新型加工助劑對pvc木塑復合材料性能的影響

新型加工助劑對pvc木塑復合材料性能的影響

木塑材料是近年來迅速發(fā)展的一種新型環(huán)保材料。它具有塑料和木材的主要優(yōu)點。利用舊塑料和木材加工廢物和其他資源，有助于解決白色污染，彌補森林資源不足的問題。木粉屬于輕而硬的顆粒材料,少量填充于塑料基體時,所得木塑制品欠缺硬木的質(zhì)感,只有在木粉用量較大時才能顯示出木塑材料的優(yōu)點和價格優(yōu)勢。然而,由于木粉中含有大量的羥基官能團,呈現(xiàn)較強的化學極性,在擠壓加工中,木粉顆粒容易自聚而結(jié)團,這些團聚點很容易引起應力集中,應力不能在界面有效傳遞,導致復合材料性能下降;另一方面,高溫下木粉容易炭化,PVC也較易熱分解,所以PVC木塑材料的成型加工溫度范圍較窄。顯然,木粉用量越大,越不容易快速而均勻地分散在塑料基體中,木粉被基體完全包覆的程度越小,導致在熔融溫度下木塑材料的熔體流動性差、物理力學性能低劣、制品表面粗糙等缺陷。因此,要實現(xiàn)木粉的高填充量,并且使木塑材料具有良好的加工性能和物理力學性能,關(guān)鍵是在有限的加工溫度范圍內(nèi),提高木粉的分散性,使其快速而均勻地分散在塑料基體中。本文采用不同品種和用量的加工助劑,研究其對木粉在PVC基體中的分散性,以及對PVC和木粉相容性的影響,以期改善高木粉填充量的PVC木塑材料的加工性能和物理力學性能,達到提高PVC木塑材料性價比的目的。1實驗部分1.1芳香族碳氫化合物PVC,SG-7型,天津渤?；び邢挢熑喂?松木粉,100目,江西南康方舟纖粉廠;加工助劑:Homogenizers501(簡稱H501),不飽和芳香族碳氫化合物之聚合體,軟化點95~105℃;Struktol60NSF,淺色脂肪烴樹脂混合物,滴落點95~105℃;StruktolWB16,鈣皂和飽和脂肪酸酰胺混合物,熔點96~108℃;DeoflowA,脂肪醇和脂肪酸酯的混合物,滴落點93~103℃,廣州金昌盛科技有限公司;氯化聚乙烯(CPE),135A;丙烯酸酯類加工改性劑(ACR);熱穩(wěn)定劑(鋅皂和鈣皂復合物),廣州創(chuàng)科塑料型材有限公司。1.2試驗設備及儀器電子萬能試驗機,CMT4204,深圳市新三思材料檢測有限公司;沖擊試驗機,XCJ-4;萬能制樣機,ZHYW,河北省承德市材料試驗機廠;開放式塑煉機,SK-160B;平板硫化機,QLB-400×400,上海橡膠機械廠;高速攪拌機,GRH-10,遼寧阜新熱源設備廠;電熱烘箱,101-5,南通科學儀器廠;扭矩流變儀,德國HaakeRheomix公司;掃描電子顯微鏡(SEM),XL-30FEG,荷蘭PHILIPS公司。1.3木粉、cpe和鈣皂混合物zea實驗基本配方為:PVC,100phr;木粉,100phr;CPE,10phr;ACR,5.0phr;鋅皂和鈣皂復合物,4.0phr;加工助劑,改變品種及用量。1.4混合料片材外觀檢測木粉先在120℃烘箱干燥2h,常溫下將干燥木粉、PVC及其他配合劑在高速攪拌機中連續(xù)混合3min?；旌狭显?75~185℃的塑煉機上熔融混合,觀察物料的包輥情況,薄通6次后出片,正常光線下目測片材外觀。然后在180~190℃的平板硫化機上制得4mm厚的片材,用萬能制樣機制成標準試樣。1.5性能測試方法拉伸強度按GB/T1040—1992執(zhí)行,拉伸速率50mm/min;沖擊強度按GB/T1843—1996執(zhí)行,為無缺口試樣;彎曲性能按GB/T9341—2000執(zhí)行;吸水率按GB/T1034—1998執(zhí)行,試樣尺寸4mm×10mm×10mm,用電子分析天平稱取樣品在室溫的自來水中浸泡48h前后的質(zhì)量,以浸泡后所增加的質(zhì)量與浸泡前質(zhì)量的百分比計算其吸水率;加工性能用HaakeRheomix扭矩流變儀測試,溫度170℃,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速30r/min;SEM分析:試樣經(jīng)脆斷,斷面真空鍍金處理后,進行觀察。2結(jié)果與討論2.1加工助劑對表面活性劑的影響當木粉用量較大時,其在基體中不易均勻分散,造成混合物包輥困難,片材表面粗糙且缺少塑料特有的光澤。故通過觀察復合材料熔體在塑煉機上的包輥情況和片材表面狀況,可判斷木粉在塑料基體中的分散程度。加工助劑對復合材料加工性能的影響如表1所示。從表1可以看出,四種加工助劑均有利于復合材料熔體熔融混合和包輥,加工助劑用量越大,復合材料熔體越容易包輥,薄通出片所得片材的表面越有光澤。在較低用量時,WB16和DeoflowA比H501和60NSF的改善效果更明顯。加工助劑H501或60NSF的主要組分是不飽和芳香族碳氫化合物或脂肪烴樹脂混合物,能夠作為高效連接體,與絕大多數(shù)極性或非極性聚合物相容,起均化、增塑和增黏作用;在混煉加工溫度下,H501或60NSF處于黏流態(tài),能加快塑料基體與木粉之間的滲透與擴散,從而促進木粉的分散。加工助劑WB16或DeoflowA的主要組分是鈣皂和飽和脂肪酸酰胺混合物或脂肪醇和脂肪酸酯的混合物,具有潤滑和促進木粉分散的作用;在加工過程中,WB16和DeoflowA的分子間作用力小,容易被吸附在木粉粒子上,起到隔離、潤滑、增塑和促進木粉分散的作用。因此,這些加工助劑都能起到防止木粉團聚、降低熔體黏度、促使木粉在較短時間混入PVC基體并均勻分散的作用;而且用量越大,作用越明顯。2.2助劑對pvc木塑材料加工性能的影響加工助劑對復合材料流變性能和吸水率的影響如表2所示。從表2可以看出,復合材料的最大轉(zhuǎn)矩、平衡轉(zhuǎn)矩和平衡時間隨著加工助劑用量的增加而減小,而且添加WB16或DeoflowA的減小幅度更大。最大轉(zhuǎn)距即塑化轉(zhuǎn)矩變小,說明復合材料產(chǎn)生形變的難度變小,加工性能變好;平衡轉(zhuǎn)矩小,表明復合材料流動性好;平衡時間小,表明塑化時間短。因此加工助劑有助于改善PVC木塑材料的加工性能。與H501或60NSF相比,WB16或DeoflowA具有更優(yōu)異的隔離、潤滑和增塑效能,對木塑材料加工性能的提高更加明顯。另一方面,加入加工助劑后,復合材料的吸水率有較大程度的下降。說明加工助劑提高了木粉的分散性,木粉被基體包覆的幾率增加,減少了疏松狀木粉吸附低分子量物質(zhì)的機會,從而提高了復合材料的耐水性能。2.3復合劑用量的影響加工助劑對復合材料力學性能的影響如圖1~圖4所示。從圖1~圖4可以看出,隨H501或60NSF用量的增加,復合材料的拉伸強度、彎曲強度和彎曲模量增加,在3.0~6.0phr范圍達到最大值并趨于不變,沖擊強度也表現(xiàn)出類似的變化規(guī)律。隨WB16或DeoflowA用量的增加,復合材料力學性能先上升再下降,其最佳用量范圍在1.5~3.0phr左右。填充高聚物的力學性能是基體分子之間、基體與填料之間相互作用的綜合反映。未加入加工助劑時,木粉不能被基體完全包覆且存在較多團聚點,當承受外力時,這些團聚點很容易引起應力集中,導致復合材料的力學性能低劣;隨加工助劑用量的增加,促進了木粉在基體中的分散,木粉的團聚點減少,復合材料的力學性能隨之提高。然而,主要起潤滑和隔離作用的加工助劑,如WB16或DeoflowA化學惰性較強,當其用量超過一定范圍時,反而會削弱極性高聚物基體之間、基體與填料之間的相互作用,從而對復合材料的力學性能產(chǎn)生不利影響。另一方面,H501或60NSF除了促進木粉分散外,還具有與極性木粉和PVC相容性好、能促進基體與木粉相互作用的特點;而且其常溫下呈固態(tài),本身的力學強度和模量較高,因此,H501或60NSF在用量較大(3.0~6.0phr)時,復合材料的拉伸強度、沖擊強度、彎曲強度和彎曲模量更好。2.4粉與pvc抗體的相關(guān)性圖5為復合材料沖斷斷面的SEM照片。從圖5(a)可以看出,沒加入加工助劑時,木粉與PVC基體間存在清晰的相界面,木粉被拔出后留下的空穴表面光滑,且木粉呈不規(guī)則團聚,說明木粉與PVC基體相容性差;從圖5(b)和圖5(c)可以看出,分別加入6phrH501和60NSF后,木粉分散較為均勻,沖擊斷面產(chǎn)生了明顯的白化現(xiàn)象,基體與木粉之間的界面模糊,沒有較大的空洞,木粉與基體渾然一體,說明H501和60NSF起到了促進木粉分散和提高基體與木粉相容性的作用;從圖5(d)和圖5(e)可以看出,分別加入3phrWB16和DeoflowA后,木粉沒有明顯的團聚,分散較均勻,但與圖5(b)、圖5(c)相比,相界面更為光滑,表明WB16和DeoflowA在改善木粉與基體相容性方面,效果較差。3材料用量對pvc木塑材料力學性能的影響加工助劑H501或60NSF能夠提高木粉在P