蒼 瓊，朱一丞，張 鑫，楊永紅，郭 琪

（1.唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063299；2.常州大學(xué)，江蘇 常州 213164）

木塑復(fù)合材料（WPC）是指利用木粉、竹粉等木質(zhì)纖維及聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）等熱塑性塑料，通過熔融混煉加工而制成的新型綠色低碳環(huán)保材料[1]。它既繼承了木材在加工性能方面可刨可鋸、可釘可鉆的優(yōu)點，又克服了木材不耐腐蝕、易開裂、遇水膨脹等缺陷[2]。

《國務(wù)院關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見》中明確指出，要加強再生資源的回收再利用，并強調(diào)要建立健全“綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展”的經(jīng)濟(jì)體系。我國木材及熱塑性塑料的資源豐富，易于回收利用，不僅可以有效地減少環(huán)境的污染，還可以起到保護(hù)森林資源的作用。但是研究發(fā)現(xiàn)木材和塑料都具有易燃的特點，并且燃燒時，會釋放出大量的濃煙及有毒氣體[3]，存在著火災(zāi)等安全隱患。且木塑所用纖維中包含較多的極性官能團(tuán)如酚羥基、羥基等，其具有較強的化學(xué)極性，而熱塑性材料大部分為非極性，由于二者之間表面能的差異，導(dǎo)致木粉和塑料共混時相容性較差[4-5]。目前木塑復(fù)合材料多在室外應(yīng)用，因自然界中的日照雨淋，長期受到紫外線照射及其水分的侵蝕，導(dǎo)致產(chǎn)品老化，在影響美觀的同時，還會造成塌陷、開裂等，存在安全隱患[6-8]。因此阻礙了這種綠色低碳型材料的廣泛使用。

隨著社會的發(fā)展，人們對木塑產(chǎn)品的需求由先前比較簡單的低附加值產(chǎn)品向相對復(fù)雜的高附加值產(chǎn)品轉(zhuǎn)變，因此制備性能優(yōu)良的木塑復(fù)合材料尤為重要。本文利用氧指數(shù)測試、力學(xué)性能測試、耐老化耐候性能測試等分析了不同種類阻燃劑、相容劑、抗氧劑對木塑復(fù)合材料性能的影響進(jìn)行了研究。

1 實驗部分

1.1 主要原料

楊木粉，60～80 目，平邑縣森鑫木粉有限公司；塑料（HDPE），回收料，市購；相容劑，木塑專用相容劑603D，美國杜邦，馬來酸酐接枝PE(MAH-g-PE)，蘭州石化分公司，鈦酸酯，市購；聚磷酸銨（APP），聚合度≥1000，濟(jì)南泰星精細(xì)化工有限公司； 氫氧化鋁（ATH），中國鋁業(yè)股份有限公司；氫氧化鎂（MH），濟(jì)南金盈泰化工有限公司；抗氧劑、熱穩(wěn)定劑、塑料、潤滑劑，均為市購。

1.2 主要儀器和設(shè)備

雙輥開煉機，青島鑫誠一鳴橡膠機械有限公司；平板硫化儀，常州市第一橡塑設(shè)備廠；TCS-2000電子萬能伺服機，高鐵檢測儀器有限公司；差示掃描量熱儀DSC-Q20，美國TA 公司；HC-2 型極限氧指數(shù)儀，南京江寧分析儀器廠；分光測色儀，柯尼卡美能達(dá)中國投資有限公司，Q-Sun 風(fēng)冷氙燈，佛山市翁開爾貿(mào)易有限公司。

1.3 試樣制備

按照一定的配比，將木粉和PE 料及定量的助劑（阻燃劑、相容劑、抗氧劑）高速混合，然后將其加入雙輥開煉機，溫度為175 ℃，轉(zhuǎn)速120 r/min，混煉15 min。混煉完成后在185 ℃的平板硫化機模壓成型，制備高性能木塑復(fù)合材料，待測試用。

1.4 測試與表征

極限氧指數(shù)測試：采用氧指數(shù)儀參照GB/T2406.2-2009 測量木塑復(fù)合材料的極限氧指數(shù)（LOI）。

力學(xué)性能測試：采用TCS-2000 電子萬能伺服機參照GB/T1040.3-2006 測試木塑復(fù)合材料的拉伸性能。

耐老化耐候性能測試：采用TA 公司差示掃描 量 熱 儀DSC Q20 參 照GBT23257-2009 中 相關(guān)規(guī)定測試氧化誘導(dǎo)時間（OIT），條件為20 ℃/min 速率從室溫升到 220 ℃，恒溫 5 min，切換氣體。采用Q-Sun 風(fēng)冷氙燈，參照ASTM G155-05a 中相關(guān)規(guī)定，通過102 min 光照，18 min 光照+ 噴淋，在輻照強度為0.35 W/m2@340nm，溫度設(shè)定63±2 ℃的條件下，循環(huán)2 000 h。根據(jù)GB /T 7921-2008，采用柯尼卡美能達(dá)CM-2600d 分光測色儀測試色差。

色差計算公示如下：

2 結(jié)果與討論

2.1 阻燃劑對WPC 阻燃性能及力學(xué)性能的影響

按照一定的配比，將木粉和PE 料及定量的阻燃劑高速混合，然后將其加入雙輥開煉機，溫度為175 ℃，轉(zhuǎn)速120 r/min，混煉15 min?；鞜捦瓿珊笤?85 ℃的平板硫化機模壓成型，制備阻燃木塑復(fù)合材料，待測試用。各組分的配比見表1。

表1 阻燃木塑復(fù)合材料各組分配比

由圖1 可知，隨著木粉添加量的增大，較好地提高了WPC 的氧指數(shù)，這是因為木粉可以起到成炭劑的作用，當(dāng)材料燃燒時，形成炭層，進(jìn)而達(dá)到阻燃的效果。由圖1、圖2 可以看出，ATH、MH、APP 三種阻燃劑的復(fù)配使用，起到了明顯的阻燃效果，但力學(xué)性能有所下降。其中當(dāng)ATH、MH 復(fù)配使用時，氧指數(shù)從19% 提高到 23%，APP/MH、APP/ATH、APP/ATH/MH復(fù)配使用時，氧指數(shù)分別為24%、24% 和26%。其中APP/ATH/MH 復(fù)配使用時，氧指數(shù)最高，提高了36.8%，這是因為ATH、MH 受熱分解，并吸收熱量，反應(yīng)過程中產(chǎn)生的水蒸氣可以使可燃?xì)怏w的濃度降低，殘渣會在WPC 表面沉積，隔絕氧氣，起到阻燃的作用。而APP 受熱過程中分解成聚磷酸和氨氣，聚磷酸有較強的脫水性，可使WPC 脫水成炭，進(jìn)而形成炭層，隔絕氧氣與WPC 的接觸，也就是固相阻燃[9-11]。再者說，氨氣受熱和脫水的過程，除了會降低氧氣的濃度，還會促進(jìn)MH 和ATH 的脫水分解吸熱，形成一個循環(huán)體系，進(jìn)而達(dá)到協(xié)效阻燃的效果。

圖1 不同阻燃劑對阻燃木塑復(fù)合材料氧指數(shù)的影響

圖2 不同阻燃劑對阻燃復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

2.2 相容劑對WPC 阻燃性能和力學(xué)性能的影響

針對阻燃木塑復(fù)合材料力學(xué)性能有所降低的情況，研究不同相容劑對WPC 阻燃性能和力學(xué)性能的影響。按照一定的配比，將木粉和PE 料、不同相容劑及定量的阻燃劑高速混合，然后將其加入雙輥開煉機，溫度為175 ℃，轉(zhuǎn)速120 r/min，混煉15 min?；鞜捦瓿珊笤?85 ℃的平板硫化機模壓成型，制備阻燃木塑復(fù)合材料，待測試用。結(jié)果見圖3、圖4、圖5、圖6。

圖3 不同相容劑對阻燃WPC 氧指數(shù)的影響

圖4 603D 添加量對阻燃WPC 力學(xué)性能的影響

圖5 MAH-g-PE 添加量對阻燃WPC 力學(xué)性能的影響

圖6 鈦酸酯添加量對阻燃WPC 力學(xué)性能的影響

由圖3、圖4 可以看出，隨著603D 相容劑添加量的增加，WPC 的氧指數(shù)有了明顯的提高，從25% 提升到28%，當(dāng)添加量為3 份的時候，拉伸強度提升了16.7%，斷裂伸長率提升了15%，這是因為603D 是一種含馬來酸酐官能團(tuán)的新型乙烯基共聚物，馬來酸酐含量明顯高于馬來酸酐接枝共聚物，可為回收PE 與填料等其他材料提供更多的活性連接點[12]，這樣提高了WPC 與阻燃劑的相容性，界面結(jié)合力得到提高，阻燃劑分散得更均勻，力學(xué)性能也得到明顯的改善。

由圖3、圖5 可以看出，隨著MAH-g-PE 相容劑添加量的增加，WPC 的氧指數(shù)和拉伸強度先增加后減小，斷裂伸長率變化不大，也許是因為MAH-g-PE 在WPC 體系中分散不均勻，不能形成有效共價鍵，對其相容性影響不大。

由圖3、圖6 可以看出，隨著鈦酸酯的相容劑添加量的增加，WPC 的氧指數(shù)有所改善，從25%提升到27%，當(dāng)添加量為2 份的時候，拉伸強度提升了5.6%，斷裂伸長率提升了8.7%，添加量為3份的時候，拉伸強度提升了11.1%，斷裂伸長率提升了6.2%。這是因為R'- 可以和聚合物彎曲纏結(jié)，使PE 和木粉等其他填料的相容性得到改善，提高材料的力學(xué)性能。

綜上所述，603D 不僅對WPC 阻燃性能和力學(xué)性能有明顯的改善作用，還能改善加工性能，所以生產(chǎn)中多選擇603D 作為木塑復(fù)合材料的相容劑。

2.3 抗氧劑對WPC 耐老化耐候性能的影響

按照一定的配比，將木粉和PE 料及定量的抗氧劑、光穩(wěn)定劑高速混合，然后將其加入雙輥開煉機，溫度為175 ℃，轉(zhuǎn)速120 r/min，混煉15 min?；鞜捦瓿珊笤?85 ℃的平板硫化機模壓成型，制備阻燃木塑復(fù)合材料，待測試用。各組分的配比見表2。

表2 耐老化耐候木塑復(fù)合材料各組分配比

由圖7 可以看出添加1 份抗氧劑塑諾寶28 的木塑復(fù)合材料的OIT 為24.81 min，較添加同份量的傳統(tǒng)抗氧劑的OIT 延長了31%，較不添加抗氧劑的木塑復(fù)合材料的OIT 延長了98.4%，這是因為塑諾寶28 屬于氫給予型，氧化過程中產(chǎn)生的自由基與PE 木塑復(fù)合材料產(chǎn)生的自由基發(fā)生反應(yīng)生成穩(wěn)定性更強的自由基，終止PE 塑料氧化過程中自由基鏈的傳遞與增長，阻止其自氧化鏈反應(yīng)，有效防止制品的氧化降解，延長使用壽命[13]。

圖7 不同抗氧劑對木塑復(fù)合材料氧化誘導(dǎo)時間的影響

材料老化通過顏色的改變直接反映，色差 (△E)是評價材料表面外觀顏色變化的重要方法，△E 越小，材料的顏色變化越小。根據(jù)GB /T 7921—2008測量試驗前后木塑復(fù)合材料表面顏色的變化。由圖8 可以看出，通過氙燈的人工加速老化，隨著時間的增加，△E 整體變大，當(dāng)添加1 份塑諾寶28 和和1 份UV151 的△E 變化比較緩慢，2000h 后的△E為4.9，添加1 份塑諾寶28 和和1 份UV151 的△E為6.4，所以添加1 份塑諾寶28 和和1 份UV151 可以提高其耐候性，使其表面保持長期的色澤。

圖8 不同配比木塑復(fù)合材料2 000 h 氙燈輻射暴露實驗

3 結(jié)論

1）APP/ATH/MH 復(fù)配使用時，起到明顯的阻燃效果，WPC 氧指數(shù)最高，提高了36.8%，但力學(xué)性能有所下降。

2）603D 相容劑的添加，可以有效的改善加工性能，使WPC 與阻燃劑的相容性得到提高，阻燃劑分散得更加均勻，力學(xué)性能也得到明顯的改善。WPC的氧指數(shù)從25%提升到28%，當(dāng)添加量為3 份的時候，拉伸強度提升了16.7%，斷裂伸長率提升了15%。

3）抗氧劑塑諾寶28 和和UV151 有效防止制品的氧化降解，提高其耐老化耐候性，使其表面保持長期的色澤，并延長使用壽命。