王 菲 王 雀 邓亚楠 杨宝生 刘 宏 沈 萍

（1.沈阳橡胶设计研究院有限公司，沈阳，110000；2.沈阳防锈包装材料有限责任公司，沈阳，110000；3.沈阳新飞宇橡胶制品有限公司，沈阳，110000）

木材作为当今世界公认重要原材料之一，市场需求量巨大。天然木材资源不足已成为普遍问题，现有森林资源的年合理供给量仅占需求量的60%左右，且保护生态环境，禁止天然森林砍伐等资源保护政策，使木材供应更是日趋紧张。木塑复合材料是以经过预处理的植物纤维或粉末为主要原料，与树脂复合而成的一种新型材料，具有防潮、防蛀、防霉、阻燃、隔音、可循环利用等诸多优点，性能优异、绿色环保，具有良好的市场前景，其应用范围不断扩大。[1－3]

木塑复合材料的界面相容性对其性能具有重要影响，这是因为植物纤维表面具有大量的极性基团，在木塑复合材料制备过程中,亲水性的纤维与疏水性的热塑性树脂之间,有着较大的界面能差，导致两者界面相容性很差。目前,改善木塑复合材料界面相容性的主要方法是对植物纤维进行改性。其中,偶联剂化学改性法因工艺简单、改性效果明显,被广泛应用。[4－7]

本文主要讨论了不同种类偶联剂在PVC木塑复合材料应用中，对复合材料抗冲击性能的影响。抗冲击性能体现了材料抵抗冲击负荷作用的能力，是一个衡量材料韧性的指标。冲击强度值减小，材料脆性增加。本试验选用了硅烷偶联剂（KH550）、钛酸酯偶联剂（NDZ133）、铝酸酯偶联剂（SG－Al821）三种偶联剂，对比了不同偶联剂在材料中不同用量时，复合材料抗冲击强度的变化。分析了不同偶联剂对PVC木塑复合材料冲击强度的影响及其最佳用量。

1 试验部分

1.1 试验原料

PVC树脂S-700，中国石油化工股份有限公司，齐鲁分公司；ACR 401，邵阳天堂助剂化工有限公司；ADC发泡剂，山东泰安康普司化工有限公司；复合稳定剂，邵阳天堂助剂化工有限公司；ZB 530，山东淄博华星助剂有限公司；180目杨木粉、复合润滑剂及其他助剂，市售；硅烷偶联剂（KH550）、钛酸酯偶联剂（NDZ133）、铝酸酯偶联剂（SG-Al821），南京曙光化工集团有限公司。

1.2 试验设备

高速混合机，张家港市万凯机械有限公司；锥形双螺杆挤出机，型号SJZ-65/132，张家港市丰诚机械有限公司；万能制样机，扬州腾达试验仪器厂；冲击试验机，型号WJ，承德市万吉仪器仪表有限公司。

1.3 试验流程

木粉加偶联剂预处理→加入其他原料 →高速混合→加热发泡挤出→冷却成型→牵引切割→制样→性能测试

1.4 性能测试

表1 冲击性能测试样条尺寸Tab.1 The size of impact sample

参照标准GB/T 1043—2008《塑料简支梁冲击性能的测定》，本试验采用简支梁无缺口冲击样条尺寸如表1。实验采用常温(23±2℃)作为冲击测试的温度。

2 结果与分析

本试验中采用的基础配方为，每100份PVC树脂中，添加40份木粉，5份复合稳定剂，15份抗冲改性剂ACR，3份发泡剂 ADC，12份ZB530，2.5份复合润滑剂，12份其他助剂，偶联剂添加量以PVC树脂为100%计，添加量分别为0，1%，1.5%，2%，2.5%，3%，3.5%，4%。测试每种偶联剂不同用量时复合材料的抗冲击强度，对比数据结果，进行分析总结。

2.1 偶联剂对冲击强度的影响

2.1.1 硅烷偶联剂对冲击强度的影响

由图1可以看出，加入硅烷偶联剂后，抗冲击强度有所提升。从曲线变化趋势看，随着硅烷偶联剂用量的增加，冲击强度先增加，再逐渐减小，在用量2.5%时冲击强度达到最高，强度提升47.7%。在用量为1%时，冲击强度几乎没有变化，在用量1.5%时，明显增加，说明硅烷偶联剂改善PVC与木粉相容性需要达到一定用量才能体现出效果。另外，在用量为4%时，冲击强度反而比使用硅烷偶联剂前略低，说明硅烷偶联剂存在最佳用量，不是越多越好，而且用量过量会起到反面效果。

图1 硅烷偶联剂用量对复合材料冲击强度的影响Fig1 Effect of silane coupling agent on impact strength

2.1.2 钛酸酯偶联剂对冲击强度的影响

图2表明，加入钛酸酯偶联剂后，冲击强度明显上升，并且在用量3%时，冲击强度达到最高，强度提升了95.3%。从曲线变化看，随着钛酸酯偶联剂用量增加，抗冲击强度先增加再减小，说明钛酸酯偶联剂在配方中存在最佳用量。

从冲击强度数据对比，加入钛酸酯偶联剂后，改善效果明显。虽然曲线存在波峰，但波峰变化缓慢且范围较宽，说明钛酸酯偶联剂的用量稳定区间相对较大，没有很快出现反面影响。这对木塑复合材料在工业生产中，控制加工工艺方面是十分有利的，便于控制产品质量稳定性。

图2 钛酸酯偶联剂用量对复合材料冲击强度的影响Fig.2 Effect of Titanate coupling agent on impact strength

2.1.3 铝酸酯偶联剂对冲击强度的影响

图3 铝酸酯用量对复合材料冲击强度的影响Fig.3 Effect of aluminate coupling agent on impact strength

从图3可以看出，加入铝酸酯偶联剂后，抗冲击强度先缓慢上升而后迅速下降，在用量3.5%时冲击强度最高，强度提升了40.9%。

这说明加入铝酸酯偶联剂能起到改善相容性，提高冲击强度的作用。从图3曲线变化趋势看，在冲击强度达到最高后，再添加铝酸酯偶联剂，强度迅速下降，说明添加量临界点范围窄，这种情况，在实际生产加工中，不利于控制产品质量稳定性。

2.1.4 不同偶联剂对冲击强度的影响对比

如图4，将三种偶联剂用量对抗冲击强度的影响进行对比，三种偶联剂都具有改善抗冲击强度的作用，其中钛酸酯偶联剂效果最佳，硅烷偶联剂和铝酸酯偶联剂改善效果接近。

图4 不同偶联剂用量对复合材料冲击强度的影响Fig.4 Effect of different coupling agents on impact strength

三种偶联剂的冲击强度变化都呈曲线，存在最佳用量，而且硅烷偶联剂还出现使用过量降低了抗冲击强度的情况，这说明配方中偶联剂用量并不是越多越好。原因与偶联剂改性木粉表面包覆程度有关。

偶联剂的作用机理是结构中含有两种功能基团，一种基团与非极性或弱极性的高分子材料形成较强的连接，另一种基团与极性、亲水的木质纤维形成键合，起到桥梁的作用。所以用量少时，偶联剂不能将木粉表面完全包覆，木粉与树脂间的“桥梁”不完整，改性效果不好；偶联剂用量过多，则容易在木粉表面聚集，多余的偶联剂分子分布在界面层，降低木粉与树脂基体的粘结性，同时偶联剂中未反应的基团也会对界面情况造成不良影响，降低复合材料性能[8-10]。因此，实际生产中必须根据实际情况和性能要求确定偶联剂的最佳用量。

三种偶联剂中钛酸酯偶联剂的效果明显好于其他两种，这主要与偶联剂的结构有关。钛酸酯偶联剂分子中存在连接钛中心的基团如长链烷氧基、酚基、羟基等，其中的烷氧基（R－O－）可以与木粉中木质纤维的羟基发生化学反应，使其表面发生变化；而硅烷偶联剂分子中的（－OR）先水解形成Si－OH结构，Si－OH可以与木质纤维中的－OH形成氢键，本试验中的硅烷偶联剂还有乙烯基，不能够与PVC树脂体很好的融合作用，所以效果明显不如钛酸酯偶联剂。铝酸酯偶联剂作用机理与钛酸酯偶联剂类似，但由于结构中作用基团没有钛酸酯偶联剂作用力强，所以效果不如钛酸酯偶联剂。[11－12]

3 结论

（1）硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂和铝酸酯偶联剂对PVC木塑复合材料的抗冲击性能都具有改善作用，其中钛酸酯偶联剂效果最佳。

（2）三种偶联剂都存在最佳用量，在实际使用中需要根据产品性能要求进行调整。

（3）硅烷偶联剂在用量2.5%时冲击强度最高，强度提升了47.7%；钛酸酯偶联剂在用量3%时，冲击强度最高，强度提升了95.3%；铝酸酯偶联剂在用量3.5%时冲击强度最高，强度提升了40.9%。

参考文献

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