硅烷偶联剂改性木塑复合材料的研究开题报告

全文总字数：4914字

1. 研究目的与意义

随着经济快速发展，人们对自然资源的需求日益增加，木材的供应已经远远不能满足于人们的需求。塑料作为一种新型环保复合材料，具有防腐蚀、质轻、制作成本低廉等特点，在生活中应用广泛。然而，塑料制品的废旧物处理也成为了一个急待解决的环境问题。木塑复合材料的出现就很好的解决了木材供应量不足及塑料废弃物处置的问题。木塑复合材料（WPC）是一种由木质纤维填料和塑料按照一定的比例制成的新型复合材料。由于木塑复合材料既有木材美观的质感和可以二次加工，又有塑料的耐久性和可重复加工性能，木塑复合材料的广泛使用有利于节约资源和环境保护，很好地解决了使用塑料产品废弃后所带来的一系列社会和生态问题。因此研究木塑复合材料有利于环境的保护和经济效益的最大化，是一种前景十分广泛的复合材料。 WPC性能的影响因素有很多，但最主要的是因为植物纤维和塑料是属于两种不同的材料，塑料表面的基团是非极性的，而植物纤维却含有许多极性基团(如羟基、酚羟基等) ，所以木质纤维填料和塑料的相容性较差。使用不经过改性处理的天然纤维来直接制作WPC，较差的界面相容性会对WPC的机械性能产生影响。改善两者之间的界面相容性，可以很好提升木塑复合材料的性能。

2. 国内外研究现状分析

早在1907年，Leo H.Bend博士就利用木粉与热固性酚醛树脂复合制成了木塑复合材料,木塑复合材料由此诞生了。起初，木塑复合材料所用塑料基体一般为未成形热固性塑料的预聚物，到了20世纪60年代初，人们开始采用热塑性塑料作为基体处理实体木材，制备新型的热塑性材料木塑制品。这种木塑制品制备的步骤与之前的制备方法有所不同，它是将木粉和热塑性塑料置于高速混炼机、挤出机中，再均匀混合、造粒，然后经过挤出成型、冷却、定向切割等制备，形成高性能的木塑复合材料，通常称其为塑合木。到了20世纪80年代后，人们开始了对塑料填充改性技术的研究。Kumari 等研究表明，升高成型温度和增加塑料基体含量有利于较高纤维含量(质量分数为70%～90t% )木塑复合材料的力学性能。 Kociszewski等研究发现，工业木粉的尺寸增加能明显增强木粉/PVC复合材料的力学性能，这是由于尺寸大的木粉长径较小尺寸木粉大，让应力在木粉与塑料基体之间的传递更有力。Nourbakhsh等研究发现，在使用处理木粉技术相同的前提下, 木粉含量对WPC的吸水率有影响,且木粉含量越高,木塑复合材料的吸水率越高。这是由于木粉的含量越多，材料表面的羟基就越多,因此木塑复合材料的吸水率就越高。秦特夫研究了木粉加入量对木塑复合材料的影响，发现随木粉添加量的增加，复合材料的抗弯强度和抗拉强度随之增加，木粉比例达到30％时，强度达到最大值。木粉表面的酯化处理可以改善木塑界面之间的相容性和复合材料的均匀性。杨文斌等通过蒸馏水和甘油2种液体对苯乙烯塑料及其木塑复合材表面润湿性的实验，发现随着塑料中木材含量的增加,材料的表面能也在增加，即木塑复合材料的润湿性随着极性物质的增加而增强。谭寿再等对再生聚丙烯/木粉复合材料的性能进行了研究，发现适量的木粉可以明显地提高复合材料的拉伸模量、弯曲性能和热变形温度,但材料的冲击强度和断裂伸长率有所降低。PP-g-MAH能增加WPC的相容性,提高木塑复合材料的性能。添加WBG晶型改性剂,可以改善木塑复合材料的晶体结构,材料的塑性因此得到了提高。在木塑材料复合过程中,由于木塑的木材表面有大量的极性羟基和酚羟基官能团,所以其具有亲水性。然而大多数的热塑性塑料是非极性的,且具有疏水性,不同材料界面融合就难以实现了。木塑复合材料若没添加任何助剂填料,会影响应力在界面上传递,导致木塑复合材料其性能下降。由此, 要使其具有良好的物理力学性能,必须要解决木质材料表面与塑料表面的相容性问题。有一种简单且有效的方法是在其中添加偶联剂。偶联剂是一种同时具有非极性基团和极性基团双面特性的塑料添加剂，其中的非极性基团可以和塑料基体结合，极性基团可以和植物的纤维组分结合。在解释硅烷作为偶联剂在提高复合材料的性能理论中,普遍被认同的是化学键理论。硅烷分子具有双官能团,可以通过化学键，和纤维素分子相连,其有机官能团部分可以与聚合物连接,使复合材料的界面可以形成连续体。影响偶联剂的结构的因素有许多,因而影响复合材料的力学性能的因素也有许多。包括硅烷的化学结构、引发剂、溶剂分散性能等都会影响各种化学反应和界面间的物理作用。刘文鹏等研究发现，要使WPC的力学性能得到提高，使用硅烷偶联剂处理木粉或直接加入相容剂都可以达到。而木粉用量提高会降低复合材料的冲击强度,会使复合材料的弯曲模量、弯曲强度以及拉伸强度大幅提高;张文杰研究了硅烷偶联剂KH550的用量对复合材料力学性能的影响，发现当硅烷偶联剂KH550用量增加（0-7%），WPS的拉伸强度与冲击强度显著提高。原因是硅烷偶联剂KH550能够在木粉表面充分地覆盖，并且在纤维的表面形成了均匀偶联剂单分子层，当有外力作用时，外力会通过界面均匀地传递给增强纤维而得到有力缓冲，木塑复合材料的性能得以提高。周兴平等用硅烷偶联剂对剑麻短纤维（SF）进行表面处理，发现经硅烷处理后，SF/PP的界面键合增强了，复合材料的冲击强度显著提高。SF纤维束的分散度提高了，SF/PP的界面相容性得到了改善，因此提高了复合材料的冲击强度。阮林光等 研究对比了硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂改性椰壳粉/PVC复合材料界面的效果，发现硅烷偶联剂KH-550质量分数为2%时的效果较好，材料的拉伸强度和冲击强度都有很大的提高。并且硅烷偶联剂改性处理后，椰壳粉填充质量分数明显增大 ,椰壳粉纤维在PVC基体中分散性和相容性有了很大的改善。刘波采用木粉与HDPE制成了WPC，发现使用经过硅烷偶联剂处理的木粉后，木塑复合材料的界面性能明显提高了，界面结合力也增加了，且当硅烷偶联剂的用量为3%时，WPC的弯曲强度、冲击强度、弯曲模量都达到最大。李兴艳等分别用两种偶联剂（硅烷550和铝酸酯）制备木塑复合材料，发现经硅烷550处理过的木塑复合材料力学性能最佳。这是由于两种偶联剂和基体所构成化学键的性能不同，且铝酸酯是固态的，使用时还需要加热熔融，同时在冷却凝固后会使塑料团聚，对热压时的流动性造成了影响，起不到偶联效果 。黄丽婕等研究发现，经过硅烷偶联剂KH550处理的废纸粉与PETG制得的可生物降解的废纸/PETG木塑复合材料，其力学性能和热稳定性明显改善，吸水率降低。夏英等分别使用钛酸酯偶联剂NDZ-10l、硅烷偶联剂KH550，A-151改性处理芦苇后，用处理后的芦苇制得木塑复合材料，并对制得的木塑复合材料进行分析，发现当PP/LLDPE的质量比为60/40，加入30份A-151改性处理的芦苇时，木塑复合材料拉伸强度、弯曲强度、冲击强度都得到了显著提高。F Chen等研究发现，经高温热空气/硅烷偶联剂处理后的纤维具有良好的分散性和稳定性，选择合适的高温热空气和硅烷偶联剂的改性方法对木材纤维和纤维材料的性能有重要意义。Gwon 等以乙烯基三乙氧基硅烷(TEVS)作为偶联剂，处理经过碱处理的木粉，发现添加2.5%(质量分数)的硅烷偶联剂效果最好，使WPC的拉伸强度提高了 49%。胡圣飞等研究表明，经硅烷偶联剂改性后，稻壳粉与PVC的相容性得到良好改善，稻壳与PVC基体间结合更紧密，复合材料的冲击性能提高了。这是因为硅烷偶联剂会与稻壳粉表面的羟基发生化学反应，导致稻壳粉表面的亲水性羟基的数目减少，PVC与稻壳粉表面之间有更强的表面键合，稻壳粉与PVC的相容性及其在PVC中的分散性提高了，所以复合材料的力学性能明显改善。王艳玲等研究发现，使用硅烷偶联剂KH 560处理木粉可以改变木粉表面的性能，增加木粉与PLA的相容性，提高了PLA与木粉间的界面结合力，但对复合材料的力学性能影响较小。刘玉星等采用改变热压 - 冷压的工艺制备PVC／竹片复合材料时，发现添加硅烷偶联剂KH550可以很好改善 PVC/竹片复合材料的界面相容性和力学性能。这是由于硅烷偶联剂是亲水性的物质，在加工时添加硅烷偶联剂可以改善PVC 和竹片的界面相容性，提高PVC 木塑复合板的胶合强度。蔡红珍等用硅烷作为偶联剂，并使用一步法连续挤出技术制备稻壳/聚乙烯复合材料，研究硅烷添加量对WPC力学性能的影响。结果表明：加入适量的硅烷偶联剂可以改善WPC的界面相容性以及稻壳粉在复合体系中的分散，改变复合材料的力学性能。当硅烷偶联剂的加入量为3%左右时，WPC的冲击强度、弯曲强度以及抗拉强度都有最大值。Bengtsson 等研究发现，硅烷偶联剂对木塑复合材料的性能有很大的影响：当硅烷偶联剂的浓度增加时，木塑复合材料的表面会越来越粗糙；采用硅烷偶联剂处理的复合材料，其韧性和冲击强度都较未加硅烷偶联剂的WPC有所提高，但其弯曲模量有所下降。黄华尧等研究表明，添加硅烷偶联剂乙烯基三乙氧基硅烷（KH151）后，WPC各组分的分散性与相容性都得到了提高，且当有机硅烷偶联剂、稻壳粉和PE-HD质量比为1: 50:100时，木塑复合材料的冲击强度和弯曲强度达到最佳值。王丹丹等采用硅烷偶联剂KH550作偶联剂，研究硅烷偶联剂对桉木单板-聚氯乙烯膜复合材料性能的影响。结果发现，添加硅烷偶联剂进行表面处理桉木单板后，复合材料的耐水性和力学性能都有提高，且当硅烷偶联剂KH550的质量分数为1%时，复合材料的界面相容性提高最显著。木塑复合材料具有比木材更好的环保性能和加工性能优势，使得WPC越来越受到人们的欢迎，市场前景广阔。WPC既有类似于木材的二次加工性, 又具有塑料的易成型性,所以被广泛的应用在各个领域。铁路的枕木传统上采用的木材或者钢筋混凝土枕木，不仅会消耗大量的优质木材而且钢筋混凝土枕木对车辆和路基的磨损大，木质复合材料经济性强，性能良好，可有效的替代现有枕木。WPC也开始应用于建筑模板，很大地提高了模板的使用率，减少了资源的浪费，节省了成本。近年来，人们对WPC的认识不断提高，且随着WPC技术水平不断升级，应用领域逐渐扩大,木塑复合材料在园林景观中的应用越来越广，主要应用于户外的桌椅、铺板、栏杆、垃圾箱、步道、指示牌、木屋、木亭、花坛、户外秋千、景观阳台中。

3. 研究的基本内容与计划

对硅烷偶联剂改性木塑复合材料的工艺方法进行探索，找出最佳的配方组成和工艺路线；利用高速混合机对木粉、热塑性树脂、填料以及硅烷偶联剂进行初混合；利用双螺杆挤出机、双辊炼塑机等设备对木粉、热塑性塑料、填料以及硅烷偶联剂进行共混造粒，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，得到标准测试样条；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；从木质纤维与树脂界面的角度出发，研究硅烷偶联剂的型号、添加量、复配等对木塑复合材料力学性能的影响。

计划如下：（1）第1周：准备工作、查阅资料，完成文献综述和开题报告。

4. 研究创新点

在植物纤维与热塑性塑料进行复合时,木粉填料与树脂基体的界面间不能形成较好的粘合,木塑复合材料的力学性能较低。

改善木塑复合材料界面相容性是制备优良性能木塑复合材料的关键。

国内外在这方面都进行了大量的研究，并取得了许多重要的进展。