【word】 竹粉增强聚丙烯复合材料的吸水性和表面润湿性

【word】 竹粉增强聚丙烯复合材料的吸水性和表面润湿性 竹粉增强聚丙烯复合材料的吸水性和表面 润湿性 福建农林大学(自然科学版) JournalofFujianAgricultureandForestryUniversity(NaturalScienceEditio n) 第41卷第2期 2012年3月 竹粉增强聚丙烯复合材料的吸水性和表面润湿性 周吓星,黄舒晟,陈礼辉,林巧佳 (福建农林大学材料学院,福建福州350002) 摘要:研究了竹粉用量和马来酸酐接枝聚丙烯(MAPP),硅烷(KH570),钛酸酯(DN301)和铝锆(rrL.4)偶联剂对竹粉增强 聚丙烯发泡复合材料吸水性和表面润湿性的影响,材料表面的动态润湿性采用模型表征.结果表明,竹粉用量的增加 会提高材料的吸水性和润湿性;偶联剂的加入会提高材料润湿性,降低其吸水性,且MAPP改善效果最佳,其次是KI-I570和 IL4,最后是DN301;竹粉用量为50份,未加偶联剂,1080h后材料的吸水率为7.655%,添加偶联剂后,吸水率降低到 1.646%一2.112%,竹粉用量为90份时,吸水率又增加到3.42%;竹粉用量为10—9o份时,蒸馏水和甘油在材料表面的接 触角衰减速率(值)分别为0.0053—0.0081和0.0074—0.0103,加入偶 联剂后,值增大50%一67.7%. 关键词:竹粉增强聚丙烯复合材料;发泡;偶联剂;吸水性;动态润湿性 中围分类号:TB322文献标识码:A文章编 号:1671-5470(2012)02-0208-05 Waterabsorptionandsurfacedynamicwettabilityof bamboopowderreinforcedPPcomposite ZHOUXia—xing,HUANGShu?sheng,CHENLi—hui,LINQiao-jia (CollegeofMaterialEngineering,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou,Fujian,350002,China) Abstract:Effectsofthebamboopowdercontentandmaleieanhydridegraftedpolypropylene(MAPP),silane(KH570),titanate (DN301)andaluminumzirconium(n,4)couplingagentsonthewaterabsorptionandsurfacewettability0fbamboopowderrein- forcedpolypropylenefoamingcompositewereinvestigatedandthemathematicalmodelofdynamicweaablilityaboutcompositewas established.Theresultsshowedthat:withincreaseofbamboocontentthewaterabsorptionandwettabilityincreasedandwithaddi- tion0fcouplingagentthewaterabsorptiondecreasedandwettabilityimproved.MAPPWasbestinimprovement.foHowedbyKH-570 andI’L_4andlastWaaDN-301.Thewaterabsorptionofcompositeuntreated(contained50phrbamboopowders)WaS7.655%for 1080handdecreaSedto1.646%一 2.112%whenaddedcouplingagent.andincreasedto3.42%whenbamboopow derswere90 phr.Whenthebamboopowderswere10phr一 90phr,thedecliningratesofcontactangleK(withdistilledwater,glycerin)were O.0053-0.0081andO.0074-0.0103respectivelyandKincreasedby50%一 67.7%withcouplingagent. Keywords:bamboopowderreinforcedpolypmpylenecomposite;foaming;c ouplingagent;waterabsorption;dynamicwettability 木塑复合材料(WPC)尤其是高植物纤维含量的聚烯烃木塑复合材料 用于户外建筑和户外装饰时,因 长期暴露在自然环境中会吸水,影响其强度和界面相容性,甚至导致 变形,霉变….同时,WPC在实际使用 时需要进行涂饰,贴面等处理,因此,其吸水性,润湿性和表面性能的 研究具有重要意义.在木材及木质复 合材料领域,用动态润湿性表征液滴在材料表面粘附,渗透及铺展的 难易程度和效果的研究已较普遍,较 单纯的瞬时接触角研究也更有意义J.WPC作为一种新型材料,其表 面润湿性的研究相对较少,主要有 研究木纤维含量和相容剂添加量与润湿角的关系[6-s],塑料,植物纤 维改性后表面性能的变化.’,丽关 于木塑发泡复合材料改性后表面性能的变化以及表面自由能和吸 水性关系的研究很少. 竹粉增强聚丙烯(PP)发泡复合材料具有资源和性能优势,本研究借鉴文献[10]的研究方法建立表征 材料表面动态润湿性的数学模型,对不同竹粉含量和不同种类偶联剂处理的竹粉增强PP发泡复合材料 吸水性和表面动态润湿性进行研究,以期为木塑发泡复合材料润湿性的深人研究以及生产应用打下理论 基础. 收稿日期:2011一o6—15修凰日期:2011—09-21 基金项目:国家自然科学基金资助项目(30671637,30972311);福建省自然科学基金资助项目(2OLOJO1271). 作者简介:周吓星(1987一),女,博士研究生.研究方向:生物质复合材料.Emai]:starllll0818@163.COff1.通讯作者林巧佳(1954:一),女,教 授,博士生导师.研究方向:木材科学与工程,胶粘剂.Email:linqj208@163.COll1. 第2期周吓星等:竹粉增强聚丙烯复合材料的吸水性和表面润湿性.209. 1材料与方法- 1.1试验材料 高熔体强度聚丙烯(HMSPP,SMS-514F)购自韩仁贸易上海有限公司,密度为0.905g?cm一,熔点为 175?,熔融指数MFR为0.32g?min(23O?,2.16kg).PP(K8303)购自美 国埃克森美孚,密度为0.9g ?cm一 ,熔点为168oC,MFR为0.24g?min(230?,2.16kg).竹粉购自浙江临安市明珠竹木粉有限公 司,密度为1.405g?cm,,粒径为90—350.马来酸酐接枝聚丙烯(MAPP)购自南京德巴化工有限公 司.硅烷(KH570)和钛酸酯(DN301)购自南京道宁化工有限公司.铝锆偶联剂(,IL_4)购自重庆久硕工贸 有限公司.AC发泡剂购自上海杰余工贸有限公司,发泡量为240mL?g一,分解温度为200oC.纳米氧化 锌购自杭州万景新材料有限公司,粒径为40nm.液体石蜡,硬脂酸钙,硬脂酸锌和硬脂酸均为市售. 1.2试验方法 1.2.1试样制备将竹粉放人105?烘箱中干燥8h,至绝干.将烘干的竹粉加人高速混合机,搅拌升温 至100oC,用无水乙醇以1:4比例稀释KH570,DN301,计量喷雾,再搅拌8min.将烘干的竹粉加入高速混 合机,搅拌升温至7O?,采用同样方式稀释TL_4,计量喷雾,再搅拌8mln,卸料备用,即为改性竹粉.所有 偶联剂用量均为竹粉质量的百分数 一 定温度下按顺序加人塑料(20%HMSPP,80%PP),润滑剂等,在高速混 合机中混合5min,制得预混 料;将预混料和改性竹粉放人转矩流变仪中密炼12min,温度185oC,转速40r?min,,卸料粉碎.将粉 碎的竹塑复合材料同发泡剂混合后,注塑成型. 1.2.2测试方法(1)吸水性测定.按GB/T1034-2008测试,将试样放在蒸馏水中浸泡1080h,测定试 样浸水前后质量变化,浸水前后质量差与浸水前质量之比即为吸水率.测试5个试样,试验结果取平均值. (2)接触角测定.将”1.2.1”中的试样加工成长,宽,厚分别为30rain×12mm×4rain的待测试样.采用 JC2000A静态接触角测量仪,通过接触角仪的进样控制系统将2L试剂滴落在试样表面,获取不同时间 段液滴在试样表面的形态,测量液滴在试件表面接触角的变化.采用的2种试剂分别为蒸馏水和甘油,其 中,蒸馏水为实验室制备,甘油为纯.试验记录时间为300s,记录时间点依次为0,5,l0,2O,3O,40,60, 80,100,130,160,190,220,260和3008. 1.3动态润湿性表征 采用动态润湿性模型公式0=+Aexp(一/a),其中,A为积分常数,为接触角在单位时间内衰减的 速率,0为t时间时的接触角,运用非线性曲线拟合实验数据,通过值定量评价竹粉用量和偶联剂对竹 粉增强PP发泡复合材料动态润湿性能的影响.根据材料的表面能及接触角公式计算材料的表面自由 能y,: yn(cos8l+1)=2(y)/2+2()/2,y(COS02+1)=2(.d7口d)/2+2()/2,7.=y+. 式中,:为水的非极性自由能,其值为21.8mJ?1TI,,为极性自由能,其值为5lmJ?rfl,,d为甘 油的非极性自由能,其值为37mJ?m,,伲为极性自由能,其值为26.4mJ?inI2【】. 2结果与分析 2.1竹粉用量和偶联剂种类对复合材料吸水性的影响 图lA为竹粉用量对竹粉增强PP发泡复合材料(PP都为100份,添加9%MAPP)吸水率的影响,图 lB为竹粉5O份,PP100份时,不同种类偶联剂对复合材料吸水率的影响.由图lA可见,随着竹粉用量的 增加,材料的吸水率呈递增趋势,0—480h材料的吸水率变化较快,随着浸泡时间的延长,其曲线逐渐变 得平缓;竹粉用量为10和30份时,试样浸泡360和720h后材料即达到饱和;竹粉用量为5O份时,浸泡 1080h后材料的吸水率升高缓慢;而竹粉用量为70和9O份时,浸泡1080h后材料吸水率仍较快升高.PP 是非极性疏水材料,在高温高压下可进入木质纤维内部,用量较多时,能很好地包裹木质纤维,呈现塑料特 性,复合材料的吸水率较低.竹粉用量增多时,竹粉之间会形成大量空洞,塑料不能完全包裹木质纤维,只 能起到黏合作用,木质纤维的大分子含有大量羟基,容易形成分子内氢键,使复合材料吸水性增大H引.浸 ? 2l0?福建农林大学(自然科学版)第41卷 泡1080h后,竹粉用量为10,3O,50,70和9O份时,吸水率分别为0.238%,0.976%,1.646%,2.410%和 3.420%.由此可见,竹粉质量分数小于50%时,竹塑复合材料的吸水性不很明显,具有较好的防水性.复 合材料吸水的根本原因是竹粉含有极性的羟基,偶联剂改性后,竹粉的羟基与偶联剂的基团发生反应,降 低极性,改善界面相容性,从而明显降低材料的吸水率.采用不同偶联剂改性的复合材料,其吸水率不同, 由图1B可见,用9%MAPP,2%KH570,1%TL.4和2%DN301改性后(其中偶联剂的最佳用量是由其改性 后材料力学性能最佳而确定),材料吸水率分别为1.646%,1.间/h A.不I司竹粉用量;B.不同偶联剂用量. 图1竹粉用量和偶联剂对PP复合材料吸水率的影响 Fig.1Effectsofbamboopercontentandcouplingagentsonthewaterabsorptio nofbamboopowderreilII.0】?edPPfoamedcomposites 2.2竹粉用量对复合材料表面润湿性的影响 竹粉用量对竹粉增强PP发泡复合材料(采用9%MAPP改性,PP为100份)的表面润湿性的影响见图 2,通过Origin软件拟合计算出模型参数,拟合参数和计算的表面自由能见表1.竹塑复合材料中少量竹粉 有利于泡核形成和增长,加入大量竹粉会提高复合材料的熔体黏度,影响泡核的增长,微孔发泡难度进一 步增大.但是竹粉用量为l0—90份时,对发泡复合材料的表面质量影响不大,可忽略不计.由图2可见,动 态润湿性模型公式可较好地拟合竹粉增强PP发泡复合材料的润湿过程,相关系数R均达到0.957以上. 为与液体润湿铺展速度有关的衰减速率常数,值越高,接触角达到平衡的时间越短,液体在复合材料 表面的渗透和铺展也就越快.由表1可见,较蒸馏水而言,甘油的极性与复合材料的表面极性较为相近,甘 油为试剂时,值大于蒸馏水,表明甘油对复合材料动态润湿性略优于蒸馏水,能较快地达到平衡.随着竹 粉用量增多,K值增大,材料润湿性提高.由图2可见,复合材料的润湿性总体较差,竹粉用量为1O,30份 时,蒸馏水和甘油液体在复合材料表面刚形成液滴时的初始接触角均大于90.;竹粉用量为10份时,初始 接触角分别为9O.1.和92.8.,300s后接触角下降了4.61%一9.11%,K值分别为0.0053和0.0081;随着竹 粉用量的增加,尤其从10份增加到50份时,平衡接触角减小,接触角的下降率逐渐增大,材料的润湿性提 高,表面自由能增大;继续增加竹粉用量,材料的表面自由能缓慢增大.竹粉用量为9O份时,初始平衡角分 别为85.4.和89.1.,300S后接触角下降了l3.18%一17.07%,K值分别为0.0077和0.0103. 2.3偶联剂对复合材料表面润湿性的影响 采用100份PP,50份竹粉(此时材料综合性能最佳?.)时,偶联剂对竹粉增强PP发泡复合材料表面 接触角的影响及材料润湿性变化规律和拟合参数见图3和表2.由表2和图3可见,蒸馏水和甘油在未改 性复合材料表面的初始接触角分别为93.4.和100.6.,300S后,接触角为85.6.和94.8.,下降了8.37%和 5.72%,K值仅为0.0034和0.0065.4种偶联剂对复合材料的表面润湿性均有一定提高作用,偶联剂改性 后,材料的初始接触角和接触角变化明显,K值有所增大,增幅约为50%-67.7%.其中MAPP对材料的润 湿性改善最佳,K值分别提高到0.0071和0.0119,平衡接触角降低到74.5.和81.9.,表面自由能也由未改 性时的28.02mJ?m提高到34.19mJ?111,;其次是KH570和TL4,最后是DN301.这是因为MAPP的 加入不仅提高了PP的极性,而且降低了竹粉的极性,而且马来酸酐基 团与植物纤维上的羟基发生了酯化 第2期周吓星等:竹粉增强聚丙烯复合材料的吸水性和表面润湿性?2ll? 反应,使得PP与竹粉有更好的界面融合性,促进了相容性,增加了材料的表面润湿性.KH570偶联剂水溶 液的渗透性极0 时N/s时间/s A.水;B.甘油.? 图2竹粉用量对PP发泡复合材料表面接触角的影响及其变化规律 Fig.2Effectsofbamboopowdercontentoncontactangleofbamboopowderre inforcedPPfoamedcompositesanditschangerules 表l竹粉用量对PP发泡复合材料表面润湿性的影响 Table1EffectsofbamboopowdercontentOilsurfacewettability0fbamboop owderreinforcedPPfoamedcomposites lO4 lO0 o96 羹92 档 88 84 80 050100150200250300050100150200250300 时间/s时间/s A.水;B.甘油. 图3偶联剂对竹粉增强PP发泡复合材料表面接触角的影响及其变化规律 Fig.3Effectsofcouplingagentsoncontactangleofbamboopowderreinfo~lP Pfoamedcompositesanditschangerules 髂? %s!骢”踮;,记 一.)\畏摇鞲旧 %髂? 一.一\嫉蕊螭旧 . 212.福建农林大学(自然科学版)第41卷 3结论 (1)动态润湿性模型公式可很好地拟合竹粉增强PP发泡复合材料的润湿过程. (2)采用9%MAPP改性,PP为100份时,随着竹粉用量的增加,竹粉增强PP发泡复合材料的吸水率 增大,1080h后,加入10,30,5O,70和90份竹粉的复合材料,其吸水率分别为0.238%,0.976%,1.646%, 2.410%和3.420%.加入偶联剂,可降低材料的吸水率,PP100份,竹粉 50份时,材料的吸水率由未改性时 的7.655%下降到1.646%一2.112%. (3)竹粉增强PP发泡复合材料的表面润湿性差,竹粉用量的增加可提 高材料的润湿性,竹粉用量为 lO份时,蒸馏水和甘油在材料表面的K值仅为0.0053和0.0081;竹粉 用量为9O份时,K值分别增大到 O.0077和0.0103;偶联剂改性后,材料表面润湿性能提高,值增幅约 50%一67.7%,表面自由能由未改性 时的28.o2mJ?m提高到32.37—34.19rnJ?m-2.从综合吸水性和表面 润湿性来看,MAPP的改性效果 最佳,其次是KH570和.IL4,最后是DN301. 参考文献 [1]ANDRZEJKB,OMARF.Injectionmouldedmierocellularwoodfibre-polypropylenecomposites[J].Composites:PartA, 2006,37:1358—1367. [2]SHELDONSQ,DOUGLASJG.Dynamicadhesivewettabilityofwood[J].WoodandFiberScience,2001,33(1):58—68. [3]LUJz,wuQ1.Surfacecharacterizationofchemicallymodifiedwood:dynamicwettability[J].WoodandFiberScience, 2006,38(3):497—511. [4]ZHANGY,ZHOUZB,YUANSF,et81.st.dyonthe811rfacedynamicwettabilityandfreeenergyofpoplar[J].Journalof NanjingForestryUniversity:NaturalSciencesEdition,2008,32(1):49—52. 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