宋建强，彭鹤松，王光硕，王玉梅

（1．江西广源化工有限责任公司，江西吉安331500；2．东莞市汉维科技股份有限公司，广东东莞523525）

不同无机粉体在PE木塑复合材料中的应用研究

宋建强1，彭鹤松1，王光硕1，王玉梅2

（1．江西广源化工有限责任公司，江西吉安331500；2．东莞市汉维科技股份有限公司，广东东莞523525）

通过在聚乙烯（PE）木塑复合材料中分别添加碳酸钙、滑石粉和硅灰石3种无机粉体材料，并采用扫描电子显微镜、万能力学性能实验机和热力学分析仪等对无机粉体的颗粒大小、微观形貌以及复合材料的力学性能等进行了测试。结果表明，硅灰石制备的PE木塑复合材料的弯曲性能最佳，滑石粉制备的PE木塑复合材料冲击性能较好；对于3种无机粉体而言，随着无机粉体添加量逐渐增加至15份（质量份，下同），PE木塑复合材料的力学性能逐渐提升，当无机粉体添加量增加至20份时，PE木塑复合材料的力学性能出现下降，密度和硬度逐渐增大，24 h吸水率和线性热膨胀系数逐渐降低。

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

木塑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］。

虽然木塑复合材料优点众多，但由于生产技术和加工设备等因素的制约，导致木塑复合材料的生产成本偏高，很大程度的限制了木塑复合材料的长远发展和广泛应用，而在木塑复合材料中添加无机粉体不仅能极大地降低生产成本，而且还可以提高木塑产品的拉伸强度、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3种不同无机粉体对PE木塑复合材料进行填充改性，考察了不同无机粉体对制备的木塑复合材料的力学性能、密度和吸水率的影响，为木塑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（PE-HD），5000S，中国石化兰州有限公司；

木粉，170μm，山东临沂瑞达木粉有限公司；

PE回收料，揭阳市蓝城区磐东林旭塑料厂；

碳酸钙，CC-800、CC-1250，性能参数见表1，江西广源化工有限责任公司；

表1 不同品种无机粉体的性能指标Tab．1 Properties of different kinds of inorganic powders

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。

1.2 主要设备及仪器

单螺杆挤出机，JWELL-2011，上海金纬挤出机械制造有限公司；

双螺杆挤出机，JWS 200，上海金纬挤出机械制造有限公司；

高速混合机，DYHL，苏州大云塑料回收辅助设备有限公司；

激光粒度仪，3000E，英国马尔文公司；

万能力学性能实验机，CMT-6104，美斯特工业系统（中国）有限公司；

电子密度计，DH-300，北京伊若特电子仪器公司；

肖氏硬度计，TH210-D，上海伦捷机电仪表有限公司；

热力学分析仪（DMA），Q400，美国TA公司；

全自动比表面积分析仪，NOVA 2000E，美国康塔仪器公司；

场发射扫描电子显微镜（SEM），ΣIGMA，卡尔蔡司光学（中国）有限公司。

1.3 样品制备

首先，将木粉放入烘箱中，在120℃温度下干燥2 h除去其中的水分，然后按照木粉62份、PE回收料30份、PE-HD 2份、硬脂酸2份、偶联剂1份、抗氧剂0．3份、色粉2份配方称量各物料，设无机粉体含量为变量，分别为5、10、15、20份；然后把配好的料放入高速混合机中混合10 min，再通过双螺杆挤出机造粒，双螺杆挤出机一区～九区温度分别为115、135、155、175、185、184、187、185、157℃，主机转速为396 r/min；最后通过单螺杆挤出机挤出成型得到木塑复合材料，单螺杆挤出机一区～四区温度分别为173、178、161、148℃，主机转速为11 r/min。

1.4 性能测试与结构表征

SEM分析：对无机粉体作喷金处理，采用SEM对其进行直接观察；

粒径分布：马尔文激光粒度仪测量无机粉体的粒径分布；

比表面积：采用静态测试法，通过全自动比表面积分析仪进行BET多点测试；

弯曲强度按GB/T 9341—2000进行测试，试验速率为10 mm/min；

冲击强度按GB/T 1043—1993进行测试，样条C型缺口，摆锤冲击能为2 J；

吸水率按GB/T 17657—1999进行测试，样品浸泡时间约为24 h；

密度按GB/T 1033．1—2008进行测试；

硬度按GB/T 531—1999进行测试；

线性热膨胀系数按GB/T 1036—2008进行测试，样品尺寸为100．2 mm×12．5 mm×6．3 mm。

2 结果与讨论

2.1 无机粉体的SEM分析

图1为不同品种无机粉体的SEM照片，放大倍数均为5000倍。从图1可以看出，碳酸钙CC-800和CC-1250均呈不规则立方体状结构，CC-1250的粒径要比CC-800小。滑石粉HS-218和HS-358均呈层状、片状结构，HS-358的粒径要比HS-218小。硅灰石粉GY-219和GY-319均呈针状、块状结构，GY-319的粒径要比GY-219小。

图1 不同品种无机粉体的SEM照片Fig．1 SEM images of different kinds of inorganic powders

2.2 木塑复合材料的力学性能

图2为PE木塑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）后的弯曲强度。可以看出，随着无机粉体含量的逐渐增大，PE木塑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，粒径较小的无机粉体对PE木塑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木塑复合材料的密度，PE木塑复合材料的应力得到增加，弯曲强度得到提升［4，9］。

图2 不同无机粉体对PE木塑复合材料弯曲强度的影响Fig．2 Effect of inorganic powders on the bending strength of PE-based wood-plastic composites

从图3中可以看出，随着无机粉体含量的逐渐增大，PE木塑复合材料的冲击强度呈先上升后下降趋势；在不同无机粉体相同填充量的情况时，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的PE木塑复合材料其冲击强度要大。

图3 不同无机粉体对PE木塑复合材料冲击强度的影响Fig．3 Effect of inorganic powders on the impact strength of PE-based wood-plastic composites

2.3 木塑复合材料的密度

从图4中可以看出，随着无机粉体含量的逐渐增大，PE木塑复合材料的密度逐渐增大；在不同无机粉体填充情况下相同，碳酸钙CC-800、CC-1250填充的PE木塑复合材料的密度较大，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木塑复合材料的密度；在同种无机粉体填充的情况下，无机粉体的粒径越细填充的PE木塑复合材料的密度越大。

图4 不同无机粉体对PE木塑复合材料密度的影响Fig．4 Effect of inorganic powders on the specific gravity of PE-based wood-plastic composites

2.4 木塑复合材料的吸水率

从图5可以看出，随着无机粉体含量的逐渐增加，PE木塑复合材料的24 h吸水率逐渐降低，这是由于木粉的吸水率大于无机粉体，随着无机粉体含量的增加，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相同的添加份数下，硅灰石GY-319、GY219填充在PE木塑复合材料的吸水率最低，最有利于提高PE木塑复合材料的耐水性能，其次是滑石粉，再次是碳酸钙。

图5 不同无机粉体对PE木塑复合材料24 h吸水率的影响Fig．5 Effect of inorganic powders on the water absorption of PE-based wood-plastic composites

2.5 木塑复合材料的硬度

从图6可以看出，随着无机粉体含量的逐渐增大，PE木塑复合材料的肖氏硬度逐渐增大；在不同无机粉体相同添加量时，硅灰石GY-219、GY-319填充的PE木塑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的PE木塑复合材料的硬度越大。

图6 不同无机粉体对PE木塑复合材料硬度的影响Fig．6 Effect of inorganic powders on the hardness of PE-based wood-plastic composites

2.6 木塑复合材料的线性热膨胀系数

从图7可以看出，随着无机粉体含量的逐渐增大，PE木塑复合材料的线性热膨胀系数逐渐降低；在不同无机粉体填充时，硅灰石GY-219、GY-319填充的PE木塑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含量的增加，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降低的趋势［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的PE木塑复合材料的线性热膨胀系数越大。

图7 不同无机粉体对PE木塑复合材料线性热膨胀系数的影响Fig．7 Effect of inorganic powders on the linear thermal expansion coefficients of PE-based wood-plastic composites

3 结论

（1）随着无机粉体添加量的逐渐增大，PE木塑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GY-319在提高PE木塑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木塑复合材料冲击强度方面表现最佳；PE木塑复合材料的密度和硬度均呈现逐渐增大的趋势，PE木塑复合材料的24 h吸水率和线性热膨胀系数均逐渐降低；

（2）与其他2种填料相比，碳酸钙填充PE木塑复合材料的密度相对较大，硅灰石填充PE木塑复合材料的硬度最大，同时最有利于降低PE木塑复合材料的吸水率和线性热膨胀系数。

［1］付 文，王 丽，刘安华．木塑复合材料改性研究进展［J］．高分子通报，2010，（3）：61-65．Fu Wen，Wang Li，Liu Anhua．Modification Research Progress of Wood-plastic Composites［J］．Polymer Bulletin，2010，（3）：61-65．

［2］Soury E，Behravesh A H，Esfahani E R，et al．Design，Optimization and Manufacturing of Wood-plastic Composite Pallet［J］．Materials＆Design，2009，30（10）：4183-4191．

［3］Schauwecker C，Morrell JJ，Mcdonald A G，et al．Degradation of a Wood-Plastic Composite Exposed under Tropical Conditions［J］．Forest Products Journal，2006，56（11/12）：123-129．

［4］李光哲．木塑复合材料的研究热点及发展趋势［J］．木材加工机械，2010，（2）：41-44．Li Guangzhe．The Research Hotspots and Development Trend of Wood-plastics Composites［J］．Wood Processing Machinery，2010，（2）：41-44．

［5］Madhoushi M，Chavooshi A，Ashori A，et al．Properties of Wood Plastic Composite Panels Made from Waste Sanding Dusts and Nanoclay［J］．Journal of Composite Materials，2014，48（8）：1661-1669．

［6］Oporto G S，Gardner D J，Bernhardt G，et al．Characterizing the Mechanism of Improved Adhesion of Modified Wood Plastic Composite（WPC）Surfaces［J］．Journal of Adhesion Science＆Technology，2007，21（21）：1097-1116．

［7］沈凡成，贾润礼．木塑复合材料的研究进展与发展前景［J］．塑料助剂，2010，1（79）：5-9．Shen Fancheng，Jia Runli．Research Progress and Prospect of Wood-plastic Composites［J］．Plastics Additives，2010，1（79）：5-9．

［8］Mohamadzadeh M．Numerical and Experimental Failure Analysis of Screwed Single Shear Joints in Wood Plastic Composite［J］．Materials＆Design，2012，35（35）：404-413．

［9］孙学全，李秋义，黄萍萍，等．填料对木塑复合材料弯曲性能的影响［J］．青岛理工大学学报，2010，2（31）：28-31．Sun Xuequan，Li Qiuyi，Huang Pingping，et al．The Influence of Filler on Bending Property of Wood-plastic Composite［J］．Journal of Qingdao Technological University，2012，35（35）：404-413．

［10］李珊珊，吕 群，李 伟，等．聚乙烯基木塑复合材料吸水率的研究［J］．中国塑料，2009，23（8）：69-73．Li Shanshan，Lv Qun，Li Wei，et al．Studies on Water Absorption of Wood Powder Filled Polyethylene Composites［J］．China Plastics，2009，23（8）：69-73．

［11］Jördens C，Wietzke S，Scheller M，et al．Investigation of the Water Absorption in Polyamide and Wood Plastic Composite by Terahertz Time-domain Spectroscopy［J］．Polymer Testing，2010，29（2）：209-215．

［12］黄润周，张 洋．无机填料/木粉/R-PE的复合材料热膨胀性能与弯曲性能的研究［J］．木材加工机械，2014，25（6）：15-18．Huang Runzhou，Zhang Yang．The Thermal Expansion and Flexural Properties of Wood Plastic Composites［J］．Wood Processing Machinery，2014，25（6）：15-18．

Study on Applications of Different Inorganic Fillers in Polyethylene Wood-plastic Composites

SONG Jianqiang1，PENG Hesong1，WANG Guangshuo1，WANG Yumei2
（1．Jiangxi Guangyuan Chemical Co，Ltd，Ji’an 331500，China；2．Dongguan CHNV Technology Co，Ltd，Dongguan 523525，China）

In this study，polyethylene（PE）wood-plastic composites were prepared with addition of calcium carbonate，talc powder and wollastonite as inorganic fillers．Particle size，morphologies and specific surface areas of these inorganic fillers were examined，and the effects of these fillers on various properties of the composites were investigated．The mechanical results indicated that bending strength of the composites with wollastonite achieved an optimum value while the composites containing talc powder obtained better impact toughness．Most of all，the mechanical properties，specific gravity，water absorption and hardness of the composites were improved gradually with addition of inorganic fillers up to 15 phr．However，when the inorganic fillers were excessive over 20 phr，the density and hardness of the composites still kept an increase，but their water absorption and linear thermal expansion coefficients tended to decrease．

wood-plastic composite；calcium carbonate；wollastonite；talc powder；mechanical property；density；water absorption

TQ320

B

1001-9278（2017）01-0070-05

10．19491/j．issn．1001-9278．2017．01．013

2016-08-16

联系人，420266044＠qq．com