第 38 卷摇 第 2 期

2016 年 2 月

北 京 林 业 大 学 学 报

JOURNAL OF BEIJING FORESTRY UNIVERSITYVol. 38, No. 2Feb. , 2016

DOI: 10. 13332 / j. 1000鄄鄄1522. 20150258

硅烷偶联剂对桉木单板鄄鄄聚氯乙烯膜复合材料性能的影响

王丹丹摇 曹摇 阳摇 王翠翠摇 韦文榜摇 张双保(北京林业大学木材科学与工程北京市重点实验室)

摘要:为研究硅烷偶联剂对复合材料的性能影响,采用不同质量分数的硅烷偶联剂对桉木单板进行表面处理,然后

与聚氯乙烯膜采用热压鄄鄄冷压工艺制备木塑复合材料,测定复合材料的物理力学性能,并用扫描电子显微镜观察分

析其界面相容机理。 结果表明:当偶联剂质量分数为 1%时处理效果最好,复合材料的胶合强度最高、耐水性能最

好;当偶联剂质量分数为 3%时,复合材料的弹性模量和静曲强度最高。 单板经过硅烷偶联剂处理后,制得的复合

材料的界面相容性得到改善。关键词:硅烷偶联剂; 表面处理; 木塑复合材料; 界面相容性; 物理力学性能

中图分类号:S784; TS6摇 摇 文献标志码:A摇 摇 文章编号:1000鄄鄄1522(2016)02鄄鄄0120鄄鄄04

WANG Dan鄄dan; CAO Yang; WANG Cui鄄cui; WEI Wen鄄bang; ZHANG Shuang鄄bao. Effect of silanecoupling agent on mechanical properties of eucalyptus veneer / polyvinyl chloride ( PVC )composites. Journal of Beijing Forestry University(2016)38(2) 120鄄鄄 123 [Ch, 9 ref. ] Beijing KeyLaboratory of Wood Science and Engineering, Beijing Forestry University, Beijing,100083,P. R. China.

By treating eucalyptus veneer with different amounts of silane coupling agent, we investigated theeffect of the treatments on the physical and mechanical performance of as鄄obtained eucalyptus veneer /polyvinyl chloride ( PVC) film composites by hot鄄cold pressing crafts. Interfacial compatibility of thecomposites was analyzed using a scanning electronic microscope ( SEM). The best treating effect wasobserved in the composites coupled with 1% silane agent, which resulted in an increase in bondingstrength and water resistance. The treatment with 3% silane coupling agent caused the increase in MOEand MOR. After the treatment with silane coupling agent, the interfacial compatibility of the veneercomposites was improved.Key words 摇 silane coupling agent; surface treatment; wood plastic composites; interfacialcompatibility; physical and mechanical performance

摇 摇 收稿日期: 2015鄄鄄07鄄鄄21摇 修回日期: 2015鄄鄄09鄄鄄19基金项目: 北京市教育委员会共建项目“非木质材料科学利用技术及应用冶、浙江省共建项目(CZXC201410)。第一作者: 王丹丹。 主要研究方向:木质复合材料与胶黏剂。 Email:dandanwang0913@ 163. com摇 地址:100083 北京市海淀区清华东路 35

号北京林业大学材料科学与技术学院。责任作者: 张双保,教授,博士生导师。 主要研究方向:木质复合材料与胶黏剂。 Email: shuangbaozhang@ 163. com摇 地址:同上。本刊网址: http:蛐蛐j. bjfu. edu. cn; http:蛐蛐journal. bjfu. edu. cn

摇 摇 在以桉木单板为基材、聚氯乙烯膜为胶黏剂,采用热压鄄鄄冷压工艺制备木塑复合材料的过程中,由于木材纤维含有大量的羟基、酚羟基等亲水性官能

团,表现出较强的极性和亲水性。 当桉木单板与聚

氯乙烯膜复合时,很难形成良好的胶合界面,致使复

合材料的强度差,影响了其使用性能。 因此,改善木

材纤维与热塑性树脂的界面相容性,成为提高木塑

复合材料性能的关键[1鄄鄄2]。对纤维表面进行改性处理可以提高纤维和树脂

间的结合力,从而提高用其制备的复合材料的性能。

硅烷偶联剂可以提高木材纤维和基体树脂之间的结

合力[3],是一种较为简单、 有效的化学改性方

法[4鄄鄄5]。 硅烷偶联剂结构中具有与木材纤维发生共

价作用的可水解基团、与热塑性树脂分子有亲和力

或反应能力的活性官能团,用偶联剂处理木材单板

可有效地把 2 种不同化学结构类型和亲和力相差很

大的材料在界面连接起来,起到 “分子桥冶的作用,增强木材单板与塑料薄膜之间的结合。 本文将探索

不同质量分数的硅烷偶联剂预处理桉木单板后制备

的复合材料的性能。

摇 第 2 期 王丹丹等: 硅烷偶联剂对桉木单板鄄鄄聚氯乙烯膜复合材料性能的影响

1摇 材料与方法

1郾 1摇 材摇 料

桉木: 广 西 柳 州 人 工 林 邓 恩 桉 ( Eucahetusdunnii),树龄 2 ~ 5 年,基本密度 0郾 522 g / cm3,加工

成规格为 400 mm 伊 400 mm 伊 2 mm 的单板,含水率

约 8% ~12% 。 聚氯乙烯膜:厚度为 0郾 03 mm,密度

1郾 380 g / cm3,幅面与桉木单板相同(通过计算得出

使用 1 层膜相当于施胶量 62郾 5 g / m2)。 硅烷偶联剂

(KH550):3鄄氨丙基三乙氧基硅烷,密度 0郾 940 ~0郾 950 g / mL,购于北京蓝弋化工有限公司。 无水乙

醇:密度 0郾 789 g / cm3,购于北京蓝弋化工有限公司。1郾 2摇 仪器与设备

150T 万能实验压机、QD 型冷压机、精密推台锯

(型号 10鄄10鄄80鄄027)、微机控制人造板万能试验机

(型号 mMWW鄄50)等。1郾 3摇 桉木单板的制备

分别称取单板质量 1% 、3% 、5% 的 KH550,用无水乙醇进行稀释,不断搅拌,使其质量分数为

5% ,水解 1 h。 用配置好的硅烷溶液对桉木单板进

行涂刷,处理完毕后室温晾置 24 h,然后转入烘箱

中,在 105 益条件下干燥 2 h。1郾 4摇 桉木单板鄄鄄聚氯乙烯膜复合材料的制备

将 KH550 处理后的桉木单板分别与 PVC 膜组

坯铺装制备 3 层结构胶合板,其中塑料添加量 320g / m2(相当于 5 层聚氯乙烯薄膜)、热压温度 183益、热压时间 452 s、热压压力 1 MPa;为防止聚氯乙

烯膜在冷却过程中收缩回弹,热压后应立即放进冷

压机进行冷压,其中冷压压力 1 MPa、后处理时间 80s / mm,制得的复合材料按 KH550 质量分数 1% 、3% 、5%记为试样 1 ~ 3。 同时用未处理的桉木单板

作为对照,在相同的工艺下制备桉木单板鄄鄄聚氯乙

烯膜复合材料,记为试样 0。1郾 5摇 性能测试

1郾 5郾 1摇 物理力学性能测试

依 据 GB / T 9846—2015[6] 处 理 试 件, 按 照

GB17657—2013[7] 分别测定中间层的胶合强度、静曲强度和弹性模量、吸水率和 24 h 吸水厚度膨胀

率。 每个试验条件制备 3 块胶合板材,其中胶合强

度测试每块板材取 12 个试件,静曲强度和弹性模

量、吸水率和 24 h 吸水厚度膨胀率测试每块板材取

3 个试件,试件总数分别为 36、9、9。1郾 5郾 2摇 胶合界面观察

用刀片分别截取 2 ~ 3 mm 复合材料的端面,将其粘在圆形试验台后进行喷金处理。 然后用扫描电

子显微镜分别对喷金试样扫描,观察不同放大倍数

下试样的胶合界面。

2摇 结果与分析

2郾 1摇 硅烷偶联剂对复合材料物理力学性能的影响

桉木单板经不同质量分数的硅烷偶联剂溶液处

理后,与聚氯乙烯膜复合制备的木塑复合材料的物

理力学性能见表 1。

表 1摇 桉木单板鄄鄄聚氯乙烯膜复合材料的物理力学性能

Tab. 1摇 Mechanical properties of eucalyptus veneer / polyvinyl chloride composites

试样

Samples胶合强度

Tensile strength / MPa

静曲强度

Static bendingintensity / MPa

弹性模量

Modulus ofelasticity / MPa

吸水率

Water absorption / %

24 h 吸水厚度膨胀率

24 h thicknessswelling / %

0 1郾 14(0郾 15) 65郾 05(1郾 46) 8 600(400) 26郾 85(1郾 37) 10郾 20(1郾 68)

1 1郾 47(0郾 07) 75郾 70(4郾 06) 9 320(720) 20郾 97(0郾 66) 8郾 22(0郾 24)

2 1郾 33(0郾 07) 79郾 10(7郾 54) 9 760(210) 25郾 11(3郾 33) 9郾 19(1郾 20)

3 1郾 18(0郾 16) 65郾 25(3郾 03) 7 830(320) 33郾 49(10郾 8) 9郾 75(1郾 15)

注:括号内为标准差。 Notes: Values in parentheses are standard deviation of samples.

2郾 1郾 1摇 胶合强度

从表 1 可以看出:硅烷偶联剂处理的复合材料

的胶合强度均提高,并且随着硅烷偶联剂质量分数

的增加,胶合强度呈下降趋势。 试样 1 的胶合强度

为 1郾 47 MPa,比试样 0 提高了 28郾 94% 。 这是由于

硅烷偶联剂水解后生成的 Si—OH 基与单板表面的

羟基形成氢键,降低了桉木单板的表面极性,并与单

板发生脱水反应形成 Si—O—C,使桉木单板与聚氯

乙烯膜连接形成稳定的胶接结构。 偶联剂作用大小

与其在单板表面的覆盖程度有关。 当硅烷偶联剂的

乙醇溶液涂至单板表面时,由于单板表面存在木质

纤维,会有部分偶联剂随着乙醇溶剂渗入单板表面

的木质纤维中,造成表面残留的偶联剂减少[8]。 偶

联剂质量分数过少,单板表面覆盖不完全,难以形成

良好的增容及分子层,不能形成均匀的桥,起不到理

想的偶联作用,且对纤维表面易反应的羟基基团消

121

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耗不够,材料易吸湿变形;若偶联剂质量分数过多,纤维表面因覆盖过多的硅烷而产生偶联剂本身间的

自聚交联,形成多分子层,易造成单板和塑料间形成

不均匀的界面结构,且硅烷本身的力学性能弱于聚

氯乙烯,反而造成材料胶接强度降低。2郾 1郾 2摇 静曲强度、弹性模量

从表 1 可以看出:随着硅烷偶联剂质量分数的

增加,复合材料的静曲强度和弹性模量呈先增加后

降低的趋势。 试样 2 的静曲强度和弹性模量最大,分别为 79郾 1、 9 760 MPa,比试样 0 分别提高了

21郾 60% 、13郾 49% 。 这是由于硅烷分子中的烷氧基

形成羟基,后与桉木纤维表面的羟基反应形成氢键

和醚键;当硅烷偶联剂质量分数过多时,不利于在桉

木表面形成偶联剂多分子层,导致静曲强度和弹性

模量下降。2郾 1郾 3摇 耐水性

从表 1 可以看出:随着硅烷偶联剂质量分数的

增加,复合材料的吸水率和 24 h 吸水厚度膨胀率呈

增大趋势。 试样 1 的吸水率、24 h 吸水厚度膨胀率

最小,耐水性能最好。 这是因为桉木表面的部分羟

基与渗入的硅烷偶联剂中的水解基团反应形成氢

键,使桉木表面的羟基减少了与水形成氢键的机会,从而减少了桉木纤维的吸水;硅烷偶联剂能提高桉

木和聚氯乙烯之间的界面相容性,使吸水性较强的

木纤维被疏水性的聚氯乙烯包裹,游离羟基减少,从而在一定程度上降低了复合材料的吸水性。 硅烷偶

联剂本身在单板表面也形成憎水涂层,能够有效减

缓其吸水速度[9]。由于硅烷分子中含有可以与纤维表面羟基反应

的极性官能团,当硅烷偶联剂质量分数过多时,没有

反应的官能团留在复合材料中,易造成材料吸湿变

形,吸水率和 24 h 吸水厚度膨胀率上升。 当硅烷偶

联剂质量分数为 1% 时,偶联剂渗透到桉木纤维内

部,增强了纤维与聚氯乙烯的界面黏结,阻碍了水分

进入纤维内部的部分通道,从而水分难以进入复合

材料内部,复合材料的耐水性能得到提高。2郾 2摇 最佳硅烷偶联剂质量分数的确定

硅烷偶联剂处理均提高了桉木单板鄄鄄聚氯乙烯

膜复合材料的性能。 试样 1 的胶合强度最高,吸水

率和 24 h 吸水厚度膨胀率最小,耐水性能最好。 试

样 2 的静曲强度、弹性模量最好。 综合考虑,试样 1的静曲强度和弹性模量比试样 0 分别提高了

16郾 37%和 8郾 37% ,只比试样 2 减少了 4郾 49% 和

4郾 72% ;而胶合强度作为衡量桉木单板鄄鄄聚氯乙烯

膜复合材料力学性能的重要指标,试样 1 的胶合强

度比试样 2 提高了 10郾 53% 。 因此,当硅烷偶联剂

质量分数为 1%时,复合材料的处理效果最好。2郾 3摇 微观形貌分析

桉木单板鄄鄄聚氯乙烯膜复合材料的胶合界面如

图 1 所示。从图 1 可以看出:试样 0 的桉木单板与聚氯乙

烯膜间存在很大的缝隙,表明在热压过程中聚氯乙

烯膜熔融后未能渗透到桉木单板的多孔性结构中,桉木单板与聚氯乙烯膜只存在机械咬合,不能形成

良好的胶合界面。 试样 1 的胶合界面几乎观察不到

空隙的存在,表明聚氯乙烯膜可以渗透到桉木单板

内与之形成稳定的胶接结构,与桉木单板通过化学

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摇 第 2 期 王丹丹等: 硅烷偶联剂对桉木单板鄄鄄聚氯乙烯膜复合材料性能的影响

图 1摇 桉木单板鄄鄄聚氯乙烯膜复合材料的胶合界面

Fig. 1摇 Bonding interface of eucalyptus veneer / polyvinyl chloride composites摇

作用力紧密连结,增强了与单板的界面相容性。 试

样 2 的桉木单板与聚氯乙烯膜之间的缝隙较少,说明两者之间的机械咬合作用力增强,胶合界面得到

改善。 试样 3 的胶合界面有很多颗粒黏附在桉木单

板表面,这是由于过量的硅烷偶联剂分子沉积在桉

木单板表面的纤维上,阻碍了单板和塑料膜间形成

均匀的界面结构,导致两者的界面相容性一定程度

上降低,胶合强度下降。

3摇 结摇 摇 论

采用硅烷偶联剂处理桉木单板后,桉木单板鄄鄄聚氯乙烯膜复合材料的力学性能和耐水性能均有一

定程度的提高。 其中当硅烷偶联剂质量分数为 1%时,复合材料的各项性能提高最显著,界面相容性改

善最佳,处理效果最好。

参 考 文 献

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(责任编辑摇 李文军

责任编委摇 赵广杰)

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