木粉-HDPE復(fù)合材料的單板貼面效果研究

郭麗敏 王偉宏 王清文

(東北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150040)

木粉-HDPE復(fù)合材料的單板貼面效果研究

郭麗敏 王偉宏 王清文

(東北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150040)

本研究在單板與木塑復(fù)合材料中間添加含有馬來酸酐接枝聚乙烯(MAPE)的薄膜，采用熱壓成型工藝制備單板貼面木塑復(fù)合材料，研究不同木粉含量木塑復(fù)合材料的貼面效果。結(jié)果表明，黏結(jié)層中加入MAPE后，單板與木塑復(fù)合材料之間的黏結(jié)性能明顯提高，耐熱、耐水性能優(yōu)良；當(dāng)木塑復(fù)合材料中HDPE含量為30%、黏結(jié)層中MAPE含量為HDPE含量的2%時，貼面木塑復(fù)合材料的表面膠合強度最大，為1.68 MPa，單板沒有出現(xiàn)浸漬剝離現(xiàn)象。

木塑復(fù)合材料；高密度聚乙烯；單板貼面；馬來酸酐接枝聚乙烯

木塑復(fù)合材料(wood-plastic composites，WPCs)是一種主要由植物纖維與一種或多種塑料通過不同的復(fù)合方法生成的新型復(fù)合材料。盡管木塑復(fù)合材料兼具生物質(zhì)材料和塑料的特性，但與木材相比木質(zhì)感較差，在建筑、裝飾、家具等方面的應(yīng)用受到限制。由于加工工藝特殊，使得材料表面總會富集一層薄薄的塑料，多呈現(xiàn)非極性(尤其是聚烯烴類聚合物，結(jié)晶度高，表面能較低)，導(dǎo)致木塑復(fù)合材料的表面光滑、潤濕性差[1-2]，與自身及其他材料膠接困難[1-3]。單板等木質(zhì)材料與熱塑性塑料的相容性相差較大，要想將2種材料黏結(jié)起來，難度較大。目前的研究多是對木塑復(fù)合材料表面進行物理或化學(xué)改性進行處理，在材料表面引入一些易于發(fā)生反應(yīng)的極性化學(xué)基團[4]，從而提高材料表面能，如低溫等離子體處理[3，5-7]、表面氧化處理、火焰處理及電暈放電處理[8-10]、表面涂覆處理[11]等；或是通過機械打磨處理，將木塑復(fù)合材料表面的塑料層打磨掉，使內(nèi)部的極性纖維部分裸露出來。盡管目前聚烯烴類聚合物已能實現(xiàn)膠接，但用于聚乙烯膠接的膠黏劑種類少，黏結(jié)條件要求苛刻，成本又相對較高，操作復(fù)雜，不適合工業(yè)化生產(chǎn)使用。本研究對木粉-HDPE復(fù)合材料的單板貼面效果進行研究，以期探究一種簡單實用的方法，實現(xiàn)木質(zhì)材料與聚烯烴基木塑復(fù)合材料的黏結(jié)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及主要儀器

楊木(Populusspp.)木粉，粒徑40～80目，含水率：≤3%；高密度聚乙烯(HDPE)，型號：5 000 s，密度：0.949～0.953 g/L，熔體指數(shù)：0.8～1.1 g/10 min，中國石油大慶石化公司；馬來酸酐接枝聚乙烯(MAPE)，接枝率0.9%，上海日之升新技術(shù)發(fā)展有限公司；聚乙烯蠟(PE蠟)，山東齊魯石化公司；楊木單板，厚1.5 mm，市購。

DHG-9625A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；SJSH30/SJ45型雙階擠出機組，南京橡塑機械廠；SL-6型塑料壓力成型機，哈爾濱特種塑料制品有限公司；CMMJ5504型電子萬能力學(xué)試驗機；RGT-20A型電子萬能力學(xué)試驗機，深圳瑞格爾儀器有限公司；電熱恒溫水浴鍋，北京市永光明醫(yī)療儀器廠。

1.2 單板貼面木塑復(fù)合材料的制備

1.2.1木粉-HDPE復(fù)合材料的制備 研究中設(shè)計了3種不同木粉含量的木塑復(fù)合材料基材，木粉與HDPE比例見表1。按比例稱取木粉、HDPE和少量添加劑，加入高速混合機混合10 min之后卸料， 再通過雙螺桿擠出機熔融復(fù)合擠出，冷卻后經(jīng)粉碎機破碎成細小顆粒。將制備好的粒料采用熱壓方式壓制成160 mm×160 mm×6 mm的薄板。

表1 復(fù)合材中木粉與HDPE比例

1.2.2黏結(jié)層薄膜的制備 中間黏結(jié)料的組成見表2。稱取一定量的MAPE或HDPE粉料，均勻鋪在效果模具中，在170 ℃的熱壓機上預(yù)熱2 min，加壓至2.5 MPa保持1 min，冷卻即可制得厚度相對均勻的MAPE薄膜、HDPE薄膜或MAPE/HDPE混合薄膜。

表2 黏結(jié)層的配方

注：黏結(jié)層中MAPE、HDPE的用量按木粉/HDPE復(fù)合材料中HDPE量的比例計算。

1.2.3木質(zhì)單板貼面木塑復(fù)合板的制備 在木塑基材的上下面各放置一塊單板(放置時上下單板的紋理方向一致)，并在木塑板和單板之間鋪裝一層黏結(jié)薄膜，構(gòu)成一個具有五層結(jié)構(gòu)的復(fù)合板材板坯，放入熱壓機，經(jīng)熱壓、冷卻定型后成為木質(zhì)單板貼面的木塑復(fù)合板材。所用黏結(jié)薄膜為純的HDPE或是加入馬來酸酐接枝聚乙烯的HDPE。同時將中間未加薄膜的貼面板視為對照組。

1.3 性能測試

1.3.1表面結(jié)合強度測試 按照GB/T 17657—1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》[12]進行測試，試件尺寸為50 mm×50 mm×9 mm，中間圓面積為 1 000 mm2，每組測試6個試件。使用CMMJ5504型電子萬能力學(xué)試驗機測試其表面膠合強度，加載速率為2 mm/s。

1.3.2浸漬剝離性能測試 按照GB/T 17657—1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》[12]中I類浸漬剝離試驗的方法對單板貼面木塑復(fù)合材料進行測試，試件尺寸為75 mm×75 mm×9 mm，每組測試6個試件。具體測試方法是，將試件放在恒溫水浴鍋中，沸水煮4 h，取出后置于(63±3)℃的烘箱中干燥20 h；然后將待測試件放置在沸水中煮4 h，取出后再置于(63±3)℃的烘箱中干燥3 h。測量四邊的剝離長度。

2 結(jié)果與討論

2.1 單板貼面木塑復(fù)合材料的黏結(jié)性能

3種單板貼面木塑復(fù)合材表面結(jié)合強度見圖1。

從圖1可以看出，在中間未加薄膜的對照組中，貼面復(fù)合材料的表面膠合強度較低，且隨著木塑復(fù)合材中木粉含量的增加而出現(xiàn)明顯的下降趨勢，原因是基材中HDPE含量低，表面主要是木纖維，直接貼單板時兩者之間缺乏形成黏結(jié)力的物質(zhì)。添加中間層薄膜后，貼面復(fù)合材料的表面膠合強度均有不同程度的上升。當(dāng)木塑復(fù)合材中木粉含量為70%時，貼面復(fù)合材料的表面結(jié)合強度最大，為1.68 MPa，原因是MAPE的加入在中間界面層引入了一定量的極性基團，如羧基、羰基等，這些極性基團可能和單板上的羥基等極性基團發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)形成分子間作用力或者化學(xué)鍵作用力，使單板與木塑復(fù)合材料的結(jié)合能力明顯增強。

不加中間介質(zhì)層時，木塑基材僅能靠表面的塑料成分與表層單板結(jié)合，HDEP含量低的木塑復(fù)合材與單板之間的表面膠合強度自然較小。當(dāng)中間介質(zhì)層為HDPE薄膜時，木粉含量為60%的木塑基材黏結(jié)強度最大，木粉含量為70%和80%的表面結(jié)合強度下降，原因可能是高木粉含量的WF-HDPE復(fù)合材自身具有的表面塑料層較薄，MAPE含量相對較少，與HDPE中間介質(zhì)層的結(jié)合減弱。同時，由于HDPE介質(zhì)層的阻隔，木塑板材表面自身含有的少量MAPE無法與木質(zhì)貼面單板接觸，使得貼面膠合強度較無中間介質(zhì)層的對照組還要低。但當(dāng)木粉含量提高到80%時，HDPE中間層的介入彌補了木塑板材表面塑料組分過少的缺陷，使得表面膠合強度大于無HDPE的對照組。

與上述2種情況相比，MAPE薄膜的介入提高了單板與木塑復(fù)合材之間的表層膠合強度，但不同木粉含量之間無明顯差異，這是由于木粉或者塑料含量低的問題都可以借助MAPE所含有的雙向基團得到調(diào)節(jié)，達到較好的黏結(jié)效果。過多的MAPE有利于黏結(jié)木質(zhì)單板，但不利于和HDPE之間的結(jié)合。因此，當(dāng)使用MAPE/HDPE混合薄膜時，在60%和70%木粉含量時貼面復(fù)合板的表層膠合強度得到提高，當(dāng)木粉含量為80%時，木塑基材的表層塑料含量過少，使之與介質(zhì)中間層的膠合強度下降。使用MAPE膜或MAPE/HDPE混合膜都可以起到良好的膠合作用。

2.2 單板貼面復(fù)合材料的水浸漬剝離性能

3種單板貼面木塑復(fù)合材的浸漬剝離結(jié)果見表3。

表3 3種單板貼面木塑復(fù)合材的浸漬剝離結(jié)果

從表3可以看出，3種木粉含量的木塑復(fù)合貼面材料經(jīng)過水浸漬剝離測試后發(fā)現(xiàn)，對照組和加HDPE介質(zhì)層的貼面復(fù)合材的單板浸漬剝離長度遠大于25 mm[12]，單板均發(fā)生嚴(yán)重剝離(部分試件在第一水煮階段就已完全剝離)，說明單板和木塑復(fù)合材料之間主要是靠物理作用黏結(jié)，結(jié)合力很弱。使用MAPE和MAPE/HDPE薄膜的2組中，3種木粉含量的木塑復(fù)合貼面板材經(jīng)過水浸漬剝離測試后單板的剝離長度均為0，無剝離現(xiàn)象產(chǎn)生，說明MAPE的加入提高了木塑復(fù)合材料和單板之間黏結(jié)力的耐熱性和耐水性。MAPE或HDPE薄膜熔融后可以流動并滲透進單板的管孔中形成機械互鎖作用[13]；此外，MAPE一端的極性基團可與單板中的羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，木塑復(fù)合材料和單板之間也可能存在化學(xué)鍵或氫鍵的結(jié)合。在對照組和HDPE組中，木粉含量為60%的復(fù)合材相對其他2種材料的剝離長度相對較小，耐水性較好，表明木塑復(fù)合材料中塑料含量在一定范圍內(nèi)提高對基材與單板之間的結(jié)合產(chǎn)生有利的影響。

2.3 貼面木塑復(fù)合材料破壞樣貌的觀察

復(fù)合材料表面破壞樣貌見圖2。從圖2可以看出，對貼面復(fù)合材料進行表面膠合強度測試時，對照組和HDPE組中試件破壞的位置發(fā)生在界面層而非單板表面或基材WPC表面。中間層添加含有MAPE的薄膜后，MAPE組和MAPE/HDPE組的試件破壞的位置主要發(fā)生在貼面單板上(單板的破壞率接近100%)，黏結(jié)層幾乎無破壞，說明基材和單板之間的黏結(jié)效果良好。上述結(jié)果與表面膠合強度及I類浸漬剝離試驗測試結(jié)果相一致，說明MAPE確實能起到黏結(jié)極性單板和木塑復(fù)合材料的效果。

3 結(jié) 論

1) 木塑復(fù)合材中塑料成分有利于與木質(zhì)單板之間的黏結(jié)。在木粉含量多而塑料含量少的情況下，HDPE做中間介質(zhì)可以提高黏結(jié)強度，但當(dāng)塑料含量提高到30%以上,再利用額外的HDPE做中間層黏合介質(zhì)則作用不大，木塑復(fù)合材料本身在表層富集的HDPE即可滿足要求。

2) 黏結(jié)薄膜中含有馬來酸酐接枝聚乙烯(MAPE)時，單板和木塑復(fù)合材料之間的黏結(jié)性能明顯提高，兩者的結(jié)合強度不僅達到了貼面人造板的國家標(biāo)準(zhǔn)要求，而且耐熱、耐水性能優(yōu)良。

3) 馬來酸酐接枝聚乙烯(MAPE)是在非極性的聚乙烯分子鏈上接枝極性的馬來酸酐，既具有聚乙烯的良好加工性和其他優(yōu)異性能，又具有馬來酸酐極性分子的可再反應(yīng)性和強極性，常用于提高木塑復(fù)合材料中木質(zhì)纖維和熱塑性塑料的界面相容性。本研究利用MAPE具有的雙向結(jié)構(gòu)的特點，代替膠黏劑用于黏結(jié)極性木質(zhì)單板和非極性的HDPE基木塑復(fù)合材料。試驗結(jié)果證明可以不用預(yù)先對木質(zhì)材料、木塑復(fù)合材料的表面進行改性處理或機械打磨處理，直接熱壓即可達到良好膠合效果。該方法操作過程簡單，使木塑復(fù)合材具有真實的木質(zhì)外觀，并且沒有甲醛釋放的擔(dān)憂，可以更廣泛地應(yīng)用于建筑裝飾材料領(lǐng)域。

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(責(zé)任編輯 曹 龍)

Study on Veneer Overlaid of Wood-Flour/HDPE Composites

GUO Li-min， WANG Wei-hong， WANG Qing-wen

(Key Lab of Bio-Based Material Science & Technology of Education Ministry，Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040，China)

In this article,a layer containing maleic anhydride grafted polyethylene(MAPE)film was added in the middle of the veneers and wood-plastic composites, and then prepared the veneered wood-plastic Composites by hot-pressing molding process.The effect of wood flour content contained in wood-plastic composite on bonding strength was evaluated.The results showed that, after added MAPE, the adhesion between the veneers and wood-plastic composites was obviously increased,and head-resistance,and hydrolytic resistance was improved.when HDPE content was 30% in the wood-plastic composites and MAPE content in the adhesive layer accounting for 2% based on HDPE in the wood-plastic composites, the surface bonding strength of the composite increased to 1.68 Mpa, and there was no stripping phenomenon after dip stripping test.

wood-plastic composites;HDPE;veneer overlaying; MAPE

2014-03-10

國家林業(yè)局公益性行業(yè)科研專項(201204802)資助。

王偉宏(1968—)，女，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：生物質(zhì)符合材料。Email:weihongwang2001@aliyun.com.cn。

10.3969/j.issn.2095-1914.2014.05.018

S784

：A

：2095-1914(2014)05-0095-04

第1作者：郭麗敏(1989—)，女，碩士生。研究方向：木塑復(fù)合材料。Email:1209139538@qq.com。