不同無機粉體在PE木塑復合材料中的應用研究

宋建強，彭鶴松，王光碩，王玉梅

（1．江西廣源化工有限責任公司，江西吉安331500；2．東莞市漢維科技股份有限公司，廣東東莞523525）

不同無機粉體在PE木塑復合材料中的應用研究

宋建強1，彭鶴松1，王光碩1，王玉梅2

（1．江西廣源化工有限責任公司，江西吉安331500；2．東莞市漢維科技股份有限公司，廣東東莞523525）

通過在聚乙烯（PE）木塑復合材料中分別添加碳酸鈣、滑石粉和硅灰石3種無機粉體材料，并采用掃描電子顯微鏡、萬能力學性能實驗機和熱力學分析儀等對無機粉體的顆粒大小、微觀形貌以及復合材料的力學性能等進行了測試。結果表明，硅灰石制備的PE木塑復合材料的彎曲性能最佳，滑石粉制備的PE木塑復合材料沖擊性能較好；對于3種無機粉體而言，隨著無機粉體添加量逐漸增加至15份（質量份，下同），PE木塑復合材料的力學性能逐漸提升，當無機粉體添加量增加至20份時，PE木塑復合材料的力學性能出現下降，密度和硬度逐漸增大，24 h吸水率和線性熱膨脹系數逐漸降低。

木塑復合材料；碳酸鈣；硅灰石；滑石粉；力學性能；密度；吸水率

0 前言

木塑復合材料主要是以熱塑性塑料、植物纖維、填料和加工助劑等原材料按照一定的比例復合而成的一種新型功能材料。這種復合材料集木材和塑料的優點于一身，其具有耐水、耐腐、耐蟲蛀、強度高、原材料來源廣泛和可切割刨鋸等優點［1-3］，是一種極具發展前途的綠色環保復合材料，被廣泛地應用于家具、園林、裝飾和建材用品等行業［4-6］。

雖然木塑復合材料優點眾多，但由于生產技術和加工設備等因素的制約，導致木塑復合材料的生產成本偏高，很大程度的限制了木塑復合材料的長遠發展和廣泛應用，而在木塑復合材料中添加無機粉體不僅能極大地降低生產成本，而且還可以提高木塑產品的拉伸強度、彎曲性能、沖擊性能、抗蠕變性、耐熱性能及改善產品的加工流動性等［7-8］。本文分別采用碳酸鈣、硅灰石和滑石粉3種不同無機粉體對PE木塑復合材料進行填充改性，考察了不同無機粉體對制備的木塑復合材料的力學性能、密度和吸水率的影響，為木塑復合材料制品的設計、生產和應用提供重要參考。

1 實驗部分

1.1 主要原料

高密度聚乙烯（PE-HD），5000S，中國石化蘭州有限公司；

木粉，170μm，山東臨沂瑞達木粉有限公司；

PE回收料，揭陽市藍城區磐東林旭塑料廠；

碳酸鈣，CC-800、CC-1250，性能參數見表1，江西廣源化工有限責任公司；

表1 不同品種無機粉體的性能指標Tab．1 Properties of different kinds of inorganic powders

滑石粉，HS-218、HS-358，江西廣源化工有限責任公司；

硅灰石，GY-219、GY-319，江西廣源化工有限責任公司；

硬脂酸，SA1801，南昌明瑞化工有限公司；

抗氧劑，GY-1010，北京極易化工有限公司；

大紅色粉，TC-SF01，東莞市泰昌樹脂材料有限公司；

硅烷偶聯劑，KH550，南京和潤偶聯劑有限公司。

1.2 主要設備及儀器

單螺桿擠出機，JWELL-2011，上海金緯擠出機械制造有限公司；

雙螺桿擠出機，JWS 200，上海金緯擠出機械制造有限公司；

高速混合機，DYHL，蘇州大云塑料回收輔助設備有限公司；

激光粒度儀，3000E，英國馬爾文公司；

萬能力學性能實驗機，CMT-6104，美斯特工業系統（中國）有限公司；

電子密度計，DH-300，北京伊若特電子儀器公司；

肖氏硬度計，TH210-D，上海倫捷機電儀表有限公司；

熱力學分析儀（DMA），Q400，美國TA公司；

全自動比表面積分析儀，NOVA 2000E，美國康塔儀器公司；

場發射掃描電子顯微鏡（SEM），ΣIGMA，卡爾蔡司光學（中國）有限公司。

1.3 樣品制備

首先，將木粉放入烘箱中，在120℃溫度下干燥2 h除去其中的水分，然后按照木粉62份、PE回收料30份、PE-HD 2份、硬脂酸2份、偶聯劑1份、抗氧劑0．3份、色粉2份配方稱量各物料，設無機粉體含量為變量，分別為5、10、15、20份；然后把配好的料放入高速混合機中混合10 min，再通過雙螺桿擠出機造粒，雙螺桿擠出機一區～九區溫度分別為115、135、155、175、185、184、187、185、157℃，主機轉速為396 r/min；最后通過單螺桿擠出機擠出成型得到木塑復合材料，單螺桿擠出機一區～四區溫度分別為173、178、161、148℃，主機轉速為11 r/min。

1.4 性能測試與結構表征

SEM分析：對無機粉體作噴金處理，采用SEM對其進行直接觀察；

粒徑分布：馬爾文激光粒度儀測量無機粉體的粒徑分布；

比表面積：采用靜態測試法，通過全自動比表面積分析儀進行BET多點測試；

彎曲強度按GB/T 9341—2000進行測試，試驗速率為10 mm/min；

沖擊強度按GB/T 1043—1993進行測試，樣條C型缺口，擺錘沖擊能為2 J；

吸水率按GB/T 17657—1999進行測試，樣品浸泡時間約為24 h；

密度按GB/T 1033．1—2008進行測試；

硬度按GB/T 531—1999進行測試；

線性熱膨脹系數按GB/T 1036—2008進行測試，樣品尺寸為100．2 mm×12．5 mm×6．3 mm。

2 結果與討論

2.1 無機粉體的SEM分析

圖1為不同品種無機粉體的SEM照片，放大倍數均為5000倍。從圖1可以看出，碳酸鈣CC-800和CC-1250均呈不規則立方體狀結構，CC-1250的粒徑要比CC-800小。滑石粉HS-218和HS-358均呈層狀、片狀結構，HS-358的粒徑要比HS-218小。硅灰石粉GY-219和GY-319均呈針狀、塊狀結構，GY-319的粒徑要比GY-219小。

圖1 不同品種無機粉體的SEM照片Fig．1 SEM images of different kinds of inorganic powders

2.2 木塑復合材料的力學性能

圖2為PE木塑復合材料中添加不同品種無機粉體（CC-800、CC-1250，HS-218、HS-358、GY-219、GY-319）后的彎曲強度。可以看出，隨著無機粉體含量的逐漸增大，PE木塑復合材料的彎曲強度先呈上升后下降趨勢。在不同無機粉體的相同添加份數下，硅灰石的彎曲強度最大，其次是滑石粉，再次是碳酸鈣。在同種無機粉體填充的情況下，粒徑較小的無機粉體對PE木塑復合材料的彎曲強度有較大貢獻，這是因為粒徑細的無機粉體正好可以填充在木粉粒子間的間隙中，從而提高了PE木塑復合材料的密度，PE木塑復合材料的應力得到增加，彎曲強度得到提升［4，9］。

圖2 不同無機粉體對PE木塑復合材料彎曲強度的影響Fig．2 Effect of inorganic powders on the bending strength of PE-based wood-plastic composites

從圖3中可以看出，隨著無機粉體含量的逐漸增大，PE木塑復合材料的沖擊強度呈先上升后下降趨勢；在不同無機粉體相同填充量的情況時，滑石粉HS-358的沖擊強度最大，其次是硅灰石GY-219、GY-319，碳酸鈣CC-800、CC-1250稍差，這是由于滑石粉呈片狀結構，硅灰石呈針狀結構，這種晶型結構對提高材料的沖擊性能有很大幫助；其中HS-358的沖擊強度大于HS-218，這表明滑石粉的硅含量對材料的力學性能有影響，硅含量越大，補強力學性能越好；在同種無機粉體填充的情況下，粒徑小的無機粉體填充的PE木塑復合材料其沖擊強度要大。

圖3 不同無機粉體對PE木塑復合材料沖擊強度的影響Fig．3 Effect of inorganic powders on the impact strength of PE-based wood-plastic composites

2.3 木塑復合材料的密度

從圖4中可以看出，隨著無機粉體含量的逐漸增大，PE木塑復合材料的密度逐漸增大；在不同無機粉體填充情況下相同，碳酸鈣CC-800、CC-1250填充的PE木塑復合材料的密度較大，這是由于碳酸鈣呈不規則立方體狀結構結構，更易填充在木粉粒子間的間隙中，從而提高了PE木塑復合材料的密度；在同種無機粉體填充的情況下，無機粉體的粒徑越細填充的PE木塑復合材料的密度越大。

圖4 不同無機粉體對PE木塑復合材料密度的影響Fig．4 Effect of inorganic powders on the specific gravity of PE-based wood-plastic composites

2.4 木塑復合材料的吸水率

從圖5可以看出，隨著無機粉體含量的逐漸增加，PE木塑復合材料的24 h吸水率逐漸降低，這是由于木粉的吸水率大于無機粉體，隨著無機粉體含量的增加，木粉相對含量減少，吸水率也隨著降低［10-11］；其中在不同無機粉體相同的添加份數下，硅灰石GY-319、GY219填充在PE木塑復合材料的吸水率最低，最有利于提高PE木塑復合材料的耐水性能，其次是滑石粉，再次是碳酸鈣。

圖5 不同無機粉體對PE木塑復合材料24 h吸水率的影響Fig．5 Effect of inorganic powders on the water absorption of PE-based wood-plastic composites

2.5 木塑復合材料的硬度

從圖6可以看出，隨著無機粉體含量的逐漸增大，PE木塑復合材料的肖氏硬度逐漸增大；在不同無機粉體相同添加量時，硅灰石GY-219、GY-319填充的PE木塑復合材料的硬度最大，其次是碳酸鈣CC-800、CC-1250，滑石粉HS-218、HS-358硬度最小，這是由于無機粉體本身的硬度對復合材料的硬度有很大的影響。此外還可以發現，在同種無機粉體填充的情況下，無機粉體的粒徑越細填充的PE木塑復合材料的硬度越大。

圖6 不同無機粉體對PE木塑復合材料硬度的影響Fig．6 Effect of inorganic powders on the hardness of PE-based wood-plastic composites

2.6 木塑復合材料的線性熱膨脹系數

從圖7可以看出，隨著無機粉體含量的逐漸增大，PE木塑復合材料的線性熱膨脹系數逐漸降低；在不同無機粉體填充時，硅灰石GY-219、GY-319填充的PE木塑復合材料的線性熱膨脹系數最小，其次是滑石粉HS-218、HS-358，碳酸鈣CC-800、CC-1250線性熱膨脹系數最大。這是由于隨著無機粉體含量的增加，木粉相對含量減少，木粉線性熱膨脹系數比無機粉體大，所以表現出線性熱膨脹系數降低的趨勢［12］。此外還可以發現，在同種無機粉體填充的情況下，無機粉體的粒徑越細填充的PE木塑復合材料的線性熱膨脹系數越大。

圖7 不同無機粉體對PE木塑復合材料線性熱膨脹系數的影響Fig．7 Effect of inorganic powders on the linear thermal expansion coefficients of PE-based wood-plastic composites

3 結論

（1）隨著無機粉體添加量的逐漸增大，PE木塑復合材料的沖擊強度和彎曲強度均表現出先上升后下降趨勢；硅灰石GY-319在提高PE木塑復合材料的彎曲強度方面最具優勢，而滑石粉HS-358在提高PE木塑復合材料沖擊強度方面表現最佳；PE木塑復合材料的密度和硬度均呈現逐漸增大的趨勢，PE木塑復合材料的24 h吸水率和線性熱膨脹系數均逐漸降低；

（2）與其他2種填料相比，碳酸鈣填充PE木塑復合材料的密度相對較大，硅灰石填充PE木塑復合材料的硬度最大，同時最有利于降低PE木塑復合材料的吸水率和線性熱膨脹系數。

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Study on Applications of Different Inorganic Fillers in Polyethylene Wood-plastic Composites

SONG Jianqiang1，PENG Hesong1，WANG Guangshuo1，WANG Yumei2
（1．Jiangxi Guangyuan Chemical Co，Ltd，Ji’an 331500，China；2．Dongguan CHNV Technology Co，Ltd，Dongguan 523525，China）

In this study，polyethylene（PE）wood-plastic composites were prepared with addition of calcium carbonate，talc powder and wollastonite as inorganic fillers．Particle size，morphologies and specific surface areas of these inorganic fillers were examined，and the effects of these fillers on various properties of the composites were investigated．The mechanical results indicated that bending strength of the composites with wollastonite achieved an optimum value while the composites containing talc powder obtained better impact toughness．Most of all，the mechanical properties，specific gravity，water absorption and hardness of the composites were improved gradually with addition of inorganic fillers up to 15 phr．However，when the inorganic fillers were excessive over 20 phr，the density and hardness of the composites still kept an increase，but their water absorption and linear thermal expansion coefficients tended to decrease．

wood-plastic composite；calcium carbonate；wollastonite；talc powder；mechanical property；density；water absorption

TQ320

B

1001-9278（2017）01-0070-05

10．19491/j．issn．1001-9278．2017．01．013

2016-08-16

聯系人，420266044＠qq．com