張燕燕

（鄭州商學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南省鞏義市 451200）

木材在建筑工程和室內(nèi)裝修設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，然而由于木材日漸加劇的供需矛盾，尋求新型的木材替代材料成為木材相關(guān)行業(yè)亟待解決的問題。在這樣的行業(yè)背景下，木塑復(fù)合材料的出現(xiàn)則有效緩解了木材供不應(yīng)求的壓力，而且木塑復(fù)合材料的迅速興起也在一定程度上緩解了不可降解高分子材料對環(huán)境造成的污染。因此，木塑復(fù)合材料在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中都引起了較為廣泛的關(guān)注［1-5］。聚乙烯是全球范圍內(nèi)年產(chǎn)量最大的熱塑性高分子材料，而且在廢棄塑料中占比也相當(dāng)大。若將聚乙烯作為基體材料，與木材生產(chǎn)中產(chǎn)生的邊角料進行復(fù)合，制備相應(yīng)的木塑復(fù)合材料，將會有巨大的應(yīng)用前景。聚乙烯是一種非極性的高分子材料，而木材以纖維素為主，表面含有大量極性基團，二者之間的相容性會在一定程度上降低木塑復(fù)合材料的應(yīng)用性能［6-8］。因此，若要制備性能優(yōu)異的聚乙烯基木塑復(fù)合材料，解決二者之間的共混相容性則是研究中的重點。聚乙烯與木材之間的相容性提高，相應(yīng)的木塑復(fù)合材料的拉伸性能、膠合性能等力學(xué)性能也會得到相應(yīng)的提升［9-11］。

本工作采用了不同的方法對木材表面進行了預(yù)處理，以高密度聚乙烯（HDPE）為基體材料，然后通過熱壓方法制備木材質(zhì)量分數(shù)為30%的HDPE基木塑復(fù)合材料，并對相應(yīng)木塑復(fù)合材料的拉伸強度和膠合強度進行了考察，進一步探究最佳的木塑復(fù)合材料制備方法。

1 實驗部分

1.1 主要原料

桐木木片，尺寸為50 mm×40 mm×5 mm，含水率為5%（w）；木質(zhì)纖維粉：均為自制。木質(zhì)纖維，含水率為5%（w），長度6 mm，長徑比為2 000，大城縣宇恒膠業(yè)有限公司。HDPE 5000S，中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司。液體石蠟，甲基丙烯酸甲酯，H2O2，鄰苯二甲酸酐，NaOH，無水乙醇：均為分析純，市售。

1.2 主要儀器

1L型密煉機，廣東利拿實業(yè)有限公司；L0003型平板硫化劑，北京藍瑞泰克科技有限公司；UTM6102型電子萬能試驗機，深圳三思縱橫科技股份有限公司；MWD-50型木材萬能試驗機，濟南中儀儀器有限公司。

1.3 木片的預(yù)處理

將H2O2，NaOH和鄰苯二甲酸酐分別配制成質(zhì)量分數(shù)為5%的乙醇溶液。液體石蠟和甲基丙烯酸甲酯不做預(yù)處理，直接使用。木片的預(yù)處理采用涂刷方式進行。首先，將桐木木片于80 ℃干燥24 h以上；然后，利用毛刷分別將液體石蠟、甲基丙烯酸甲酯、H2O2乙醇溶液、NaOH乙醇溶液和鄰苯二甲酸酐乙醇溶液涂抹到不同的木片上。涂抹方式為正交十字涂抹，涂抹層數(shù)為3層；涂抹結(jié)束后，將木片置于室溫條件下自然風(fēng)干5 min，使其表面揮發(fā)性物質(zhì)揮發(fā)；再進行第二次涂抹，工序與第一次相同，重復(fù)上述涂抹工藝6次；最后，將預(yù)處理后的木片于110 ℃干燥6 h，保證其含水率在5%（w）左右。

1.4 木質(zhì)纖維粉和木質(zhì)纖維的預(yù)處理

木質(zhì)纖維的預(yù)處理：準確稱取50 g木質(zhì)纖維，將其分別浸泡在500 mL的液體石蠟、甲基丙烯酸甲酯、H2O2乙醇溶液、NaOH乙醇溶液和鄰苯二甲酸酐乙醇溶液中，30 min后過濾收集木質(zhì)纖維，將其平鋪并于110 ℃條件下干燥6 h，保證含水率為5%（w）。

木質(zhì)纖維粉的預(yù)處理：將預(yù)處理后的木質(zhì)纖維粉碎成粒徑為43 μm的木質(zhì)纖維粉備用。按木質(zhì)纖維的預(yù)處理方式進行木質(zhì)纖維粉的預(yù)處理。

1.5 HDPE基木塑復(fù)合材料的制備

HDPE/木片復(fù)合材料：HDPE與木片按層壓板方式進行復(fù)合，層壓板為5層，其中，2層為木片，3層為HDPE。選取2塊木片（每塊質(zhì)量約3 g），稱取3 phr（4.5 g/phr）HDPE粉末。按HDPE—木片—HDPE—木片—HDPE的次序?qū)⒃线M行組坯，在160 ℃，3.50 ΜPa條件下熱壓10 min，最終制備了HDPE/木片復(fù)合材料。用液體石蠟、甲基丙烯酸甲酯、NaOH乙醇溶液、鄰苯二甲酸酐乙醇溶液、H2O2乙醇溶液處理的木片，所制HDPE/木片復(fù)合材料分別記作1A，1B，1C，1D，1E，對比試樣（木片未處理）記作1F。

HDPE/木質(zhì)纖維復(fù)合材料：料筒溫度為180 ℃時，將質(zhì)量比為70∶30的HDPE粉末與木質(zhì)纖維混合并擠出造粒，所制粒料于80 ℃干燥10 h至恒重，然后稱取20 g HDPE/木質(zhì)纖維復(fù)合材料粒料進行組坯，在160 ℃，3.50 ΜPa條件下熱壓10 min，最終制備HDPE/木質(zhì)纖維復(fù)合材料。用液體石蠟、甲基丙烯酸甲酯、NaOH乙醇溶液、鄰苯二甲酸酐乙醇溶液、H2O2乙醇溶液處理的木質(zhì)纖維，所制HDPE/木質(zhì)纖維復(fù)合材料分別記作2A，2B，2C，2D，2E，對比試樣（木質(zhì)纖維未處理）記作2F。

HDPE/木質(zhì)纖維粉復(fù)合材料：制備方法與HDPE/木質(zhì)纖維復(fù)合材料相同，用液體石蠟、甲基丙烯酸甲酯、NaOH乙醇溶液、鄰苯二甲酸酐乙醇溶液、H2O2乙醇溶液處理的木質(zhì)纖維粉，所制HDPE/木質(zhì)纖維粉復(fù)合材料分別記作3A，3B，3C，3D，3E，對比試樣（木質(zhì)纖維粉未處理）記作3F。

1.6 性能測試

拉伸強度按GB/T 4897—2015測試；膠合強度按GB/T 9846.12—1988測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 HDPE/木片復(fù)合材料的力學(xué)性能

從表1可以看出：與對比試樣相比，木片經(jīng)過處理后，HDPE/木片復(fù)合材料的拉伸強度和膠合強度都有所提高。采用5%（w）的鄰苯二酸酐乙醇溶液和5%（w）H2O2乙醇溶液分別對木片處理后，木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能改善最為明顯，試樣1D的拉伸強度為21.0 MPa，膠合強度為5.21 MPa，與試樣1F相比，拉伸強度提高了19.3%，膠合強度提高了59.8%；試樣1E的拉伸強度為21.7 MPa，膠合強度為5.01 MPa，與試樣1F相比，拉伸強度提高了23.3%，膠合強度提高了53.7%。

表1 HDPE/木片復(fù)合材料的拉伸強度和膠合強度Tab.1 Tensile strength and adhesive strength of HDPE/wood chip composites

木片經(jīng)過預(yù)處理后使HDPE/木片復(fù)合材料力學(xué)性能得到改善，是由于HDPE與木片之間的相容性得到改善所導(dǎo)致的。其中，液體石蠟改善HDPE與木材之間相容性的原理是減小HDPE與木片之間的極性差距。液體石蠟為非極性物質(zhì)，涂覆于木片表面后，可降低木片表面的極性，使HDPE與木片之間的相容性提升。但由于液體石蠟本身與木片之間的相容性有限，因此對二者相容性的改善也并不明顯，試樣1A的力學(xué)性能改善也不明顯。甲基丙烯酸甲酯進行共混增容的基本原理與液體石蠟類似，因此，試樣1B的力學(xué)性能改善也不盡理想。NaOH和鄰苯二甲酸酐對木片表面進行預(yù)處理，其目的是改變木片表面的酸堿性，通過提高HDPE與木片界面的酸堿匹配度，實現(xiàn)二者界面電子排斥和吸引作用的匹配度。結(jié)果表明，酸性界面更有利于提高二者界面之間的吸引力，因此，試樣1D的力學(xué)性能改善明顯。H2O2乙醇溶液對木片表面進行處理的主要機理是利用化學(xué)反應(yīng)改變木片表面的化學(xué)基團類型，如將強極性的羥基氧化為極性較弱的羰基。這種通過化學(xué)反應(yīng)改變木片表面極性的方法更有效和持久，因此，經(jīng)過H2O2乙醇溶液處理的木片與HDPE的相容性更好。另外，在木塑復(fù)合材料制備過程中，高溫條件下浸入木片的H2O2乙醇溶液也會進入到HDPE基體中，HDPE中含有的少量雙鍵與木片表面的基團發(fā)生反應(yīng)，使HDPE與木片之間通過共價鍵連接，因此，試樣1E的力學(xué)性能改善也較為明顯。

2.2 HDPE/木質(zhì)纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能

從表2可以看出：與試樣2F相比，試樣2A～2E的拉伸強度和膠合強度都有所提高，采用5%（w）鄰苯二酸酐乙醇溶液和5%（w）H2O2乙醇溶液分別對木質(zhì)纖維處理后，試樣2D和試樣2E的力學(xué)性能改善也最為明顯。與試樣2F相比，試樣2D的拉伸強度（26.7 MPa）和膠合強度（7.92 MPa）分別提高了29.6%，70.0%；試樣2E的拉伸強度（28.2 MPa）和膠合強度（8.68 MPa）分別提高了36.9%，86.3%。與試樣1A～1F相比，試樣2A～2F的拉伸強度和膠合強度都大幅提高。這是由于，與木片相比，木質(zhì)纖維的比表面積更大，與HDPE的界面結(jié)合強度更高。另外，木質(zhì)纖維均勻地分散在HDPE基體中，形成一個連續(xù)的承受外界載荷的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也有利于木塑復(fù)合材料性能的提升。

表2 HDPE/木質(zhì)纖維復(fù)合材料的拉伸強度和膠合強度Tab.2 Tensile strength and adhesive strength of HDPE/wood fiber composites

2.3 HDPE/木質(zhì)纖維粉復(fù)合材料的力學(xué)性能

從表3可以看出：與試樣3F相比，試樣3A～3E的拉伸強度和膠合強度都有所提高，采用5%（w）的鄰苯二酸酐乙醇溶液和5%（w）H2O2乙醇溶液分別對木質(zhì)纖維處理后，試樣3D和試樣3E的力學(xué)性能改善也最為明顯。試樣3D的拉伸強度為23.7 MPa，膠合強度為6.62 MPa，與試樣3F相比，拉伸強度提高了25.4%，膠合強度提高了64.7%；試樣3E的拉伸強度為24.2 MPa，膠合強度為6.88 MPa，與試樣3F相比，拉伸強度提高了28.0%，膠合強度提高了71.1%。由于木質(zhì)纖維粉的比表面積高于木片，因此與試樣1A～1F相比，試樣3A～3F的拉伸強度和膠合強度也都大幅提高。不過，由于木質(zhì)纖維粉比表面積過大，分散在HDPE基體中可能會出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，而且木質(zhì)纖維粉本身承受載荷的能力不如木質(zhì)纖維，因此，試樣2A～2F的力學(xué)性能優(yōu)于試樣3A～3F。

表3 HDPE/木質(zhì)纖維粉復(fù)合材料的拉伸強度和膠合強度Tab.3 Tensile strength and adhesive strength of HDPE/wood fiber powder

2.4 木質(zhì)纖維含量對木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

采用H2O2乙醇溶液對木材進行表面預(yù)處理后，木材與HDPE的相容性及界面結(jié)合強度改善更為明顯；與木片和木質(zhì)纖維粉相比，木質(zhì)纖維對木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能改善更為明顯。從圖1可以看出：當(dāng)木質(zhì)纖維質(zhì)量分數(shù)由5%增加到30%時，木塑復(fù)合材料的拉伸強度呈持續(xù)上升的趨勢，由23.6 MPa提高到28.2 MPa。

圖1 木質(zhì)纖維含量對木塑復(fù)合材料拉伸強度的影響Fig.1 Fiber content as a function of tensile strength of WPC

從圖2可以看出：當(dāng)木質(zhì)纖維質(zhì)量分數(shù)為5%時，HDPE基木塑復(fù)合材料的膠合強度為6.25 MPa；當(dāng)木質(zhì)纖維質(zhì)量分數(shù)提高到30%時，HDPE基木塑復(fù)合材料的膠合強度達8.68 MPa。由于木質(zhì)纖維在HDPE基體中的含量過高，也容易發(fā)生團聚現(xiàn)象，因此，未對木質(zhì)纖維質(zhì)量分數(shù)高于30%的HDPE基木塑復(fù)合材料的性能進行研究。

3 結(jié)論

a）采用5%（w）鄰苯二酸酐乙醇溶液和5%（w）H2O2乙醇溶液對木材處理后，木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能改善最為明顯。

圖2 木質(zhì)纖維含量對木塑復(fù)合材料膠合強度的影響Fig.2 Fiber content as a function of bonding strength of WPC

b）與木片和木質(zhì)纖維粉相比，HDPE/木質(zhì)纖維復(fù)合材料的性能更為優(yōu)異。

c）用5%（w）鄰苯二酸酐乙醇溶液對木質(zhì)纖維進行預(yù)處理后，木塑復(fù)合材料的拉伸強度為26.7 MPa，膠合強度為7.92 MPa；用5%（w）H2O2乙醇溶液對木質(zhì)纖維進行預(yù)處理后，木塑復(fù)合材料的拉伸強度為28.2 MPa，膠合強度為8.68 MPa。