达到了峰值，然后随着竹炭的继续加入，复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量和冲击强度逐渐降低11。2.1.2 试验二如表 5 所示，此次试验中竹炭含量为 0 g，壳聚糖的含量从 0.0 g 递增到 3.0 g，其他材料的含量不变，对按照这 7 个配方制备出来的聚氯乙烯-速生杨木复合材料，分别使用检验设备测量其拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量和冲击强度，得到结果如表 6 所示。表 5 试验二：不同含量壳聚糖的聚氯乙烯-速生杨木复合材料配方一览表 单位：g配方杨木粉PVC竹炭壳聚糖其他材料配方 15032.500.010.5配方 25032.500.510.5配方 35032.501.010.5配方 45032.501.510.5配方 55032.502.010.5配方 65032.502.510.5配方 75032.503.010.5表 6 试验二结果配方拉伸强度/MPa弯曲强度/MPa弯曲模量/MPa冲击强度/（kJm-2）配方 117.230.32 4602.89配方 219.138.72 9984.27配方 322.543.33 1264.98配方 427.350.43 8745.38配方 521.543.33 2364.53配方 617.137.63 0034.05配方 714.934.52 8813.06由此可以看出，在配方中加入壳聚糖，能够有效提高复合材料的各项力学性能，但是，壳聚糖的加入不是无限制的。随着壳聚糖的加入，复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量和冲击强度均有所提升，加到 1.5 g 时达到了峰值，然后随着竹炭的继续加入，复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量和冲击强度又逐渐降低12。2.1.3 试验三如表 7 所示，此次试验中竹炭含量从 0.5 g 递增到3.0 g，壳聚糖的含量从 3.0 g 递减到 0.5 g，其他材料的含量不变，对按照这 6 种配方制备出来的聚氯乙烯-速生杨木复合材料，分别使用检验设备测量其拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量和冲击强度，得到结果如表 8所示。表 7 试验三：不同含量竹炭和壳聚糖的聚氯乙烯-速生杨木复合材料配方一览表 单位：g配方杨木粉PVC竹炭壳聚糖其他材料配方 15032.50.53.010.5配方 25032.51.02.510.5配方 35032.51.52.010.5配方 45032.52.01.510.5配方 55032.52.51.010.5配方 65032.53.00.510.5表 8 试验三结果配方拉伸强度/MPa弯曲强度/MPa弯曲模量/MPa冲击强度/（kJm-2）配方 122.240.33 4603.89配方 228.148.73 9985.27配方 333.553.34 4265.98配方 433.354.44 3746.03配方 531.551.34 2365.53配方 624.944.53 8814.06由此可以看出，在配方中同时加入竹炭和壳聚糖，能够更有效提高复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量和冲击强度。通过数据分析发现，当加入的竹炭和壳聚糖的比例接近 1 1 时，复合材料的力学性能最好13。2.2 热学性能测试分别测量 3 种物质的热重曲线：纯杨木、不含竹炭和壳聚糖的复合材料、含竹炭和壳聚糖的复合材料。具体数据如表 9 所示。表 9 试验四：性能对比测试配方一览表 单位：g配方杨木粉PVC竹炭壳聚糖其他材料配方 150 0.00.00.0 0.0配方 25032.50.00.010.5配方 35032.51.51.510.5表 4 试验一结果配方拉伸强度/MPa弯曲强度/MPa弯曲模量/MPa冲击强度/（kJm-2）配方 116.733.52 3312.43配方 219.237.42 8743.56配方 323.342.23 0054.44配方 427.349.63 3745.11配方 528.651.33 6365.87配方 621.147.23 2304.65配方 717.738.52 9893.97造纸装备及材料 第 52 卷 总第 221 期 2023 年 8 月 材料及应用83经过试验发现以下结论。（1）配方 1 中的纯杨木在 180 时开始热分解，在 180 260 时分解缓慢，在 260 380 时加速分解，在 380 650 时又缓慢分解，直至分解结束。（2）配方 2 中的不含竹炭和壳聚糖的复合材料在240 时开始热分解，在 240 300 时分解缓慢，在300 400 时加速分解，在 400 650 时又缓慢分解，直至分解结束14。（3）配方 3 中的含竹炭和壳聚糖的复合材料在300 时开始热分解，在 300 340 时分解缓慢，在340 420 时加速分解，在 420 650 时又缓慢分解，直至分解结束。由此可见，木塑复合材料的热学性能要优于纯杨木材料，而增加了竹炭和壳聚糖的木塑复合材料比不加竹炭和壳聚糖的木塑复合材料的热学性能要更好。2.3 吸水性能测试同样针对表 9 所列的三种配方，分别测试三种物质的吸水率，经过试验得出以下结论。（1）配方 1 中的纯杨木的 24 h 吸水率达到了16.8%，材质已经无法正常使用。（2）配方 2 中的不含竹炭和壳聚糖的复合材料，其 24 h 吸水率为 0.82%，不影响使用。（3）配方 3 中的含竹炭和壳聚糖的复合材料，其24 h 吸水率为 0.91%，不影响使用。由此可见，木塑复合材料的吸水性能要远远好于纯杨木材料，而是否添加竹炭和壳聚糖，对木塑复合材料的吸水性能影响不大，几乎可以忽略。2.4 耐久性能测试同样针对表 9 所列的三种配方，分别测试三种物质的耐久性能，由于时间所限，仅对三种材料做了为期 15 d 的老化实验，经过试验得出以下结论。（1）配方 1 中的纯杨木的表面硬度为 32 HRR，经过 15 d 老化后，表面硬度基本不变。（2）配方 2 中的不含竹炭和壳聚糖的复合材料，其表面硬度为 63.1 HRR，经过 15 d 老化后，表面硬度降到了 56.3 HRR，硬度降低了 10.78%。（3）配方 3 中的含竹炭和壳聚糖的复合材料，其表面硬度为 75.6 HRR，经过 15 d 老化后，表面硬度降到了 70.3 HRR，硬度降低了 7.01%。由此可见，木塑复合材料的表面硬度要远远高于纯杨木材料，即便老化后，其表面硬度还是要高于纯杨木材料。并且，添加了竹炭和壳聚糖的木塑复合材料的耐久性能更好，更能满足用户要求。3 结论综上所述，文章使用聚氯乙烯和其他添加剂与速生杨木的木质纤维通过一定的方法加工成木塑复合材料，并对制备的木塑复合材料进行了力学性能、热学性能、吸水性能和耐久性能等方面的分析，得出以下结论。（1）木塑复合材料的各项性能均高于纯杨木。（2）添加了竹炭和壳聚糖的木塑复合材料的力学性能、热学性能和耐久性能均好于不添加竹炭和壳聚糖的木塑复合材料。（3）当竹炭和壳聚糖的比例接近 1 1 时，木塑复合材料的各项性能均接近或达到最佳状态。参考文献1 马舒慧,郭玉花,魏占锋,等.聚乙烯/杨木粉基木塑复合材料的性能研究J.包装工程,2021,42(21):93-97.2 孟令宇,李祥瑞,刘明利,等.无机填料对PP木塑复合材料物理力学性能的影响J.工程塑料应用,2022,50(1):155-160.3 王向前.高强多功能木材基复合材料的制备和性能研究D.重庆:重庆大学,2021.4 刘意,何惠,刘克非,等.杨木-核桃壳仿贝壳复合材料的制备与强韧化机理J.中国粉体技术,2022,28(5):102-112.5 谢梅竹,马磊,赵绘婷,等.植物纤维增强阻燃酚醛泡沫的制备及性能研究J.塑料科技,2022,50(10):49-53.6 沈晓双.糠醇树脂改性速生杨木及其机理研究D.北京:中国林业科学研究院,2021.7 胡宇帆,鄢定祥,雷军,等.辐射散热功能塑木复合材料制备及应用J.塑料工业,2023,51(4):165-173.8 黄家福,肖迎辉,雷桥孙,等.优化刨花板强度的新型生产工艺研究J.造纸装备及材料,2023,52(3):81-83.9 余旺旺,陈之梦,龙剑英.不同聚乙烯基塑木复合材料的性能J.塑料,2023,52(3):48-52.10 朱雪丹,姚亚丽,马利利,等.聚氯乙烯基超疏水材料的制备及应用研究进展J.化工进展,2022,41(7):3676-3688.11 马舒慧.微胶囊红磷无卤阻燃木塑复合材料的制备与性能研究D.天津:天津商业大学,2023.12 胡洪亮,黎子琦,戚龙娟.多体系协同改性PVC/硅藻土复合材料的制备与力学性能研究J.化学研究与应用,2022,34(10):2519-2524.13 王朝辉.纳米碳酸钙/丁苯胶改性柔性木塑复合材料制备与增韧研究D.长沙:中南林业科技大学,2023.14 蔡梦莹,师雯,张梓楠,等.低收缩耐热耐油聚氯乙烯/氮化硼复合材料的制备及其性能研究J.功能材料,2021,52(3):3110-3114,3129.