前言木塑復(fù)合材料( Wood-Plastic Compos-ites，以下簡(jiǎn)稱WPC)是以各種植物及木質(zhì)纖維和廢舊熱塑性塑料為原料，通過(guò)熱加工制備得到的一類新型復(fù)合材料。它的出現(xiàn)有利于緩解目前木材資源匱乏的問(wèn)題，有效解決了天然及合成高分子材料廢棄物的資源化利用，因而備受關(guān)注，目前已廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、建筑行業(yè)、室內(nèi)裝飾、家電和運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)方面。由于兼具木質(zhì)纖維材料與聚合物材料的部分性能特點(diǎn)，木塑復(fù)合材料具有優(yōu)良的綜合性能。其力學(xué)強(qiáng)度好，抗沖擊能力高，熱伸縮性低于塑料，耐水和耐潮濕性能明顯優(yōu)于木材，尺寸穩(wěn)定，耐磨，耐化學(xué)腐蝕，耐蟲蛀，防腐朽。木塑復(fù)合材料還同時(shí)具備木材和塑料的雙重加工性能，既可采用擠出、熱壓等塑料或木質(zhì)人造板工藝進(jìn)行成型生產(chǎn)，也可采用鋸、刨、旋切、磨削、砂光、膠合、軋花、印刷等木材或塑料的加工方法進(jìn)行加工和后期處理。
目前木塑制品主要應(yīng)用在戶外鋪板、柵欄等園林景觀制品方面。由于在力學(xué)強(qiáng)度和木材存在差距，使其在門窗、家具等的結(jié)構(gòu)部件的應(yīng)用上仍受到很大的限制。近年來(lái)無(wú)機(jī)質(zhì)纖維迅猛發(fā)展，已經(jīng)在樹脂基復(fù)合材料中得到了廣泛的應(yīng)用，而其在木塑復(fù)合材料領(lǐng)域也已逐漸興起。因此利用無(wú)機(jī)質(zhì)纖維增強(qiáng)木塑復(fù)合材料力學(xué)性能是拓展其應(yīng)用的一個(gè)良好途徑。
玄武巖纖維(BF)是天然玄武巖礦石經(jīng)高溫熔融后通過(guò)鉑銠合金拉絲制成的一種新型高性能纖維。最早誕生于前蘇聯(lián)的烏克蘭科學(xué)研究院。近年來(lái)隨著全新低能耗生產(chǎn)裝置的誕生，其高性價(jià)比優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯出來(lái)。
玄武巖表面呈化學(xué)惰性，直接加入木塑復(fù)合材料中不能形成良好的界面結(jié)合，需要對(duì)纖維表面進(jìn)行改性處理，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。本文主要研究玄武巖纖維經(jīng)過(guò)偶聯(lián)劑處理后對(duì)木塑復(fù)合材料性能的影響。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 原料與設(shè)備
高密度聚乙烯(HDPE)：5000 S，大慶石化總廠生產(chǎn)，密度0. 954 9．cm-3，熔融指數(shù)0.7g'10 min-1；玄武巖纖維(BF)：浙江石金公司產(chǎn)，長(zhǎng)6 mm，直徑13 Um;楊木粉：40～80目，含水率≤2%；y-氨丙基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑（KH-550）：上海耀華化工廠生產(chǎn)；丙酮、無(wú)水乙醇，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)，分析純。
1.2 材料制備
1.2.1BF表面改性處理
改性處理前，BF先在索氏抽提器中用丙酮抽提12 h，再用蒸餾水浸泡5次，每次30 min，除去表面雜物，然后在80℃烘箱內(nèi)烘干3h，室溫下于干燥器中貯存?zhèn)溆谩?br />
參考文獻(xiàn)[20]的方法，將無(wú)水乙醇與蒸餾水按9:1的比例混合配制成溶劑，加入硅烷偶聯(lián)劑，偶聯(lián)劑與玄武巖纖維質(zhì)量比為3：100，用玻璃棒攪拌均勻。5 min后加入玄武巖纖維，靜置30 min后取出室溫晾干，隨后在120℃烘箱內(nèi)加熱2h，使偶聯(lián)劑在纖維表面縮聚形成偶聯(lián)劑層。反應(yīng)結(jié)束后取出纖維，用丙酮和蒸餾水交替沖洗3次，置于80℃烘箱內(nèi)烘干3h，得到改性BF備用。
1.2.2 復(fù)合材料制備
木粉在105℃的烘箱中干燥至含水率3%以下貯存待用。按表1的物料配比，將改性BF與木粉、HDPE、MAPE、石蠟潤(rùn)滑劑在SHR - IOA型高速混合機(jī)中混合10 min，然后轉(zhuǎn)入30 mm /40 mm雙階擠出機(jī)組擠出成型為截面尺寸40 mm×4 mm的片材。其中熔融區(qū)溫度為145℃，擠出區(qū)溫度為145～160℃，定型區(qū)溫度為1 65℃。
1.3 材料表征
1.3.1 掃面電子顯微鏡分析(SEM)
復(fù)合材料經(jīng)液氮低溫淬斷（纖維試樣不需淬斷），斷面噴金處理后，采用荷蘭FEI公司Quan-Ta200型環(huán)境掃描電子顯微鏡對(duì)表面微觀形態(tài)進(jìn)行觀察，加速電壓12.5 KV。
1.3.2 傅里葉轉(zhuǎn)換紅外分析( FT-IR)
采用美國(guó)Thermo Nicolet公司的Magna-IR560紅外光譜儀在室溫下分析未處理BF與改性BF的表面化學(xué)鍵構(gòu)，數(shù)據(jù)采集范圍為400～4000 cm-l，每個(gè)樣本的掃描頻率為32，分辨率為4 cm-l。
1.3.3 力學(xué)性能測(cè)試
復(fù)合材料的彎曲性能采用RGT-20A萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（深圳瑞格爾儀器公司），按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)塑料彎曲試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)D790 - 03規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)試，試件長(zhǎng)度為80 mm，寬度為13 mm，跨距為64 mm，加壓速度為2 mm/min測(cè)試?yán)煨阅芩脙x器同上，按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)塑料拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)D638 - 03規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)試，試件總長(zhǎng)度為165 mm，兩端寬度為19 mm，中間測(cè)試部分寬度為13 mm，標(biāo)距為50 mm，弧半徑為76 mm拉伸速度為5 mm/mln。
簡(jiǎn)支梁無(wú)缺口沖擊強(qiáng)度按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)塑料沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)D4812進(jìn)行簡(jiǎn)支梁擺錘沖擊試驗(yàn)，測(cè)試儀器為JC- 25型沖擊試驗(yàn)機(jī)（承德精密試驗(yàn)機(jī)公司），試件長(zhǎng)度為80 mm，寬度為10 mm，跨距為60 mm，擺錘能量為2J，沖擊速度為2.9 m/s。測(cè)試結(jié)果均為6個(gè)試樣的平均值。
2 結(jié)果與討論
2.1 BF的表征
2.1.1 掃描電鏡(SEM)分析
圖1是玄武巖纖維的SEM照片，可以看出未處理的BF圖l(a)表面非常光滑，經(jīng)過(guò)KH-550處理后，BF的表面變得粗糙圖l(b)。說(shuō)明在玄武巖處理過(guò)程中，偶聯(lián)劑形成涂層附著在纖維表面。偶聯(lián)劑層增加了BF表面的粗糙程度，同時(shí)也改善了與樹脂基體之間的相容性，有利于促進(jìn)BF與樹脂基體的結(jié)合，進(jìn)而提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。
2.1.2 傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜( FT-IR)分析
圖2(a)是經(jīng)過(guò)KH-550處理過(guò)的BF，可以看出，除了880 cm-1和724 cm-1兩處有明顯的紅外峰外，沒有突出的官能團(tuán)表征出來(lái)。此兩處分別對(duì)應(yīng)的是硅類化合物及Si-O的特征峰。圖2(b)中1733 cm-l處的紅外峰一般是羰基(C—O)的特征
峰，應(yīng)該是未處理BF膠層的成分所帶的官能團(tuán)。經(jīng)丙酮洗后在(a)中消失，表明膠層已經(jīng)去除。圖2(c)顯示的是KH-550的紅外譜圖，可以明顯地看到3356 cm-l與3287 cm-l是- NH2的伸縮振動(dòng)，2927、2865分別對(duì)應(yīng)的是亞甲基與甲基，1085cm_1、1002 cm-l、916 cm-l分別為Si- 0- Si、Si-O-C、Si- OH的吸收峰。結(jié)合圖1的電鏡圖，經(jīng)KH-550處理的BF表面含有偶聯(lián)劑成分，但圖2(a)并不能明顯看到相應(yīng)的KH-550的特征峰，特別是Si- 0- Si的吸收峰，說(shuō)明KH-550沒有在BF表面發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng)，這與文獻(xiàn)[20]所述處理后在1100 cm-l左右易發(fā)現(xiàn)Si-O-Si吸收峰所出入，可能由于BF表面KH-550的量很少，吸收峰被掩蓋，不易表征。
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2.2 改性玄武巖纖維對(duì)木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的影響
圖3(a)是復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和模量與纖維含量的關(guān)系圖?？梢钥闯?，添加4 wto/o未處理的BF和4 wt%～12 wt%/改性處理的BF，對(duì)WPC的彎曲性能影響不大，彎曲模量也基本上在同一水平。有文獻(xiàn)[21]指出玻璃纖維可以和木粉在WPC中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高WPC的彎曲強(qiáng)度得到提高。本文實(shí)驗(yàn)采用擠出工藝，纖維有一定的取向，不易形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)界面強(qiáng)度的不足也會(huì)影響B(tài)F性能的發(fā)揮。
圖3(b)是復(fù)合材料的拉伸模量和彎曲模量隨纖維含量變化的情況，與WPC相比，加入4 wt%未處理BF，OWPC-4的拉伸強(qiáng)度提高了24%；加入4 wt/%的改性BF，KWPC-4的拉伸強(qiáng)度提高了26%，繼續(xù)增加改性BF含量，KWPC拉伸強(qiáng)度及模量基本保持不變。說(shuō)明BF的種類與含量對(duì)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度及模量基本無(wú)影響。
復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度如圖3(c)所示，在添加4 wt%改性BF時(shí)達(dá)到最大值，為17. 48 KJ/mp，比WPC提高了1010/，比OWPC提高了63%。纖維含量為8 wt%和12 wt%時(shí)，與WPC相比增幅分別為76. 780/、87. 470/。說(shuō)明添加玄武巖纖維對(duì)WPC的沖擊性能影響明顯，改性BF的效果優(yōu)于未處理BF。究其原因，一方面，BF的加入有助于改善復(fù)合材料在受到載荷時(shí)的應(yīng)力集中，另一方面K H-550處理后的BF與樹脂基體的相容性得到提高，在纖維表面形成柔性界面層，增強(qiáng)了材料的韌性。
2.3 玄武巖纖維在復(fù)合材料中的微觀形態(tài)及分布
圖4是WPC與經(jīng)液氮脆斷的SEM圖。從圖4(a)可以看出，復(fù)合材料中未處理的BF與樹脂基體的結(jié)合存在缺陷；經(jīng)過(guò)KH-550處理后，BF與聚乙烯基體的相容性得到了改善，如圖4(b)所示，在纖維表面形成了完整的樹脂包覆層。而圖(c)、(d)的顯示斷面存在大量的纖維端頭凸出以及被拔出形成的孑L洞，少量纖維從端部斷裂，表明不論纖維改性與否，纖維在復(fù)合材料中破壞的主要形式是拔出。處理后的BF在破壞形式上與未處理BF沒有明顯差異。
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3 結(jié) 論
（1）玄武巖纖維經(jīng)KH-550處理后，表面變得粗糙，形成偶聯(lián)劑涂層，能夠改善與樹脂基體的界面結(jié)合性能，進(jìn)而提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，不過(guò)從脫機(jī)的效果來(lái)看仍需改進(jìn)
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