木塑复合材料配方组成对其线性热膨胀系数的影响.doc

木塑复合材料配方组成对其线性热膨胀系数的影响摘要：以PP、HDPE、POE、EPDM或其共混物作为塑料基体，以木粉作为填充料，用挤出成型法制备了PP/PE基和PP基木塑复合材料（WPC），研究了配方中各组分的热膨胀特性、配方中塑料基体组成变化、以及配方中木粉含量变化等因素对所制得的WPC线性热膨胀系数的影响。结果表明：制备WPC的主要原料线性热膨胀系数的大小顺序为：木粉 < 聚丙烯 < 聚乙烯 < 增韧剂，其中各塑料成分的线性热膨胀系数均远大于木粉，随着WPC中塑料含量增加，WPC的线性热膨胀系数增加；随着配方中PP/PE比值增加，WPC的线性热膨胀系数减小；随着配方中增韧剂EPDM或POE用量增加，WPC的线性热膨胀系数增大。关键词：木塑复合材料；塑料；木粉；线性热膨胀系数Effect of Main Components on the Linear Thermal Expansion Coefficient of Wood-Plastic CompositesAbstract: Wood plastic composites（WPC） were prepared by extrusion with PP, HDPE, POE, EPDM or their blends as a plastic substrate and wood flour as a filler. The effects of the thermal expansion characteristics of the components, the plastic substrate composition and wood flour content in the formulas on the linear thermal expansion coefficient of WPC were studied. The results showed that the order of linear thermal expansion coefficients of main raw materials in WPC was that wood flour <PP <PE < toughening agent and the linear thermal expansion coefficient of WPC increased with increasing the plastic content because that the linear thermal expansion coefficient of the plastic was much greater than wood flour. The linear thermal expansion coefficient of WPC decreased with increasing PP / PE ratio in the formula and increased with increasing the amount of toughening agents EPDM or POE.Keywords: wood plastic composites; plastic; wood flour; linear thermal expansion coefficient 木塑复合材料（WPC）是以植物纤维（如木粉、竹粉、糠粉等农林废弃物）和热塑性塑料（如废旧PE、PP）为主要原料，再加入少量添加剂，通过挤出、注塑、压制等成型法制成的一种复合材料，其产品主要用作天然木材的替代品1,2。由于开发WPC有利于农林废弃物和废旧塑料的综合利用，有利于缓解天然木材日趋紧张的压力和减少森林砍伐，因此，上世纪90年代末以来，WPC得到了全世界的广泛重视，其产业化速度不断加快，并逐渐在世界范围形成了一个新兴产业3。线性热膨胀系数是WPC的一项重要质量指标，它对于指导WPC的正确使用和安装具有十分重要的意义，特别是对于户外使用的WPC，这一点显得尤为重要4,5。因此，随着近年来WPC的发展和推广使用，有关WPC线性热膨胀系数的研究也逐渐增多。例如：R.A. Schapery6建立了某些木塑复合材料膨胀系数计算的数学模型式；Sanjeev Singh7等人研究了木粉含量对木塑复合材料线性热膨胀系数的影响，结果表明随着木粉含量的增加，木塑复合材料的线性热膨胀系数减少；Sreekala G.Bajwa8等人研究了棉纤维替代木纤维后对WPC的线性热膨胀系数的影响，结果表明，棉纤维对木塑复合材料线性热膨胀系数影响不大。但是，文献报道的WPC膨胀系数研究一般是采用特定组成和特定型号的WPC为样品，而配方组成变化对WPC线性热膨胀系数影响的研究，以及通过改变配方组成在一定程度上来控制WPC线性热膨胀系数的研究却鲜见报道。本文分别以PP、HDPE、POE、EPDM或其共混物作为塑料基体，以木粉作为填充料，并加入少量添加剂，用挤出成型法制备了木塑复合材料，研究了WPC配方中各组分的热膨胀特性、配方中塑料基体组成变化、以及配方中木粉含量变化等对木塑复合材料线性热膨胀系数的影响。目的在于了解不同组成和型号WPC的热膨胀特性及其影响因素，为指导WPC产品的正确安装使用，同时也为生产上通过改变配方的方法在一定程度上控制WPC产品的线性热膨胀系数提供依据。1实验部分1.1 主要原料白杨木粉：150um，浙江省德清林牌木粉有限公司； 聚丙烯（PP）：T30S，中国石化股份有限公司茂名分公司；高密度聚乙烯（HDPE）：5000S，兰州石化；马来酸酐接枝聚丙烯(MAPP) ：佛山市南海柏晨高分子新材料有限公司；马来酸酐接枝聚乙烯（MAPE）：佛山市南海柏晨高分子新材料有限公司；三元乙丙橡胶（EPDM）：3722P，美国陶式；乙烯和辛烯的热塑性弹性体（POE）：8100，美国陶氏；复合润滑剂：杭州群创木塑原料有限公司。1.2 主要设备及仪器高速混合机：SHR-10高速混合机，张家港市轻工机械厂有限公司；平行双螺杆挤出机：SHJ-36，南京杰恩特机电有限公司；锥形双螺杆挤出机：SJMS-45，武汉泽琦塑料机械制品有限公司；注塑机：SA900/260，宁波海天塑机集团有限公司； 低温膨胀系数测定仪：PCY-D，湘潭湘仪仪器有限公司。1.3 木塑复合材料的制备：按表1和表2中的各配方分别称取原料，加入高速混合机中混合均匀, 再将混合物加入平行双螺杆挤出机挤出造粒。然后用锥形双螺杆挤出机挤出成型，制得木塑板材。表1 PP/PE基木塑复合材料制备配方编号配方中木粉含量/%配方中润滑剂/%配方中塑料总含量/%塑料中PP/PE含量比塑料中(PE+PP) 的百分含量/%塑料中EPDM的百分含量/%塑料中（MAPP+MAPE）的百分含量/%A1682300/10088012A26823025/7588012A36823050/5088012A46823075/2588012A568230100/088012B1682300/100781012B26823025/75781012B36823050/50781012B46823075/25781012B568230100/0781012C16823050/5088012C26823050/5083512C36823050/50781012C46823050/50731512C56823050/50682012 表2 PP基木塑复合材料制备配方编号配方中木粉含量/%配方中润滑剂/%配方中塑料总含量/%塑料中PP 的百分含量/%塑料中EPDM的百分含量/%塑料中POE的百分含量/%塑料中MAPP的百分含量/%D168230880012D268230835012D3682307810012D4682307315012D5682306820012E168230830512E2682307801012E3682307301512E4682306802012F17822056026.517.5F2732256502114F36823070.5017.512F4632357501510F5582407801391.4测试与表征 线性热膨胀系数测试：将上述制得的木塑复合材料板材按照GB1036-2008用低温膨胀系数测定仪对其线性膨胀系数进行测试。2 结果与讨论2.1 WPC中各组分的线性热膨胀系数为了更好地研究WPC的线性热膨胀系数，对本文制备WPC所选用的主要原料（塑料和木粉）的线性热膨胀系数进行了测定。其中塑料线性热膨胀系数的测定过程为：先用注塑法制得样条，然后按照GB1036-2008测定其膨胀系数；木粉线性热膨胀系数的测定过程为：将木粉（杨木粉）对应的木材（杨木）进行干燥，然后按照GB1036-2008测定其线性热膨胀系数。测定结果见表3。表3 WPC中各组分的线性热膨胀系数原料HDPEPPMAPPMAPEPOEEPDM木粉膨胀系数（10-5/）12.15.975.3810.0312240.5 由表3可见，各种塑料的线性热膨胀系数都比木粉的线性热膨胀系数大得多，这是与文献报道一致的5,9,10。由表1还可见，PP（或MAPP）的线性热膨胀系数比PE（或MAPE）的线性热膨胀系数小，这可能是因为PP的结晶度比PE的高，PP的玻璃化转变温度（Tg）也比PE高，因此PP的耐热性能要更好，其线性热膨胀系数比PE小11。增韧剂EPDM和POE的线性热膨胀系数比较大，这主要是因为EPDM和POE为难结晶的共聚物，以至其线性热膨胀系数较大12。由后文可知，WPC的线性热膨胀系数明显大于木材，这显然是因为WPC中的塑料基体（含有表3中的塑料成分）的线性热膨胀系数明显大于木材所引起的。2.2 配方中PP/PE比值对PP/PE基WPC线性热膨胀系数的影响以PP和PE共混物作为塑料基体（不加入相容剂EPDM），在配方中木粉含量和塑料总量保持不变的条件下，按表1中A1A5配方改变塑料基体中PP/PE比值来制备WPC，取WPC样品按GB1036-2008测试其线性热膨胀系数，结果见图1。图1 塑料基体中PP百分含量对WPC线性热膨胀系数的影响 由图1可见，随着塑料基体中PP百分含量增加（或PP/PE比值增加），WPC的线性热膨胀系数降低。这是因为木粉的热膨胀系数很小，木塑复合材料的线性热膨胀系数值主要是由塑料基体的线性热膨胀系数决定的，由于PP的线性热膨胀系数要比PE小（见表3），因此，WPC的线性热膨胀系数随着塑料基体中PP百分含量的增加（PE减少）而减少。由图1还可见，在PP中混入少量的PE（或PE中混有少量的PP）对线性热膨胀系数的影响不大。这主要是因为PP/PE共混物是相容性不良的多相体系，两者的共混物中PP和PE是分为两相分别结晶的13，因此，在PP中混入少量的PE（或PE中混入少量PP），对塑料主体的结晶度影响不大。为了考察PP/PE共混物中加入了相容剂EPDM后对WPC线性热膨胀系数的影响，在PP和PE的混合物中加入了10%EPDM(相容剂)，然后按表1中B1B5配方改变塑料基体中PP/PE比值来制备WPC，取WPC样品按GB1036-2008测试其线性热膨胀系数，结果见图2。图2塑料基体中PP百分含量变化对WPC线性热膨胀系数的影响由图2可见，在EPDM占塑料基体量10%的条件下，随着塑料基体中PP百分含量增加（或PP/PE比值增加），WPC的线性热膨胀系数降低，其主要原因是PP的线性热膨胀系数较小。将图2和图1对比可见，在相同PP含量时，图2中WPC的线性热膨胀系数显著大于图1中的值，这表明，WPC中加入相容剂EPDM后，其线性热膨胀系数显著增大。这主要是因为EPDM的加入改善了PP/PE共混物的相容性，减少了共混物中的多相体系，降低了PP和PE的结晶度 14，从而增大了WPC的线性热膨胀系数。此外，由表3可知，EPDM本身的线性热膨胀系数也显著大于PP和PE，这是加入EPDM后WPC线性热膨胀系数增大的另一个重要原因。2.3 配方中EPDM的含量对PP/PE基WPC线性热膨胀系数的影响为了进一步研究配方中相容剂EPDM含量变化对PP/PEWPC线性热膨胀系数的影响，按表1中C1C5配方，在保持塑料基体中PP/PE比值不变的条件下通过改变塑料基体中EPDM的含量来制备PP/PEWPC，按GB1036-2008测定了制得的WPC的线性热膨胀系数，结果见图3。图3 EPDM用量对WPC线性热膨胀系数的影响 由图3可见，随着配方中EPDM含量增加，WPC的线性热膨胀系数增大。其原因：一方面是因为EPDM本身的线性热膨胀系数较大，因而直接增加了WPC的线性热膨胀系数；另一方面，EPDM的加入改变了PP、PE各自结晶的行为，使得PP、PE的结晶度变小14。2.4 增韧剂含量对PP基WPC线性热膨胀系数的影响 由于PP材料本身的脆性较大，使用时都要加增韧剂进行增韧改性。因此，研究增韧剂对PP-WPC线性热膨胀系数的影响有着重要的意义。为此，按表2中D1D5、E1E4配方，制备成不同EPDM或POE含量的PP基WPC，并按GB1036-2008测定其线性热膨胀系数，结果见图4。 EPDM POE图4 增韧剂含量对WPC线性热膨胀系数的影响由图4可见，随着PPWPC中增韧剂含量增加，WPC的线性热膨胀系数增大。这是因为增韧剂EPDM和POE的线性热膨胀系数都比PP的大（见表3），因此，增韧剂EPDM和POE加入量越多，WPC的线性热膨胀系数也越大；另一方面，增韧剂的加入破坏了PP原来的结晶行为，降低了PP的结晶度14，也会使PP的线性热膨胀系数增大。由图4还可见，在相同增韧剂用量下，采用POE增韧改性PPWPC的线性热膨胀系数比用EPDM的小，这是因为POE的线性热膨胀系数比EPDM小。2.5 塑料含量对PP基WPC线性热膨胀系数的影响按表2中F1F5配方，改变塑料总含量（或改变木粉含量）制备PP基WPC，按GB1036-2008测定WPC的线性热膨胀系数，结果见图5。图5 塑料含量对WPC线性热膨胀系数的影响由图5可见，随着配方中塑料含量增加，WPC的线性热膨胀系数增大。这是主要是因为塑料的线性热膨胀系数远大于木粉的线性热膨胀系数（如表3所示）。3 结论(1) 本文制备WPC的主要原料的线性热膨胀系数大小顺序为：木粉 < 聚丙烯 < 聚乙烯 < 增韧剂，其中各塑料成分的线性热膨胀系数均远大于木粉；随着WPC中塑料含量增加，WPC的线性热膨胀系数增加。(2) 在PP/PE基WPC中，随着PP/PE比值增加（即PP含量增加，同时PE含量减少），WPC的线性热膨胀系数减小；PP/PE基WPC中加入相容剂EPDM会显著增大WPC的线性热膨胀系数。（3）在PP基WPC中，随着增韧剂EPDM或POE用量增加，WPC的线性热膨胀系数增大。在增韧剂用量相等的条件下，POE对WPC线性热膨胀系数的影响较EPDM小。参考文献1 Nele Defoirdt, Soetkin Gardin, Jan Van den Bulcke, Joris Van Acker. Moisture dynamics of WPC and the impact on fungal testingJ. International Biodeterioration & Biodegradation, 2010, 64: 65-72.2 Andrea Wechsler, Salim Hiziroglu. Some of the properties of woodplastic composites J. Building and Environment, 2007, 42:2637-2644.3王清文, 王伟宏. 木塑复合材料与制品M. 北京: 化学工业出版社, 2007: 2- 7.4Stark, N. M.,Gardner, D. J. Outdoor durability of wood-polymer compositesM. Wood-polymer composites. Cambridge, England : Woodhead Publishing, 2008: 142- 165.5王伟宏, 宋永明, 高华等译. 木塑复合材料M. 北京: 科学出版社, 2010:279- 286.6 R. A. Schapery. Thermal expansion coefficients of composite materials based on energy principlesJ. Journal of Composite Materials, 1968, 2(3): 380 404. 7 Sanjeev Singh, A.K. Mohanty. Wood fiber reinforced bacterial bioplastic composites: Fabrication and performance evaluation J. Composites Science and Technology, 2007, 67: 1753 1763.8 Sreekala G. Bajwa,Dilpreet S. Bajwa, Greg Halt. Optimal Substitution of Cotton Burr and Linters in Thermoplastic CompositesJ. Forest Products Journal, 2009, 59(10):40-46.9J. F. Shackelford and W. Alexander. CRC Material Science and Engineering HandbookM. 3rd edition, CRC Press, Boca Raton,FL, 2001: 510- 513.10 Nakamura. Masanori, Karukaya. Koichi, Noguchi. Kazuhiro et al. Polyolefin article and methods for manufacture thereofJ. United States Patent Application, 2002: 1- 12.11 方征平, 宋义虎, 沈烈. 高分子物理M. 浙江大学出版社, 2005: 111-113.12 何曼君, 张红东, 陈维孝等. 高分子物理M. 第三版, 复旦出版社, 2010: 148- 149.13 吴培熙, 张留城. 聚合物共混改性M. 中国轻工业出版社, 1996: 197.14 雷芳. POE-g-MAH在PP基木塑复合材料中的应用J. 塑料工业, 2008, 36(11): 49- 54.