偶联剂对木塑材料的性能影响文献综述

 2022-08-02 02:08

  1. 研究目的与意义

木塑复合材料（Wood-Plastic Composites,WPC）是利用热熔型塑胶, 例如PE、PP 、PVC或它们的共聚物等作为胶粘剂，用木质粉料如木材、农植物秸秆、农植物壳类粉料作为填充料，经挤压法、压制法或注塑法成型所制成的一种新型复合材料[1]。木塑复合材料兼具木材和塑料的特点，具有优良的耐久性与重复加工性等独特的性质，并且可以广泛利用农林业生产中的废弃物（如秸秆、壳类粉料等）以及废弃塑料[2]。在环保与生态问题的解决上有着重要的意义。木塑复合材料作为近年来国内外蓬勃发展起来的新型复合材料，有着独特的优良性质。由于其有机地结合了塑料与植物纤维材料，因而具有了塑料与植物纤维材料的双重特性[3]，可以应用于许多的领域。木塑复合材料的耐水与耐腐蚀性能优秀，可以抗强酸强碱，不易虫蛀，不易滋生细菌。其稳定性优于普通木质材料，硬度优于普通塑料，具有较长的使用寿命。木塑复合材料的加工性能优异，既具有热塑性塑料的加工性, 容易成型，又具有类似于木材的二次加工性，可锯刨、粘接，也可以用钉子或螺栓连接固定[4]。木塑复合材料还具有可调整性能好、原料来源广泛、环境友好等一系列优势。

在木塑复合材料的组成成分中，植物纤维表面存在大量的羟基和酚羟基，极性和亲水性很强。而热塑性塑料多数为非极性，具有疏水性。二者的不相容性容易导致纤维和塑料基体的界面润湿性差，黏结力小，从而影响材料的力学性能。在对木塑复合材料施行改性而寻求改善其性能的手段中，添加偶联剂是目前应用最多、效果最好的一种改性方法[5]。

偶联剂是一类具有两不同性质官能团的物质，其分子结构的最大特点是分子中含有化学性质不同的两个基团，一个是亲无机物的基团，另一个是亲有机物的基团，用以改善无机物与有机物之间的界面作用，从而大大提高复合材料的性能。目前偶联剂的种类超过四十种，按化学组成可分为三类：有机偶联剂、有机-无机偶联剂和无机偶联剂。其中使用较多的是有机偶联剂和有机-无机偶联剂。有机偶联剂主要有酸酐类、丙烯酸酯类、异氰酸酯类、聚合物类等；有机-无机偶联剂有硅烷、钛酸酯、铝酸酯等[6]。

  1. 国内外同类研究概况

20世纪80年代，随着北美地区汽车内部装饰工业的发展，木塑复合材料的应用也开始更加广泛。美国首先开始将木塑复合材料大规模应用于工业生产，并且成为了世界上木塑制品生产和应用量最大的国家[7]。20世纪90年代以来，我国也开始进行木塑复合材料的研发工作。由于木塑复合材料具有环境友好，可以广泛利用生产废料等一系列突出的优势，所以得到了国家的大力支持[8]。

2.1国内研究概况

2.1.1有机类偶联剂的研究

许民等[9]利用2%的马来酸酐-过氧化二异丙苯偶联剂和异氰酸酯偶联剂处理木塑复合材料。实验表明，异氰酸酯偶联剂对木塑复合材料力学性能的改良要明显优于马来酸酐型偶联剂。袁新恒等[10]探究了马来酸酐接枝聚丙烯（MAPP）的偶联机理。用含有MAPP的PP与纸粉复合制备木塑复合材料，通过WAXD和DSC等测试方法，表明 MAPP 和 PP 晶体结构相同，共混时可以发生共晶现象，有利于体系相容性的提高，这是MAPP相对于其他小分子偶联剂的一个优势。姜洪丽等[11]研究了MAPE、EPDM-MA、EVA-MA等有机偶联剂以及MAPE与弹性体SBS复配后对PE-HD/水曲柳木粉木塑复合材料力学性能的影响。通过SEM等方法表征得出，上述几种偶联剂均能够不同程度改良木塑复合材料的力学性能，尤其加入MAPE-弹性SBS复配体系后，材料的冲击韧性大大提高。杨敏鸽等[12]对苎麻纤维进行碱处理后再用甲苯-2,4-二异氰酸酯(TDI)进行接枝改性，制备苎麻纤维/PE木塑复合材料并对其力学性能进行测试。结果显示，改性后复合材料的拉伸性能有一定程度的降低。苏琳等[13]用异氰酸酯偶联剂处理PVC/WF木塑复合材料，经力学性能测试后表明，经异氰酸酯处理后，WF木粉的疏水性得到明显改善，复合材料的耐热性能提高、线膨胀系数降低、拉伸强度提高，并且在异氰酸酯用量为WF木粉用量的2%时效果最好。雷芳[14]研究了POE-g-MAH、PP-g-MAH 和 EPDM-g-MAH 三种偶联剂对木塑复合材料力学性能和加工流变性能的影响。其中POE-g-MAH对基体界面相容性的改良效果最佳，对复合材料力学性能的提高最为显著。

2.1.2硅烷偶联剂的研究

蔡红珍等[15]考察了硅烷偶联剂添加量对PE/稻壳粉木塑复合材料力学性能的影响。结果表明在稻壳粉质量分数为50 %，硅烷偶联剂添加量为3 %左右的时候，该木塑复合材料的弯曲强度、冲击强度和抗拉强度均能达到最大值。宋永明等[16]研究了不同硅烷偶联剂对HDPE/WF木塑复合材料力学性能的影响。实验表明硅烷偶联剂可以显著提高木塑复合材料的力学性能与耐水性能，其中乙烯基三甲氧基硅烷的处理效果最好。周兴平等[17]在剑麻纤维（SF）与聚丙烯为基体材料的PP/SF木塑复合材料制备过程中加入0.1%乙烯基三乙氧基硅烷偶联剂的水溶液进行改性。实验结果表明该偶联剂提高了SF纤维束的分散程度，改善了界面相容性，增强了材料的冲击强度。

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