于日志， 洪浩群,*， 李雪松， 張海燕,

木粉預(yù)處理對PP/WF復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

于日志1， 洪浩群1,2*， 李雪松2， 張海燕1,2

（1. 廣東信力科技股份有限公司，廣東 東莞 523040；2. 廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 51006）

隨著環(huán)境的惡化和森林資源的匱乏，木塑復(fù)合材料等代木材料愈顯重要。界面相容性差導(dǎo)致力學(xué)性能不足是限制木塑復(fù)合材料應(yīng)用的重要因素。為了提高木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能，分別采用干燥、汽蒸、水煮等方式處理木粉，研究這三種處理方式對接枝共聚物增容的聚丙烯/木粉復(fù)合材料界面相容性以及拉伸性能、彎曲性能、沖擊性能等力學(xué)性能的影響；并根據(jù)拉伸性能計算復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度。結(jié)果表明，汽蒸、水煮兩種處理方式有助于進(jìn)一步提高該復(fù)合材料的界面相容性及其力學(xué)性能；水煮處理比汽蒸和干燥處理更有效地提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。干燥、汽蒸、水煮三種處理復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度參數(shù)值分別是3.45、3.48和3.54，均高于未增容聚丙烯/木粉復(fù)合材料的2.72，表明復(fù)合材料具有較強(qiáng)的界面結(jié)合強(qiáng)度。

聚丙烯；木粉；預(yù)處理；力學(xué)性能；界面相容性

木塑復(fù)合材料（WPC）由聚合物和植物纖維資源復(fù)合而成，具有高強(qiáng)度、高模量、防潮防蛀、加工方式靈活、無甲醛釋放等優(yōu)點，在家具建材等仿木、代木制品領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。WPC可以采用回收聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）和木粉（WF）、劍麻、稻糠、秸稈等回收生物質(zhì)資源為原料，有助于資源的循環(huán)利用，減少碳排放[3]。開展WPC的研究對實現(xiàn)國家碳達(dá)峰和碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)具有重要意義。

制備高性能的WPC離不開界面相容性的改善。如何增強(qiáng)聚合物基體與植物纖維的界面相容性，是WPC行業(yè)及科研人員重點關(guān)注的問題之一。采用各種手段提高WPC的界面相容性成為業(yè)界關(guān)注的重點問題。采用界面增容劑是當(dāng)前很好地解決這一問題的主要手段之一[4-6]。高效的界面增容劑能顯著提高復(fù)合材料的綜合性能[4,7]。除了添加界面增容劑，植物纖維表面的改性及預(yù)處理也是提高WPC界面相容性和力學(xué)性能的常見方法。

植物纖維的表面改性主要是采用化學(xué)方法，比如硅烷偶聯(lián)劑等表面處理劑對植物纖維進(jìn)行改性，降低植物纖維極性，甚至在植物纖維表面引入可以反應(yīng)性基團(tuán)，從而增強(qiáng)植物纖維與聚合物基體之間的界面相容性[8]。

植物纖維的預(yù)處理主要是指采用物理方法，如堿處理，去除植物纖維身上的木質(zhì)素和其他雜質(zhì)，該方法也有助于改善WPC的加工性能和提高WPC的力學(xué)性能[8-9]。

蒸煮工藝也是木材等木制品的預(yù)處理方式，便于木材加工成型，如果能用于木粉等植物纖維的預(yù)處理，則為WPC力學(xué)性能的提高提供一種新的思路。

此外，聚合物基復(fù)合材料界面相容性的好壞往往借助力學(xué)性能的高低和掃描電鏡的觀察進(jìn)行判斷，可以量化的參數(shù)不多。如果能采用量化的指標(biāo)評價聚合物基復(fù)合材料的界面相容性，有助于深入了解聚合物基復(fù)合材料的界面增容機(jī)理。

本文分別采用了干燥、汽蒸、水煮三種工藝對木粉進(jìn)行預(yù)處理，研究這三種工藝對PP/WF復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能影響，同時以數(shù)學(xué)模型計算界面結(jié)合強(qiáng)度，定量評估這三種工藝對復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響，為制備高性能的WPC提供科學(xué)理論支撐。

1 實驗

1.1 主要原料

聚丙烯（PP）：CJS-700，熔體流動速率8～ 15 g/10 min，中國石化廣州分公司。木粉（WF）：桉木粉，80目，江門偉華香料廠。過氧化苯甲酰（BPO），分析純，阿拉丁化學(xué)試劑公司。丙烯酸丁酯（BA），分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠。甲基丙烯酸甲酯（MMA），分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠。馬來酸酐（MAH），分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠。二甲苯，分析純，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑廠。

1.2 儀器及設(shè)備

電蒸鍋，WSYH26A，美的集團(tuán)有限公司；雙螺桿擠出機(jī)，SHJ-35，南京廣達(dá)化工有限公司；注塑機(jī)，CJ80TB，震德塑料機(jī)械有限公司；光學(xué)顯微鏡：BA310Pol，麥克奧迪實業(yè)集團(tuán)有限公司；BET測試：ASAP2460，Micromeritics公司；傅立葉紅外光譜儀，6700，美國Nicolet公司；數(shù)顯拉力試驗機(jī)，GT-7001-HC6，高鐵檢測儀器有限公司；掃描電子顯微鏡，SU3500，日立高新技術(shù)公司。

1.3 木粉的預(yù)處理

干木粉（UWF）：稱取一定量的木粉在烘箱中干燥至恒重。

蒸木粉（SWF）：所選用的木粉粒徑與UWF相同；木粉稱取后，用紗布包好，放入裝好水的蒸鍋中，連續(xù)蒸3小時，取出后在烘箱中干燥至恒重。

煮木粉（CWF）：所選用的木粉粒徑與UWF相同；木粉稱取后用紗布包好，放入裝好水的蒸鍋中，在沸水中連續(xù)煮3小時，取出后在烘箱中干燥至 恒重。

1.4 界面增容劑的合成

采用熔融接枝法制備界面增容劑，以聚丙烯（PP）為接枝基體，丙烯酸丁酯（BA）、甲基丙烯酸甲酯（MMA）、馬來酸酐（MAH）為接枝單體，過氧化二異丙苯（DCP）為引發(fā)劑。先將各種接枝原料、單體和引發(fā)劑混合均勻，接著在雙螺桿擠出機(jī)上擠出造粒，隨后放入60℃的烘箱中干燥，得到界面增容劑MGPP。MGPP的接枝率為12.5% ±0.5%（wt）。

1.5 木塑復(fù)合材料的制備

首先，將已烘干的木粉分別與PP按質(zhì)量比 50∶50進(jìn)行預(yù)混合；接著，將已制備好的界面增容劑MGPP按每100份PP添加5份的添加量添加于預(yù)混合均勻的木粉和PP混合物中再次混合均勻。再通過南京廣達(dá)化工有限公司的SHJ-35型雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒，擠出溫度190～210℃；然后在震德塑料機(jī)械有限公司的CJ80TB型注塑機(jī)進(jìn)行制樣，注塑溫度為210～215℃。

1.6 木粉粒徑的分析表征

取少量木粉纖維，均勻分散在載玻片上，然后采用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察拍照，放大倍數(shù)10×5倍，最后通過軟件對照片進(jìn)行分析處理，統(tǒng)計分析木粉粒徑的平均值變化。

1.7 木粉的BET分析測試

分別取0.1 g左右的干燥木粉，放入BET測試儀配套的石英管中，并記錄好石英管加入木粉前后的重量變化，然后在氮氣氛圍下進(jìn)行吸附―脫附性能測試，獲取木粉的比表面積和孔徑分布數(shù)據(jù)。

1.8 傅立葉變紅外光譜分析（FT-IR）

取少量木粉與溴化鉀一起混合研磨均勻，采用壓片法進(jìn)行制樣，樣品在Nicolet6700傅立葉變紅外光譜儀上檢測和采集紅外光譜圖。采集波段為 500～4000 cm-1。

1.9 掃描電鏡分析（SEM）

采用PP/WF復(fù)合材料樣品的沖擊斷面，將樣品放入真空鍍膜機(jī)中進(jìn)行表面噴金，以增強(qiáng)樣品表面的導(dǎo)電性，然后在日立高新技術(shù)公司的SU3500型掃描電子顯微鏡上觀察復(fù)合材料樣品的表面微觀形貌。

1.10 木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能測試

木塑復(fù)合材料樣品的力學(xué)性能測試在高鐵檢測儀器有限公司的GT-7001-HC6型數(shù)顯拉力試驗機(jī)上進(jìn)行。參考“塑料拉伸性能的測試方法”（ASTM D638-2003），測試木塑復(fù)合材料樣品的拉伸性能，拉伸速率：5 mm/min。參考“塑料彎曲性能的測試方法”（ASTM D790-03），測試木塑復(fù)合材料樣品的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量。參考“塑料懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度的測試方法”（ASTM D256-2010），測試木塑復(fù)合材料樣品的沖擊強(qiáng)度。力學(xué)性能測試在室溫下進(jìn)行，每組樣條至少測試5個數(shù)據(jù)。

復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度采用Pukanszky模型（1）進(jìn)行量化表征[7]。

其中，0和分別代表聚合物基體和復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度；為聚合物基體的應(yīng)變硬化指數(shù)；指填充劑在復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)；＝0，是復(fù)合材料的相對伸長率，0和分別指聚合物基體和復(fù)合材料的伸長率）；是復(fù)合材料中填充劑所能承受載荷的能力；當(dāng)形變量較小時，λ可以忽略不計，那么與界面結(jié)合強(qiáng)度相關(guān)。將該模型進(jìn)行變形得

式中，lnσ與成一直線，從直線的斜率可獲得。Pukanszky模型可量化木粉用量與聚丙烯之間的界面結(jié)合強(qiáng)度，以此來表征木塑復(fù)合材的界面相容性。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)處理木粉的結(jié)構(gòu)分析

2.1.1 預(yù)處理木粉的粒徑分析

圖1為不同處理方式的木粉的光學(xué)顯微鏡像圖，a為UWF，b為SWF，c為CWF。從圖中不易看出，經(jīng)過蒸煮預(yù)處理的木粉粒徑略有變化，CWF的變化較大。為了進(jìn)一步量化預(yù)處理之后木粉尺寸的變化，采用尺寸統(tǒng)計軟件對木粉的尺寸進(jìn)行統(tǒng)計分析，表1所列數(shù)據(jù)為三種木粉的平均粒徑的大小，UWF、SWF和CWF的粒徑分別為65.7 μm、99.8 μm、109.7 μm，對木粉進(jìn)行蒸煮后粒徑增大，尤其水煮之后變化較大，CWF的粒徑比UWF增大了67%。這主要是因為植物纖維經(jīng)過高溫水煮之后，水分子雖不能溶解纖維素，但可使植物纖維發(fā)生潤脹，在預(yù)處理環(huán)境下還會使小分子雜質(zhì)脫落，致使植物纖維的粒徑增大[10]。

圖1 預(yù)處理木粉的微觀形態(tài)

表1 不同預(yù)處理方式對木粉結(jié)構(gòu)的影響

為了進(jìn)一步表征預(yù)處理后木粉微觀結(jié)構(gòu)的變化，采用BET儀測量各種木粉的孔徑和比表面積。圖2為木粉預(yù)處理前后通過BET測試所得到的孔徑分布圖。從圖2可看出，UWF的孔徑主要分布在2～3 nm的范圍內(nèi)。當(dāng)對木粉進(jìn)行蒸煮預(yù)處理后，尤其是對木粉進(jìn)行煮處理之后，SWF和CWF的孔徑主要分布在2～100 nm的范圍內(nèi)；并且，SWF和CWF兩種木粉的比表面積增加（如表1所示），說明，經(jīng)過高溫長時間的水煮，水分子可深度滲透到纖維素中的結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)，使纖維素發(fā)生膨脹，并且使纖維素中的部分微纖產(chǎn)生滑移，導(dǎo)致木粉的孔徑分布變寬，比表面積增加[11]。

圖2 預(yù)處理木粉的孔徑結(jié)構(gòu)

2.1.2 預(yù)處理木粉的形態(tài)結(jié)構(gòu)

圖3為不同預(yù)處理木粉的SEM圖。圖3a、 圖3b和圖3c分別為正常干燥處理木粉（UWF）、蒸處理木粉（SWF）和煮處理木粉（CWF）的SEM圖。從圖3a可看出，UWF表面較粗糙，吸附的雜質(zhì)較多；SWF和CWF表面的雜質(zhì)明顯減少，尤其CWF的表面較明顯，經(jīng)過長時間煮助理，木粉中的木質(zhì)素等雜質(zhì)被清洗得更干凈，木粉微觀結(jié)構(gòu)中雜質(zhì)更少。

2.1.3 預(yù)處理木粉的FT-IR分析

圖4為正常干燥處理的木粉（UWF）、蒸處理木粉（SWF）和煮處理木粉（CWF）的FT-IR譜圖。從圖4可看出，UWF、SWF和CWF三條譜線所呈現(xiàn)的特征峰幾乎一致，但個別位置的特征峰路由減弱或飄移，如2930 cm-1、1741 cm-1、1428 cm-1、1242 cm-1和1050 cm-1等處的特征峰。2930 cm-1處是WF中C-H的伸縮振動峰，蒸煮之后該位置的烷基峰有所減弱。1720 cm-1處是半纖維素上的羰基的特征峰，1250 cm-1處為木質(zhì)素中芳烷基醚的特征峰，1050 cm-1附近是木質(zhì)素中的C-OH的特征峰[12-13]。對比UWF、SWF和CWF，三者的譜圖并沒有出現(xiàn)特征峰的突變或新的特征峰出現(xiàn)，說明預(yù)處理后的WF中主要官能團(tuán)沒有發(fā)生重大變化。這主要是因為木粉的干燥以及蒸煮三種預(yù)處理方式主要是一個物理過程或化學(xué)過程，高溫處理只是部分木質(zhì)素和部分降解半纖維素的流失和一些化學(xué)鍵的松弛，而WF中的羥基，羥甲基等主要基團(tuán)難以進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)[14]。

2.2 界面增容劑對PP/WF復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

在比較木粉預(yù)處理工藝對PP/WF復(fù)合材料力學(xué)性能的影響之前，先確認(rèn)所采用的接枝共聚物能有效增容PP/WF復(fù)合體系。圖5比較了純PP、PP/MGPP（50/5 wt）共混體系、未增容的PP/UWF（50/50 wt）復(fù)合體系、PP/UWF/MGPP（50/50/5 wt）復(fù)合體系的力學(xué)性能。

圖5 界面增容劑對PP/WF復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

添加MGPP的PP力學(xué)性能不低于純PP，特別是PP/MGPP共混體系的沖擊強(qiáng)度高于純PP，說明MGPP有增韌作用，這主要是由于MGPP是多單體接枝物，接枝率率高、接枝支鏈較長，具有良好的增韌作用。

未增容的PP/UWF復(fù)合體系，拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度均低于純PP，說明拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度對界面相容性較敏感，彎曲性能，特別是彎曲模量，受界面相容性影響不明顯；這也可以從PP/UWF復(fù)合體系的力學(xué)性能進(jìn)一步看出來。PP/UWF/MGPP復(fù)合體系的彎曲模量與PP/UWF的模量較接近，說明彎曲模量確實受界面相容性影響不大。

但總體上看，PP/UWF/MGPP復(fù)合體系的力學(xué)性能均明顯高于PP/UWF復(fù)合體系，甚至高于純PP，說明MGPP能有效地提高PP/UWF復(fù)合體系界面相容性和力學(xué)性能。

2.3 木粉預(yù)處理對PP/WF復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖6所為UWF、SWF和CWF分別與PP進(jìn)行復(fù)合所制備的木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能的比較。從圖6a可看出，PP/UWF/MGPP、PP/SWF/MGPP和PP/CWF/MGPP復(fù)合體系的拉伸強(qiáng)度依次提高，分別達(dá)到了45.9 MPa、46.9 MPa和48.6 MPa，說明木粉的蒸煮處理有助于提高PP復(fù)合體系的拉伸強(qiáng)度。

圖6b和圖6c分別是三種PP/WF復(fù)合體系的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量。PP/UWF/MGPP、PP/SWF/MGPP和PP/CWF/MGPP三種復(fù)合體系的彎曲強(qiáng)度分別為76.9 MPa、78.2 MPa、81.2 MPa，彎曲模量分別為3 277 MPa、3 306 MPa、3 478 MPa?？梢钥闯?，PP/SWF/MGPP和PP/CWF/MGPP復(fù)合體系的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量，分別高于PP/UWF/MGPP復(fù)合體系，尤其是PP/CWF/MGPP復(fù)合體系的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量提高更明顯。

圖6d為三種PP/WF復(fù)合體系的沖擊強(qiáng)度?？梢钥闯?，PP/UWF/MGPP、PP/SWF/MGPP和PP/CWF/MGPP三種復(fù)合體系的沖擊強(qiáng)度都達(dá)到了26 J/m的水平，而且相互之間的差別不大，說明沖擊強(qiáng)度的提高主要歸功于界面增容劑的作用，這與圖5的分析結(jié)果基本一致。

從圖6的測試結(jié)果可看出，預(yù)處理過的木粉有助于提高PP/WF復(fù)合體系的力學(xué)性能。相比于SWF，SWF對PP/WF復(fù)合體系的力學(xué)性能影響更明顯。這主要是因為，纖維素是由分子結(jié)構(gòu)規(guī)整，結(jié)晶性好，力學(xué)強(qiáng)度高的微纖組成，它有助于提高植物纖維的力學(xué)性能。蒸煮預(yù)處理可以促使木粉中的纖維素和木質(zhì)素軟化和塑化，促使微纖移動。而且煮處理纖維的長徑比和比表面積有所增加，有助于提高聚合物基體與植物纖維間的界面結(jié)合強(qiáng)度，從而獲得更好的界面相容性[15-16]。由于木粉蒸煮處理之后，尤其是煮處理過后，其半纖維素或木質(zhì)素等成分可能發(fā)生變化，增強(qiáng)復(fù)合材料抵抗變形的能力，因此，PP復(fù)合體系的綜合力學(xué)性能得以提升。但蒸煮處理之所以不能顯著提高PP/WF復(fù)合體系的沖擊強(qiáng)度，主要跟兩方面因素有關(guān)：一方面雖然蒸煮處理可以改變木粉的組成比例，提高其抵抗變形的能力；另一方面，在MGPP的增容作用下，蒸煮處理可以進(jìn)一步增強(qiáng)木粉與PP基體的界面相互作用，過于良好的界面結(jié)合作用并不利于提高PP復(fù)合體系抵抗變形的能力，導(dǎo)致沖擊韌性的降低。這兩方面的綜合作用，導(dǎo)致復(fù)合體系沖擊強(qiáng)度提高不顯著。

雖然木粉預(yù)處理有助于提高PP/WF復(fù)合體系的力學(xué)性能，但提高幅度不夠突出，在后續(xù)的工作中將進(jìn)一步的優(yōu)化工藝條件，獲得更突出的預(yù)處理工藝條件。此外，部分性能指標(biāo)（如拉伸強(qiáng)度）較高，這可能與加工條件有一定關(guān)系，本文所研究的復(fù)合體系的木粉添加量較高，不利于加工成型，其加工成型過程是一個不斷優(yōu)化的過程，有助于獲得高性能的復(fù)合體系。另外不同廠家的力學(xué)性能測試儀器所得到的結(jié)果有所區(qū)別，沒有可比性；但可以與純的基體聚合物和未增容的復(fù)合體系進(jìn)行比較，評估聚合物改性方法的有效性。

a. 拉伸強(qiáng)度；b. 彎曲強(qiáng)度；c. 彎曲模量；d. 沖擊強(qiáng)度

2.4 界面結(jié)合強(qiáng)度參數(shù)B與界面相容性的量化表征

從前文的力學(xué)性能結(jié)果可知，MGPP以及WF的蒸煮處理有利于提高PP/WF復(fù)合體系的力學(xué)性能。為了進(jìn)一步量化表征復(fù)合體系的界面相容性，采用Pukanszky模型計算PP/WF復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度參數(shù)B，量化評估PP/WF復(fù)合體系的界面相容性。

圖7為PP/WF復(fù)合材料中界面增容劑的用量與界面結(jié)合強(qiáng)度參數(shù)值的關(guān)系。添加界面增容劑MGPP之后，PP/UWF復(fù)合體系的值分別從2.72分別提升至PP/UWF/MGPP復(fù)合體系的3.45，PP/SWF/MGPP和PP/CWF/MGPP復(fù)合體系的值分別為3.48和3.54，均高于PP/UWF/MGPP復(fù)合體系，PP/CWF/MGPP復(fù)合體系的值比PP/UWF/MGPP復(fù)合體系提高更明顯。

圖7 PP/WF復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度B的比較

Pukanszky等分別采用分子量低而接枝率高的接枝共聚物[Licomont AR 504，Mn＝3 500 g/mol，接枝率3.5%（wt）]和分子量高而接枝率低的接枝共聚物[Orevac CA 100，Mn＝25 000 g/mol，接枝率1.0%（wt）]增容PP/WF復(fù)合材料，并計算復(fù)合體系的界面結(jié)合強(qiáng)度參數(shù)值，值的范圍主要分布在1～10之間。本文所研究的PP/WF復(fù)合體系的值與Pukanszky等報道的范圍基本一致[7,17-19]，說明該模型也適應(yīng)于本研究的復(fù)合體系。

2.5 木粉預(yù)處理對木塑復(fù)合材料微觀形貌的影響

力學(xué)性能的研究表明，在界面增容劑存在的情況下，雖然木粉的蒸煮預(yù)處理對提高PP復(fù)合體系的沖擊強(qiáng)度所起作用不明顯，但木粉的蒸煮預(yù)處理可以進(jìn)一步提高PP復(fù)合體系的拉伸強(qiáng)度，這主要歸因于PP復(fù)合體系界面相容性的提高。

為了進(jìn)一步確認(rèn)木粉預(yù)處理有助于提高PP與WF的界面相容性，采用SEM觀察PP/WF復(fù)合體系的沖擊斷面。圖8分別為不同放大倍數(shù)下的PP/UWF/MGPP、PP/SWF/MGPP、PP/CWF/MGPP三種復(fù)合體系的形態(tài)結(jié)構(gòu)。圖8a和圖8d為PP/UWF/MGPP復(fù)合體系的斷面結(jié)構(gòu)。可明顯看出，由于MGPP發(fā)揮增容作用，PP與UWF兩相之間的界面不太清晰，有些位置裂紋較大，界面之間存在明顯的縫隙，有些地方木粉纖維發(fā)生斷裂，說明PP/UWF復(fù)合體系界面相容性良好。圖8b和圖8e為PP/SWF/MGPP復(fù)合體系的斷面結(jié)構(gòu)。顯然，PP與SWF兩相之間的界面不清晰，基體中裂紋不多且不明顯，界面也不存在明顯的縫隙，木粉發(fā)生縱深的撕裂，說明PP/SWF復(fù)合體系也存在良好的界面相容性。圖8c和圖8f為PP/CWF/MGPP復(fù)合體系的斷面結(jié)構(gòu)。顯然，PP與CWF兩相之間的界面也不清晰，基體中沒有明顯的裂紋，界面也沒有明顯的縫隙，木粉發(fā)生大面積的縱深斷裂，說明PP/SWF/MGPP復(fù)合體系也存在良好的界面相容性。三者的界面相容性比較，PP/CWF/MGPP復(fù)合體系和PP/SWF/MGPP復(fù)合體系，均優(yōu)于PP/UWF/MGPP復(fù)合體系。說明木粉預(yù)處理確實有助于提高聚烯烴與木粉的界面相容性。

（a. PP/UWF；b. PP/SWF；c. PP/CWF）

3 總結(jié)

1）木粉的蒸煮處理主要以物理過程為主，其內(nèi)部的化學(xué)鍵沒有發(fā)生明顯的變化。蒸煮處理后的木粉的表面略變平坦，無明顯的形貌變化，但表面的雜質(zhì)變少，尤其是煮處理能明顯減少木粉表面的雜質(zhì)。

2）MGPP能顯著提高PP/UWF復(fù)合體系界面相容性和力學(xué)性能。煮過的木粉對聚丙烯的增強(qiáng)效果較顯著，蒸處理的木粉其次，這主要是因為蒸煮預(yù)處理可以促使木粉中的纖維素和木質(zhì)素軟化和塑化，促使微纖移動；并且煮處理的纖維的長徑比和比表面積可能增加，有助于提高聚合物基體與植物纖維間的界面結(jié)合強(qiáng)度。

3）PP/UWF/MGPP、PP/SWF/MGPP、PP/CWF/MGPP三種復(fù)合體系的參數(shù)值分別為分別為3.45、3.48和3.54，位于值的正常范圍，說明Pukanszky模型適合量化評估PP/WF復(fù)合體系的界面相容性。

4）預(yù)處理后的植物纖維/聚烯烴復(fù)合材料的斷面形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，兩相界面變得較模糊，兩相之間結(jié)合更緊密，表明蒸煮處理的植物纖維可以改善界面相容性，尤其是煮處理的植物纖維可以更顯著改善PP/WF復(fù)合體系的界面相容性。

[1] BOURMAUD A, BEAUGRAND J, SHAH D U,. Towards the design of high-performance plant fibre composites[J]. Progress in Materials Science, 2018, 97: 347-408.

[2] SUN X F, HE M J, LI Z. Novel engineered wood and bamboo composites for structural applications: State-of-art of manufacturing technology and mechanical performance evaluation[J]. Construction and Building Materials, 2020, 249: 118751.

[3] MOHANTY A K, VIVEKANANDHAN S, PIN J M,. Composites from renewable and sustainable resources: Challenges and innovations[J]. Science, 2018, 362(6414): 536-542.

[4] HONG H Q, LIAO H Y, ZHANG H Y,. Significant improvement in performance of recycled polyethylene/wood flour composites by synergistic compatibilization at multi-scale interfaces[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2014, 64: 90-98.

[5] HONG H Q, LIU H, ZHANG H Y,. Flame retarded polyethylene/wood flour composites with high performances: Satisfying both sides with intumescent flame retardants and synergistic compatibilizers, respectively[J]. Polymer Composites, 2018, 39(2): 569-579.

[6] HONG H Q, GUO Q N, ZHANG H Y,. Effect of interfacial modifiers and wood flour treatment on the rheological properties of recycled polyethylene/wood flour composites[J]. Progress in Rubber Plastics and Recycling Technology, 2020, 36(1): 31-46.

[7] DANYADI L, JANECSKA T, SZABO Z,. Wood flour filled PP composites: Compatibilization and adhesion[J]. Composites Science and Technology, 2007, 67(13): 2838-2846.

[8] 洪浩群, 劉灝, 張海燕. 甘蔗渣的改性方法對甘蔗渣/聚乳酸復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的影響[J]. 復(fù)合材料學(xué)報, 2018, 35(9): 2369-2378.

[9] OU R X, XIE Y J, WOLCOTT M P,. Effect of wood cell wall composition on the rheological properties of wood particle/high density polyethylene composites[J]. Composites Science and Technology, 2014, 93: 68-75.

[10] ICHAZO M N, ALBANO C, GONZALEZ J,. Polypropylene/wood flour composites: treatments and properties[J]. Composite Structures, 2001, 54(2-3): 207-214.

[11] ZAUER M, KRETZSCHMAR J, GROSSMANN L,. Analysis of the pore-size distribution and fiber saturation point of native and thermally modified wood using differential scanning calorimetry[J]. Wood Science and Technology, 2014, 48(1): 177-193.

[12] 曾幸榮. 高分子近代測試分析技術(shù)[M]. 廣州: 華南理工大學(xué)出版社, 2007: 47-90.

[13] ISHIMARU K, HATA T, BRONSVELD P,. Spectroscopic analysis of carbonization behavior of wood, cellulose and lignin[J]. Journal of Materials Science, 2007, 42: 122-129.

[14] 劉濤. 環(huán)保型PE基本塑復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的研究[M]. 華南理工大學(xué), 2008.

[15] MATSUNAGA A, ONISHI R, IRIE M,. The study of chemical composition change in systems using carbonization, superheated steam and blasting for wood biomass[J]. Journal of the Japan Society of Material Cycles & Waste Management, 2011, 22(2): 149-156.

[16] 李芳, 李建章, 母軍, 等. 高溫水蒸汽處理木粉對木塑復(fù)合材料性能的影響[J]. 木材加工機(jī)械, 2010, 21(2): 10-12.

[17] ANGGONO J, FARKAS A E, BARTOS A,. Deformation and failure of sugarcane bagasse reinforced PP[J]. European Polymer Journal, 2019, 112: 153-160.

[18] PREGI E, KUN D, FALUDI G,. Modeling the mechanical properties of polypropylene/lignin/flax hybrid composites[J]. Materials and Design, 2022, 220: 110833.

[19] RENNER K, KENYO C, MOCZO J,. Micromechanical deformation processes in PP/wood composites: Particle characteristics, adhesion, mechanisms[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2010, 41(11): 1653-1661.

Effect of Wood Flours Pretreatment on the Mechanical Properties of Polypropylene/Wood Flours Composites

YU Rizhi1, HONG Haoqun1,2*, LI Xuesong2, ZHANG Haiyan1,2

（1. Guangdong Sunlite Science & Technology Co., Ltd., Dongguang 523040, China; 2. School of Materials and Energy, Guangdon University of Technology, Guangzhou 510006, China）

With the deterioration of the environment and the lack of forest resources, wood-plastic composite materials and other substitute wood materials are becoming more and more important. Insufficient mechanical properties due to poor interfacial compatibility are important factors limiting the application of wood-plastic composites. In order to enhance the mechanical properties of wood-plastic composites, the effects of these three treatments on the interface compatibility of polypropylene/wood flour composites with grafted copolymer capacity-enhanced polypropylene/wood flour composites and mechanical properties such as tensile properties, bending properties and impact properties were studied. The interfacial bond strength of the composite is calculated based on the tensile properties. The results show that the two treatment methods of steaming and boiling can further improve the interfacial compatibility and mechanical properties of the composite. Boiling treatment is more effective than steaming and drying treatment to increase the mechanical properties of the composites. The B values of the interface bonding strength parameters of drying, steaming and boiling were 3.45, 3.48 and 3.54, respectively, which were higher than the 2.72 of the unenriched polypropylene/wood powder composites, indicating that the composites had strong interfacial bonding strength.

polypropylene; wood flours; pretreatment; mechanical properties; interfacial compatibility

TB332

A

1004-8405(2023)03-0019-07

10.16561/j.cnki.xws.2023.03.10

2023-08-22

東莞市引進(jìn)創(chuàng)新科研團(tuán)隊項目（20200607212008）。

于日志（1983～），男，湖南臨湘人，助理工程師；研究方向：高性能彈性體及復(fù)合材料。Juan229@126.com

通訊作者：洪浩群（1976～），男，副研究員；研究方向：高分子改性及復(fù)合材料。psqhong@gmail.com