PBS基木塑复合材料的制备及性能研究

摘要：本论文用熔融挤出法制备了可降解的聚丁二酸丁二醇酯(PBS)与木粉的复合材料。分别考察了木粉含量、硅烷偶联剂和几种相容剂对木塑复合材料力学性能的影响。

关键词：PBS/木粉复合材料；力学性能；硅烷偶联剂；相容剂

中图分类号：R318.08 TQ325.1文献标识码：A

Preparation and Properties of PBS -based

wood-plastic composite materials

Guohui FengLiping Fu(Jilin Plastics Research Institute，Jilin130022)

Abstracts：Biodegradable poly （butylenes succinate）(PBS) /wood-flour composites were prepared by simple melt extrusion .The effects of wood flour content, various silane coupling agents, different compatibilizer on the mechanical properties of composites have been investigated in detail.

Keywords: PBS/wood powder；mechanical properties；silane coupling agent； compatibilizer

随着人类社会的不断进步，科学技术的发展，人们的生活水平也随之日益提高。高分子材料在日常生活中的使用量越来越大。随之而来的就是资源危机和生态问题。全世界的科学家都在为解决天然资源

的消耗和日益严重的白色污染问题而努力。随着研究的深入，推出许多绿色环保材料。绿色环保材料要满足制造所用的原料尽可能使用可再生资源，减少或避免石油的消耗，废弃后应能回收利用或自然降解，其中木塑复合材料就是非常符合绿色环保的新型材料[1]。

聚丁二酸丁二醇酯（PBS）是一种可完全生物降解的热塑性脂肪族聚酯；具有良好的生物相容性和生物可吸收性；是重要的环境友好高分子材料，易被自然界的多种微生物或动植物体内的酶分解、代谢，最终分解为二氧化碳和水[2]。

木粉是天然高分子材料，可以自然降解或回收再利用，二者对环境和资源都是绿色环保的材料，所以本文的主要研究就是采用木粉与聚丁二酸丁二醇酯进行共混复合，形成一种新的木塑复合材料，通过添加各种助剂，改善木粉与PBS的界面作用，制备性能优良的PBS木塑复合材料。

1实验部分

1.1主要原材料

PBS：安徽省安庆和兴化工有限责任公司

木粉：临安市明珠竹木粉有限公司

1.2仪器、设备

高速加热混合机：GRH-10型，阜新市塑料机械厂；

双螺杆挤出机：TSE-35，南京瑞亚聚合物装备有限公司；

塑料注塑成型机： KTK-1200，宁波海太机械制造有限公司；

1.3试样制备

首先对木粉进行表面处理；然后进行干燥；干燥箱温度一般选择110℃左右。一般为 4～10 小时左右；再用硅烷偶联剂处理木粉。按照配方要求，将混合均匀的物料在双螺杆挤出机中进行挤出造粒。按照标准样条，用造好的木塑混合粒料进行注塑。注射模具必须是需要测试的标准样条的模具，根据不同的物料配比，试制出合格的试样。

2结果与讨论

2.1木粉含量对复合材料的力学性能影响

首先，我们研究了木粉不进行任何处理、木粉与 PBS在复合时，不添加任何助剂，直接把木粉与PBS进行高速混合。木塑复合材料中随着木粉含量的增高，复合材料的成本也就越低。

从表1中可以看出，随着木粉的加入，直接会影响热塑性材料的加工工艺。从而复合材料的机械性能也随之改变。

表1木粉含量对复合材料力学性能的影响

随着木粉含量的增加，复合材料的拉伸强度下降很多，这是由于PBS作为高分子材料，本身性能就比较脆，再加入强度较低的木粉，直接会导致复合材料拉伸强度下降。断裂伸长率也随着木粉含量的增加逐渐下降。冲击性能随着木粉含量的加入不但没有下降反而有所提高，但提高的效果并不明显。这可能与木粉的性质和粒径有关，比重相对较大，在与PBS混合后，对复合材料冲击性能影响不是很明显。复合材料的弯曲强度随着木粉含量的增加先上升后下降。这可能是由于木粉和树脂相容性差，导致两相界面处黏合性差[3]，材料受到弯曲压力时，应力不能很好地被分散，从而对材料的弯曲强度造成较大的影响。

通过对以上实验数据的分析，可以看出，木粉如果仅仅经过干燥除水处理，与PBS混合后，虽然有一定的相容性，但是非常不理想，木粉的密度与高分子材料相比，比较低，木粉在PBS中的均匀分散难度加大，直接导致复合材料力学性能较差。但木粉的添加量有一个最佳值，通过几次的实验，发现当木粉的添加量达到 15phr 时，挤出加工变得容易，成型的样品基本可以保持光滑、有韧性，所以以下实验木粉含量都选择 15phr。

2.2添加硅烷偶联剂处理木粉对复合材料力学性能的影响

木粉的处理有许多种，通过比较，我选择了硅烷偶联剂来处理与PBS进行混合的木粉。PBS与通用塑料相比，成型温度较低，一般挤出机各段温度为85～115℃，挤出成型后，材料的韧性也不好，断裂伸长率较小，因此我们选用硅烷偶联剂来处理木粉，用处理后的木粉与PBS复合，研究添加不同份数的硅烷偶联剂KH560对复合材料力学性能的影响。

通过研究发现硅烷偶联剂的添加量为6%时各项性能达到最佳。但硅烷偶联剂的使用可以改善 PBS/木粉复合材料的界面作用，改善复合材料的力学性能，效果并不明显。提高和改善其各项性能，必须做进一步的改性。除了把木粉进行处理外，还要添加相应的相容剂。因此我们在硅烷偶联剂处理的基础上，再添加柔韧性比较好的相容剂，使PBS/木粉复合材料的力学性能得到进一步提高。

2.3 添加相容剂对复合材料力学性能的影响

木粉的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，纤维素中含大量的羟基，这些羟基形成分子间氢键或分子内氢键，属于亲水性材料，具有强极性[4]；而PBS属于高分子材料，几乎没有极性或极性很差，具有疏水性。如果不添加相容剂，亲水性的木粉与疏水性的高分子材料很难结合在一起，为了使复合材料的力学性能达到最佳，用相容剂对两相完全不相容的材料进行接枝处理，以提高复合材料的力学性能。

本实验通过乙烯共聚物系列、MAH 接枝聚乙烯（MAH-PE）系列和 MAH 接枝乙烯辛烯共聚物（MAH-POE）系列相容剂，来改善木粉与聚丁二酸丁二醇酯的相容性，通过添加这一系列相容剂，主要是为了降低界面张力，增大界面层厚度，阻止分散相凝聚，形成稳定的相形态结构，使之相互间粘结力增大，以形成稳定的共混结构。各种相容剂对PBS木塑复合体系力学性能的影响见表2 。

从表2可以看出，随着各种相容剂的加入，复合材料的拉伸强度都比不加相容剂时低，由于选择的相容剂本身就是非常柔软的树脂，所以复合材料的拉伸强度没有提高反而下降了。断裂伸长率、冲击性能、弯曲强度影响各有不同。弯曲强度与达到定挠度时的应力有关。

综上所述，通过实验进行综合对比，相容剂MAH-PE对木粉与PBS复合材料相容效果比较好，因此我们选MAH-PE作为改性PBS/木粉复合材料的相容剂。

3结 论

利用高速混合机进行捏合，双辊筒炼塑机进行充分混炼，使所有的物料混合均匀，然后从双辊筒炼塑机下来后直接放入液压机进行压片，在万能制样机按照要求裁出各式样条，以备测试。详细研究了木粉含量、硅烷偶联剂、不同相容剂等对木粉与PBS复合材料的力学性能的影响，结果总结如下：

1、当把木粉单纯的混合到PBS中时，随着木粉含量的增加，复合材料的拉伸强度和断裂伸长率都下降很大，而冲击性能随木粉的加入有所提高，但是并不明显。弯曲强度随木粉的加入是先升后降。

2、实验中随着硅烷偶联剂的增加，复合材料的拉伸强度和断裂伸长率上升幅度很小，当达到一定值时反而下降；而复合材料的缺口冲击强度有所提高；复合材料的弯曲强度有所提高。硅烷偶联剂的加入改善木粉和PBS的界面结合力，但对复合材料力学性能的改善不够明显。

3、单纯的添加硅烷偶联剂没能起到明显的效果，必须添加相容剂来提高复合材料的力学性能。相容剂MAH-PE对复合材料的拉伸强度降低幅度较小，而对复合材料的断裂伸长率、冲击强度、弯曲强度提高比较明显。以MAH-PE作为PBS/木粉复合材料的相容剂是比较适宜的。

参考文献：

[1]殷小春, 任鸿杰. 对改善木塑复合材料表面相容性因素的探讨[J]. 塑料, 2002, 31(4): 25～28

[2]季君晖. 全生物降解塑料的研究与应用[J]. 塑料, 2007, 36(3):37～45

[3]Takashi Fujimaki, Processability and properties of aliphatic polyesters, BIONOLLE', Synthesized by polycondensation reaction[J]. Polymer Degradation and Stability, 1998, 59(7):209～214

[4]戈进杰. 生物降解高分子材料及其应用[M]. 化学工业出版社, 2002:267