偶联剂在木塑复合材料中的应用及研究开题报告

1. 研究目的与意义

木塑复合材料(wpc)是以生物质纤维材料作为增强材料,与塑料形成的一类新型高性能、高附加值的绿色环保复合材料。它集木材和塑料的优点于一身,不仅有类似天然木材的外观,而且具有防腐、防潮、部分可降解性、环境污染小、成本低、吸水性小、力学性能优良、抗蠕变、抗老化、尺寸稳定性好、不开裂等优点,比纯塑料硬度高,又有类似木材的加工性。它的出现与发展有利于缓解目前木材资源紧缺和废弃物回收利用困难的问题,提高产品的附加值,在汽车行业、建筑行业、室内装饰、家电和运输等行业方面具有广阔的应用领域。由于其在资源利用与环境保护方面的优势,迅速在国际上得到发展,而且保持着良好的增长势态。

然而,木塑复合材料的开发和应用也面临着许多问题。比如,极性的生物质纤维与非极性的热塑性塑料之间缺乏良好的相容性,界面粘结性能比较差,使得应力在界面不能有效地传递,导致复合材料性能下降;同时较强的生物质纤维分子内氢键使得其在和热塑性塑料共混时易聚集成团,造成分散性不佳。生物质纤维与聚合物之间的界面相容性和生物质纤维在热塑性塑料中的分散性是制约该类复合材料物理、化学性能提高的瓶颈。

如何改善二者的相容性,增强其界面粘合强度,是提高木塑复合材料性能的关键,也是目前国内外研究的主要方向。为使复合材料具有最佳的综合性能,必须对生物质纤维或塑料基体进行改性或引入合适的界面相容剂,使异质材料在复合过程中容易分散和融合,形成稳定、牢固、均匀的界面层。界面相容性直接影响着异质材料间界面的形态、结构、厚度及分散的均匀性,并最终决定着复合材料的性能优劣。在改善生物质纤维和热塑性塑料的界面相容性的研究中,热点之一是采用添加偶联剂的方法来实现生物质纤维和塑料表面性能的改变。

2. 国内外研究现状分析

木质纤维材料中含有大量的醇轻基、酚轻基等极性基团,具有很强的极性和形成氢键的能力而聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯等热塑性塑料为非极性或极性很小。在木质纤维材料与塑料复合过程中,由于两者表面能和极性的差异,造成界面相容性差。界面相容性直接影响着异质材料间界面的形态、结构、厚度及分散的均匀性,并最终决定着复合材料的性能优劣。因此,木纤维与塑料的界面相容性始终是木塑复合材料研究与开发的关键问题之经过科研人员和生产企业的不断探索,界面相容性问题已经得到一定程度的解决。目前,改善界面相容性的方法主要有纤维的表面改性,添加合适的界面改性剂,或对热塑性塑料基体进行改性等。其中,热点之一是采用添加偶联剂的方法来实现植物纤维和塑料表面性能的改变。偶联剂是一种具有两相结构的有机化合物,它可以使性质差别很大的材料紧密的结合起来,从而提高复合材料的综合性能。

（1）硅烷偶联剂

硅烷偶联剂是一类以r-si（or^,）₃为代表的偶联剂,其作用是通过其一端的烷氧基或其水解醇与生物质纤维发生氢键或醚键连接,而另一端的链烃基则与塑料连接,从而达到改善界面相容性、增强复合材料力学性能和防腐性能的目的。其中官能团r的结构对改性性能影响很大。

3. 研究的基本内容与计划

研究偶联剂的添加工艺，如何使偶联剂与树脂以及木粉充分混合，达到优化界面结合强度的效果。利用高速混合机对木粉、热塑性树脂、填料以及各种添加剂进行初混合。利用双螺杆挤出机、双辊炼塑机等设备对木粉、热塑性树脂、填料以及各种添加剂进行共混造粒，得到木塑材料的半成品。利用注塑机或挤出机对木塑复合材料进行成型加工，制备标准测试样条。利用万能试验机、磨耗试验机、冲击强度试验机等设备，对木塑复合材料进行性能测试。研究材料性能与配方及制备工艺之间的关系。从木粉与树脂界面的角度出发，研究偶联剂的种类、添加量、复配以及添加工艺等对木塑复合材料力学性能的影响。

（1）第1周:准备工作、文献综述和开题报告。

（2）第2-6周:进行实验及数据处理。准备实验设备与原材料处理。设计实验配方，研究偶联剂的添加工艺，如何使偶联剂和树脂以及木粉充分混合，达到优化界面结合强度的效果。

4. 研究创新点

通过阅读文献可以知道偶联剂对wpc体系相容性的改善以及物理力学性能的提高有着非常大的作用。我们可以通过实验重点去研究偶联剂的使用最佳用量,体系的相容性与偶联剂的用量成什么关系。同时研究各种偶联剂在不同wpc体系中改性的作用机理。

通过研究证实偶联剂能改善木质材料表面的润湿性,降低其表面张力,增强体系的界面相容性,以提高其各项力学性能。了解虽然偶联剂对木塑复合材料物理力学性能的影响方面研究很多,但是复合材料的界面改性机制是相当复杂的,木塑体系、纤维尺寸、纤维用量、偶联剂浓度和化学结构、合成工艺等都会对材料的性能造成影响。