郭丽敏 王伟宏 王清文

(东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150040)

木粉-HDPE复合材料的单板贴面效果研究

郭丽敏 王伟宏 王清文

(东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150040)

本研究在单板与木塑复合材料中间添加含有马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE)的薄膜，采用热压成型工艺制备单板贴面木塑复合材料，研究不同木粉含量木塑复合材料的贴面效果。结果表明，黏结层中加入MAPE后，单板与木塑复合材料之间的黏结性能明显提高，耐热、耐水性能优良；当木塑复合材料中HDPE含量为30%、黏结层中MAPE含量为HDPE含量的2%时，贴面木塑复合材料的表面胶合强度最大，为1.68 MPa，单板没有出现浸渍剥离现象。

木塑复合材料；高密度聚乙烯；单板贴面；马来酸酐接枝聚乙烯

木塑复合材料(wood-plastic composites，WPCs)是一种主要由植物纤维与一种或多种塑料通过不同的复合方法生成的新型复合材料。尽管木塑复合材料兼具生物质材料和塑料的特性，但与木材相比木质感较差，在建筑、装饰、家具等方面的应用受到限制。由于加工工艺特殊，使得材料表面总会富集一层薄薄的塑料，多呈现非极性(尤其是聚烯烃类聚合物，结晶度高，表面能较低)，导致木塑复合材料的表面光滑、润湿性差[1-2]，与自身及其他材料胶接困难[1-3]。单板等木质材料与热塑性塑料的相容性相差较大，要想将2种材料黏结起来，难度较大。目前的研究多是对木塑复合材料表面进行物理或化学改性进行处理，在材料表面引入一些易于发生反应的极性化学基团[4]，从而提高材料表面能，如低温等离子体处理[3，5-7]、表面氧化处理、火焰处理及电晕放电处理[8-10]、表面涂覆处理[11]等；或是通过机械打磨处理，将木塑复合材料表面的塑料层打磨掉，使内部的极性纤维部分裸露出来。尽管目前聚烯烃类聚合物已能实现胶接，但用于聚乙烯胶接的胶黏剂种类少，黏结条件要求苛刻，成本又相对较高，操作复杂，不适合工业化生产使用。本研究对木粉-HDPE复合材料的单板贴面效果进行研究，以期探究一种简单实用的方法，实现木质材料与聚烯烃基木塑复合材料的黏结。

1 材料与方法

1.1 试验材料及主要仪器

杨木(Populusspp.)木粉，粒径40～80目，含水率：≤3%；高密度聚乙烯(HDPE)，型号：5 000 s，密度：0.949～0.953 g/L，熔体指数：0.8～1.1 g/10 min，中国石油大庆石化公司；马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE)，接枝率0.9%，上海日之升新技术发展有限公司；聚乙烯蜡(PE蜡)，山东齐鲁石化公司；杨木单板，厚1.5 mm，市购。

DHG-9625A型电热恒温鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司；SJSH30/SJ45型双阶挤出机组，南京橡塑机械厂；SL-6型塑料压力成型机，哈尔滨特种塑料制品有限公司；CMMJ5504型电子万能力学试验机；RGT-20A型电子万能力学试验机，深圳瑞格尔仪器有限公司；电热恒温水浴锅，北京市永光明医疗仪器厂。

1.2 单板贴面木塑复合材料的制备

1.2.1木粉-HDPE复合材料的制备 研究中设计了3种不同木粉含量的木塑复合材料基材，木粉与HDPE比例见表1。按比例称取木粉、HDPE和少量添加剂，加入高速混合机混合10 min之后卸料， 再通过双螺杆挤出机熔融复合挤出，冷却后经粉碎机破碎成细小颗粒。将制备好的粒料采用热压方式压制成160 mm×160 mm×6 mm的薄板。

表1 复合材中木粉与HDPE比例

1.2.2黏结层薄膜的制备 中间黏结料的组成见表2。称取一定量的MAPE或HDPE粉料，均匀铺在效果模具中，在170 ℃的热压机上预热2 min，加压至2.5 MPa保持1 min，冷却即可制得厚度相对均匀的MAPE薄膜、HDPE薄膜或MAPE/HDPE混合薄膜。

表2 黏结层的配方

注：黏结层中MAPE、HDPE的用量按木粉/HDPE复合材料中HDPE量的比例计算。

1.2.3木质单板贴面木塑复合板的制备 在木塑基材的上下面各放置一块单板(放置时上下单板的纹理方向一致)，并在木塑板和单板之间铺装一层黏结薄膜，构成一个具有五层结构的复合板材板坯，放入热压机，经热压、冷却定型后成为木质单板贴面的木塑复合板材。所用黏结薄膜为纯的HDPE或是加入马来酸酐接枝聚乙烯的HDPE。同时将中间未加薄膜的贴面板视为对照组。

1.3 性能测试

1.3.1表面结合强度测试 按照GB/T 17657—1999《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》[12]进行测试，试件尺寸为50 mm×50 mm×9 mm，中间圆面积为 1 000 mm2，每组测试6个试件。使用CMMJ5504型电子万能力学试验机测试其表面胶合强度，加载速率为2 mm/s。

1.3.2浸渍剥离性能测试 按照GB/T 17657—1999《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》[12]中I类浸渍剥离试验的方法对单板贴面木塑复合材料进行测试，试件尺寸为75 mm×75 mm×9 mm，每组测试6个试件。具体测试方法是，将试件放在恒温水浴锅中，沸水煮4 h，取出后置于(63±3)℃的烘箱中干燥20 h；然后将待测试件放置在沸水中煮4 h，取出后再置于(63±3)℃的烘箱中干燥3 h。测量四边的剥离长度。

2 结果与讨论

2.1 单板贴面木塑复合材料的黏结性能

3种单板贴面木塑复合材表面结合强度见图1。

从图1可以看出，在中间未加薄膜的对照组中，贴面复合材料的表面胶合强度较低，且随着木塑复合材中木粉含量的增加而出现明显的下降趋势，原因是基材中HDPE含量低，表面主要是木纤维，直接贴单板时两者之间缺乏形成黏结力的物质。添加中间层薄膜后，贴面复合材料的表面胶合强度均有不同程度的上升。当木塑复合材中木粉含量为70%时，贴面复合材料的表面结合强度最大，为1.68 MPa，原因是MAPE的加入在中间界面层引入了一定量的极性基团，如羧基、羰基等，这些极性基团可能和单板上的羟基等极性基团发生物理或化学反应形成分子间作用力或者化学键作用力，使单板与木塑复合材料的结合能力明显增强。

不加中间介质层时，木塑基材仅能靠表面的塑料成分与表层单板结合，HDEP含量低的木塑复合材与单板之间的表面胶合强度自然较小。当中间介质层为HDPE薄膜时，木粉含量为60%的木塑基材黏结强度最大，木粉含量为70%和80%的表面结合强度下降，原因可能是高木粉含量的WF-HDPE复合材自身具有的表面塑料层较薄，MAPE含量相对较少，与HDPE中间介质层的结合减弱。同时，由于HDPE介质层的阻隔，木塑板材表面自身含有的少量MAPE无法与木质贴面单板接触，使得贴面胶合强度较无中间介质层的对照组还要低。但当木粉含量提高到80%时，HDPE中间层的介入弥补了木塑板材表面塑料组分过少的缺陷，使得表面胶合强度大于无HDPE的对照组。

与上述2种情况相比，MAPE薄膜的介入提高了单板与木塑复合材之间的表层胶合强度，但不同木粉含量之间无明显差异，这是由于木粉或者塑料含量低的问题都可以借助MAPE所含有的双向基团得到调节，达到较好的黏结效果。过多的MAPE有利于黏结木质单板，但不利于和HDPE之间的结合。因此，当使用MAPE/HDPE混合薄膜时，在60%和70%木粉含量时贴面复合板的表层胶合强度得到提高，当木粉含量为80%时，木塑基材的表层塑料含量过少，使之与介质中间层的胶合强度下降。使用MAPE膜或MAPE/HDPE混合膜都可以起到良好的胶合作用。

2.2 单板贴面复合材料的水浸渍剥离性能

3种单板贴面木塑复合材的浸渍剥离结果见表3。

表3 3种单板贴面木塑复合材的浸渍剥离结果

从表3可以看出，3种木粉含量的木塑复合贴面材料经过水浸渍剥离测试后发现，对照组和加HDPE介质层的贴面复合材的单板浸渍剥离长度远大于25 mm[12]，单板均发生严重剥离(部分试件在第一水煮阶段就已完全剥离)，说明单板和木塑复合材料之间主要是靠物理作用黏结，结合力很弱。使用MAPE和MAPE/HDPE薄膜的2组中，3种木粉含量的木塑复合贴面板材经过水浸渍剥离测试后单板的剥离长度均为0，无剥离现象产生，说明MAPE的加入提高了木塑复合材料和单板之间黏结力的耐热性和耐水性。MAPE或HDPE薄膜熔融后可以流动并渗透进单板的管孔中形成机械互锁作用[13]；此外，MAPE一端的极性基团可与单板中的羟基发生化学反应，木塑复合材料和单板之间也可能存在化学键或氢键的结合。在对照组和HDPE组中，木粉含量为60%的复合材相对其他2种材料的剥离长度相对较小，耐水性较好，表明木塑复合材料中塑料含量在一定范围内提高对基材与单板之间的结合产生有利的影响。

2.3 贴面木塑复合材料破坏样貌的观察

复合材料表面破坏样貌见图2。从图2可以看出，对贴面复合材料进行表面胶合强度测试时，对照组和HDPE组中试件破坏的位置发生在界面层而非单板表面或基材WPC表面。中间层添加含有MAPE的薄膜后，MAPE组和MAPE/HDPE组的试件破坏的位置主要发生在贴面单板上(单板的破坏率接近100%)，黏结层几乎无破坏，说明基材和单板之间的黏结效果良好。上述结果与表面胶合强度及I类浸渍剥离试验测试结果相一致，说明MAPE确实能起到黏结极性单板和木塑复合材料的效果。

3 结 论

1) 木塑复合材中塑料成分有利于与木质单板之间的黏结。在木粉含量多而塑料含量少的情况下，HDPE做中间介质可以提高黏结强度，但当塑料含量提高到30%以上,再利用额外的HDPE做中间层黏合介质则作用不大，木塑复合材料本身在表层富集的HDPE即可满足要求。

2) 黏结薄膜中含有马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE)时，单板和木塑复合材料之间的黏结性能明显提高，两者的结合强度不仅达到了贴面人造板的国家标准要求，而且耐热、耐水性能优良。

3) 马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE)是在非极性的聚乙烯分子链上接枝极性的马来酸酐，既具有聚乙烯的良好加工性和其他优异性能，又具有马来酸酐极性分子的可再反应性和强极性，常用于提高木塑复合材料中木质纤维和热塑性塑料的界面相容性。本研究利用MAPE具有的双向结构的特点，代替胶黏剂用于黏结极性木质单板和非极性的HDPE基木塑复合材料。试验结果证明可以不用预先对木质材料、木塑复合材料的表面进行改性处理或机械打磨处理，直接热压即可达到良好胶合效果。该方法操作过程简单，使木塑复合材具有真实的木质外观，并且没有甲醛释放的担忧，可以更广泛地应用于建筑装饰材料领域。

[1] Williams K, Bauman B. New technology for enhancing wood-plastic composites[J]. J C T Coatings Tech, 2007, 4(8): 52-57.

[2] Laborie M, Gupta B. Oxyfluorination of wood-fiber reinforced thermoplastic composites to improve adhesion[J]. The Journal of Adhesion, 2008, 84(10): 830-846.

[3] Liu Y, Tao Y, Lv X Y, et al. Study on the surface properties of wood/polyethylene composites treated under plasma[J]. Applied Surface Science, 2010, 257(3): 1112-1118.

[4] 鲍春阳，刘文娟．难粘塑料的表面处理[J]．化学与粘合，2002，27(4)：190-191, 197．

[5] Li R Z, Ye L, Mai Y W. Application of plasma technologies in fibre-reinforced polymer composites: a review of recent developments[J]. Composites Part A-Applied Science and Manufacturing, 1997, 28(1): 73-86.

[6] 李笃信，贾德民．等离子体技术对高分子材料的表面改性[J]．高分子材料科学与工程，1999，32(3)：173-176．

[7] 刘杨，陶岩，吕新颖，等．难粘高分子材料的等离子体表面处理研究进展[J]．粘接，2010，31(4)：70-74．

[8] Gramlich W M, Gardner D J, Neivandt D J. Surface treatments of wood-plastic composites (WPCs) to improve adhesion[J]. Journal of Adhesion Science and Technology, 2006, 20(16): 1873-1887.

[9] Belgacem M N, Bataille P, Sapieha S. Effect of corona modification on the mechanical properties of polypropylene/cellulose composites[J]. Journal of Applied Polymer Science, 1994, 53(4): 379-385.

[10] Matuana L M, Balatinecz J J, Park C B. Effect of surface properties on the adhesion between PVC and wood veneer laminates[J]. Polymer Engineering and Science, 1998, 38(5): 765-773.

[11] 王辉，邸明伟．磷酸酯偶联剂涂覆对聚乙烯木塑复合材料粘接性能的影响[J]．高分子材料科学与工程，2013，29(5)：58-62．

[12] 中国林业科学研究院木材工业研究所.GB/T17657-1999．人造板及饰面人造板理化性能试验方法[S]. 北京：中国标准出版社, 2009．

[13] Fang L, Chang L, Guo W, et al. Preparation and characterization of wood-plastic plywood bonded with high density polyethylene film[J]. European Journal of Wood and Wood Products, 2013, 71(6): 739-746.

(责任编辑 曹 龙)

Study on Veneer Overlaid of Wood-Flour/HDPE Composites

GUO Li-min， WANG Wei-hong， WANG Qing-wen

(Key Lab of Bio-Based Material Science & Technology of Education Ministry，Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040，China)

In this article,a layer containing maleic anhydride grafted polyethylene(MAPE)film was added in the middle of the veneers and wood-plastic composites, and then prepared the veneered wood-plastic Composites by hot-pressing molding process.The effect of wood flour content contained in wood-plastic composite on bonding strength was evaluated.The results showed that, after added MAPE, the adhesion between the veneers and wood-plastic composites was obviously increased,and head-resistance,and hydrolytic resistance was improved.when HDPE content was 30% in the wood-plastic composites and MAPE content in the adhesive layer accounting for 2% based on HDPE in the wood-plastic composites, the surface bonding strength of the composite increased to 1.68 Mpa, and there was no stripping phenomenon after dip stripping test.

wood-plastic composites;HDPE;veneer overlaying; MAPE

2014-03-10

国家林业局公益性行业科研专项(201204802)资助。

王伟宏(1968—)，女，教授，博士生导师。研究方向：生物质符合材料。Email:weihongwang2001@aliyun.com.cn。

10.3969/j.issn.2095-1914.2014.05.018

S784

：A

：2095-1914(2014)05-0095-04

第1作者：郭丽敏(1989—)，女，硕士生。研究方向：木塑复合材料。Email:1209139538@qq.com。