木塑復(fù)合材料應(yīng)用與研究進(jìn)展—改善復(fù)合界面相容性的方法
改善復(fù)合界面相容性的方法
木質(zhì)材料主要是由纖維素、半纖維素和木素組成的不均勻、各向異性的天然高分子復(fù)合材料，同時(shí)含有多種抽提物等成分，因此界面特性十分復(fù)雜。由于纖維素、半纖維素和木素等含有大量的極性。因此，在研制木質(zhì)纖維—塑料復(fù)合材料時(shí)，需要解決是最大問題是如何使親水的極性木質(zhì)表面與疏水的非極性塑料基材界面之間具有良好的相容性，從而使木質(zhì)材料的表面層與塑料的表面層之間達(dá)到分子間融合，產(chǎn)生比原來單一材料更加優(yōu)良的性能。為達(dá)到這一目的，國(guó)內(nèi)外在這方面開展了很多研究工作。
4.1 界面融合劑處理
改進(jìn)兩種不同性質(zhì)的界面融合性的一種方法是加入界面融合劑。其原理是界面融合劑中的一些組份與其中的一種聚合物相融，另一些組份與另一種聚合物相融，最終達(dá)到兩聚合物之間的融合。這種方法同樣可以用在木塑復(fù)合材料體系中，以改善木材填充物與聚合物基材之間的粘和性能。雖然用這種方法不能使兩種材料達(dá)到完全的融合，但可以降低界面的能量，從而使木材與塑料聚合物之間的界面間達(dá)到較好粘和。
4.2 對(duì)塑料表面進(jìn)行預(yù)處理
對(duì)塑料基材進(jìn)行的化學(xué)改性方法有，在自由基存在條件下用順丁烯二酸酐（MA）對(duì)聚乙烯進(jìn)行加成反應(yīng)，將MA上的極性基團(tuán)引入到非極性的聚乙烯分子中，使改性后的聚乙烯具有一定的極性。在與木材復(fù)合時(shí)，用這種改性聚乙烯可提高木塑復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度。但這種改性方法在聚乙烯分子鏈上極性基團(tuán)的接枝率較低，并在改性過程中容易產(chǎn)生MA或聚乙烯的自聚，在接枝共聚反應(yīng)中存在許多反應(yīng)，從而影響改性效果。
4.3 對(duì)木粉/木纖維表面進(jìn)行預(yù)處理
預(yù)處理有物理方法和化學(xué)方法
其中物理方法由于放電處理，如低溫等離子放電、濺射放電、電暈放電等。低溫等離子放電處理主要引起化學(xué)修飾、聚合、自由基產(chǎn)生等變化。等離子體的作用包括質(zhì)子的獲得以及不穩(wěn)定基團(tuán)的生成，從而使醇、醛、酮、羧酸等的官能團(tuán)發(fā)生變化；濺射放電處理主要引起物理方面的變化，比如表面變得粗糙等，以增強(qiáng)界面間的粘結(jié)性能；電暈放電是通過改變纖維素分子的表面能來降低復(fù)合材料的熔融粘度。放電處理可以降低纖維聚合物熔體的粘度以改善復(fù)合材料的力學(xué)性能。
其它的方法還有拉伸、壓延、混紡等，用來改變纖維的結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，以利于復(fù)合過程中纖維的機(jī)械交聯(lián)。
化學(xué)方法主要是在木材表面通過對(duì)極性官能團(tuán)進(jìn)行酯化、醚化、接枝共聚等進(jìn)行改性處理，使其生成費(fèi)極性化學(xué)官能團(tuán)并具有流動(dòng)性，使木材表面與塑料表面相似，以降低塑料與木質(zhì)材料表面之間的相斥性，達(dá)到提高界面粘合性的目的。木材是醚化包括甲基醚化和羥乙基醚化等。木材的甲基醚化，一般是通過甲基氯與經(jīng)過堿處理的木材反應(yīng)；羥乙基醚化是木材與環(huán)氧乙烷或2-氯乙醇在堿存在添加下反應(yīng)。
4.4 化學(xué)處理
化學(xué)處理是通過化學(xué)反應(yīng)減少木材表面 基數(shù)目，在木材/聚合物之間建立物理和化學(xué)鍵交聯(lián)。通過在木粉/木纖維表面形成一層憎水性薄膜從而提高其與聚合物的相容性和促進(jìn)木粉/木纖維的均勻分散。目前常用的有采用偶聯(lián)劑、增容劑和單體預(yù)浸漬聚合等方法。
4.4.1 偶聯(lián)劑處理
目前有超過40種的偶聯(lián)劑用于木塑復(fù)合材料制備。這些偶聯(lián)劑可分為三類：有機(jī)類、無(wú)機(jī)類和有機(jī)無(wú)機(jī)雜化類。常用的有機(jī)偶聯(lián)劑包括異氰酸酯、酸酐、酰胺、酰亞胺、硅烷、環(huán)氧化物、丙烯酸鹽、有機(jī)酸等，一般偶聯(lián)劑的添加量為木粉的添加量的1%~8%。
偶聯(lián)劑能使塑料與木粉/木纖維表面間產(chǎn)生強(qiáng)的界面結(jié)合，同時(shí)能降低木粉/木纖維吸水性，提高木粉/木纖維與塑料間的相容性與分散性，是復(fù)合材料力學(xué)性能提高。如硅烷偶聯(lián)劑可以提高塑料與木粉/木纖維的粘結(jié)力，改善木粉/木纖維的分散性，減少吸水性，而堿性處理木粉/木纖維則只能改善木粉/木纖維分散性，不能改善木粉/木纖維吸水性及與塑料的粘結(jié)性。
在解釋硅烷作為偶聯(lián)劑提高復(fù)合材料的性能的幾種理論中，最普遍被接受的是化學(xué)鍵理論。這個(gè)理論認(rèn)為，具有雙官能團(tuán)與聚合物連接，在復(fù)合材料的界面上形成由共價(jià)鍵連接的連續(xù)體。許多因素影響偶聯(lián)劑的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響復(fù)合材料的力學(xué)性能，這些因素包括硅烷的結(jié)構(gòu)、干燥條件等。除硅烷的化學(xué)結(jié)構(gòu)外，溶劑的分散性能、引發(fā)劑等都會(huì)引起各種化學(xué)反應(yīng)以及界面間的物理作用。
另外，對(duì)于同一種偶聯(lián)劑，不同的熱塑性聚合物對(duì)復(fù)合材料性能的影響不同，影響程度與聚合物本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。
4.4.2 接枝共聚
對(duì)塑料或木粉/木纖維進(jìn)行接枝處理是一種有效的改性方法，即在引發(fā)劑作用下，馬來酸酐、甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯等單體引發(fā)生成游離基，與合成高聚物或與木質(zhì)材料表面接枝共聚，提高相容性。主要的官能性單體有馬來酸酐（MA）,丙烯酸(AA)，縮水甘油基甲基丙烯酸（GMA）等。
閻昊鵬用H2O2引發(fā)苯乙烯單體分別接枝不同木粉及其三大主要成分。研究表明，在引發(fā)劑作用下，雖然木材中的纖維素和半纖維素不與苯乙烯反應(yīng)，但由于木素與苯乙烯接枝共聚，改性后木材表面能降低，有利于提高木-塑相容性。
王瀾用LDPE-g-MAH接枝物來改善木粉與聚乙烯之間的相容性，結(jié)果表明，LDPP-g-MAH接枝物的加入改善了木粉與聚乙烯之間的相容性。隨其加入量的增加，材料的力學(xué)性能逐步提高，當(dāng)它的加入量為總量的20%-30%時(shí)，材料的強(qiáng)度達(dá)到最高值。
4.4.3 堿金屬溶液膨脹處理及取代
堿化處理是用堿金屬溶液對(duì)木粉進(jìn)行處理。其效果主要取決于堿金屬溶液的類型及溶液的濃度。木粉表面常吸附一些灰塵雜質(zhì)，且木粉含小分子化合物。在混煉過程中，這些小分子物質(zhì)會(huì)滲出到木粉表面，從而在界面處形成弱邊界層，削弱界面相互作用。在對(duì)木粉/木纖維的堿化處理過程中，這些雜質(zhì)均可被堿消耗或者被淋洗掉，不僅減少了弱邊界層的影響，而且有利于融合劑的活性基團(tuán)與木粉表面羥基反應(yīng)。
據(jù)報(bào)道，木質(zhì)纖維填料在堿金屬溶液中浸泡48小時(shí)后，未處理前的球狀抽提物將消失，而形成許多空腔。這些空腔增強(qiáng)了聚合物與木粉填料的“鎖緊力”。由于一些化學(xué)鍵的斷裂，使復(fù)合材料的表面變得粗糙，這也增強(qiáng)了界面間的相容性。
李蘭杰研究表明，在融合劑（HMA100）超過總量2%后，堿化處理的木粉填充復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度比未堿化處理的高。
4.4.4 乙酰化法
通過對(duì)木粉/木纖維進(jìn)行乙酰化處理，可降低木粉/木纖維表面的極性和親水性，提高其與非極性基體樹脂的相容性和分散性。
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