宋建强 彭鹤松 王光硕 王玉梅
江西广源化工有限责任公司 江西吉安331500 东莞市汉维科技股份有限公司 广东东莞523525
摘要：本文分别采用碳酸钙、滑石粉和硅灰石作为无机填料，通过在聚乙烯（PE）塑木复合材料中添加不同种类的无机粉体并对其综合性能进行系统研究，采用扫描电子显微镜、比表面仪、电子比重计、邵氏硬度计、万能力学性能实验机和热机械分析仪表征手段对无机粉体的颗粒大小、微观形貌和比表面积以及复合材料的弯曲及冲击性能、比重、吸水率、硬度和线性热膨胀系数进行了测试。研究结果表明：硅灰石制备的PE塑木复合材的弯曲性能最佳，滑石粉制备的PE塑木复合材料抗冲击性能较好；对于三种无机粉体而言，随着无机粉体添加量逐渐增加至15份， PE塑木复合材的力学性能逐渐提升， 当无机粉体添加量增加至20份时，PE塑木复合材的力学性能出现下降，比重和硬度逐渐增大，24h吸水率和线性热膨胀系数逐渐降低。
关键词：木塑复合材料 碳酸钙 硅灰石 滑石粉 力学性能 密度 吸水率
0 前言
塑木复合材料主要是以热塑性塑料、植物纤维、填料和加工助剂等原材料按照一定的比例复合而成的一种新型功能材料。这种复合材料集木材和塑料的优点于一身，其具有耐水、耐腐、耐虫蛀、强度高、原材料来源广泛和可切割刨锯等优点[1-3]，是一种极具发展前途的绿色环保复合材料，被广泛地应用于家具、园林、装饰和建材用品等行业[4-6]。
虽然塑木复合材料优点众多，但由于生产技术和加工设备等因素的制约，导致塑木复合材料的生产成本偏高，很大程度的限制了塑木复合材料的长远发展和广泛应用，而在塑木复合材料中添加无机粉体不仅能极大的降低生产成本，而且还可以提高塑木产品的拉伸强度、弯曲性能、冲击性能、抗蠕变性、耐热性能及改善产品的加工流动性等[7,8]。本文分别采用碳酸钙、硅灰石和滑石粉三种不同无机粉体对聚乙烯（PE）塑木复合材料进行填充改性，考察了不同无机粉体对制备的塑木复合材料的力学性能、比重和吸水率的影响，为塑木复合材料制品的设计、生产和应用提供重要参考。
1 实验部分
1.1 主要原料
高密度聚乙烯（HDPE， 5000S）：中国石化兰州有限公司；木塑木粉（ 80目）：山东临沂瑞达木粉有限公司；聚乙烯（ PE）回收料：揭阳市蓝城区磐东林旭塑料厂；碳酸钙（CC-800、 CC\-1250）： 江西广源化工有限责任公司；滑石粉（HS-218、 HS-358）： 江西广源化工有限责任公司；硅灰石，（GY-219、 GY-319）： 江西广源化工有限责任公司；硬脂酸（SA1801）：南昌明瑞化工有限公司；抗氧剂（GY-1010）：北京极易化工有限公司；大红色粉（TC-SF01）：东莞市泰昌树脂材料有限公司；硅烷偶联剂（KH550）：南京和润偶联剂有限公司。
表1不同品种无机粉体的性能指标
型号 |
D 50 (μm) |
D 97 (μm) |
比表面积（m2/g ） |
吸油量（ml/100g） |
CaCO 3/SiO 2含量（%） |
CC-800 |
4.63 |
11.72 |
2.785 |
25 |
81.76 |
CC-1250 |
4.24 |
9.56 |
2.906 |
2 6 |
81. 89 |
HS-218 |
6.56 |
14.49 |
4.448 |
32 |
32.45 |
HS-358 |
5.78 |
12.67 |
6.279 |
34 |
47.34 |
GY-219 |
5.96 |
16.81 |
5.743 |
34 |
52.37 |
GY-319 |
4.69 |
10.14 |
6.578 |
38 |
52.96 |
注：D50 ，表征细度的指标，表示累计粒度分布百分数达到50% 时所对应的粒径。
D97 ，表征细度的指标，表示累计粒度分布百分数达到97% 时所对应的粒径。
表2塑木复合材料实验配方
组分 |
配比（ g） |
木塑木粉 |
62 |
PE 回收料 |
30 |
HDPE |
2 |
无机粉体 |
5 、10、15、20 |
硬脂酸 |
2 |
偶联剂 |
1 |
抗氧剂 |
0.3 |
色粉 |
2 |
1.2 仪器设备
单螺杆挤出机，JWELL型，上海金纬挤出机械制造有限公司；双螺杆挤出机， JWELL型，上海金纬挤出机械制造有限公司；高速混合机： DYHL型，苏州大云塑料回收辅助设备有限公司； 激光粒度仪：3000E 型，英国马尔文公司；万能力学性能实验机：CMT-6104型，美斯特工业系统（中国）有限公司；电子比重计：DH-300 型，北京伊若特电子仪器公司；邵氏硬度计：TH210-D型，上海伦捷机电仪表有限公司；热机械分析仪（TMA）：Q400型，美国 TA公司； 全自动比表面积分析仪：NOVA 2000E型，美国康塔仪器公司；场发射扫描电子显微镜：ΣIGMA型，卡尔蔡司光学（中国）有限公司。
1.3 实验方法
首先，称取一定质量的木粉放入烘箱中，在120℃温度下干燥 2h除去其中的水分，然后按表1配方进行配料，把配好的料放入高速混合机中混合 10min，然后通过双螺杆挤出机造粒，最后把造好的粒子通过单螺杆挤出机挤出成型得到塑木复合材料，如图 1所示。
图1 制备的塑木复合材料的数码照片
1.4 性能测试
粒径分布：马尔文激光粒度仪测量；比表面积：BET 多点测试；弯曲强度测试：参照GB/T9341-2000测试；冲击强度测试：参照GB/T1043-1993测试；吸水率测试：参照GB/T17657-1999测试；比重测试：按GB/T1033.1-2008 测试；硬度测试：参照GB/T531-1999测试；线性热膨胀系数测试：参照GB/T1036-2008。
2 结果与讨论
2.1 无机粉体的性能
（a）CC-800；(b)CC-1250；(c)HS-218；(d)HS-358；(e)GY-219;(e)GY-319；
图2 不同品种无机粉体的扫描电子显微镜照片
图2为不同品种无机粉体的扫描电子显微镜照片，放大倍数均为5000倍。从图1 中可以看出CC-800和 CC-1250为碳酸钙， 均呈不规则立方体状结构，CC-1250的粒径要比 CC-800细； HS-218和 HS-358为滑石粉， 均呈层状、片状结构，HS-358的粒径要比 HS-218细；HS-218和 HS-358为硅灰石粉， 均呈针状、块状结构，HS-358的粒径要比 HS-218细。
2.2塑木复合材料的力学性能
图3不同品种无机粉体对PE塑木复合材料弯曲强度的影响
图3为 PE塑木复合材料中添加不同品种无机粉体： CC-800、 CC-1250， HS-218、 HS-358、 GY-219、 GY-319的弯曲强度对比曲线。从图3中可以看出，随着无机粉体添加量的逐渐增大，PE塑木复合材料的弯曲强度先呈上升后下降趋势；在不同无机粉体的相同添加份数下，硅灰石的弯曲强度最大，其次是滑石粉，再次是碳酸钙；在同种无机粉体填充的情况下，粒径较细的无机粉体对PE塑木复合材料的弯曲强度有较大贡献，这是因为粒径细的无机粉体正好可以填充在木粉粒子间的间隙中，从而提高了PE塑木复合材料的密度， PE塑木复合材料的应力得到增加，弯曲强度得到提升 [4,9]。
图4 不同品种无机粉体对PE塑木复合材料冲击强度的影响
图4为 PE塑木复合材料中添加不同品种无机粉体： CC-800、 CC-1250， HS-218、 HS-358、 GY-219、 GY-319的冲击强度对比曲线。从图4中可以看出，随着无机粉体添加量的逐渐增大，PE塑木复合材料的冲击强度呈先上升后下降趋势；在不同无机粉体的相同添加份数下，滑石粉HS-358的冲击强度最大，其次是硅灰石 GY-219、 GY-319，碳酸钙 CC-800、 CC-1250稍差，这是由于滑石粉呈片状结构，硅灰石呈针状结构，这种晶型结构对提高材料的冲击性能有很大帮助；其中 HS-358的冲击强度大于 HS-218，这表明滑石粉的硅含量对材料的力学性能有影响，硅含量越大，补强力学性能越好；在同种无机粉体填充的情况下，粒径小的无机粉体填充在 PE塑木复合材料的冲击 强度要大。
2.3塑木复合材料的比重
图5 不同品种无机粉体对PE塑木复合材料比重的影响
图5为 PE塑木复合材料中添加不同品种无机粉体： CC-800、 CC-1250， HS-218、 HS-358、 GY-219、 GY-319的比重对比曲线。从图5中可以看出，随着无机粉体添加量的逐渐增大，PE塑木复合材料的比重逐渐增大；在不同无机粉体的添加份数下，碳酸钙CC-800、CC-1250填充在 PE塑木复合材料的比重较大，这是由于碳酸钙呈 不规则立方体状结构结构，更易填充在木粉粒子间的间隙中，从而提高了PE塑木复合材料的比重；在同种无机粉体填充的情况下，无机粉体的粒径越细填充在 PE塑木复合材料的比重越 大。
2.4塑木复合材料的吸水率
图6 不同品种无机粉体对PE塑木复合材料24h吸水率的影响
图6为 PE塑木复合材料中添加不同品种无机粉体： CC-800、 CC-1250， HS-218、 HS-358、 GY-219、 GY-319的24h吸水率对比曲线。从图6中可以看出，随着无机粉体添加量的逐渐增加，PE塑木复合材料的 24h吸水率逐渐降低，这是由于木粉的吸水率大于无机粉体，随着无机粉体填充量的增加，木粉相对含量减少，吸水率也随着降低 [10,11]；其中在不同无机粉体的添加份数下，硅灰石GY-319、 GY219填充在 PE塑木复合材料的吸水率最低，最有利于提高 PE塑木复合材料的耐水性能，其次是滑石粉，再次是碳酸钙。
2.5塑木复合材料的硬度
图7 不同品种无机粉体对PE塑木复合材料硬度的影响
图7为 PE塑木复合材料中添加不同品种无机粉体： CC-800、 CC-1250， HS-218、 HS-358、 GY-219、 GY-319的邵氏硬度对比曲线。从图7中可以看出，随着无机粉体添加量的逐渐增大，PE塑木复合材料的邵氏硬度逐渐增大；在不同无机粉体的添加份数下，硅灰石GY-219、 GY-319 0填充在 PE塑木复合材料的 硬度最大，其次是碳酸钙CC-800、 CC-1250，滑石粉 HS-218、 HS-358硬度最小，这是由于无机粉体本身的硬度对复合材料的硬度有很大的影响。此外还可以发现，在同种无机粉体填充的情况下，无机粉体的粒径越细填充在 PE塑木复合材料的硬度越 大。
2.6 塑木复合材料的线性热膨胀系数
图8 不同品种无机粉体对PE塑木复合材料线性热膨胀系数的影响
图8为PE塑木复合材料中添加不同品种无机粉体： CC-800、 CC-1250， HS-218、 HS-358、 GY-219、 GY-319的线性热膨胀系数对比曲线。从图8中可以看出，随着无机粉体添加量的逐渐增大，PE塑木复合材料的线性热膨胀系数逐渐减少；在不同无机粉体的添加份数下，硅灰石GY-219、 GY-319 0填充在 PE塑木复合材料的 线性热膨胀系数最小，其次是滑石粉HS-218、 HS-358，碳酸钙 CC-800、 CC-1250线性热膨胀系数最大，这是由于随着无机粉体填充量的增加，木粉相对含量减少，木粉线性热膨胀系数比无机粉体大，所以表现出线性热膨胀系数呈降低趋势[12]。此外还可以发现，在同种无机粉体填充的情况下，无机粉体的粒径越细填充在PE塑木复合材料的线性热膨胀系数越大。
3 . 结论：
1 、对于碳酸钙、滑石粉和硅灰石三种无机填料而言，随着体系中无机粉体添加量的逐渐增大，PE塑木复合材料的冲击强度和弯曲强度均表现出先上升后下降趋势；硅灰石319在提高 PE塑木复合材料的弯曲强度方面最具优势，而滑石粉 HS-358在提高 PE塑木复合材料冲击强度方面表现最佳。
2、对于碳酸钙、滑石粉和硅灰石三种无机填料而言，随着体系中无机粉体添加量的逐渐增大，PE塑木复合材料的比重和硬度均呈现逐渐增大的趋势，PE塑木复合材料的 24h吸水率和线性热膨胀系数均逐渐降低。与其它两种填料相比，碳酸钙填充PE塑木复合材料的比重相对较大，硅灰石填充PE塑木复合材料的硬度最大，同时最有利于降低PE塑木复合材料的吸水率和线性热膨胀系数。
文章发表于《中国塑料》2017年
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