蔡培鑫，吕 群，梁梦杰，张清锋

（杭州师范大学材料与化工化学学院，浙江杭州 310036）

PP/PE基木塑复合材料的力学性能研究

蔡培鑫，吕 群，梁梦杰，张清锋

（杭州师范大学材料与化工化学学院，浙江杭州 310036）

以PP和HDPE的混合物为塑料基体，EPDM为增韧剂，木粉为填料，采用挤出成型法制备了PP/PE基木塑复合材料（WPC），研究了配方中PP/PE比例、EPDM加入量变化对WPC力学性能的影响.结果表明：随着WPC中PP质量分数的增加，WPC的弯曲模量增加，但弯曲强度和冲击强度均出现先减小后增大的现象；随着塑料基体中EPDM加入量增加，WPC的冲击强度增加，但其弯曲强度和弯曲模量降低.

木塑复合材料；聚丙烯；聚乙烯；力学性能

0 引 言

木塑复合材料（WPC）是以植物纤维（如木粉、竹粉、糠粉、秸秆粉等）和热塑性塑料（如PE、PP、PVC、PS、ABS等）为主要原料制成的一类复合材料，其产品主要用作木材的替代品.WPC具有一系列优点，如像木材一样可刨、可钉、可锯，且吸水率低，不虫蛀，耐腐蚀性优于木材，并可以像热塑性塑料一样回收利用，是一种优良的绿色环保材料［1］.近年来，木塑复合材料的开发与产业化得到了全世界的广泛重视.

可用于制备WPC的热塑性塑料品种较多，本文研究的WPC是以PE、PP（或它们的混合物）作为塑料基体，用木粉作为填料，用挤出成型法制成的一种WPC.由于PE和PP之间相容性较差，加上PE与PP的结晶速率不同，从而会对WPC的成型制备和其制品的力学性能造成不利影响［2－5］，因此，目前工业生产上主要采用较纯的废旧PE或PP为原料来制备WPC.但是，目前市售的回收废旧塑料大多是不纯的混杂塑料，如PE和PP因密度相近，容易相互混杂在一起.若要将这些混杂废旧塑料完全分离归类，既耗时又耗费，从而限制了目前工业制备聚烯烃基WPC的塑料原料来源.为了解决这一技术问题，已有以PE和PP混合物作为塑料基体制备PP/PE基WPC的研究报道［5－7］.但是，在这些研究中，WPC中大多木粉含量很低，且主要采用注塑成型或压制成型法来制备WPC样品，而对于采用挤出成型法制备高木粉含量PP/PE基WPC的研究却鲜见报道.

本文以PE和PP的混合物作为塑料基体，EPDM为相容剂，木粉为填料，用挤出成型法制备了高木粉含量的PP/PE基WPC，研究了配方中PP/PE比例、EPDM加入量变化对WPC力学性能的影响，目的在于为PP/PE基WPC的生产制备、混杂塑料的综合利用和拓展WPC生产所需塑料原料的来源提供基础.

1 实验部分

1.1 主要原料

白杨木粉，60目，浙江省德清林牌木粉有限公司；高密度聚乙烯（HDPE），5000S，兰州石化；聚丙烯（PP），T30S，中国石化股份有限公司茂名分公司；马来酸酐接枝聚乙烯（MAPE）、马来酸酐接枝聚丙烯（MAPP），佛山市南海柏晨高分子新材料有限公司；三元乙丙橡胶（EPDM），3722P，美国陶氏；润滑剂，实验室自制.

1.2 主要仪器设备

SHR－10高速混合机，张家港市轻工机械厂有限公司；SHJ－36平行双螺杆挤出机，南京杰恩特机电有限公司；SJMS－45锥形双螺杆挤出机，武汉泽琦塑料机械制品有限公司；UTM4204－20KN万能试验机，珠海三思试验设备有限公司；XJ－50Z液晶显示冲击试验机，承德世鹏检测设备有限公司.Q2000差示扫描量热仪（DSC），美国TA公司.

1.3 样品制备

按表1配方分别称取干木粉、PP、HDPE、EPDM（或不加）、MAPP、MAPE、助剂等，其中m（MAPP）∶m（MAPE）＝m（PP）∶m（HDPE）.将配方料加入高速混合机中混合均匀，用平行双螺杆挤出机挤出造粒，然后用锥形双螺杆挤出机挤出成型，制得WPC.

表1 木塑复合材料制备配方Tab.1 Formulation of WPC /%

1.4 测试与表征

1）力学性能测：试按照GB/T9341—2000、GB/T1043—1993分别测定WPC的弯曲和冲击性能，分别平行测定10次取平均值，弯曲速度5mm/min，测试温度23℃.

2）热分析：将WPC破碎后取样进行DSC热分析，测试温度为室温至200℃，升温速率为5K/min，保护气N2流量为15mL/min.

2 结果与讨论

2.1 塑料基体中PP/PE比对WPC力学性能的影响

按表1中配方A1－A5和B1－B5制备WPC板材，研究了塑料基体中PP/PE质量比对WPC弯曲强度、弯曲模量和冲击强度的影响，结果见图1－图4.

图1所示为WPC的弯曲强度与塑料基体中PP/PE质量比（图1中为PP质量占PP和PE总质量的百分数）的关系.由图1可见，当塑料基体中PP质量分数为50%（即PP/PE质量比为1/1）时，WPC的弯曲强度最低.这是因为PP、PE结晶速率及形式不一致而各自形成结晶区，相互之间难以形成共晶，因此两者界面相容性较差［5，8－9］，而PP质量分数为50%时，PP与PE的界面面积最大，此时两者的相容性最差［10］.由图1还可见，在配方中加入PP和PE总质量10%的EPDM后，仍然是在PP质量分数为50%时WPC的弯曲强度最低.这表明在WPC中，加入EPDM后虽然在宏观上具有增韧和增容效果（后文将表明其加入可提高WPC的冲击强度），但并没有改变PP和PE两者的结晶形式与结晶度，这一点可从图2中找到依据.

图2所示为WPC的DSC曲线，图中曲线1为WPC中未加入EPDM的DSC曲线，曲线2为WPC中加入了EPDM的DSC曲线.由图2可见，配方中加入EPDM后，PP和PE结晶峰的位置没有改变，这表明EPDM在WPC中没有显著改变PP和PE的结晶形式.由图2还可见，加入EPDM后，虽然PP和PE的结晶峰面积有所减小，但其减小量刚好等于EPDM加入后塑料基体中PP和PE质量分数减少的量，这表明在WPC中加入EPDM后并没有显著改变PP和PE的结晶度.

图3所示为WPC的弯曲模量与塑料基体中PP/PE质量比（图中为PP占PP和PE总质量的百分数）的关系.由图3可见，随着塑料基体中PP质量分数的增加，WPC的模量增加，这是因为PP的模量大于PE.由图3还可见，加入EPDM后，WPC的模量显著降低，这是因为EPDM的模量比PP和PE小，因此，为了保证WPC具有足够的弯曲模量，EPDM的加入量不宜过多.

图4所示为WPC的冲击强度与塑料基体中PP/PE质量比（图中为PP占PP和PE总质量的百分数）的关系.由图4可见，随着塑料基体中PP质量分数的增加，WPC的冲击强度持续降低，这是因为PP的冲击强度比PE低；在配方中加入EPDM后，WPC冲击强度增大，这表明EPDM对于WPC具有较显著的增韧作用，其增韧作用机理类似于塑料增韧机理.由图4还可见，WPC冲击强度随着PP质量分数增加而变化的曲线是一条凹线，这表明WPC中PP和PE的相容性并不理想，这主要是因为PP/PE之间相容性差引起的［5，9］.

2.2 EPDM含量变化对WPC力学性能的影响

按表1中配方C1－C5，在保持塑料基体中m（PP）∶m（PE）＝1∶1的条件下，改变EPDM的加入量，制得不同EPDM含量的WPC，测定其力学性能，结果见图5－图7.

图5所示为WPC的冲击强度与其塑料基体中EPDM加入量的关系.由图5可见，随着EPDM加入量的增加，WPC的冲击强度增大，这表明EPDM的加入对WPC的韧性效果明显，其增韧机理与EPDM增韧PP/PE塑料共混物的机理相同.

图6所示为WPC的弯曲强度与塑料基体中EPDM加入量的关系.由图6可见，WPC弯曲强度变化的总体趋势是随着塑料基体中EPDM加入量的增加而减小，这是因为EPDM的弯曲强度低于PP和PE.图6中WPC不加入EPDM时，其弯曲强度反而低于EPDM加入量为5%的点，这是因为EPDM具有促进PP和PE相容的功能，不加入相容剂EPDM制得的WPC样品中PP和PE的相容性不太好［8－9］.

图7所示为WPC的弯曲模量与EPDM加入量的关系.由图7可见，随着WPC中EPDM加入量的增加，WPC的弯曲模量显者减小，其原因与上述WPC弯曲强度随EPDM含量增加而减小相同.由图7还可见，随着EPDM加入量的增加，WPC的弯曲模量开始降低较快，然后降低速度趋缓.

综合图5－图7可知，为了使制得的WPC弯曲强度较高，EPDM的加入量不宜太大，一般EPDM加入量约为10%较合适.

图7 EPDM加入量对WPC弯曲模量的影响Fig.7 Effect of EPDM content on flexural modulus of WPC

3 结 论

1）随着塑料基体中PP质量分数的增加，WPC的弯曲模量增加，但弯曲强度和冲击强度均出现先减小后增大的现象；

2）随着塑料基体中EPDM加入量增加，WPC的冲击强度增加，但其拉伸强度和弯曲模量均有所降低.

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Study on the Mechanical Properties of Wood－Plastic Composite Based on PP/PE

CAI Pei－xin，LÜQun，LIANG Meng－jie，ZHANG Qing－feng

（College of Material，Chemistry and Chemical Engineering，Hangzhou Normal University，Hangzhou 310036，China）

Wood－plastic composite（WPC）based on PP/PE were prepared by extrusion with PP and HDPE blends as plastic matrix，EPDM as toughening agents，wood flour as filler.The paper researched on the effects of PP/PE and EPDM content on the mechanical properties of WPC.The results showed that with PP content increased in the plastic matrix，the flexural modulus of WPC increased，but the flexural strength and impact strength were decreased first and then increased.With EPDM content increased in the plastic matrix，the impact strength of WPC increased，the flexural strength and flexural modulus decreased.

wood－plastic composite；polypropylene；polyethylene；mechanical property

TQ325.1

A

1674－232X（2012）01－0017－05

11.3969/j.issn.1674－232X.2012.01.004

2011－07－25

浙江省重大科技专门项目（优先主题）（2008C13G2150004）.

吕 群（1953—），男，教授，主要从事高分子材料研究.E－mail：luqun＠263.net