木塑復(fù)合材料中加入無機粉末的改性價值分析,高分子材料論文

木塑復(fù)合材料中加入無機粉末的改性價值分析,高分子材料論文內(nèi)容摘要：無機礦物具有優(yōu)異的硬度、尺寸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，并具有資源豐富、價格低廉、綠色環(huán)保等優(yōu)點，將無機礦物添加到木塑復(fù)合材料中能夠改善木塑制品的性能并且降低生產(chǎn)成本。介紹了無機礦物的幾何形狀特、粒徑及外表特征，總結(jié)了無機礦物在木塑復(fù)合材料中的分散方式方法以及加強木塑材料力學(xué)強度和熱性能的機理，指出了無機礦物在木塑中的應(yīng)用前景：因木塑復(fù)合材料制造和生產(chǎn)成本太高,使得木塑復(fù)合材料的應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展進入了一個瓶頸期；以增加韌性和復(fù)合為主要特點的新工藝,能夠使無機礦物在填充時的沖擊、強度及彈性等得到進一步提升，使用新的填料處理技術(shù)和基體樹脂誘導(dǎo)工藝,能將需要填充的改性材料的性能提高到一個全新的標(biāo)準(zhǔn)和高度,并且能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)優(yōu)越性和較低的成本；此為,必須進一步探尋求索多種無機礦物混合使用，以開發(fā)出愈加高效、環(huán)保、友好的新型木塑制品。本文關(guān)鍵詞語：無機礦物;木塑復(fù)合材料;礦物填料;外表改性;混合法;熔融共混;硬度;Researchprogressofinorganicmineralfillersreinforcedwood-plasticcompositesMengLingyuLiuMingliLiChunfengMengLipengCollegeofMaterialsScienceandEngineering,BeihuaUniversityAbstract：Inorganicmineralshaveexcellenthardness,dimensionalstabilityandthermalstability,andhavetheadvantagesofrichresources,lowpriceandenvironmentalprotection.Addinginorganicmineralstowoodplasticcompositescanimprovethepropertiesofwoodplasticproductsandreduceproductioncosts.Thegeometriccharacteristics,particlesizeandsurfacecharacteristicsofinorganicmineralswereintroduced.Thedispersionmethodsofinorganicmineralsinwoodplasticcompositesandthemechanismofenhancingmechanicalstrengthandthermalpropertiesofwoodplasticcompositesweresummarized.Theapplicationprospectsofinorganicmineralsinwoodplasticcompositeswerepointedout:becausethemanufacturingandproductioncostsofwoodplasticcompositesweretoohigh,themechanicalstrengthandthermalpropertiesofwoodplasticcompositeswereimproved,Theapplicationandtechnologydevelopmentofwoodplasticcompositeshaveenteredabottleneckperiod;thenewtechnologywiththemaincharacteristicsofincreasingtoughnessandcompositecanfurtherimprovetheimpact,strengthandelasticityofinorganicmineralsduringfilling,andnewfillertreatmenttechnologyandmatrixresininductiontechnologyareused,Itcanimprovetheperformanceofthemodifiedmaterialstoanewstandardandheight,andrealizethetechnicalsuperiorityandlowercost.Therefore,itisnecessarytofurtherexplorethemixeduseofavarietyofinorganicmineralstodevelopmoreefficient,environmentalfriendlyandnewwoodplasticproducts.0引言固然當(dāng)前我們國家已經(jīng)擁有比擬廣闊的林地和豐富的森林資源，但是我們國家對森林資源尤其是天然林的消耗特別宏大，且我們國家林木資源人均占有量缺乏世界平均水平的四分之一。2021年國家禁止天然林商業(yè)采伐，木材資源變得愈加稀缺。此時需要研發(fā)一種能代替木材而又擁有木材各項優(yōu)異性能的材料[1]。木塑復(fù)合材料是一種具有良好加工性能、高附加值和仿木特性的復(fù)合材料，被很多國家被列為綠色、節(jié)能、環(huán)保材料[2,3]。固然木塑復(fù)合材料有很多優(yōu)勢和價值,但由于其生產(chǎn)工藝及對加工裝置的制約,使其在實際工業(yè)生產(chǎn)中所占的比重相對較低,這極大地限制了木塑復(fù)合材料在我們國家的長期開發(fā)與應(yīng)用。在木塑復(fù)合材料中再參加無機粉末,不僅能夠極大地節(jié)約其生產(chǎn)成本,還能夠有效提高其木塑制品的抗拉強度、彎曲模量、抗沖擊性、導(dǎo)電性能、耐熱性和其加工的流動性[4,5]。1無機礦物性質(zhì)無機礦物的性能對木塑復(fù)合材料的幾何形狀特性、粒度和分布、顆粒形狀和外表性能、密度、硬度、白度等有很大影響，其對木塑復(fù)合材料的性能和工藝參數(shù)也有影響[6,7]。1.1幾何形狀特征不同的無機礦物經(jīng)過加工后具有不同的幾何形狀。與塑料加工中常用的層狀構(gòu)造如高嶺土和滑石粉[8,9]相比，硅灰石和水鎂石等具有纖維狀構(gòu)造的無機礦物，更合適作為木塑復(fù)合材料的加強填料[10,11]。不同幾何形狀的礦物填料對木塑復(fù)合材料強度的影響排序一般為纖維狀片狀柱狀立方球形[12]。1.2粒徑及外表特征粒徑大小與分布是無機礦物最重要的性質(zhì)之一[13]。不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)o機礦物有不同的要求。對于高聚合物基復(fù)合材料而言，無機非金屬礦物填料粒徑越小，其加強效果越好。KIM等[14]使用PCC作為加強材料來改善竹塑復(fù)合材料的力學(xué)性能，研究結(jié)果表示清楚：當(dāng)PCC顆粒直徑在1.2～60m時，復(fù)合材料的拉伸和彎曲強度隨著PCC含量的增加而增大。無機礦物的外表特征見表1。表1無機礦物的外表特征2無機礦物改性木塑復(fù)合材料研究進展當(dāng)前，無機礦物改性木塑復(fù)合材料的制備方式方法都傾向于將礦物填料均勻分布在木塑復(fù)合材料中，填料在復(fù)合材料中的分散均勻程度與最后復(fù)合材料的性能有直接關(guān)系，一般呈正相關(guān)[15]。然而，改善礦物填料在木塑復(fù)合材料中的分散性還是一個難題，并未得到根本解決。少量添加礦物填料對復(fù)合材料性能的改善效果不明顯，大量添加礦物填料存在分散困難的問題[16,17]。然而通過添加大量的無機礦物，能夠到達木塑復(fù)合材料令人滿意的功能(阻燃、吸聲、絕緣、抗紫外線老化等)，復(fù)合材料的成本增加，力學(xué)性能降低[18]。因而，迫切需要一種簡單的工藝或方式方法來解決木塑/無機礦物復(fù)合材料的力學(xué)性能和功能性之間的矛盾，進而提高木塑/無機礦物復(fù)合材料的附加值。2.1無機礦物在木塑復(fù)合材料中的分散方式方法無機礦物改性木塑復(fù)合材料的加工方式方法與傳統(tǒng)木塑復(fù)合材料幾乎一樣，參考近年來國內(nèi)外的研究成果，木塑中添加無機礦物的方式主要有一步混合法和兩步母粒法。2.1.1一步混合法熔融共混法:將改性后或未改性的無機礦物、木粉、聚合物、增容劑和其他助劑在機械混合機混，然后用雙螺桿擠出機熔融共混制備木塑復(fù)合材料[19,20,21]。熔融共混法是應(yīng)用最廣泛的粒子分散方式方法，符合工業(yè)生產(chǎn)需求，具有成型快、效率高的優(yōu)點。RAMLI等[22]采用熔融共混法將洋麻木粉、再生聚乙烯〔rPE〕、馬來酸脂聚乙烯〔MAPE〕和3種不同無機礦物填料〔石墨、云母、滑石粉〕分別混合，結(jié)果表示清楚：石墨/WrPC的最高沖擊強度比WrPC的最高沖擊強度提升了63%。溶劑混合法:首先將增容劑和聚合物混合于適量的有機溶劑中，然后向上述混合溶液中參加無機礦物和木粉，再將混合物枯燥粉碎，最后將枯燥粉碎后的顆粒通過擠出、注塑或模壓等方式方法制成木塑復(fù)合材料[23]。該方式方法具有溶劑對溶解聚合物的選擇多樣性、操作復(fù)雜、成本高、溶劑回收困難等缺點，不能在實際生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。DEKA等[24]采用溶劑混合方式方法在木塑復(fù)合材料中參加納米黏土和納米SiO2作為填料，結(jié)果表示清楚：添加以上兩種無機礦物的木塑復(fù)合材料的抗拉伸強度、彈性模量、靜曲強度、和尺寸穩(wěn)定性均顯著提高。2.1.2兩步母粒法首先將改性后或未改性的礦物填料均勻分散在聚合物中(熔融或溶劑混合法)，然后將無機礦物所填充的聚合物用作母料，與木粉、增容劑和其他助劑進行機械混合，最后熔融共混制成木塑復(fù)合材料。FARUK等[25]比照了一步混合法和兩步母粒法分別制成的無機礦物/木塑復(fù)合材料，華而不實兩步母料法將未改性和偶聯(lián)劑改性的納米黏土熔融混合并均勻分散在聚乙烯〔PE〕中，然后將納米黏土/PE混合物作為基體，與木粉和其他助劑機械混合后熔融混合制成木塑復(fù)合材料，結(jié)果表示清楚：兩步母料法制備的無機礦物/木塑復(fù)合材料的抗拉伸強度和靜曲模量都明顯高于一步熔融混合法。劉斌斌等[26]將納米黏土與馬來酸酐接枝聚乙烯〔PE-g-MAH〕熔融共混后作為母料，再與聚乙烯和木粉混合采用模壓方式方法制成木塑復(fù)合材料，結(jié)果表示清楚：采用兩步母粒法制備的復(fù)合材料相比擬一步混合法的復(fù)合材料在抗拉伸強度和靜曲強度都有明顯提高。上述兩種方式方法均是改善無機礦物在木塑復(fù)合材料中的分散程度。但到當(dāng)前為止，采用較復(fù)雜的工藝固然能夠提高無機礦物在木塑中的分散性，但并沒有從根本上解決問題。2.2礦物加強木塑作用機制相關(guān)研究表示清楚，不同種類的無機礦物的構(gòu)造、化學(xué)成分和理化性質(zhì)差異性很大，其礦物顆粒對填充改性木塑復(fù)合材料的作用也各不一樣(見表2)。表2礦物填料與相應(yīng)的功能復(fù)合礦物填料并不是兩種或兩種以上無機礦粉的簡單混合物，而是牽涉到礦物學(xué)、地質(zhì)學(xué)、化學(xué)、有機合成學(xué)、材料科學(xué)等眾多學(xué)科問題。只要將各學(xué)科融會貫穿，才能充分利用礦物之間的協(xié)同效應(yīng)。在這方面，我們國家已經(jīng)獲得了突破性的進展，對應(yīng)用新技術(shù)的復(fù)合粉體材料進行了重新研磨，使粉體顆?；旌暇鶆颍γ糠N粉體的細小顆粒進行了重新排列，使粒度分布合理。十分是通過對超細礦物粉體材料同時進行外表改性和分散處理，充分具體表現(xiàn)出了礦物材料比外表積大、活化率高、分散性好的優(yōu)點，所以在聚合物中填充量大，不僅降低了生產(chǎn)成本，還提高了產(chǎn)品的性能、附加值和市場競爭力[27]。2.3界面現(xiàn)象在高性能復(fù)合材料中的作用近年來，無機礦物的外表改性技術(shù)獲得了新的研究進展，即在無機礦物的外表參加了一種稱為高分子界面相容劑的化學(xué)藥劑。偶聯(lián)劑外表處理屬于一種外表化學(xué)改性，是當(dāng)前無機礦物填料中最常用的化學(xué)改性工藝[28,29]。偶聯(lián)劑是兩性構(gòu)造化合物,按其構(gòu)造可分為硅烷類、欽酸脂類、鋁酸脂類、鋁鋯復(fù)合類等。王磊[30]利用聚丙烯接枝馬來酸酐〔PP-g-MAH〕包覆天然云母粉，制備了聚丙烯/包覆云母粉新型復(fù)合材料，實驗結(jié)果表示清楚：改性后的云母能有效提高與基體的界面結(jié)合程度，進而減少細小裂痕的出現(xiàn)。隨著改性后的云母量增加，彈性模量和抗沖擊性能都有明顯提升，且能夠同時到達加強韌化的雙重目的。復(fù)合無機礦物外表改性的外表改性劑是有選擇性的，主要取決于復(fù)合填料的類型。例如選用硬脂酸和鈦酸酯偶聯(lián)劑和鋁酸酯偶聯(lián)劑作為重質(zhì)碳酸鈣/硅灰石復(fù)合填料的外表改性技；煅燒高嶺土/絹云母復(fù)合填料為硬脂酸和鈦酸酯偶聯(lián)劑或硅烷偶聯(lián)劑；由于復(fù)合無機礦物粉體的外表各向異性，往往需要多種類型的外表改性劑進行復(fù)合改性處理[31]，才能到達較高的界面結(jié)合程度。3無機礦物加強木塑的力學(xué)強度和熱性能在無機礦物加強木塑復(fù)合材料之中，無機礦物在復(fù)合材料中的主要功作用就是承受外力、減少缺陷發(fā)生，進而改善木塑復(fù)合材料的硬度、耐磨性、拉伸等力學(xué)性能。除此之外，隨著無機礦物的參加，木塑復(fù)合材料的內(nèi)部構(gòu)造也隨之發(fā)生改變，進而還能夠改善復(fù)合材料的吸濕性能和熱性能等。3.1力學(xué)強度添加無機礦物能夠提高復(fù)合材料的硬度、彎曲強度和模量等。MARTIKKA[32]等研究了滑石粉、碳酸鈣粉、皂石和硅灰石4種無機礦物對木塑復(fù)合材料〔WPC〕力學(xué)性能的影響，結(jié)果表示清楚：4種無機礦物都對WPC的力學(xué)性能有著不同程度的提升，華而不實滑石粉對提高WPC的拉伸強度最有效，硅灰石對提高硬度最明顯。SRIVABUT等[33]的多項研究證實，添加少量(7%~10%)的礦物填料，如納米黏土、滑石粉和碳酸鈣粉末能夠增大木塑復(fù)合材料力學(xué)強度，滑石粉和納米黏土顯著提高了復(fù)合材料的拉伸模量，而碳酸鈣粉在提高拉伸強度方面更有效。張靠民[34]以4種無機礦物尾料代替50%的木粉，制備了4種木塑復(fù)合材料；從填料在木塑復(fù)合材料中的分散程度和內(nèi)部構(gòu)造來看，條帶狀構(gòu)造的礦物填料優(yōu)于細絲狀構(gòu)造的，尤其對木塑復(fù)合材料的熱性能和硬度的提升更為明顯。用一樣無機礦物對WPC進行填充時，粒徑較小的無機礦物會對其彎曲和強度產(chǎn)生很大的影響，這主要是由于粒徑較小的無機礦物正好填充了木塑復(fù)合材料與木粉顆粒之間的空隙，進而大大提高了木塑復(fù)合材料的密實性和彎曲強度。3.2熱性能無機礦物既具有優(yōu)良的剛性、尺寸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性,又具有自然資源豐富、成本低廉、綠色環(huán)保等優(yōu)勢,不僅能夠提高復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性和力學(xué)特性,還能夠減少熱膨脹的溫度,改善其熱穩(wěn)定性[35]。木質(zhì)-聚烯烴復(fù)合材料主要用于室外環(huán)境中，因而應(yīng)考慮風(fēng)化的影響。OSSIMARTIKKA[32]等研究揭示了5種不同的礦物填料對WPC的熱穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表示清楚：添加礦物填料不會顯著改變復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性；除滑石粉外，所有研究的礦物填料對熱穩(wěn)定性的影響均較小。礦物填料在WPC材料中由于吸收太陽能〔即熱量積累〕而引起的溫度升高中可能發(fā)揮的作用材料對太陽輻射的顏色或反射率會影響其熱積累性能。礦物填料能夠改變WPC的外觀〔顏色〕。這是很重要的，由于WPC經(jīng)常用于室外應(yīng)用，因而不應(yīng)忽略太陽輻照的影響。太陽輻射對復(fù)合材料的直接影響是加熱，這種現(xiàn)象的嚴重程度能夠在實驗室條件下通過確定熱量的累積來預(yù)測，而熱量的累積與環(huán)境溫度無關(guān)。熱量積聚可能對WPC產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響。由于暴露側(cè)和非暴露側(cè)之間的溫度差異以及產(chǎn)品收縮率的差異，可能會導(dǎo)致變形問題。熱量積聚也是舒適性的主要因素[36,37]。Rathnam等[38]經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，納米黏土能夠提高不同密度的聚烯烴類混合木塑復(fù)合材料的耐熱性能．4無機礦物在木塑復(fù)合材料中的應(yīng)用前景因木塑復(fù)合材料具備強度大、高穩(wěn)定性和綠色環(huán)保等優(yōu)點,在近30年內(nèi)得到了迅速發(fā)展。但由于其制造和生產(chǎn)的成本過高,使得木塑復(fù)合材料的應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展進入了一個瓶頸期,若能突破現(xiàn)前階段的技術(shù)瓶頸,將來必將朝著高效率、低性能、高品質(zhì)的方向發(fā)展[39,40,41,42]。例如，能夠采用添加無機礦物填料的方式方法，這種方式方法不僅能夠有效提高木塑復(fù)合材料的強度，還能夠提高WPC的抗沖擊性能，這對于拓展木塑復(fù)合材料的應(yīng)用市場具有特別重要的意義。然而，國內(nèi)對于礦物加強木塑復(fù)合材料的研究仍然處于不成熟階段，因而距離產(chǎn)業(yè)化還有一段距離。對于無機礦物而言，固然其在塑料工業(yè)中使用較多,但仍僅限于碳酸鈣、滑石粉和云母等少數(shù)幾種填料[43]。因而,必須于進一步探尋求索和研究使用其他填料與其混合使用。復(fù)合礦物填料被以為是非金屬礦物工業(yè)技術(shù)應(yīng)用研究和開發(fā)的一種延伸和創(chuàng)新產(chǎn)品。與其他單一礦物填料一樣，它也逐步浸透到了國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，十分是在高性能復(fù)合材料的開發(fā)和應(yīng)用上，發(fā)揮著大多數(shù)非金屬原材料無法替代的重要作用。更值得注意的是，云母粉或云母粉復(fù)合礦物填料所產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)及其功能特性逐步得到了廣泛認可，產(chǎn)生了宏大的社會效益和經(jīng)濟效益[44,45,46]。近年來,高速發(fā)展以增加韌性和復(fù)合為主要特點的新工藝,能夠使無機礦物在填充時的沖擊、強度及彈性等得到進一步提升。使用新的填料處理技術(shù)和基體樹脂誘導(dǎo)工藝,能夠把所需要填充的改性材料的性能提高到一個全新的標(biāo)準(zhǔn)和高度,并且能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)優(yōu)越性和較低的成本,使得木塑復(fù)合材料的應(yīng)用前景愈加廣闊。5結(jié)束語因木塑復(fù)合材料具有強度高、穩(wěn)定性好和綠色環(huán)保等優(yōu)點,在近30年內(nèi)得到了迅速發(fā)展。但由于其制造和生產(chǎn)成本太高,使得木塑復(fù)合材料的應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展進入了一個瓶頸期。采用添加無機礦物填料的方式方法，不僅能夠有效提高木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能，還能夠賦予WPC功能特性。另外，對于無機礦物而言，固然其在塑料工業(yè)中使用較多,但仍僅限于碳酸鈣、滑石粉和云母等少數(shù)幾種填料。因而,必須進一步探尋求索多種填料混合使用，以開發(fā)出愈加高效、環(huán)保、友好的新型木塑制品。以下為參考文獻[1]郭辰星,朱震鋒,劉嘉琦.新時期中國木材資源供需：現(xiàn)在狀況、問題及方略[J].中國林業(yè)經(jīng)濟,2022,15(5):66-69.[2]E.SouryandA.H.BehraveshandE.RouhaniEsfahaniandA.Zolfaghari.Design,optimizationandmanufacturingofwoodplasticcompositepallet[J].MaterialsDesign,2018,11(26):21-26.[3]ChetanachanW,SookkhoD,SutthitavilW,etal.PVCwood:Anewlookinconstruction[J].JournalofVinylandAdditiveTechnology,2001,7(3):134-137.[4]沈凡成,賈潤禮.木塑復(fù)合材料的研究進展與發(fā)展前景[J].塑料助劑,2018,23(1):5-9.[5]Mohamadzadeh,Haftkhani,AR,etal.Numericalandexperimentalfailureanalysisofscrewedsingleshearjointsinwoodplasticcomposite[J].MaterialDesign,2020,35(2):404-413.[6]DanoML,GendronG,FAP.Stressandfailureanalysisofmechanicallyfastenedjointsincompositelaminates[J].CompositeStructures,2000,50(3):287-296.[7]艾江鵬,曾建新,王稚陽,等.無機填料在塑料生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].化學(xué)工程與裝備,2018,05(5):117-117.[8]張文剛,紀(jì)小平,宿秀麗,王芳,鄒玲.路用礦物纖維瀝青混合料性能及加強機理研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2020,34(8):50-54.[9]胡流球,袁繼祖,王春梅.造紙用礦物纖維的研究現(xiàn)在狀況與前景[J].中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊,2006,22(4):11-14.[10]康永,艾江.木粉/聚丙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能研究[J].橡塑技術(shù)與裝備,2021,43(4):23-29.[11]李浩.微孔發(fā)泡PP基木塑復(fù)合材料結(jié)晶與發(fā)泡行為研究[D].東北林業(yè)大學(xué),2021.[12]吳美升,蓋國勝,黃佳木,等.無機非金屬礦物填料的研究進展[J].化工礦物與加工,2003,32(4):1-5.[13]宋麗賢,張平,姚妮娜,宋英澤,康明,宋開平.木粉粒徑和填量對木塑復(fù)合材料力學(xué)性能影響研究[J].功能材料,2020,44(17):2451-2454.[14]KimBJ,YaoF,HanG,etal.Mechanicalandphysicalpropertiesofcoreshellstructuredwoodplasticcomposites:Effectofshellswith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