1 試驗部分

1. 1 主要原料

PVC 樹脂, S- 700, 中國石油化工股份有限公司齊魯分公司; ADC 發(fā)泡劑, AC3000, 杭州海虹精細(xì)化工有限公司; 加工助劑, ACR ZB- 530, 淄博華星助劑有限公司; 鈣鋅復(fù)合穩(wěn)定劑, R8965, 德國BAERLOCHER有限公司; 木粉及其他助劑, 市售。

1. 2 主要儀器和設(shè)備

PVC專用混合機(jī)組, SRL- Z, 張家港市萬塑機(jī)械有限公司; 單螺桿擠出機(jī), 德國Brabender 公司; 微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī), WPW- 20C, 上海華龍測試儀器公司; 顯微鏡, DMLT, 德國萊卡公司; 密度儀, DH100,日本東洋精機(jī)株式會社; 熱重儀, 2950, 美國TA公司。

1. 3 測試方法

①拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長率按照GB/T 1040— 2006《塑料拉伸性能的測定》檢測, 拉伸速度20mm/min。②沖擊強(qiáng)度按照GB/T 1043—2008《塑料簡支梁沖擊性能的測定》檢測。③彎曲強(qiáng)度按照GB/T 9341—2000《塑料彎曲性能的測定》檢測。④密度按照GB/T 1033—2008《塑料非泡沫塑料密度的測定》檢測。⑤熱重分析( TGA) : 直接把樣品放在燃燒室內(nèi), 通N2 后進(jìn)行檢測, 由儀器繪出樣品的質(zhì)量損失曲線。⑥顯微鏡觀察: 直接把樣品放置在載玻片上進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與討論

2. 1 木粉的熱重分析

木粉是PVC木塑發(fā)泡材料的重要組分, 其不僅能降低成本, 還能夠大幅度提高制品的剛性和模量, 提高制品的尺寸穩(wěn)定性能, 使發(fā)泡制品更具有木材的特點(diǎn)。如果木粉的水含量過高或性能不穩(wěn)定,會導(dǎo)致材料有較差的泡孔結(jié)構(gòu), 泡孔分布不均, 表面有水跡, 以及因木粉分解產(chǎn)生的發(fā)煙及表面不光潔等現(xiàn)象。

通過熱重分析可以預(yù)知木粉中的水分及纖維所含的揮發(fā)物對材料的影響。筆者考察了4 種木粉填料, 其中1# 和2# 為木質(zhì)纖維粉, 3# 為竹粉, 4# 為稻殼粉, 其熱重分析曲線如圖1 所示。

圖1    4 種木粉的熱重分析曲線

從圖1 可看出: 當(dāng)溫度升高到90℃時, 4 種木粉的質(zhì)量保留率相近, 約為96% , 即木粉的含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4% 左右。溫度進(jìn)一步升高到200℃左右時, 木粉的質(zhì)量保留率基本沒有變化, 木粉的性質(zhì)很穩(wěn)定, 這個溫度正好是PVC木塑發(fā)泡所需要的溫度。溫度升高至200~ 300℃時, 4 種木粉的質(zhì)量保留率大小順序為3#> 1#> 2#> 4#（質(zhì)量保留率越低, 說明木粉內(nèi)的結(jié)合水越容易失去) 。當(dāng)溫度升高到620℃時, 4 種木粉的質(zhì)量保留率大小順序為1#> 3# > 4# > 2# 。其中, 1# 木粉的殘留物為填料滑石粉, 3# 木粉的殘留物為填料超細(xì)碳酸鈣。從圖1還可看出: 1# 木粉的填料含量最大, 約為30% ; 而2# 木粉只有2.2% 的殘留物, 說明2#木粉中基本不含無機(jī)物填料。

2. 2 木粉粒徑對PVC木塑發(fā)泡材料性能的影響

木粉粒徑對PVC木塑發(fā)泡材料的性能影響顯著。木粉粒徑較大時, 木粉和PVC 樹脂結(jié)合較差,會降低材料的力學(xué)性能, 同時對加工設(shè)備的磨損較嚴(yán)重。

4 種木粉的顯微鏡照片如圖2 所示。從圖2 可看出: 粒徑為117、140 μm 的木粉呈現(xiàn)纖維狀, 粒徑為173 μm 的木粉呈現(xiàn)不規(guī)則形狀。木粉粒徑對PVC木塑發(fā)泡材料性能的影響見表1。

1#,117μm( 120 目)

2#,117μm( 120 目)

3#,117μm( 100 目)

4#,117μm( 80 目)

圖2 4 種木粉的顯微鏡照片

從表1 可看出: 木粉粒徑較小的PVC木塑發(fā)泡材料的力學(xué)性能較好。這是由于粒徑較小的木粉呈纖維狀, 在復(fù)合材料中可起到纖維增強(qiáng)的作用, 并增加了復(fù)合材料兩相界面面積, 有利于沖擊能量的吸收。木粉的粒徑較大時, 不利于泡孔結(jié)構(gòu)的形成,影響發(fā)泡材料的均勻性, 從而降低復(fù)合材料的力學(xué)性能。1# 和2# 木質(zhì)纖維粉的粒徑都為117 μm, 但由于1# 木質(zhì)纖維粉含有30% 左右的無機(jī)填料, 因此其力學(xué)性能低于無機(jī)填料含量很少的2# 木質(zhì)纖維粉試樣。

2. 3 木粉預(yù)處理對PVC木塑發(fā)泡材料性能的影響

木質(zhì)纖維大分子的重復(fù)單元中每個基環(huán)內(nèi)含有3 個羥基, 這些羥基形成分子內(nèi)氫鍵或分子間氫鍵,使木纖維具有較強(qiáng)的吸水性, 吸水率可達(dá)8% ~12% 。而熱塑性塑料多數(shù)為非極性的, 具有疏水性, 所以熱塑性塑料與木質(zhì)纖維之間的相容性很差。改善界面相容性就是改善木粉與PVC 樹脂之間的界面黏結(jié), 使其具有一定的化學(xué)鍵、范德華力等相互作用, 從而很好地傳遞木質(zhì)纖維和PVC 樹脂間的應(yīng)力, 增強(qiáng)改性復(fù)合材料的性能。

2. 3. 1 烘干

由圖1 可知: 木粉含有4% 左右( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 的游離水分, 因此在使用時需要經(jīng)烘干處理, 烘干時間和木粉水含量的關(guān)系( 烘干溫度80℃） 如圖3 所示。

圖3 烘干時間和木粉水含量關(guān)系

從圖3 可看出: 隨烘干時間延長, 木粉的水含量逐漸降低, 且6 h 后水含量變化很小。木粉含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0. 5% 時, 對制品的性能影響不大, 考慮到生產(chǎn)效率及烘干時的能耗, 確定烘干時間為6 h。

2. 3. 2 偶聯(lián)改性

為了提高木粉和PVC 樹脂的相容性, 常對木粉表面進(jìn)行處理, 主要方法有偶聯(lián)劑法、接枝共聚法、堿金屬溶液處理法等。筆者采用偶聯(lián)劑法, 選取了4 種偶聯(lián)劑進(jìn)行試驗。

1# 偶聯(lián)劑為硬脂酸酯類偶聯(lián)劑, 2# 偶聯(lián)劑為鈦酸酯類偶聯(lián)劑。采用這2 種偶聯(lián)劑時木粉表面處理工藝為: 把木粉和偶聯(lián)劑加入混合機(jī)組, 攪拌升溫到100 ℃ , 冷卻即可。3# 偶聯(lián)劑和4# 偶聯(lián)劑為硅烷類偶聯(lián)劑, 其木粉表面處理工藝為: 先用乙醇將偶聯(lián)劑稀釋,放置24 h 使其醇解,然后將其加入到木粉中, 在混合機(jī)組中攪拌升溫至80 ℃使乙醇充分揮發(fā), 冷卻。

4 種偶聯(lián)劑( 用量為木粉質(zhì)量的1% ) 對PVC/木塑發(fā)泡材料力學(xué)性能的影響見表2。

試驗中發(fā)現(xiàn): 使用經(jīng)過1# 偶聯(lián)劑和2# 偶聯(lián)劑處理的木粉在擠出發(fā)泡時,擠出機(jī)背壓較低, 制品發(fā)泡不好且表面較粗糙; 使用經(jīng)過3# 偶聯(lián)劑和4# 偶聯(lián)劑處理后的木粉所得制品表面光滑, 發(fā)泡性能較好。從表2可看出: 采用4# 偶聯(lián)劑處理的木粉所得制品力學(xué)性能最好。

2. 4 木粉用量對發(fā)泡性能的影響

由于木粉在PVC 樹脂中的分散性較差, 對體系的黏度( 流動性) 影響較大, 從而影響發(fā)泡工藝及發(fā)泡性能。木粉用量與PVC/木塑發(fā)泡材料密度之間的關(guān)系如圖4 所示。

圖4 木粉用量與PVC/ 木塑發(fā)泡材料密度的關(guān)系

從圖4 可看出: 當(dāng)ADC 發(fā)泡劑用量一定時,PVC/木塑發(fā)泡材料的密度隨木粉用量的增加而增加, 說明材料的發(fā)泡效果變差。這是由于木粉用量較多時, 降低了體系的熔體強(qiáng)度, 并且由于分散較差而使木粉出現(xiàn)團(tuán)聚, 從而使泡孔結(jié)構(gòu)惡化、發(fā)泡不足而使材料密度增大。

3 結(jié)論

(1) 4 種木粉的含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4% 左右, 在100~ 200 ℃溫度范圍內(nèi), 木粉的性能穩(wěn)定。

(2) 粒徑117 μm 的木粉對PVC/木塑發(fā)泡材料的增強(qiáng)作用比粒徑173 μm 的木粉明顯。

(3) 不同偶聯(lián)劑的改性效果差異較大, 其中硅烷類偶聯(lián)劑的改性效果較好, 其試樣的綜合性能較好。

(4) PVC/木塑發(fā)泡材料的密度隨木粉用量的增加而增加, 發(fā)泡效果變差。