木塑复合材料界面相容性的研究进展

木塑复合材料界面相容性的研究进展*

摘要: 植物纤维与塑料基体间的界面相容性是木塑复合材料研究的一大重点，本文从化学，物理和助剂三方面综述了增强木塑复合材料界面相容性的方法。最后指出了木塑复合材料发展中的问题并对前景做出了展望。 木塑复合材料( WPC) ，美国材料试验协会标准的定义是“一种主要由木材或者纤维素为基础材料与塑料制成的复合材料”。但是随着研究进展的发展，其主要原料已经不仅仅局限于木材纤维，越来越多的植物纤维已被应用于制作木塑复合材料［1 － 3］，WPC 已经成为一种利用植物纤维作为增强材料，以塑料为基体经过一定的工艺手段制得的新型绿色复合材料。

天然纤维具有很多优良的特性，首先绿色无污染，其次天然纤维往往具备良好的力学性能，比如麻纤维拥有卓越的拉伸强度和较高的弯曲强度，使用麻纤维制作的复合材料具有与使用玻璃纤维制备的复合材料相媲美的力学性能［4］，有研究表明，利用纤维素纤维强化聚酰胺得到的复合材料的力学性能比使用玻璃纤维强化的效果还好一些［5］，因此WPC 被视为是极具潜力的高分子复合材料。由于WPC 所使用的原材料可以是废弃的植物纤维和回收的塑料［6］，所以也是一种对于废弃物回收利用具有极大帮助的材料。使用天然纤维制作的WPC 绿色可降解，稳定性 和强度均高于普通塑料，有着优良的物理特性，同时又拥有塑料的热塑性，应用范围广泛。近几年，木塑复合材料在建筑、施工以及汽车等领域的市场潜力不断增加，受到越来越多的关注［7 － 9］。因此WPC 的研究对于环境保护和实现更高的经济效益都具有较大的意义，是一种拥有广泛前景的复合材料。

影响木塑复合材料性能的因素有很多，比如使用的植物纤维的种类，植物粉末颗粒的尺寸以及组成配比等［10 － 12］，但最重要的是植物纤维和塑料是两种完全不同的材料，植物纤维中含有大量的极性基团( 如羟基、酚羟基等) ，而塑料表面却是非极性的，所以两者之间的相容性较差，这是导致一些木塑复合材料机械性能较低的主要原因。相关研究表明，不经改性的天然纤维直接制作木塑复合材料，复合材料的机械性能会受到较差界面相容性的影响［13］。在实践中，采用天然纤维的主要缺点是他们较差的尺寸稳定性和高吸湿性［14］。对天然纤维进行改性处理的主要 目的是最大限度地改善界面相容性，增强结合强度，进而提高复合材料的力学性能［15］。本文从化学法、物理法和添加剂几方面综述了增强植物纤维和塑料基体间相容性的方法和研究进展。 1 化学法改性

化学法改性是利用化学试剂与植物纤维反应来增强植物纤维与塑料基体的相容性。其原理是植物纤维表面存在许多亲水的羟基，通过添加可以与羟基进行反应的试剂来减少羟基数量，降低植物纤维的亲水性，提高植物纤维与塑料基体的黏结性。或是通过化学反应，将植物纤维中的木素、半纤维素以及果胶等杂质除去，有利于塑料组分的渗透。

1. 1 碱处理

植物纤维改性最常用的方法之一是碱处理，将植物纤维在碱液中浸渍，植物纤维发生润胀，结晶度降低，其中的部分果胶、木素和半纤维素脱出，纤维表面变得粗糙，比表面积增加，与塑料基体间的界面黏合性能提高。

Ｒojo 等［16］采用NaOH 处理纤维素，同时使用有机硅烷偶联剂对纤维进行改性，随后制备纤维素/酚醛树脂复合材料，所得复合材料的拉伸强度和弯曲性能得到增加，热稳定性提升，其中采用碱处理提高了热稳定性和弯曲性能。Alam 等［17］将油棕榈果纤维采用NaOH 处理和超声波预处理随后制备棕榈果/聚乳酸复合材料，对复合材料进行力学性能测试，结果显示复合材料的机械强度显著增加，表明碱处理法可以有效提高木塑复合材料的界面相容性。Oza 等［18］采用氢氧化钠对大麻纤维/高密度聚乙烯( HDPE) 复合材料中所用的大麻纤维进行预处理，随后使用傅

里叶变换红外光谱分析大麻表面成分的变化，并对复合材料进行力学性能测试，结果表明碱处理增强了大麻与HDPE 基体的黏结性能，提升了复合材料的拉伸强度和弯曲性能。碱处理是极为常用的纤维改性方法，但在处理过程中的用量和处理时间需要控制好，否则容易引起复合材料物理性能降低。

1. 2 酯化

纤维素酯化也是常用的改性方法，该方法主要是通过利用一些羟基化合物与天然纤维进行反应，与纤维素表面的羟基生成酯基，而酯基的极性很弱，所以反应后天然纤维的极性降低，与塑料基体的相容性增强。

周亚巍等［19］将桦木粉利用乙酸酐溶液进行酯化后，与高密度聚乙烯通过热压法制备木塑复合材料。通过傅立叶红外光谱和扫描电镜对复合材料进行分析，发现对木纤维进行酯化可以增强纤维表面的疏水性，同时会对纤维表面的羟基发生取代反应，降低纤维的极性，增加纤维和HDPE 间的界面相容性，使复合材料的力学性能增强。Wei 等［20］把杨木纤维利用乙酸盐、丙酸盐和苯甲酸盐进行酯化，再与HDPE 进行共混，制备杨木/HDPE 复合材料。实验表明，经过酯化后的杨木纤维拥有良好的疏水性，增强了杨木纤维与HDPE 基体的黏结性能，最终使得复合材料力学性能和热稳定性提高。同时，使用酯化纤维制备的复合材料也具有了更优秀的抗生物腐蚀性。

1. 3 乙酰化

纤维素乙酰化改性是降低纤维素吸水性的有效方法，经过乙酰化处理后，纤维素中极性较强的羟基被乙酰基取代，使得木材的尺寸稳定性得到提高［21］。纤维素乙酰化作为一种常用的纤维素改性方法，在改善木塑复合材料界面相容性上也得到了广泛的应用。

等［22］利用碳酸钾作为催化剂，使用乙酸乙烯酯( VA) 和乙酸酐( AA) 将欧洲赤松木粉乙酰化，随后制备改性木粉/高密度聚乙烯复合材料，并对复合材料进行性能测试。结果表明，使用乙酰化木粉制备的复合材料力学性能和热稳定性显著增加，这是因为乙酰化的木质纤维在聚合物基体中得到了更好地分散，同时与塑料基体的相容性增强。谢振华等［23］使用乙酰化木粉与低密度聚乙烯制备复合材料，通过扫描电镜观察并与使用普通木粉制作的复合材料进行对比发现，采用乙酰化木粉制备的复合材料界面相容性提高，纤维和塑料基体间黏合得更牢固。 Li ［24］用硫酸做催化剂，利用醋酸和乙酸酐在60 ℃下乙酰化桉木粉2 h，随后与聚丙烯制备复合材料，通过扫描电镜观察发现，桉木粉乙酰化后与聚丙烯间的界面相容性更好。乙酰化是目前极为有效地提高木纤维和塑料基体间相容性的方法。

2 物理法改性

物理法改性主要是通过物理方法处理，除去植物纤维中极性比较大的的杂物，从而改变植物纤维的极性，增加与塑料基体界面相容性，进而提升复合材料的机械性能。物理法改性主要有热处理法、蒸汽爆破法、水抽提法、离子体处理法等。

2. 1 热处理法

热处理法通常是利用高温对植物纤维进行预处理，使植物纤维中的木素和半纤维素等极性组分发生降解，羟基含量降低，降低植物纤维的亲水性，增强与塑料基体的相容性。

Ayrilmis 等［25］采用热处理法，分别在120、150和180 ℃下处理桉木纤维20 ～ 40 min，使用处理后干燥的桉木纤维与聚丙烯粉末制作木塑复合材料。实验发现，复合材料的厚度膨胀率和吸水性随温度和处理时间的增加而明显下降，这表明热处理的方法可以提高桉木/聚丙烯复合材料的界面相容性。林姿［26］使用高温热处理将人工林马尾松、杉木锯屑进行改性，与高密度

聚乙烯复合制备木塑复合材料，实验表明，高温热处理可以使木粉中极性较强的半纤维素降解，降低木粉的吸水性，提高木粉与高密度聚乙烯基体的相容性，改善了复合材料的尺寸稳定性。

2. 2 蒸汽爆破法

蒸汽爆破是利用高压状态下，使水蒸气进入植物纤维结构，破坏其分子结构，使纤维结晶度下降，比表面积增加，进而增加纤维与塑料基体的界面黏合力。

胡松喜等［27］利用连续蒸汽爆破装置处理不同含水量的棉秆皮纤维，并采用不同的填充量制备出聚丁二酸丁二醇酯( PBS) /棉秆皮纤维复合材料。通过对复合材料机械性能的测量和对拉伸断面的观察发现，连续蒸汽爆破可以增加纤维表面积，有效增强棉秆皮纤维与PBS 基体的界面相容性进而提高了复合材料的拉伸性能。董晓龙等［28］利用蒸汽爆破法处理猴耳环药渣纤维，并用其制备猴耳环药渣纤维/高密度聚乙烯复合材料，结果表明，蒸汽爆破可以将原材料撕碎为细小纤维，使其表面积增加，与塑料基体的黏结性能提高，增强复合材料的力学性能，经过测试发现复合材料力学性能与进行蒸气爆破的次数有关，进行四次蒸汽爆破后复合材料力学性能最佳。蒸汽爆破法成本较低，效果理想，正在作为一种良好的纤维改性方法而受到越来越多的关注。

2. 3 水抽提法

利用水抽提可以去除植物纤维中的半纤维素、果胶等杂质，减少极性组分的含量，提高植物纤维与塑料基体的相容性。Hosseinaei 等［29］将美国黄松木片分别在140、155 和170 ℃下用热水处理60 min，随后与聚丙烯制作复合材料，发现经过处理后的黄松木纤维与聚丙烯基体界面相容性增加，力学性能改善。

2. 4 等离子体法

除了上述比较常见的几种物理方法外，还可以利用空气等离子体辉光放电来增强相容性。Liu 等［30］采用不同的放电功率处理WPC ，并通过对接触角研究和使用傅里叶变换红外光谱( FTI Ｒ) 、扫描电镜( SEM) 、原子力显微镜( AFM) 以及X 射线衍射图谱( XPS) 对处理后的WPC 进行分析。结果表明，经过等离子体放电处理后的木材/聚乙烯复合材料的黏结性能增强。 3 添加辅助试剂

为了改善木质纤维与塑料基体间的界面相容性，通常会添加第三种的辅助试剂，通常为界面偶联剂与界面相容剂，另外还有一些其他的添加剂，可以起到增强复合材料性能的作用。

3. 1 偶联剂

偶联剂是一种具有两种不同性质官能团的物质，它拥有两个化学性质不同的基团，其中的极性基团与植物纤维结合，其中的非极性基团与塑料基体结合，使得性质相差较大的两种材料紧密结合，偶联剂在复合材料中主要是起到类似桥梁的作用。经过合适的偶联剂的处理，可以有效提高天然纤维与塑料基体间的相容性，增强复合材料物理性能［31］。常见的偶联剂有硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂和铝酸酯偶联剂等。

Moigne 等［32］使用有机硅烷处理亚麻纤维并制备亚麻/聚乳酸复合材料，结果表明，纤维的疏水性增加，亚麻纤维与聚乳酸基体相容性提高，复合材料的机械性能增强。Zhang ［33］ 采用烷基烯酮二聚物( AKD) 作为偶联剂，制备杨木/聚丙烯复合材料。通过对比实验发现，与普通偶联剂相比，AKD 能更有效地改善杨木纤维与聚丙烯的界面相容性，对木塑复合材料的拉伸强度和冲击强度有更优秀的提升，表明AKD 是一种可以用于制备木纤维/聚丙烯复合材料的非常有效的偶联剂。Tan 等［34］利用椰壳纤维与高密度聚乙烯制作复合材料，并添加马来酸酐接枝聚乙 烯( MAPE) 作为偶联剂。使用扫描电镜进行观测发现，添加MAPE 有效提高了椰壳纤维与高密度聚乙烯基体间的相容性，复合材料的弯曲性能和冲击性能提高。李雅丽等［35 － 36］ 采用表面

改性的方法，使用4%硅烷偶联剂处理玉米秸秆粉。结果表明，经过表面改性后的玉米秸秆粉表面张力明显提高，与高密度聚乙烯具有更好的界面相容性，木塑复合材料的强度得到增强。 不同的偶联剂对于复合材料的作用不尽相同，田普建等［37］在制备玉米秸秆/聚丙烯复合材料的过程中使用KH550 硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂和马来酸酐接枝聚丙烯偶联剂分别进行表面处理。结果表明，几种偶联剂中马来酸酐接枝聚丙烯对界面相容的改善作用最为优秀。

3. 2 相容剂

相容剂又称为增容剂、高分子偶联剂，它可以增大界面层厚度，帮助木纤维在塑料基体中分散，并增加植物纤维与塑料基体间的化学黏结性，提高两种物质的相容性，进而提高木塑复合材料的力学性能。最常用的相容剂是马来酸酐接枝聚烯烃。

Leu ［38］利用木粉和回收的聚丙烯制作复合材料，使用马来酸酐接枝聚丙烯作为相容剂，通过实验发现当马来酸酐接枝聚丙烯用量为3% 时，复合材料的力学性能达到最佳。Catto 等［39］利用马来酸酐作为相容剂制作巨桉木/高密度聚乙烯复合材料，通过对表面接触角和复合材料表面形态的观察发现，添加马来酸酐相容剂后，巨桉木纤维与高密度聚乙烯间的黏结性能提高。Nrnberg 等［40］利用二氧化碳和环氧丙烷在戊二酸锌催化下制得的聚碳酸亚丙酯和杨木粉作为原料，使用马来酸酐接枝，制备出的木塑复合材料性能得到增强，经过热分析发现，所得复合材料具有良好的热稳定性。

4 展望

WPC 作为一种绿色可持续发展的新材料而受到越来越多的关注已经成为事实。对于新型WPC 的开发以及对现有WPC 进行性能提升的研究的数量不断增多，有很多具备特殊性能的木塑复合材料和适合制作木塑复合材料的植物纤维和塑料基体被开发出来。但是当前所常用的增强WPC 界面相容性的方法成本不够低廉且简易性较差，或是效果不够理想，这些问题很大程度上限制了WPC 的进一步发展和应用。因此研发新型的增强WPC 界面相容性的方法仍然是当前研究重点。随着目前环保意识的崛起，WPC 作为一种无污染的绿色材料，对于缓解我国废弃塑料逐年增多的现状有着很好的作用，如果能以合适的成本快速获得符合性能要求的WPC ，相信未来WPC 一定会得到广阔的应用。