聚氯乙烯/秸稈粉木塑復合材料的性能研究

王博聞，路 琴

(南京農業大學工學院，江蘇 南京 210000)

聚氯乙烯/秸稈粉木塑復合材料的性能研究

王博聞，路 琴*

(南京農業大學工學院，江蘇 南京210000)

采用模壓成型法制備了聚氯乙烯(PVC)/秸稈粉木塑復合材料，研究了秸稈粉含量及不同偶聯劑處理對復合材料力學性能和接觸角的影響。結果表明，當秸稈粉含量為40%(質量分數，下同)時，復合材料的彎曲強度最大，且在復合材料的內部，秸稈纖維相對較均勻地分布于PVC基體中，復合材料性能相對較好；經偶聯劑改性的復合材料的力學性能均有所提高，經硅烷偶聯劑改性的秸稈粉含量為50%的復合材料的洛氏硬度、彎曲強度均最大；且在復合材料內部，秸稈纖維更均勻地融入PVC基體中，硅烷偶聯劑的改性效果較好。

聚氯乙烯；秸稈；復合材料；力學性能；偶聯劑；接觸角

0 前言

木塑復合材料是以木粉與塑料為主要原料，不僅具有原木特有的木質感，且其具有力學性能和尺寸穩定性較好，耐水性、耐磨性、耐化學腐蝕性優良，不怕蟲蛀，易于著色，維護要求低，使用壽命長，易于成型，可二次加工等眾多優異性能。既可以解決廢棄塑料造成的“白色污染”問題，又可以提高農林廢棄物的利用率，變廢為寶，得到高附加值的工業化產品。提高木粉含量，降低成本，具有廣泛的市場和良好的發展前景[1]。PVC木塑復合材料是以PVC和木質纖維為主要原料制成的復合材料,兼具有木質材料的使用性能和塑料的熱塑加工性能,主要可替代天然木材而被廣泛使用[2]。

王瀾等[3]制備了PVC/稻殼粉復合材料,研究了稻殼粉含量對復合材料性能的影響。孔展等[4]在PVC/木粉復合材料的擠出研究中,探究了木粉含量對PVC/木粉復合材料力學性能的影響。結果表明,復合材料的拉伸強度、拉伸模量以及彎曲模量受木粉含量的影響較大,而復合材料的抗沖擊性能受木粉含量的影響相對較小。陳磊[5]研究發現，竹粉含量對PVC/竹粉復合材料的沖擊強度、拉伸強度和彎曲強度具有顯著影響，竹粉含量不斷增加時，PVC/竹粉復合材料的沖擊強度、拉伸強度及彎曲強度不斷降低；竹粉含量大于40 %時，隨著竹粉含量的增加，復合材料的力學性能下降，且下降速度相對較快。

木質纖維與PVC基體兩者界面不相容，因此，研究學者多采用改性的方法，比如利用接枝共聚法、乙酰化法、單體預浸漬聚合法和添加偶聯劑等，改善兩者的界面相容性，從而提高PVC/木質纖維復合材料的力學性能[6-7]。楊鳴波等[8]使用了一種含酯鍵的表面活性劑處理秸稈粉,制備了秸稈木塑復合材料,結果表明秸稈木塑復合材料的拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度隨秸稈含量的增加而下降,但下降幅度較小。所選用的處理劑對復合材料的沖擊強度、拉伸強度、彎曲強度及加工性能有較好的改善作用。在填充塑料行業,硅烷是重要的偶聯劑,它可以將無機填料嵌結到聚合物基體上[9]。在PVC復合材料中加入一定的偶聯劑或成型劑可在一定程度上提高復合材料的穩定性[10]，硅烷偶聯劑能使PVC基體與稻殼兩者的界面相容性得到有效改善,其中復合材料的抗沖擊性能受硅烷偶聯劑的影響較大，硅烷偶聯劑對沖擊強度的提高作用較明顯[11]。

本文采用單因素實驗法，通過模壓成型法，制備了不同秸稈粉含量的PVC/秸稈粉木塑復合材料和固定秸稈粉含量下，經不同偶聯劑改性的PVC/秸稈粉木塑復合材料，并對制備的復合材料進行了性能測試，確定了秸稈粉的最佳含量以及最佳改性偶聯劑的類型。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PVC，粉狀，PVCQS-1000F，中國石化齊魯石油化工公司；

秸稈粉，小麥，250μm,自制；

鋁箔紙，尺寸為30cm×15μm×8m，上海克林萊塑料有限公司；

硅烷偶聯劑，KH-570，南京優普化工有限公司；

鈦酸酯偶聯劑，VP-201，南京優普化工有限公司；

無水乙醇，相對分子質量為46.07，分析純，上海久億化學試劑有限公司。

1.2 主要設備及儀器

電熱恒溫鼓風干燥箱，XMTD-8222，上海精宏實驗設備有限公司；

平板硫化機，XLB-D，湖州順利橡膠機械有限公司；

流水式粉碎機，HK-08B，廣州旭朗機械設備有限公司；

電子天平，UTP-313，上海花潮電器股份有限公司；

高速混合機，3205，德國博朗公司；

洛氏硬度計，XHR-150，上海聯爾試驗設備有限公司；

振動篩，ZS-400，無錫新標粉體機械有限公司；

簡支梁沖擊試驗機，XJJ-5，承德金建檢測儀器有限公司；

接觸角測量儀，JC2000D1，上海中晨數字設備有限公司；

電子萬能試驗機，CMT6104，美特斯工業系統(中國)有限公司；

日本尼康體視顯微鏡，NikonSMZ1000，上海衡浩儀器有限公司。

1.3 樣品制備

秸稈粉的制備：本文采用的是秸稈，由于買到的秸稈中含有雜物或已腐蝕的秸稈，需將秸稈進行粗略地挑選分離，而長的軟秸稈在粉碎機中又容易纏繞刀片，還需將其剪成25～50mm長的碎秸稈，以提高磨粉的效率和品質；用粉碎機將碎秸稈磨粉，再用裝有250μm濾網的振動篩進行篩粉，然后再對直徑較長的秸稈粉進行二次磨粉和篩粉，最終得到直徑為250μm的秸稈粉；用電熱鼓風干燥箱將制得的秸稈粉在105℃下干燥12h，得到干燥的秸稈粉;

PVC材料的處理：由于PVC的熔點較低，取PVC粉末放入電熱鼓風干燥箱中，70℃下干燥5h;

秸稈粉的改性：本文選用鈦酸酯偶聯劑和硅烷偶聯劑對秸稈粉進行改性。首先，在小噴霧瓶中量取一定含量的無水乙醇和偶聯劑的混合液，搖勻，同時將均勻混合的秸稈粉與PVC材料放入鋪有鋁箔紙的托盤中，邊噴灑無水二醇偶聯劑的混合液，邊用攪拌棒攪拌秸稈粉與PVC混合材料，這樣便于均勻噴灑混合液；改性的秸稈粉，由于其中含有無水乙醇，無水乙醇在高溫下易燃易爆，因此在復合材料的制備過程中，需要除去其中的無水乙醇。具體方法是將噴灑過混合液的秸稈粉與PVC混合材料在室溫下通風處放置12h，使偶聯劑與混合材料充分發生反應，然后，將其放入電熱鼓風干燥箱中，70℃下干燥4h，備用；

偶聯劑的用量：本文選取2種偶聯劑改性的秸稈粉含量均為50%，偶聯劑的含量為秸稈粉質量的2%，在經偶聯劑改性的復合材料制備中，還應加入偶聯劑5倍質量的無水乙醇，促進偶聯劑與秸稈粉混合物的充分反應；

PVC/秸稈粉復合材料的制備：將干燥后的秸稈粉與PVC混合材料，采用模壓成型法，通過平板硫化機，將混合材料模具放置于模壓設備上，加壓至14MPa，當上下板溫度穩定在160℃時，計時，開始放氣操作，每5min放氣一次，一共放氣3次，取下模具，冷卻至室溫，即可脫模，制備出PVC/秸稈粉復合材料板材，其尺寸大小為120mm×100mm，然后，通過切割機，將板材切割成100mm×10mm的樣條，備用。

1.4 性能測試與結構表征

(a)洛氏硬度 (b)拉伸強度 (c)彎曲強度 (d)沖擊強度圖1 秸稈粉含量對復合材料力學性能的影響Fig.1 Effect of straw powder content on mechanical properties of the composites

拉伸強度按GB/T1040—2006測試，樣條尺寸為150mm×20mm×4mm，拉伸速率為50mm/min；

彎曲強度按GB/T1040.2—2006測試，樣條尺寸為150mm×20mm×4mm，彎曲速率為100mm/min；

沖擊強度按GB/T1843—2008測試，U形缺口，沖擊能量為5J，擺錘速率為290mm/min；

洛氏硬度按GB/T9342—1998測試；

SEM分析：將樣條冷凍脆斷后對斷面進行噴金處理，在SEM上觀察并拍照，放大倍率為5000倍，加速電壓為10kV；

接觸角測試：采用接觸角測量儀對復合材料的親疏水性進行測試，測定25℃下純水對復合材料靜態接觸角的大小，每個樣品測試4次，取其平均值。

2 結果與討論

2.1 秸稈粉含量對復合材料力學性能的影響

從圖1(a)中可以看出，PVC/秸稈粉木塑復合材料的洛氏硬度與復合材料的質密程度有關，隨著秸稈粉含量的增加，復合材料的洛氏硬度呈先增大后減小的趨勢，當秸稈粉含量較低時，秸稈纖維能夠相對比較均勻地分布于PVC基體中，但當秸稈粉含量較多時，在PVC基體中，秸稈纖維出現團聚現象，導致復合材料的致密程度降低。在秸稈粉含量為30%左右時，材料的致密程度相對較高，復合材料的硬度相對較大；當秸稈粉含量大于50%時，隨著含量的增多，復合材料的洛氏硬度呈下降趨勢，但其硬度下降速度較為緩慢。因此當秸稈粉含量為30%時，PVC/秸稈粉木塑復合材料的硬度最大。

由圖1(b)可知，PVC/秸稈粉復合材料的拉伸強度隨秸稈粉含量的增加而降低，當秸稈粉含量為20%時，復合材料的拉伸強度最大,為23.4MPa；隨著秸稈粉含量的增加，復合材料的拉伸強度呈下降趨勢，當秸稈粉含量大于30%時，復合材料的拉伸強度減小的速度逐漸變緩。

秸稈纖維有著較好的彈性，因此，秸稈纖維能夠提高PVC基體的彎曲強度。從圖1(c)中可知，隨著秸稈粉含量的不斷增加，復合材料的彎曲強度呈先增大后減小的趨勢；當秸稈粉含量為20%～40%時，復合材料的彎曲強度隨秸稈粉含量的增加而增大。當秸稈粉含量為40%時，復合材料的彎曲強度最大，為38.5MPa，當秸稈粉含量大于40%時，復合材料的彎曲強度隨秸稈粉含量的增加而減小。綜上所述，當秸稈粉含量為40%時，復合材料的彎曲強度較大，彎曲性能較好。

秸稈粉含量/%：(a)20 (b)30 (c)40 (d)50 (e)60圖3 不同秸稈粉含量復合材料的SEM照片Fig.3 SEM of the composites with different straw powder contents

從圖1(d)可以看出，復合材料的沖擊強度整體呈下降趨勢，由于秸稈纖維與PVC基體不相容，當秸稈粉含量增加時，秸稈纖維不能較好地融入PVC基體中，導致復合材料內部孔隙增多增大，致使材料的沖擊強度降低。當秸稈粉含量為20%時，復合材料的沖擊強度最大，為7.2705kJ/m2，當秸稈粉含量從20%增大到40%時，PVC復合材料的沖擊強度緩慢減小，當秸稈粉含量大于40%時，復合材料的沖擊強度的減小速度開始增大，當秸稈粉含量較大時，秸稈纖維在PVC基體中出現團聚現象，很大程度上降低了復合材料的沖擊性能。

2.2 秸稈粉含量對復合材料接觸角的影響

從圖2可以看出，復合材料的接觸角整體呈上升趨勢，但當秸稈粉含量為50%時，接觸角驟然減小，可能是由于在制備復合材料試樣時，秸稈粉與PVC沒有混合均勻，導致測量數據異常。當接觸角小于90°時，接觸角越小，固體的親水性越好，液體較易浸潤固體，測試的接觸角均小于90°，復合材料的表面具有親水性，蒸餾水較易浸潤PVC/秸稈粉復合材料。

圖2 秸稈粉含量對復合材料接觸角的影響Fig.2 Effect of straw powder content on water contact angle of the composites

2.3 不同秸稈粉含量復合材料的SEM分析

從圖3可以看出，當秸稈粉含量較低時，秸稈纖維在PVC基體中分布相對較均勻，如圖3(a)、3(b)、3(c)所示，其中白色長條狀為秸稈纖維，均勻地分布于PVC基體中。當秸稈粉含量較高時，如圖3(d)、3(e)所示，秸稈纖維在PVC基體內分布逐漸不均勻，兩者相容性不好，在PVC內部，秸稈纖維出現堆積團聚現象，由此可印證，在秸稈粉含量≥20%時，PVC/秸稈粉木塑復合材料的力學性能逐漸降低。

2.4 不同偶聯劑處理對復合材料力學性能的影響

由圖4(a)中可知，經偶聯劑處理改性的PVC/秸稈粉木塑復合材料的洛氏硬度明顯大于未添加偶聯劑的。添加硅烷偶聯劑處理改性的PVC/秸稈粉木塑復合材料的洛氏硬度為117.81，添加鈦酸酯偶聯劑改性處理的復合材料的洛氏硬度為114.55，2種偶聯劑處理改性均能使復合材料的洛氏硬度提高，而硅烷偶聯劑比鈦酸酯偶聯劑對復合材料洛氏硬度的提高作用稍強，由此可知，硅烷偶聯劑能更好地改性秸稈粉，提高PVC/秸稈粉木塑復合材料的洛氏硬度。

(a)洛氏硬度 (b)拉伸強度 (c)彎曲強度 (d)沖擊強度圖4 不同偶聯劑處理對復合材料力學性能的影響Fig.4 Effect of different coupling agents on mechanical properties of the composites

由圖4(b)可知，添加偶聯劑處理改性的PVC/秸稈粉木塑復合材料的拉伸強度明顯大于未添加偶聯劑復合材料的拉伸強度。與硅烷偶聯劑相比，添加鈦酸酯偶聯劑處理改性的復合材料的拉伸強度比未改性復合材料的拉伸強度要提高的更多。由此可知，鈦酸酯偶聯劑比硅烷偶聯劑更易于提高復合材料的拉伸強度。

從圖4(c)可以看出，添加偶聯劑改性的PVC/秸稈粉木塑復合材料的彎曲強度大于未添加偶聯劑改性的復合材料的彎曲強度。與鈦酯酯偶聯劑相比，添加硅烷偶聯劑處理改性的復合材料的彎曲強度比未添加偶聯劑的復合材料的彎曲強度要提高的更多。對比可知，經硅烷偶聯劑處理改性的復合材料的彎曲強度相對較高，因此，硅烷偶聯劑能夠更好地提高秸稈纖維與PVC基體的界面相容性，硅烷偶聯劑比鈦酸酯偶聯劑更易于提高木塑復合材料的彎曲強度。

從圖4(d)可以看出，添加偶聯劑處理改性的PVC/秸稈粉木塑復合材料的沖擊強度大于未添加偶聯劑處理的；與硅烷偶聯劑相比，添加鈦酸酯偶聯劑處理改性的復合材料的沖擊強度比未添加偶聯劑的復合材料的沖擊強度要提高的更多。綜上可知，經鈦酸酯偶聯劑改性處理的復合材料具有較好的沖擊性能，與硅烷偶聯劑相比，鈦酸酯偶聯劑處理改性更易于提高復合材料的沖擊強度。

2.5 不同偶聯劑處理的復合材料的接觸角

從圖5中可知，添加偶聯劑改性處理復合材料的接觸角比未添加偶聯劑的復合材料的接觸角大；經硅烷偶聯劑處理改性的接觸角大于經鈦酸酯偶聯劑處理改性復合材料的接觸角，經偶聯劑處理改性復合材料表面具有一定的疏水性，經硅烷偶聯劑改性的復合材料的疏水性更強。

圖5 不同偶聯劑處理對復合材料接觸角的影響Fig.5 Effect of different coupling agents on water contact angle of the composites

2.6 不同偶聯劑處理的復合材料的SEM分析

(a)硅烷偶聯劑改性 (b)鈦酸酯偶聯劑改性 (c)未改性圖6 不同偶聯劑處理的復合材料的SEM照片Fig.6 SEM of the composites treated with different coupling agents

從圖6可知，與未添加偶聯劑改性處理的復合材料相比，添加偶聯劑改性的復合材料中，秸稈纖維在PVC基體中分布更均勻，秸稈纖維能夠更好地融入PVC基體，兩者相容性更好。

3 結論

(1)當秸稈粉含量為40%時，秸稈纖維在PVC基體中分布比較均勻，復合材料的整體性能相對較好；

(2)經硅烷偶聯劑改性的秸稈粉含量為50%復合材料的洛氏硬度、彎曲強度均最大；且在復合材料內部，秸稈纖維更均勻地融入PVC基體中，硅烷偶聯劑改性效果較好；

(3)硅烷偶聯劑對PVC/秸稈粉木塑復合材料的改性效果比鈦酸酯偶聯劑的好。

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StudyonPropertiesofPoly(vinylchloride)/WheatStrawComposites

WANG Bowen, LU Qin*

(College of Engineering, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210000, China)

Poly(vinyl chloride) (PVC)/wheat straw composites were prepared by a compression molding method, and effects of contents of wheat straw powders and different coupling agents on their mechanical properties and contact angle were investigated. The results indicated that the composites achieved a maximum flexural strength when 40 wt % of straw powders was incorporated, and the straw powders were homogenously dispersed in the PVC matrix, leading to good properties of the composites. The mechanical properties of the composites could be further improved through the modification of straw powders with coupling agents, and their flexural strength and Rockwell hardness achieved the optimum values with addition of 50 wt % straw powders. In this case, the straw powders could be distributed in the matrix more homogenously due to the surface modification with coupling agents.

poly(vinyl chloride); straw powder; composite; mechanical property; coupling agent; contact angle

TQ325.3文獻標識碼B文章編號1001-9278(2017)09-0062-06

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.09.009

2017-04-11

*聯系人，luqin@njau.edu.cn