丙烯酸酯类共聚物对PVC基木塑复合材料的性能影响

摘要

由价格低廉、来源广泛的木粉或木纤维与热塑性塑料复合而成的木塑复合材料是一种极具市场发展潜力的新型通用复合材料。由于亲水性的木粉与疏水性的PVC基体树脂之间亲和性差，致使木粉难以在PVC基体中均匀分散，同时两者间的界面粘合差，导致复合材料的力学性能和加工性能不佳，这是PVC基木塑复合材料生产中面临的最大问题之一。目前增加木粉与PVC基体树脂相容性的常用方法是添加硅烷类、聚异氰酸酯类、马来酸酐接枝聚合物等相容剂。这些相容剂通过与木粉表面的羟基形成化学键合，改变木粉表面极性，来提高木粉在基体中的分散状态和与基体的界面粘结力，可在一定程度上提升复合材料的力学性能。但添加相容剂对提高复合体系的加工流动性能帮助较小，因此配方中往往需要再添加一些润滑剂如硬脂酸盐、脂肪酸、聚乙烯蜡等来改善其加工流动性能。近来一些丙烯酸脂类聚合物在改善PVC基木塑复合材料的加工性能方面引起人们的注意。如Sombatsompop等发现，甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸丁酯共聚物(P(MMA-co-BA))和甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸乙酯共聚物(P(7MMA-co-EA))虽对PVC/木粉复合材料的力学性能影响不大，但使复合材料的热性能、尺寸稳定性以及加工流动性得到很大的提高。 借鉴于此，本研究合成了丙烯酸与丙烯酸酯的二元、三元共聚物，用于PVC/木粉复合材料的制备。该相容剂由于同时具有与PVC树脂有良好亲和性的脂基，和能与木粉表面羟基形成化学键合的羧基，预计它在提高复合材料加工性能及热性能的同时还可提高其力学性能。 本论文第一章利用P(MAA-co-BA)对木粉进行改性，FTIR结果证实P(MAA-co-BA)可与木粉或碱处理木粉发生化学键合，接触角分析表明木粉经P(MAA-co-BA)处理后表面极性降低，与PVC基体的界面张力显著下降，所以P(MAA-co-BA)可以在PVC/木粉复合材料起到相容剂的作用，改善复合材料的力学性能。随着P(MAA-co-BA)用量的增加，复合材料的力学性能出现先提高后降低的变化规律。当P(MAA-co-BA)用量为木粉用量10％时，复合材料的拉伸强度、断裂伸长率和冲击强度均达到最大值，分别提高了70.9、57.1和64.7％。采用NaOH预处理木粉后再用P(MAA-co-BA)处理，复合材料的力学性能进一步提高。DSC结果进一步证明，木粉经P(MAA-co-BA)处理，与PVC基体相容性提高。SEM观察结果显示木粉在PVC基体中的分散性和相容性提高。 为了寻找效果更佳的相容剂，本论文第二章在二元相容剂P(MAA-co-BA)的基础上，合成了三元相容剂P(MAA-BA-MMA)，利用P(MAA-BA-MMA)对木粉进行改性，FTIR谱图证实甲基丙烯酸、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯三元共聚物P(MAA-BA-MMA)中的羧基可以与木粉表面的羟基发生键合，牢固地结合在木粉表面，使三元共聚物可以经受索氏提取而不被洗脱。接触角与表面张力分析亦表面木粉经过改性后，表面极性下降，与PVC的界面张力降低，相容性提高。三元共聚物P(MAA-BA-MMA)对木粉的处理效果与其分子量和羧值有较大的关系，在研究的三种特性粘度和羧值的三元共聚物P(MAA-BA-MMA)中，以特性粘度为33.87 mL/g、羧值为3.93 mmol/g三元共聚物P(MAA-BA-MMA)最有利于复合材料力学性能的提高，拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度和冲击强度提高最大幅度分别达62.7、37.3、30.3和35.9％。除力学性能外，三元共聚物对复合材料的加工性能也产生有利的影响，复合体系的平衡转矩、熔融温度和塑化时间均发生下降，这对于加工困难的PVC/木塑复合材料无疑具有很好的意义。另外，发现三元共聚物的添加还使复合体系密度的提高、吸水率的降低，其对密度和吸水率的影响趋势与对力学性能的影响趋势存在一定的关系。在P(MAA-BA-MMA)最佳用量时，拉伸强度最好、密度最大、吸水率最小。这一关系可以用于PVC/木塑复合材料配方的研究。所有这些有利的结果显然与三元共聚物P(MAA-BA-MMA)改善了木粉与PVC基体之间的相容性有关，这得到SEM结果的支持，用P(MAA-BA-MMA)处理的复合体系，木粉与PVC基体的界面模糊，结合良好。 第三章通过不同抗冲改性剂对PVC/木粉复合材料增韧改性的研究发现：ACR、CPE和nano-CaCO3对PVC基木塑复合材料均具有较好的增韧效果。从复合材料的综合性能来看，ACR的增韧效果最好。在木粉经相容剂P(MAA-BA-MMA)预处理情况下，P(MAA-BA-MMA)与CPE没有协同作用，却与ACR和nano-CaCO3具有明显的协同作用。这是因为对于ACR体系，由于P(MAA-BA-MMA)都属于丙烯酸脂类聚合物，两者具有完全的相容性；而对于nano-CaCO3体系，P(MAA-BA-MMA)也能提高nano-CaCO3与PVC基体的相容性，使得nano-CaCO3起到更好的增韧效果，且P(MAA-BA-MMA)又改善了木粉与PVC的相容性，因此P(MAA-BA-MMA)的存在能够进一步提高复合材料的机械性能，特别在使用ACR增韧时，复合材料的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度和断裂伸长率分别提高了7.97、5.26、68.85和571.26％。当ACR用量为5 phr时，复合材料的综合力学性能最佳，而nano-CaCO3的用量需达到10 phr时，综合力学性能才达到最好。这一结果得到SEM的支持，木粉经P(MAA-BA-MMA)预处理再增韧的体系，复合材料界面模糊，体现一定的韧性断裂特征。

目录

文摘

英文文摘

声明

绪论

第一章P(MAA-co-BA)对PVC／木粉复合材料性能影响的研究

1.1前言

1.2实验部分

1.2.1主要原料与试剂

1.2.2 PVC／木粉复合材料的制备

1.2.3性能测试与分析

1.3结果与讨论

1.3.1红外光谱分析

1.3.2接触角分析

1.3.3复合材料的力学性能分析

1.3.4复合材料的DSC分析

1.3.5复合材料的SEM分析

1.4小结

第二章P(MAA-BA-MMA)对PVC／木粉复合材料性能影响的研究

2.1前言

2.2实验部分

2.2.1主要原料与试剂

2.2.2实验过程

2.3结果与讨论

2.3.1木粉处理前后的FTIR分析

2.3.2不同P(MAA-BA-MMA)对复合材料机械性能的影响

2.3.3接触角和表面张力分析

2.3.4 C2用量对复合材料机械性能的影响

2.3.5 C2用量对复合材料密度的影响

2.3.6 C2用量对复合材料吸水性能的影响

2.3.7复合材料拉伸强度、实际密度、吸水率与C2用量的关系分析

2.3.8 C2用量对复合材料加工流动性能的影响

2.3.9复合材料SEM分析

2.4小结

第三章不同抗冲改性剂对PVCL木粉复合材料性能的影响

3.1.前言

3.2实验部分

3.2.1 主要原料与试剂

3.2.2 PVC/木粉复合材料的制备

3.2.3性能测试与分析

3.3结果与讨论

3.3.1不同抗冲改性剂对复合材料机械性能

3.3.2抗冲改性剂用量对PVC／木粉复合材料性能的影响

3.3.3复合材料微观形貌分析

3.4 小结

第四章结论

4.1 结论

4.2进一步的工作思路及建议

参考文献

攻读学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢

个人简历