不同種類偶聯(lián)劑對PVC木塑復(fù)合材料抗沖擊性能的影響

王 菲 王 雀 鄧亞楠 楊寶生 劉 宏 沈 萍

（1.沈陽橡膠設(shè)計研究院有限公司，沈陽，110000；2.沈陽防銹包裝材料有限責(zé)任公司，沈陽，110000；3.沈陽新飛宇橡膠制品有限公司，沈陽，110000）

木材作為當(dāng)今世界公認(rèn)重要原材料之一，市場需求量巨大。天然木材資源不足已成為普遍問題，現(xiàn)有森林資源的年合理供給量僅占需求量的60%左右，且保護生態(tài)環(huán)境，禁止天然森林砍伐等資源保護政策，使木材供應(yīng)更是日趨緊張。木塑復(fù)合材料是以經(jīng)過預(yù)處理的植物纖維或粉末為主要原料，與樹脂復(fù)合而成的一種新型材料，具有防潮、防蛀、防霉、阻燃、隔音、可循環(huán)利用等諸多優(yōu)點，性能優(yōu)異、綠色環(huán)保，具有良好的市場前景，其應(yīng)用范圍不斷擴大。[1－3]

木塑復(fù)合材料的界面相容性對其性能具有重要影響，這是因為植物纖維表面具有大量的極性基團，在木塑復(fù)合材料制備過程中,親水性的纖維與疏水性的熱塑性樹脂之間,有著較大的界面能差，導(dǎo)致兩者界面相容性很差。目前,改善木塑復(fù)合材料界面相容性的主要方法是對植物纖維進行改性。其中,偶聯(lián)劑化學(xué)改性法因工藝簡單、改性效果明顯,被廣泛應(yīng)用。[4－7]

本文主要討論了不同種類偶聯(lián)劑在PVC木塑復(fù)合材料應(yīng)用中，對復(fù)合材料抗沖擊性能的影響。抗沖擊性能體現(xiàn)了材料抵抗沖擊負荷作用的能力，是一個衡量材料韌性的指標(biāo)。沖擊強度值減小，材料脆性增加。本試驗選用了硅烷偶聯(lián)劑（KH550）、鈦酸酯偶聯(lián)劑（NDZ133）、鋁酸酯偶聯(lián)劑（SG－Al821）三種偶聯(lián)劑，對比了不同偶聯(lián)劑在材料中不同用量時，復(fù)合材料抗沖擊強度的變化。分析了不同偶聯(lián)劑對PVC木塑復(fù)合材料沖擊強度的影響及其最佳用量。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

PVC樹脂S-700，中國石油化工股份有限公司，齊魯分公司；ACR 401，邵陽天堂助劑化工有限公司；ADC發(fā)泡劑，山東泰安康普司化工有限公司；復(fù)合穩(wěn)定劑，邵陽天堂助劑化工有限公司；ZB 530，山東淄博華星助劑有限公司；180目楊木粉、復(fù)合潤滑劑及其他助劑，市售；硅烷偶聯(lián)劑（KH550）、鈦酸酯偶聯(lián)劑（NDZ133）、鋁酸酯偶聯(lián)劑（SG-Al821），南京曙光化工集團有限公司。

1.2 試驗設(shè)備

高速混合機，張家港市萬凱機械有限公司；錐形雙螺桿擠出機，型號SJZ-65/132，張家港市豐誠機械有限公司；萬能制樣機，揚州騰達試驗儀器廠；沖擊試驗機，型號WJ，承德市萬吉儀器儀表有限公司。

1.3 試驗流程

木粉加偶聯(lián)劑預(yù)處理→加入其他原料 →高速混合→加熱發(fā)泡擠出→冷卻成型→牽引切割→制樣→性能測試

1.4 性能測試

表1 沖擊性能測試樣條尺寸Tab.1 The size of impact sample

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1043—2008《塑料簡支梁沖擊性能的測定》，本試驗采用簡支梁無缺口沖擊樣條尺寸如表1。實驗采用常溫(23±2℃)作為沖擊測試的溫度。

2 結(jié)果與分析

本試驗中采用的基礎(chǔ)配方為，每100份PVC樹脂中，添加40份木粉，5份復(fù)合穩(wěn)定劑，15份抗沖改性劑ACR，3份發(fā)泡劑 ADC，12份ZB530，2.5份復(fù)合潤滑劑，12份其他助劑，偶聯(lián)劑添加量以PVC樹脂為100%計，添加量分別為0，1%，1.5%，2%，2.5%，3%，3.5%，4%。測試每種偶聯(lián)劑不同用量時復(fù)合材料的抗沖擊強度，對比數(shù)據(jù)結(jié)果，進行分析總結(jié)。

2.1 偶聯(lián)劑對沖擊強度的影響

2.1.1 硅烷偶聯(lián)劑對沖擊強度的影響

由圖1可以看出，加入硅烷偶聯(lián)劑后，抗沖擊強度有所提升。從曲線變化趨勢看，隨著硅烷偶聯(lián)劑用量的增加，沖擊強度先增加，再逐漸減小，在用量2.5%時沖擊強度達到最高，強度提升47.7%。在用量為1%時，沖擊強度幾乎沒有變化，在用量1.5%時，明顯增加，說明硅烷偶聯(lián)劑改善PVC與木粉相容性需要達到一定用量才能體現(xiàn)出效果。另外，在用量為4%時，沖擊強度反而比使用硅烷偶聯(lián)劑前略低，說明硅烷偶聯(lián)劑存在最佳用量，不是越多越好，而且用量過量會起到反面效果。

圖1 硅烷偶聯(lián)劑用量對復(fù)合材料沖擊強度的影響Fig1 Effect of silane coupling agent on impact strength

2.1.2 鈦酸酯偶聯(lián)劑對沖擊強度的影響

圖2表明，加入鈦酸酯偶聯(lián)劑后，沖擊強度明顯上升，并且在用量3%時，沖擊強度達到最高，強度提升了95.3%。從曲線變化看，隨著鈦酸酯偶聯(lián)劑用量增加，抗沖擊強度先增加再減小，說明鈦酸酯偶聯(lián)劑在配方中存在最佳用量。

從沖擊強度數(shù)據(jù)對比，加入鈦酸酯偶聯(lián)劑后，改善效果明顯。雖然曲線存在波峰，但波峰變化緩慢且范圍較寬，說明鈦酸酯偶聯(lián)劑的用量穩(wěn)定區(qū)間相對較大，沒有很快出現(xiàn)反面影響。這對木塑復(fù)合材料在工業(yè)生產(chǎn)中，控制加工工藝方面是十分有利的，便于控制產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。

圖2 鈦酸酯偶聯(lián)劑用量對復(fù)合材料沖擊強度的影響Fig.2 Effect of Titanate coupling agent on impact strength

2.1.3 鋁酸酯偶聯(lián)劑對沖擊強度的影響

圖3 鋁酸酯用量對復(fù)合材料沖擊強度的影響Fig.3 Effect of aluminate coupling agent on impact strength

從圖3可以看出，加入鋁酸酯偶聯(lián)劑后，抗沖擊強度先緩慢上升而后迅速下降，在用量3.5%時沖擊強度最高，強度提升了40.9%。

這說明加入鋁酸酯偶聯(lián)劑能起到改善相容性，提高沖擊強度的作用。從圖3曲線變化趨勢看，在沖擊強度達到最高后，再添加鋁酸酯偶聯(lián)劑，強度迅速下降，說明添加量臨界點范圍窄，這種情況，在實際生產(chǎn)加工中，不利于控制產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。

2.1.4 不同偶聯(lián)劑對沖擊強度的影響對比

如圖4，將三種偶聯(lián)劑用量對抗沖擊強度的影響進行對比，三種偶聯(lián)劑都具有改善抗沖擊強度的作用，其中鈦酸酯偶聯(lián)劑效果最佳，硅烷偶聯(lián)劑和鋁酸酯偶聯(lián)劑改善效果接近。

圖4 不同偶聯(lián)劑用量對復(fù)合材料沖擊強度的影響Fig.4 Effect of different coupling agents on impact strength

三種偶聯(lián)劑的沖擊強度變化都呈曲線，存在最佳用量，而且硅烷偶聯(lián)劑還出現(xiàn)使用過量降低了抗沖擊強度的情況，這說明配方中偶聯(lián)劑用量并不是越多越好。原因與偶聯(lián)劑改性木粉表面包覆程度有關(guān)。

偶聯(lián)劑的作用機理是結(jié)構(gòu)中含有兩種功能基團，一種基團與非極性或弱極性的高分子材料形成較強的連接，另一種基團與極性、親水的木質(zhì)纖維形成鍵合，起到橋梁的作用。所以用量少時，偶聯(lián)劑不能將木粉表面完全包覆，木粉與樹脂間的“橋梁”不完整，改性效果不好；偶聯(lián)劑用量過多，則容易在木粉表面聚集，多余的偶聯(lián)劑分子分布在界面層，降低木粉與樹脂基體的粘結(jié)性，同時偶聯(lián)劑中未反應(yīng)的基團也會對界面情況造成不良影響，降低復(fù)合材料性能[8-10]。因此，實際生產(chǎn)中必須根據(jù)實際情況和性能要求確定偶聯(lián)劑的最佳用量。

三種偶聯(lián)劑中鈦酸酯偶聯(lián)劑的效果明顯好于其他兩種，這主要與偶聯(lián)劑的結(jié)構(gòu)有關(guān)。鈦酸酯偶聯(lián)劑分子中存在連接鈦中心的基團如長鏈烷氧基、酚基、羥基等，其中的烷氧基（R－O－）可以與木粉中木質(zhì)纖維的羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使其表面發(fā)生變化；而硅烷偶聯(lián)劑分子中的（－OR）先水解形成Si－OH結(jié)構(gòu)，Si－OH可以與木質(zhì)纖維中的－OH形成氫鍵，本試驗中的硅烷偶聯(lián)劑還有乙烯基，不能夠與PVC樹脂體很好的融合作用，所以效果明顯不如鈦酸酯偶聯(lián)劑。鋁酸酯偶聯(lián)劑作用機理與鈦酸酯偶聯(lián)劑類似，但由于結(jié)構(gòu)中作用基團沒有鈦酸酯偶聯(lián)劑作用力強，所以效果不如鈦酸酯偶聯(lián)劑。[11－12]

3 結(jié)論

（1）硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑和鋁酸酯偶聯(lián)劑對PVC木塑復(fù)合材料的抗沖擊性能都具有改善作用，其中鈦酸酯偶聯(lián)劑效果最佳。

（2）三種偶聯(lián)劑都存在最佳用量，在實際使用中需要根據(jù)產(chǎn)品性能要求進行調(diào)整。

（3）硅烷偶聯(lián)劑在用量2.5%時沖擊強度最高，強度提升了47.7%；鈦酸酯偶聯(lián)劑在用量3%時，沖擊強度最高，強度提升了95.3%；鋁酸酯偶聯(lián)劑在用量3.5%時沖擊強度最高，強度提升了40.9%。

參考文獻

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