微發(fā)泡木塑復(fù)合材料耐腐性能的研究

朱 遠，姜志宏

（浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，浙江 臨安 311300）

木塑復(fù)合材料（WPCs）是指以一定比例混合的天然纖維材料與熱塑性塑料，添加特定助劑后，經(jīng)特殊工藝處理加工成型的一種新型環(huán)保材料[1]。因其結(jié)合了木材和塑料的雙重優(yōu)點，被運用于各種領(lǐng)域，市場前景廣闊。

作為一種新的材料，木塑復(fù)合材料在使用過程中除因熱塑性塑料而致的長期蠕變的缺點外，也曾發(fā)現(xiàn)存在腐朽的現(xiàn)象。Morris等在 1998年發(fā)現(xiàn)了木塑復(fù)合材料在野外土壤中及走廊地板上產(chǎn)生了腐朽現(xiàn)象[2]。Mankowski和Morrell等在2000年發(fā)現(xiàn)在木粉含量高的HDPE木塑材料中存在明顯的腐朽現(xiàn)象，并通過電鏡觀察到了腐朽菌的生長[3]。Pendleton等人把HDPE木塑復(fù)合材放到有白腐菌、褐腐菌的培養(yǎng)皿中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)條件下均沒有顯著的腐朽現(xiàn)象，通過掃描電鏡觀察到了菌絲體較集中生長在木粉與塑料的界面上[4]。此外 ,美國硼砂防腐實驗室的試驗結(jié)果也表明，霉腐真菌能引起WPCs制品10% ～ 20%的質(zhì)量損失[5]。李大綱等研究了幾種不同木塑材料的耐腐性能，發(fā)現(xiàn)木塑復(fù)合材料的總體耐腐性能較好，質(zhì)量損失率在2.6% ～ 5.1%，特別發(fā)現(xiàn)內(nèi)部夾竹條的木塑材料因竹條端部暴露而質(zhì)量損失率稍大[6]。然而，對PVC微發(fā)泡木塑復(fù)合材料的天然耐腐性能研究的相關(guān)文獻幾乎沒有，研究木塑比對木塑材料耐腐性能的文章也不多見。因此，本文對實驗室自制 5種不同木塑比的PVC微發(fā)泡木塑復(fù)合材料進行天然耐腐性能試驗，旨在探明木塑比對木塑復(fù)合材料天然耐腐性能的影響。

1 材料與方法

1.1 試材與試菌

試材：小型木塑生產(chǎn)線自制的5種擠出成型的PVC木塑復(fù)合材料，木塑比為30/100，35/100，40/100，45/100，50/100（分別記為木30，木35，木40，木45，木50）；試件尺寸：20mm×20mm×5mm，每種材料取6塊試件。試件上下兩個正方形表面因模壓而使木質(zhì)材料未直接暴露于外，其余表面因鋸切形成斷面而使木質(zhì)材料直接暴露于外。

對照試材：馬尾松邊材，試件尺寸：20 mm×20 mm×10 mm，6塊試件。

飼木：馬尾松邊材；尺寸：22 mm×22 mm×3 mm。

實驗試菌：綿腐臥孔菌（Poria placenta）（褐腐菌）。

1.2 主要設(shè)備儀器

101A-3型電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱（溫度300℃±2℃），MJX-150恒溫恒濕培養(yǎng)箱（溫度5 ～ 50℃，相對濕度50% ～ 95%），LDZX-40BI型立式自動電熱壓力蒸汽滅菌器（壓力0.25 MPa，溫度126℃），STA409PC同步熱分析儀，SS-550型掃描電子顯微鏡，SW-CJ-1F超凈工作臺，JJ500型電子天平（感量0.01g），波美比重計（波美度1.00 ～ 1.10）。

1.3 試驗方法

參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T13942.1-2009《木材耐久性性能 第一部分：天然耐腐性實驗室試驗方法》。

先將試菌接種至裝有麥芽糖瓊脂培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿中培養(yǎng)7 ～ 10 d，接著將菌絲塊接種至裝有河沙鋸屑培養(yǎng)基的廣口瓶中，放入飼木，繼續(xù)培養(yǎng)10 d，然后將木塑試件和馬尾松對照材放入廣口瓶中長滿菌絲的飼木上，在恒溫恒濕箱中培養(yǎng)12周后，取出稱取試件質(zhì)量，計算質(zhì)量損失。計算公式如下：

式中，W1為試樣試驗前的全干質(zhì)量，W2為試樣試驗后的全干質(zhì)量。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 木塑復(fù)合材料受菌侵染后的質(zhì)量損失

試件的耐腐性能用試件腐朽后的質(zhì)量損失百分率來衡量，各試件的耐腐試驗結(jié)果如表1所示。

表1 不同試件受菌侵染后質(zhì)量損失率Table 1 Mass loss rate of different tested specimens

由表1可見，經(jīng)過12周的受菌侵染后，木塑復(fù)合材料的質(zhì)量損失率均較小，保持在3.5%以內(nèi)，最小的僅為1%左右，屬于強耐腐等級；而馬尾松邊材試件的平均質(zhì)量損失率達25.20%，約為木塑復(fù)合材料的7 ～ 25倍，屬于稍耐腐等級。由此說明，木塑復(fù)合材料的耐腐性能良好，腐朽后的質(zhì)量損失率遠小于馬尾松邊材，這是因為木塑復(fù)合材料中的木質(zhì)纖維材料被不易受菌侵染的塑料基質(zhì)所包圍，木腐菌較難進入材料內(nèi)部腐蝕木質(zhì)材料，因而木塑復(fù)合材料的耐腐性能大大高于木材的耐腐性能。此外，木塑復(fù)合材料腐朽后的質(zhì)量損失率隨著材料中木粉含量的提高而增大，木30的平均質(zhì)量損失率為1.61%，木35為1.69%，木40為2.02%，木45為2.06%，木50為2.99%，這也說明了木塑材料在受菌侵染時，主要是其中的木質(zhì)材料受到腐蝕，木粉含量越高，其受腐蝕程度也越大。

為進一步驗證木粉含量對木塑試件質(zhì)量損失率的影響，將5種木塑材料的質(zhì)量損失率進行單因子重復(fù)方差分析，結(jié)果見表2。

表2 不同木塑比木塑復(fù)合材料受菌侵染后平均質(zhì)量損失率方差分析Table 2 ANOVA on average mass loss rate of different kind WPCs

由表2可見，在α= 0.001水平下，木粉含量對木塑材料的質(zhì)量損失率影響高度顯著。

圖1為采用指數(shù)函數(shù)y= a×exp(x/b)＋c對5中木塑材料的平均質(zhì)量損失率進行擬合，模型參數(shù)的擬合值和擬合決定系數(shù)如表3所示。

由擬合結(jié)果可知，木粉含量對與試件質(zhì)量損失率大致呈指數(shù)關(guān)系，指數(shù)函數(shù)對其擬合結(jié)果較好，擬合方程為y= 0.01478exp(x/1.10893)＋1.62704，決定系數(shù)R2為0.92358。

圖1 不同材料質(zhì)量損失率平均值的指數(shù)函數(shù)擬合Figure 1 Exponential function for fitting of average mass loss rate of different kind WPCs

2.2 木塑復(fù)合材料受菌侵染前后的掃描電鏡（SEM）分析

圖2 為木40在腐朽前后表面和斷面的電鏡掃描圖。

由圖2可見，木塑材料在腐朽試驗前，表面平整光滑，經(jīng)過 12周的木腐菌侵染后，表面結(jié)構(gòu)仍較為完整，幾乎未受破壞，表面菌絲雖經(jīng)過清理，但在500倍電鏡放大后還是能觀察到一些菌絲存在于試件表面。而對于木塑材料的斷面，由于木質(zhì)材料直接暴露于外面，木腐菌較為容易進入試件內(nèi)部進行侵染。在1000倍電鏡放大后觀察，可以看到腐朽后木塑材料斷面明顯留有較多的菌絲，這些菌絲主要存在于木粉與塑料的界面空隙中。由此推測，加強木塑復(fù)合材料界面的結(jié)合性可以提高木塑材料的耐腐性能。

表3 指數(shù)模型參數(shù)擬合值及擬合決定系數(shù)Table 3 Fitting value of parameters and determination coefficient of fitting model

圖2 木塑材料腐朽前后電鏡掃描圖Figure 2 SEM picture of specimens before and after test

2.3 木塑復(fù)合材料受菌侵染前后差示掃描量熱法（DSC）分析

圖3為木40腐朽前后0 ～ 600℃的差示掃描量熱法分析圖。

由圖3可知，在80℃左右，木塑材料出現(xiàn)了一個明顯的吸熱峰，這正好與PVC玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為80℃相符合。在280℃前木塑復(fù)合材料腐朽前后的DSC曲線基本保持一致，這正是PVC的熱解溫度范圍，這也再一次說明了木腐菌對PVC的影響微乎其微。在300℃左右，DSC曲線出現(xiàn)了最大的吸熱峰，這是因為木材熱解生成小分子氣體和大分子的可冷凝揮發(fā)分而造成的明顯失重，這也是木材熱解過程中最主要的吸熱階段。從圖中可以看出，腐朽后木塑材料的吸熱峰略小于腐朽前，說明腐朽后木塑材料中的木質(zhì)材料受到部分破壞。400℃之后，腐朽后的木塑材料開始出現(xiàn)放熱現(xiàn)象，我們認為這是熱解殘留物進行最后的緩慢分解而放出的熱量所致。未腐朽木塑材料要等到510℃以后才會出現(xiàn)這種放熱現(xiàn)象。

圖3 木40腐朽前后DSC分析Figure 3 DSC picture of one specimen before and after test

3 結(jié)論

（1）木塑復(fù)合材料天然耐腐性能很好，質(zhì)量損失率在1.6% ～ 3.0%，馬尾松邊材的質(zhì)量損失率為木塑材料的7 ～ 25倍，說明木塑材料的耐腐性能遠好于馬尾松邊材。此外，木塑復(fù)合材料的耐腐性能隨著木粉含量的提高而降低。

（2）通過電鏡掃描分析，木塑材料腐朽后，菌絲主要存在于木粉與塑料的界面空隙中，加強木塑復(fù)合材料界面的結(jié)合性可以提高木塑材料的耐腐性能。

（3）通過差示掃描量熱法分析，腐朽前后木塑材料的DSC曲線在280℃前基本一致，木塑材料中的PVC材料幾乎未受破壞，再一次說明木腐菌主要對木塑材料中的木質(zhì)纖維材料進行腐朽。

[1]王偉宏，李春桃，王清文. 木塑復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀及制造關(guān)鍵技術(shù)[J]. 現(xiàn)代化工，2010（1）：6－10.

[2]Morris P I, Cooper P A. Recycled plastic/wood composite lumber attacked by fungi[J]. For Prod J, 1998, 48（1）：86－88

[3]Mankowski M, Morrell J J. Patterns of fungal attack in wood plastic composites following exposure in a soil block test[J]. Wood Fib Sci, 2000, 32（3）：340－345

[4]Pendlefton. Durability of an extruded HDPE/ wood composite[J]. For Prod J, 2002, 52（6）：21－27.

[5]馮靜，施慶珊，歐陽友生，等. 木塑復(fù)合材料的霉腐真菌危害及防霉抗菌劑的應(yīng)用進展[J]. 精細與專用化學(xué)品，2007，15（24）：6－9..

[6]李大綱，葉永連. 木塑復(fù)合材料對白腐菌的耐久性研究[J]. 中國建材科技，2010（s1）：104－107.