新型PVDF基木塑复合材料体系界面行为及物性研究

【摘要】：木塑复合材料(WPC)具有热伸缩性和吸水性小,尺寸稳定性好,耐菌噬,使用、维修简便等优点,充分体现了可再生资源有效利用,开始代替木材广泛应用于户外建筑等多个领域。目前,以聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等为基体的木塑复合材料存在抗紫外线、耐水性及阻燃性三项功能难以兼顾的技术难题。本论文提出采用聚偏氟乙烯(PVDF)作为木塑复合材料的基体树脂,通过硅烷提高PVDF和木粉的界面相容性,系统研究了复合材料界面结构、外界环境作用下界面响应行为及对力学、耐水、阻燃等物性的影响规律,揭示了力学性能增强机制、抗紫外老化及破坏机理、耐水界面结构形态和凝聚相协同阻燃机制,成功开发了集抗紫外线、耐水及阻燃于一体的高性能PVDF基木塑复合材料。主要研究工作包括: (1)针对PVDF基木塑复合材料界面结构及特性要求,优选出三氟丙基三甲氧基硅烷(TF3)、十七氟癸基三甲氧基硅烷(TF17)等四种木粉表面改性剂,木粉表面通过形成醚共价键Si-O-Cellulose均获得了不同程度疏水改性;含氟长链的空间位阻效应使得形成于木粉表面的Si-O-Cellulose数量减少。 (2)系统研究了硅烷改性复合材料的界面性质及力学性能增强机制。硅烷改性优化使复合材料力学性能得到明显增强,2.0wt%TF3改性的复合材料抗弯和IZOD冲击强度分别达到53.7MPa和3.576KJ/m~2。力学性能增强机理是硅烷改性木粉表面的有机功能基团-R与PVDF之间较强的范德华力和机械咬合力,反映在复合材料的冲击断面中有木粉纤维纵向截断,且断面层次分明。 (3)首次考察了硅烷改性复合材料在紫外线辐照条件下的界面和聚集态结构特性及抗老化机理。经紫外线辐照后,复合材料的界面相及基体连续相发生交联和断链,影响了不同硅烷改性界面相的分子间作用力,聚合物链段运动能力及复合材料的力学性能得到相应改变;KH-550、TF3、TF17改性复合材料界面相的固态无定形区域形成新结晶。 (4)研究了硅烷改性木塑复合材料界面结构对水汽传输特性的影响。研究表明,硅烷改性木粉与基体的界面结合较好,界面层间隙小,材料吸水率低。紫外线辐照后复合材料吸水总量因木粉纤维上光降解产生的羟基数量增加而升高;界面层与木粉内产生的多通道孔隙增加了其浸渍初始阶段的吸水速率。 (5)研究了硅烷协同增强复合材料的阻燃特性及机制。硅烷可以协同增强PVDF基木塑复合材料的阻燃性能,材料的燃烧热分解产物H_2O、CO_2等形成气相阻隔屏障,阻碍氧气和热量的渗透;A-151、TF3和TF17协效催化木粉纤维在燃烧表面形成大量堆叠炭粒,有效阻隔火焰及热量的传播。2.0wt%TF3改性的PVDF复合材料LOI为38.7%,0.8mm试样可以达到UL94-VO燃烧等级。