木塑復合材料應用與研究進展—改善復合界面相容性的方法
改善復合界面相容性的方法
木質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合材料，同時含有多種抽提物等成分，因此界面特性十分復雜。由于纖維素、半纖維素和木素等含有大量的極性。因此，在研制木質纖維—塑料復合材料時，需要解決是最大問題是如何使親水的極性木質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，從而使木質材料的表面層與塑料的表面層之間達到分子間融合，產生比原來單一材料更加優良的性能。為達到這一目的，國內外在這方面開展了很多研究工作。
4.1 界面融合劑處理
改進兩種不同性質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，最終達到兩聚合物之間的融合。這種方法同樣可以用在木塑復合材料體系中，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到較好粘和。
4.2 對塑料表面進行預處理
對塑料基材進行的化學改性方法有，在自由基存在條件下用順丁烯二酸酐（MA）對聚乙烯進行加成反應，將MA上的極性基團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。在與木材復合時，用這種改性聚乙烯可提高木塑復合材料的力學強度。但這種改性方法在聚乙烯分子鏈上極性基團的接枝率較低，并在改性過程中容易產生MA或聚乙烯的自聚，在接枝共聚反應中存在許多反應，從而影響改性效果。
4.3 對木粉/木纖維表面進行預處理
預處理有物理方法和化學方法
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修飾、聚合、自由基產生等變化。等離子體的作用包括質子的獲得以及不穩定基團的生成，從而使醇、醛、酮、羧酸等的官能團發生變化；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，以增強界面間的粘結性能；電暈放電是通過改變纖維素分子的表面能來降低復合材料的熔融粘度。放電處理可以降低纖維聚合物熔體的粘度以改善復合材料的力學性能。
其它的方法還有拉伸、壓延、混紡等，用來改變纖維的結構和表面性質，以利于復合過程中纖維的機械交聯。
化學方法主要是在木材表面通過對極性官能團進行酯化、醚化、接枝共聚等進行改性處理，使其生成費極性化學官能團并具有流動性，使木材表面與塑料表面相似，以降低塑料與木質材料表面之間的相斥性，達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過堿處理的木材反應；羥乙基醚化是木材與環氧乙烷或2-氯乙醇在堿存在添加下反應。
4.4 化學處理
化學處理是通過化學反應減少木材表面 基數目，在木材/聚合物之間建立物理和化學鍵交聯。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木粉/木纖維的均勻分散。目前常用的有采用偶聯劑、增容劑和單體預浸漬聚合等方法。
4.4.1 偶聯劑處理
目前有超過40種的偶聯劑用于木塑復合材料制備。這些偶聯劑可分為三類：有機類、無機類和有機無機雜化類。常用的有機偶聯劑包括異氰酸酯、酸酐、酰胺、酰亞胺、硅烷、環氧化物、丙烯酸鹽、有機酸等，一般偶聯劑的添加量為木粉的添加量的1%~8%。
偶聯劑能使塑料與木粉/木纖維表面間產生強的界面結合，同時能降低木粉/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，是復合材料力學性能提高。如硅烷偶聯劑可以提高塑料與木粉/木纖維的粘結力，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性。
在解釋硅烷作為偶聯劑提高復合材料的性能的幾種理論中，最普遍被接受的是化學鍵理論。這個理論認為，具有雙官能團與聚合物連接，在復合材料的界面上形成由共價鍵連接的連續體。許多因素影響偶聯劑的結構，進而影響復合材料的力學性能，這些因素包括硅烷的結構、干燥條件等。除硅烷的化學結構外，溶劑的分散性能、引發劑等都會引起各種化學反應以及界面間的物理作用。
另外，對于同一種偶聯劑，不同的熱塑性聚合物對復合材料性能的影響不同，影響程度與聚合物本身的結構有關。
4.4.2 接枝共聚
對塑料或木粉/木纖維進行接枝處理是一種有效的改性方法，即在引發劑作用下，馬來酸酐、甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯等單體引發生成游離基，與合成高聚物或與木質材料表面接枝共聚，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，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，材料的力學性能逐步提高，當它的加入量為總量的20%-30%時，材料的強度達到最高值。
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木粉進行處理。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，且木粉含小分子化合物。在混煉過程中，這些小分子物質會滲出到木粉表面，從而在界面處形成弱邊界層，削弱界面相互作用。在對木粉/木纖維的堿化處理過程中，這些雜質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與木粉表面羥基反應。
據報道，木質纖維填料在堿金屬溶液中浸泡48小時后，未處理前的球狀抽提物將消失，而形成許多空腔。這些空腔增強了聚合物與木粉填料的“鎖緊力”。由于一些化學鍵的斷裂，使復合材料的表面變得粗糙，這也增強了界面間的相容性。
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合材料的拉伸強度比未堿化處理的高。
4.4.4 乙酰化法
通過對木粉/木纖維進行乙酰化處理，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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