桐殼纖維的表面偶聯活化改性研究

劉敏毅

（福建工程學院 生態環境與城市建設學院，福建 福州 350118）

桐殼纖維的表面偶聯活化改性研究

劉敏毅

（福建工程學院 生態環境與城市建設學院，福建 福州 350118）

通過白油——桐殼纖維填充體系的小試實驗，模擬了桐殼纖維在不同偶聯劑表面改性處理后，與聚烯烴類樹脂的共混填充過程。通過實驗，為桐殼纖維作為聚烯烴類樹脂填料的研究提供了基礎數據，降低改性試驗成本，為工業生產提供一定的理論依據。

桐殼纖維； 表面偶聯

桐殼纖維可作為塑料、涂料等高分子材料的填充劑或添加劑，但由于具有纖維的固有結構特征，表面仍以極性的羥基為主，與塑料、涂料制品的非極性基團之間相容性差，為制備高性能的桐殼纖維基木塑復合材料，必須對其進行表面改性。本文通過白油模擬PE熔體，測試桐殼纖維在白油中的粘度、沉降高度和沉降體積等，考察了填充量，偶聯劑用量，溫度對白油——桐殼纖維體系的影響，并模擬預測不同偶聯劑改性后的桐殼纖維在白油中的最大模擬填充量等。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

桐殼纖維（TK）：由寧德桐油公司提供，委托建陽木粉廠研磨加工，于110 ℃下烘干3h；十八醇（SA）：工業級；硬脂酸（OA）：工業級，天津市瑞金特化學品有限公司；稀土偶聯劑（WOT）：工業級，廣東煒林納功能材料有限公司；鋁酸酯（DL411）：工業級，福建師范大學高分子實驗廠；硅烷偶聯劑（A-143）：工業級，曲阜萬達化工有限公司。

旋轉粘度計：NDJ-7型，上海天平廠；精密增力電動攪拌器：JJ-1，深圳市國華電子有限公司；電熱鼓風干燥箱：101型，北京市永光明醫療儀器廠；高速捏合機：5L，南京日升塑機廠；傅立葉紅外光譜儀：AVATAR360型。

1.2 實驗

1.2.1 桐殼纖維的偶聯改性

稱取已烘干的桐殼纖維200 g，分別加入相當于桐殼纖維質量的0.5 %、1.0 %、1.5 %、2.0 %和3.0 %的偶聯劑，于高速捏合機中以900rad/min的速度進行高攪混合。當溫度上升到110 ℃時，繼續高攪15 min，得到改性桐殼纖維。

1.2.2 改性桐殼纖維填充量模擬測定

于燒杯中稱取三份白油各50 g，分別加入10 g、20 g、30 g、40 g、50 g，改性桐殼纖維，攪拌均勻，加熱至140 ℃，停止加熱，繼續攪拌15 min，降至室溫，用旋轉型粘度計測其粘度。

1.3 表征

將混勻的B-TK體系加熱至140 ℃，停止加熱，繼續攪拌15 min，降至室溫，用旋轉粘度計測定體系粘度。在25 mL磨口量筒中，加入10 g改性桐殼纖維，加入白油至25 mL刻度處，上下震蕩30 min，靜置3h，記錄沉降體積。將2.5 g改性桐殼纖維分散于25 mL白油中，然后倒入磨口量筒，測量其相對沉降高度與時間的關系，直至平衡。

2 結果與討論

2. 偶聯劑用量對體系粘度的影響

圖1-1 桐殼纖維-白油體系粘度與偶聯劑用量關系

圖1-1為不同偶聯劑改性的桐殼的體系粘度變化。從圖1-1可以看出未改性的桐殼纖維體系粘度是665 mPa·s，而經偶聯改性后，各體系粘度均明顯下降。這是因為未改性的桐殼纖維中含有大量的極性羥基，在有機介質中容易聚集成團，與白油相界面張力較大，流體運動內摩擦力大。經偶聯劑改性后，桐殼纖維表面基團極性減弱，與非極性的白油分散介質之間的界面能減小、親和性得到改善，流體內摩擦力減小，流動性明顯增大，所以體系粘度降低［1］；但偶聯劑的用量超過某一限值時，過多的偶聯劑分子覆蓋在桐殼纖維表面，形成多分子層，易造成桐殼纖維與白油之間界面結構的不均勻性，故體系粘度反而有所增大［2］。

綜合偶聯劑的成本和效益，A-143硅烷偶聯劑和WOT在用量為0.5 %時，體系粘度就降到了最低，達到較高的改性效果。幾種偶聯劑的改性效果順序分別為：A-143改性效果最佳，WOT和OA相當，其次是DL411和SA。下表1-1為不同偶聯劑改性桐殼纖維在白油體系中的最佳用量。

表1-1 不同偶聯劑改性桐殼纖維在白油體系中的最佳用量

2.2 偶聯劑用量對沉降體積的影響

圖1-2 改變偶聯劑用量對桐殼纖維沉降體積的影響

圖1-2為改變偶聯劑用量對桐殼纖維沉降體積的影響。偶聯劑改性桐殼纖維在白油中的沉降體積隨著偶聯劑用量的增大而逐漸減小，DL411、WOT和A-143處理后的桐殼纖維沉降體積下降幅較大，對SA和OA而言，沉降體積變化情況相當。

沉降體積反映了粒子在液體中的分散性［3］。未改性的桐殼纖維表面氫鍵使其分子之間的作用力大，桐殼纖維易于聚積，粒子之間因橋聯而留有較多孔隙，沉降時易形成疏松的沉積物，完全沉降時其沉降體積較大；而對桐殼纖維進行改性后，表面基團極性減弱，粒子之間作用力減弱，在液體中分散性好，則液體對粒子有較好的潤濕性，粒子間不易聚集和粘連，沉降時粒子排列堆積緊密，完全沉降時其沉降體積較小。故隨著偶聯劑用量的增大，桐殼纖維粒子的包覆越全面，相互之間作用力越小，在白油中分散效果越好，故表現為沉降體積隨偶聯劑用量增大而減小。

2.3 改性桐殼纖維填充量模擬測定

圖1-3 體系粘度與桐殼纖維填充量的關系

圖1-3為改變改性桐殼纖維填充量對體系粘度的影響。由圖1-3可以看出，隨著桐殼纖維的增加，體系粘度明顯上升，但未改性的桐殼纖維，其體系粘度比改性桐殼纖維體系粘度上升要快：對于未改性桐殼纖維體系，當填充量達到白油質量的30 %左右時，體系粘度開始明顯上升；而經過偶聯劑改性的桐殼纖維則在白油質量的44 %才開始明顯上升，這與偶聯劑用量對體系粘度影響的實驗結果相吻合，說明改性后桐殼纖維與白油的相容性增加，可以增大其在樹脂中的填充量［3］。通過改性桐殼纖維填充量模擬研究，得出經過偶聯改性的桐殼纖維填充量約為50 %

3 結論

對桐殼纖維進行偶聯活化改性的研究發現：

通過白油——桐殼纖維填充體系的小試實驗，表明桐殼纖維與聚烯烴類樹脂的相容性均有一定程度的提高；且A-143硅烷偶聯劑和稀土偶聯劑改性的效果較好；通過對白油——桐殼纖維填充體系沉降體積的研究，表明經偶聯劑改性的桐殼纖維在白油中比未改性桐殼纖維更易沉降；鋁酸酯偶聯劑、硬脂酸和A-143硅烷偶聯劑改性的桐殼纖維能在較短的放置時間內有較大的沉降高度。通過改性桐殼纖維填充量模擬研究，得出經過偶聯改性的桐殼纖維填充量約為50 %。

［1］張文治，章文貢，湯永艷.硅灰石粉的偶聯活化改性研究［J］.塑料，2005：34（1）：69-72.

［2］滕國敏，張勇，萬超瑛，等.木塑復合材料的界面改性方法［J］.化工新型材料.2005.33（5）：7-9.

［3］陸銀平，劉欽甫，牛勝元.硅烷偶聯劑改性納米高嶺土的研究［J］.非金屬， 2008，31（5）：9-11.

JB13147福建省教育廳中青年教師教育科研項目B類

TQ320.1

A

1003-5168（2015）11-051-02