水性聚丙烯酸酯乳液改性木粉/聚乳酸復(fù)合材料的吸水性

張智林，劉　如

(1.陜西建森實(shí)業(yè)有限公司，西安 新城 710032；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 海淀 100091)

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水性聚丙烯酸酯乳液改性木粉/聚乳酸復(fù)合材料的吸水性

張智林1，劉如2*

(1.陜西建森實(shí)業(yè)有限公司，西安 新城 710032；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 海淀 100091)

摘要：通過種子乳液聚合法合成了一種水性聚丙烯酸酯乳液，用于改性木粉。將改性的木粉與聚乳酸復(fù)合制備了木粉/聚乳酸復(fù)合材料，對復(fù)合材料的吸水性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，木粉經(jīng)過改性后表面覆蓋了一層致密的聚丙烯酸酯，能夠有效降低木粉的親水性。復(fù)合材料在經(jīng)過改性之后吸水性和吸水厚度膨脹率均下降，說明聚丙烯酸酯乳液能夠改善木粉和聚乳酸之間的界面相容性。本實(shí)驗(yàn)中，添加4%聚丙烯酸酯乳液的效果最優(yōu)，其極限吸水率和吸水厚度膨脹率結(jié)果為10.6%和12.5%。

關(guān)鍵詞：木粉；聚乳酸；木塑復(fù)合材料；聚丙烯酸酯乳液；吸水性

木塑復(fù)合材料(Wood-plastic composites，縮寫為WPC)，是一種由木纖維(或木粉，WF)與塑料通過共混，并添加一些填料助劑，經(jīng)擠出或熱壓而制成的一類新型復(fù)合材料[1]。WPC既能客服木材因強(qiáng)度低、變異性大、易蟲蛀腐朽等缺陷造成的使用局限性，又能提高塑料的彈性模量，增強(qiáng)材料的物理力學(xué)性能，降低成本并擴(kuò)大應(yīng)用范圍[2-4]。聚乳酸(PLA)是一種可生物降解的塑料，將PLA與WF共混制備成為可生物降解性WPC是近年來的研究熱點(diǎn)[5-7]。但由于WF表面存在大量羥基而表現(xiàn)出較強(qiáng)的極性，與非極性PLA之間復(fù)合時(shí)存在較大的界面能差，使得兩者界面相容性較差。因此，研究人員通過各種改性方法來改善WF與PLA之間的界面相容性。其中，添加偶聯(lián)劑是最直接簡單的改性方法[8]。WPC在外界環(huán)境的使用中，由于水分的作用會(huì)使WPC吸水性增加，導(dǎo)致開裂變形[9]。添加偶聯(lián)劑會(huì)在一定程度上降低WPC的吸水性，但目前尚沒有針對WPC防水性能使用的偶聯(lián)劑。

聚丙烯酸酯乳液是一種由丙烯酸或甲基丙烯酸酯單體通過乳液聚合而成的一種聚合物。它具有良好的成膜、耐水耐氣、耐酸堿等性能，被廣泛應(yīng)用于涂料、油漆、浸漬紙、皮革、粘接劑等領(lǐng)域。同時(shí)，聚丙烯酸酯也可以作為一種木材改性劑，用于浸漬處理木材，提高其耐水性以及尺寸穩(wěn)定性等[10]。因此，本研究通過種子乳液聚合法合成一種水性聚丙烯酸酯乳液，并將其用于改性WF。將不同添加量(2%、4%、6%和8%)的聚丙烯酸酯乳液改性WF添加到PLA中，并對WF/PLA復(fù)合材料的吸水性進(jìn)行研究，以開發(fā)一種安全有效的防水性WPC偶聯(lián)劑。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1原料與試劑

毛白楊木粉：40～60目，在103℃烘箱中干燥2 h；聚乳酸粉料，牌號AI-1001；甲基丙烯酸甲酯(MMA)、丙烯酸丁酯(BA)、丙烯酸(AA)、β-甲基丙烯酸羥乙酯(HEA)、壬基酚聚氧乙烯醚(OP-10)、十二烷基硫酸鈉(SDS)、過硫酸銨(APS)、碳酸鈉。

1.2丙烯酸酯乳液的合成

采用種子乳液聚合法制備聚丙烯酸酯乳液：將MMA、BA、AA以及HEA單體，以及2/3的引發(fā)劑APS和去離子水在52℃高速攪拌進(jìn)行初乳化。將1/8的初乳化液裝入帶有攪拌槳、冷凝管以及滴液漏斗的三口燒瓶中，并水浴加熱至75℃，并加入剩余的引發(fā)劑APS，并保持75℃攪拌30 min至乳液變藍(lán)。在2h內(nèi)滴加完剩余的初乳化液，并升溫至81℃并保持1.5 h。反應(yīng)結(jié)束，降溫至45℃以下，并加入碳酸鈉調(diào)節(jié)pH至5.5～6.5，攪拌均勻，出料。

1.3木粉表面改性處理

將WF放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中，在103℃下干燥至絕干。將制備的丙烯酸酯乳液稀釋至不同的濃度，并通過噴壺噴灑到WF表面，改性劑質(zhì)量分別為絕干WF質(zhì)量的2%、4%、6%和8%。將改性后的WF在103℃下干燥至恒重。

1.4木粉/聚乳酸復(fù)合材料的制備

將WF與PLA按照質(zhì)量比1：1在高速混合機(jī)中混合均勻。將混好的原料利用雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行造粒。采用熱壓制備WF/PLA復(fù)合材料，預(yù)設(shè)密度1.28 g·cm-3，熱壓溫度為180℃，熱壓壓力為4 MPa，熱壓時(shí)間6 min。隨后在室溫下進(jìn)行冷壓固定。

1.5木粉吸濕性測試

將WF放入盛有去離子水的干燥器中，在溫度23℃，相對濕度100%下進(jìn)行吸濕測定，評價(jià)聚丙烯酸酯乳液改性對WF吸濕性能的影響。

1.6吸水性能檢測

參照GB/T 17657-2013測定復(fù)合材料的極限吸水率以及吸水厚度膨脹率，評價(jià)聚丙烯酸酯乳液改性對復(fù)合材料吸水性的影響。

1.7表面形態(tài)觀測

將改性前后的WF進(jìn)行真空噴金后，在掃描電子顯微鏡下觀測，加速電壓為5 kV。

2結(jié)果與討論

2.1木粉的表面形態(tài)

圖1為聚丙烯酸酯乳液改性前后WF的SEM圖。純WF表面很光滑，導(dǎo)管和射線管胞等結(jié)構(gòu)清晰可見。在經(jīng)過聚丙烯酸酯乳液改性之后，WF表面被一層連續(xù)的物質(zhì)包覆，并均勻地形成了一層致密的膜，說明聚丙烯酸酯乳液在干燥處理過程中能有效地成膜并包覆在WF表面。

圖1　聚丙烯酸酯乳液改性前后木粉的SEM圖

2.2木粉吸濕性

圖2為不同添加量聚丙烯酸酯乳液改性木粉的吸濕性結(jié)果。WF在經(jīng)過聚丙烯酸酯乳液改性之后，吸濕性都有所下降。未改性WF的吸濕率為21.5%，而經(jīng)聚丙烯酸酯乳液改性之后，吸濕率可以下降到17%左右。由于聚丙烯酸酯良好的耐氣性能，能夠阻礙水分進(jìn)入到WF內(nèi)部，因此改性后WF的吸濕率下降。其中，4%處理組的吸濕率最低，其平均值為16.7%。但由于聚丙烯酸酯乳液單體中也含有HEA組分，存在一些羥基，也具有一定的吸濕性。因此在聚丙烯酸酯乳液含量增加后，改性WF的吸濕性略有上升。

圖2　聚丙烯酸酯乳液改性木粉的吸濕性

2.3木粉/聚乳酸復(fù)合材料的吸水性

圖3(a)為不同添加量聚丙烯酸酯乳液改性

WF/PLA復(fù)合材料的吸水率結(jié)果。WF是一種多孔性材料，表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸水性。同時(shí)由于其表面含有大量羥基，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的極性，因此在與非極性PLA復(fù)合之后會(huì)使復(fù)合材料吸水性明顯增加。未經(jīng)改性對照組WF/PLA復(fù)合材料的極限吸水率為12.3%。經(jīng)過2%和4%聚丙烯酸酯乳液改性之后，復(fù)合材料的吸水性明顯下降。這是由于疏水性的聚丙烯酸酯包覆在WF表面，降低了WF自身的親水性，同時(shí)，聚丙烯酸酯中含有一些羥基能夠與WF中的羥基形成氫鍵結(jié)合，而疏水的一端能夠纏繞在PLA分子鏈上，具有一定的偶聯(lián)作用，增加了WF和PLA的界面相容性。4%聚丙烯酸酯乳液處理組的吸水性最低，為10.6%。隨著聚丙烯酸酯乳液含量的增加，復(fù)合材料的吸水率增加，這是由于聚丙烯酸酯含量過高后剩余羥基數(shù)量增加，因此WF和PLA的偶聯(lián)作用下降。

圖3(b)為不同添加量聚丙烯酸酯乳液改性WF/PLA復(fù)合材料的吸水厚度膨脹率結(jié)果。復(fù)合材料的吸水厚度膨脹率隨聚丙烯酸酯乳液含量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。其結(jié)果基本與吸水率一致，在添加4%聚丙烯酸酯乳液時(shí)吸水厚度膨脹率最低，為12.5%。

(a)吸水率　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)吸水厚度膨脹率

圖3聚丙烯酸酯乳液改性木粉/聚乳酸復(fù)合材料的吸水率和吸水厚度膨脹率

3結(jié)論

木粉再經(jīng)過聚丙烯酸酯乳液改性之后由于其表面被疏水性的聚丙烯酸酯包裹，吸濕性下降，同時(shí)與聚乳酸的界面相容性增加，吸水率和吸水厚度膨脹率均有所下降。但聚丙烯酸酯乳液的添加量不能過高。本研究中，添加4%的聚丙烯酸酯乳液復(fù)合材料的綜合性能最優(yōu)。由以上結(jié)果可以看出，聚丙烯酸酯乳液可作為一種良好的防水性偶聯(lián)劑應(yīng)用于木塑復(fù)合材料領(lǐng)域。

參 考 文 獻(xiàn):

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收稿日期：2016-03-18

作者簡介：張智林(1965-)，男，工程師，從事木制品技術(shù)和生產(chǎn)管理。E-mail：571356887@qq.com。 *通訊作者：劉如(1987-)，男，助理研究員，從事木質(zhì)復(fù)合材料研究。E-mail：liuru@criwi.org.cn。

中圖分類號:TQ351.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1001-2117(2016)03-0033-04

Water Absorption of Wood Flour/Poly (lactic acid) Composites Modified with Waterborne Polyacrylate Emulsion

LIU Ru1，ZHANG Zhi-lin2

( 1.JianshiIndustrialCompanyofShaanxi,Xi’an,Shaanxi710032;2.ResearchInstituteofWoodIndustry,ChineseAcademyofForestry，Haidian,Beijing100091 )

Abstract:A kind of waterborne polyacrylate emulsion was synthesized by seed-polymerization method, and then was used to modify wood flour. The modified wood flour was mixed with poly (lactic acid) to prepare wood flour/poly (lactic acid) composites. The water absorption of the composites was studied. The results showed that the surface of wood flour after modification was covered with a layered dense of polyacrylate, which could effectively reduce the hygroscopicity of wood flour. The water absorption and thickness swelling decreased after modification, indicating the polyacrylate emulsion could improve the interfacial adhesion between wood flour and poly (lactic acid). In this study, the polyacrylate emulsion content of 4% was the optimal with the extreme water uptake and thickness swelling of 10.6% and 12.5%, respectively.

Key words:Wood flour; poly (lactic acid); wood-plastic composites; polyacrylate emulsion; water absorption