木塑復合緩沖包裝材料老化性能分析

譚偉平，肖生苓

(東北林業大學工程技術學院，哈爾濱150040)

復合材料的耐老化性能是衡量產品性能的一項重要指標，它是指復合材料抵抗溫度、水、光等環境因素作用的最大承受能力，是綜合評價復合材料實際使用質量優劣的最有說服力的指標［1］。因此，木塑復合緩沖包裝材料的老化性能研究，對于其投入實際生產和使用具有重要的現實意義。本研究是以木粉、PVC樹脂為原材料，應用PVC樹脂、木質纖維改性以及改善界面相容性等技術手段，在添加如偶聯劑、增塑劑、潤滑劑、熱穩定劑和發泡劑等特制助劑的基礎上，采用一定工藝制備的木塑復合緩沖包裝材料。

1 木塑復合緩沖包裝材料老化原因分析

木塑復合緩沖包裝材料在使用過程中，容易受到外界如光照、溫度、濕度、機械應力及細菌侵襲等老化因素的影響，木塑復合材料的表面氧化及吸濕導致界面分離和材質結晶度改變等因素的綜合作用使其拉伸性能、壓縮性能、剪切性能、彎曲性能和沖擊性能等力學性能下降。

影響木塑復合緩沖包裝材料老化性能的因素有很多，這里探究其主要的配方組分 (木粉、PVC樹脂、偶聯劑、增塑劑等)對其老化性能的影響。

1.1 木粉

木質剩余物本身的老化過程與實木的老化過程相似［2］。木塑復合緩沖包裝材料中的木粉由于日光的照射，尤其是日光中紫外線的照射，會使復合材料質地松軟、粗糙和脫落，使材料的表觀性能發生變化，研究證明，紫外線光照射加噴水處理實際上會沖刷掉一層木質素，使木材降解［3］，木材表面遭到破壞，使得水分更容易進入材料內部，水分的侵入減小了材料界面的粘合力，進而降低了基體與填充材料之間的應力傳遞，水分進入材料內部，使得材料整體發生膨脹，材料內部部分產生細微裂紋，水分與光線更容易進入材料內部，進一步加速了材料的老化，遭受破壞后生成水溶性產物并最終形成發色官能團，如羧基、過氧羥基等結構，成為木材褪色的主要原因。木塑復合材料中的木粉還會受到真菌的腐蝕，破壞其中的纖維素和木質素等，使得材料的力學性能降低。

木塑復合材料的主要組分之一是木粉，木粉中含有大量的植物纖維，植物纖維表面含有大量的羥基，具有很強的極性，是親水性物質［4］，木塑復合材料的吸水主要是由木粉中的木質纖維引起的，木粉中含有的水分子也降低了木塑復合材料中特制助劑的作用，特別是當木粉含量較大而又發生聚團時，木塑復合材料就更容易吸水［5］。長時間暴露于外界的木塑復合材料，水分會使木材基體發生溶脹，當剪應力大于黏合力時，就會引起脫黏破壞兩種物質的化學結合［6］，進而減小了木塑復合材料木粉與聚合物的結合應力，加劇了材料內部的開裂，從而加速了材料的老化。

另外，復合材料的質量還會由于外界的擠壓碰撞以及機械摩擦而降低。木塑復合緩沖包裝材料主要用于防止外界物理作用對物品的破壞，材料中的氣泡更容易在外界擠壓碰撞下減少，使得材料變得堅硬，失去材料應有的特性。

1.2 PVC樹脂

PVC樹脂是一種極性非結晶性高聚物。它的化學性穩定，具有良好的可塑性。可耐大部分強酸和鹽類以及還原劑和氧化劑;離開火焰自熄，是一種“自熄性”、 “難燃性”的物質。但是，它在100℃以上的溫度下，開始分解并釋放HCL，并且隨著溫度的升高，分解的速度加快，導致PVC的顏色也發生變化。PVC樹脂在高于100℃的溫度下，物理及化學性質開始發生變化，使其強度及幾何性能降低。

木塑復合材料的主要組分是植物纖維 (本文是木粉)和塑料 (本文是PVC樹脂)，一定溫度范圍內，溫度對植物纖維的強度較小［7］，但是對塑料的強度影響較大，因此，溫度主要是通過影響塑料強度來影響木塑復合材料的強度［8］。隨著溫度升高，木塑復合材料中的塑料基體大分子鏈運動加劇而發生斷裂，高聚物降解，其原有的分子組成和結構發生改變，分子間作用力減弱，導致木塑復合材料拉伸強度和彎曲強度減小，斷裂伸長率增加，降低了材料的力學性能。

1.3 偶聯劑

偶聯劑主要用于改善填充劑的分散度以提高加工性能以及增強材料的界面性能。偶聯劑的使用增強了木粉與樹脂的粘合強度，使界面層傳遞應力，提高復合材料的性能。可見，偶聯劑的老化對復合材料的質量有著至關重要的影響。常使用的偶聯劑主要有硅烷偶聯劑和鈦酸酯偶聯劑。硅烷偶聯劑含有可以水解的烷氧基，其遇水水解，降低了復合材料的力學性能，因而其耐候性差，且用硅烷偶聯劑處理過的木粉能降低式樣的氣體滲透能力［9］。而鈦酸酯偶聯劑具有很好的水解穩定性，適用于含濕量較高的填充劑。偶聯劑的使用提高了材料的耐老化性、耐磨性和耐應力等性能。含有鈦酸酯化學結構的偶聯劑，如果在材料中過剩，能使復合物表面的性能發生變化，粘度大幅降低。

1.4 增塑劑

增塑劑用于增加復合物的塑性，在木塑復合緩沖包裝材料的使用中還用于泡孔的形成。增塑劑在木塑復合材料中的含量，對泡孔的形態有重要的影響。木塑復合材料中的的增塑劑容易受外在環境如溫度、使用時間及pH值等因素的影響而釋放到外界環境中去;增塑劑很不穩定，在與非極性油脂的物品的接觸過程中，容易從木塑復合材料中溢出，尤其隨著外界濕度高低的不斷變化，復合材料內的含水率起伏變化，小分子添加劑增塑劑容易隨著復合材料中水分的運動而溢出。

2 木塑復合緩沖包裝材料老化設備及使用注意事項

在木塑復合緩沖包裝材料老化性能的研究中，其老化性能的測試是最重要的。老化方法一般分為自然老化和人工加速老化，自然老化是最能反映材料實際老化的結果的，但其試驗周期長，不適用于實驗的進行。人工加速老化能夠擬補自然老化周期長的缺點，雖然由于某些老化因素組合難以模擬，使得人工加速老化實驗得到的結果與自然環境下得到的試驗結果有所差異，但對于測試材料的老化性能沒有太大影響［10］。因此，人工加速老化在時機試驗中較為常用。

為了模擬自然氣候以便在實驗室內創造人工氣候，來進行人工加速老化試驗，一般采用老化儀進行試驗。

2.1 老化試驗設備

根據所采用的光源，人工氣候老化試驗機可分為紫外碳弧形、陽光碳弧形、紫外熒光燈型、氙弧燈型和金屬鹵素燈型等。

2.2 老化試驗設備的比較

紫外碳弧形裝置的特點:此裝置光譜不足，難維護，需噴水淋溫，不能校正。

陽光碳弧形裝置的特點:此裝置的碳棒中含有某種特殊金屬元素，光譜能量的分布較為接近太陽光。陽光碳弧裝置的短波紫外線太強，地球表面沒有此太陽光，破壞加速，與實際不符。長波紫外線與可見光與日光相差較大，不能校正，維修成本高，需噴水淋降溫。

氙弧燈型裝置的特點:此裝置分為水冷和風冷型，結構上分為樣板固定和旋轉式。其與戶外暴曬相關性較好，特別用于了解光照導致顏色變化的研究。氙弧燈型裝置的投資和運行費用較高，但低于陽光碳弧形裝置。

紫外熒光燈型裝置的特點:此裝置能在相對較窄的波長間隔內產生連續光譜，通常分布成弱峰。光源中的UVA燈管產生的從300～340 nm的波長與日光有很好的相符性，但它也發出大量波長低于300 nm的射線，正好位于太陽光波長范圍外，這就導致了戶外不會發生的老化過程的發生，即會引起非自然光化學變化。紫外熒光燈型幾乎沒有可見光部分，有許多褪色變化受可見光影響，因此，涉及到顏色變化的老化試驗不建議用此法。但它具有加速性較好，光譜穩定，模擬露水侵蝕簡便。相對氙弧燈型裝置，價格、運行成本和維修成本較低，操作簡單，校準方便。

2.3 人工模擬設備注意問題

(1)與戶外環境準確匹配。人工加速老化設備對試驗參數的設置很靈活，可以根據不同地域、不同氣候的差異進行設置，這樣才能更接近反映材料在真實自然氣候下的各種性能。

(2)不改變降解機理，與戶外暴曬具有相關性。材料在戶外陽光下的作用下降解，進而發生老化，對材料的老化性能產生影響的主要是陽光中可見光和紫外線，因此，選用氙弧燈型裝置比較符合自然條件下的老化。

(3)可重復性和可再現性。試驗時，同一人用同一實驗設備對同一材料樣品進行多次測量，對測量值進行差異比較;不同人用同一實驗設備對同一材料樣品進行多次測量，對測量值進行比較。這樣做能夠在一定程度上減小偶然誤差和人為因素帶來的誤差。

(4)要素的獨立控制。在研究某一要素對材料老化性能的影響時，在對該要素進行改變的同時，要保持其他要素不變，這樣才能保證實驗結果的準確性。

(5)與真實時間相比具有加速性。人工加速老化實驗法相對于自然老化，最大的優點是能夠加速材料老化，從而縮短試驗時間。

3 結束語

木塑復合緩沖包裝材料老化與多種因素有關，材料的各組分的用量、性能以及制備工藝都對材料的老化性能有一定的影響。本文首先分析了木塑復合緩沖包裝材料的老化性的影響因素:木粉、PVC樹脂、偶聯劑、增塑劑。再次簡單講述了人工氣候老化試驗機的相關類型，和每一種裝置的各自使用事項及優缺點。最后，列舉了使用人工模擬設備應注意的相關問題。

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