改性玉米秸秆粉界面相容性的研究

改性玉米秸秆粉界面相容性的研究
李雅丽;高绵红;曹强;刘娟
【摘要】通过4％硅烷偶联剂对玉米秸秆粉表面改性,采用毛细管上升法,测定不同润湿液在其表面的接触角,由Washburn方程和Owens-wendt-Kaelble途径计算玉米秸秆粉的表面张力及其分量.结果表明,在加工温度下高密度聚乙烯(HDPE)液体表面张力(31.2 mN/m)低于改性玉米秸秆粉的值(22.20 mN/m),表明HDPE更易在改性玉米秸秆粉表面铺展;同时,改性玉米秸秆粉其极性分量由未改性时22.20 mN/m降低为3.51 mN/m,在与热塑性塑料复合时,它有更好的界面相容性.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2014(014)030
【总页数】4页(P221-224)
【关键词】木塑复合材料;表面接触角;表面张力;界面相容性
【作者】李雅丽;高绵红;曹强;刘娟
【作者单位】渭南师范学院化学与生命科学学院,渭南714000;渭南师范学院化学与生命科学学院,渭南714000;渭南师范学院化学与生命科学学院,渭南714000;渭南师范学院化学与生命科学学院,渭南714000
【正文语种】中文
【中图分类】TQ351.01
木塑复合材料是以各种热塑性塑料和木粉、植物秸杆粉等木质粉料为原料加工成型
的复合材料，广泛地应用于家具、建筑、工业、车辆船舶、包装运输等领域[1]。

要制备出性能优良的木塑复合材料，木质纤维的表面特性是决定性因素之一。

木质纤维主要是由纤维素、半纤维素和木质素三种高聚物组成。

这三种组分中含有大量的醇羟基、氧和酚羟基等极性基团。

而热塑性聚合物的表面多为非极性或者极性很小。

在制备木塑复合材料时,由于二者的极性相差很大，同时木质纤维中羟基可形
成分子和分子间氢键并相互地缠绕在一起，因此木质纤维不能很好地分散于热塑性聚合物中，导致二者之间的界面相容性很差，会严重影响木质复合材料的性能及其广泛应用[2]。

目前对木塑复合材料的研究着重于木质纤维的改性和木塑复合材料
的加工工艺[3—6]，而对木质纤维的表面特性研究的较少。

现采用粉末物质接触角毛细管测定法测定改性前后玉米秸秆粉的接触角，根据Washburn方程，由Owens-wendt-Kaelble法计算改性前后玉米秸秆粉的表面张力及其分量，并进一步探讨玉米秸秆粉表面特性对其木塑复合材料力学性能和界面状况的影响。

1 实验部分
1.1 试剂和仪器
玉米秸秆粉(40～60目)；甲醇(分析纯)、甲酰胺(分析纯)、蒸馏水；高密度聚乙烯(HDPE)(工业品)；硅烷偶联剂kh550(工业品)。

毛细管黏度计(上海启航玻璃仪器厂)；标尺玻璃管(自制)
1.2 玉米秸秆粉的表面改性
将40 g 硅烷偶联剂kh550加入2 000 g 水中高速搅拌均匀，均匀喷洒在1 kg玉米秸秆粉上，再放入烘箱中105 ℃烘24 h，使水分含量低于3%，密封备用。

1.3 毛细管上升高度h的测定
截取2 mL玻璃移液管中间部分约10 cm长，将两端打磨光滑，作为标尺玻璃管。

在自制标尺玻璃管中，加入已准确称量玉米秸秆粉，轻敲管壁装填紧密。

固定好标尺玻璃管，将其下端在探测液面上放置2 h达到吸附平衡。

然后调节玻璃管的高度，
使其浸入液体深度为3 mm。

待液体上升到基础刻度线时开始计时，记录不同时间t时液面上升的高度h。

2 实验原理
2.1 接触角θ的计算方法
根据Washburn方程：
(1)
式(1)中h为在时间t内探测液在毛细管的上升高度(mm)，η为探测液的黏度(mN·s/m2)，γL为液体的表面张力(mN/m)，R为毛细管的平均有效半径(μm)，θ为探测液在玉米秸秆粉表面的接触角(°)[7]。

可见，h2对t作图，所得直线斜率为K。

测定液体渗入玉米秸秆粉填充的毛细管高度h与所需时间t，作图，求直线斜率K。

根据得
(2)
由式(2)可计算不同探测液体在玉米秸秆粉表面的接触角。

另外，对于同一粉末体系，在装填速度、质量、装填高度等相同的条件下，毛细管平均有效半径R可视为常数。

通过实验选择接触角为0°的探测液(本实验选甲醇)，由式(3)可求得R。

(3)
2.2 固体表面张力及其分量计算
依据Young方程可由液体接触角估算固体的表面张力[8]。

根据Owens-wendt-Kaelble观点, 固体总表面张力近似等于固体表面张力的非极性值和极性值的和，即并且与接触角的关系见式(3) [9—11]。

(4)
式(3)中γL是液体的表面张力分别是液体表面张力的非极性部分和极性部分分别是固体表面张力的非极性部分和极性部分(mN/m)。

因此，测定两个已知和的探测液体在固体表面的接触角，代入式(3)，联立方程求解可得固体的和和固体的表面张力γS。

3 结果与讨论
3.1 润湿液的表面张力及黏度
选择蒸馏水、甲酰胺及甲醇为润湿液，其见表1。

在实验温度下采用毛细管黏度计测定其黏度，列于表1中[12]。

表1 润湿液的表面张力及黏度Table 1 The surface tension and viscosities ofwetting liquids润湿液γL/(mN·m-1)γdL/(mN·m-1)γpL/(mN·m-
1)η/(mN·s·m-2)蒸馏水72.821.8511.175甲酰胺57.934.423.54.641甲醇
22.522.500.619
由表1可见，甲醇的表面张力相对很低，可在玉米秸秆粉的表面铺展，实验中选其作为标准液，计算填充玉米秸秆粉毛细管的平均有效半径R。

3.2 不同润湿液对玉米秸秆粉表面接触角的求算
测定不同润湿液在毛细管中上升高度h和上升时间t，作h2-t图，由直线斜率可求出润湿液K值。

图1 和图2分别为三种润湿液(a)甲醇(b)蒸馏水(c)甲酰胺对改性前后玉米秸秆粉的h2-t曲线。

图1 三种润湿液对玉米秸秆粉的h2(mm2)-t (s)曲线Fig.1 The curves of h2 (mm2)-t (s) of three probe liquids against corn stover fibers
图2 三种润湿液对改性玉米秸秆粉的h2-t曲线Fig.2 The curves of h2 (mm2)-t (s)of three probe liquids against modified corn stover fibers
由甲醇对玉米秸秆粉的h2-t曲线，可得到甲醇对改性前后玉米秸秆粉的K值，将此K值代入式(3)，即可求出毛细管的有效半径R。

由水及甲酰胺对玉米秸秆粉改
性前后的h2-t曲线可得到K′值，将K′值和有效半径R代入式(2)，即可求得不同
润湿液在改性前后玉米秸秆粉表面接触角余弦值cosθ。

表2列出了以甲醇为标准液，蒸馏水和甲酰胺为润湿液，对改性前后玉米秸秆粉
的K值及接触角余弦值cosθ。

表2 润湿液对改性前后玉米秸秆粉的K值及接触角的余弦值Table 2 The K values and cosine of contactangles of wetting liquids against unmodifiedand modified corn stover fibers润湿液玉米秸秆粉Kcosθ改性玉
米秸秆粉Kcosθ甲醇3.572 21.000 04.988 11.000 0蒸馏水1.558 30.255
90.807 50.095 0甲酰胺0.383 10.312 50.792 50.462 8
3.3 玉米秸秆粉表面张力及其分量的求取
将蒸馏水及甲酰胺的值分别代入式(4)，解方程组即可求出玉米秸秆粉和改性玉米
秸秆粉的表面张力及其分量，列于表3。

可见，采用2%的硅烷偶联剂kh550对玉米秸秆粉进行改性后，表面张力由未改性的28.88 mN/m 增大到改性后35.69 mN/m。

根据Zisman临界表面张力理论，当固体表面与一种流体表面接触形成
新的界面时，达到稳定相互融合的条件是流体表面张力等于或者低于固体表面张力，这种差值越大，流体越容易对表面润湿并形成良好的界面融合。

HDPE在复合材料加工温度下呈液体状态，其表面张力为31.2 mN/m，大于未改性的玉米秸秆粉的表面张力而低于改性后玉米秸秆粉的表面张力。

因此，HDPE能在改性玉米秸秆粉的表面铺展，为形成良好的界面融合奠定了基础；同时，改性玉米秸秆粉其极性分量由未改性时22.20 mN/m降低为3.51 mN/m，在与热塑性塑料复合时，它有
更好的界面相容性。

表3 玉米秸秆粉和改性玉米秸秆粉的表面张力及其分量Table 3 The surface free
energies and itscomponents of unmodified andmodified corn stover fibers 试样γS/(mN·m-1)γdS/(mN·m-1)γpS/(mN·m-1)玉米秸秆粉28.886.6822.20改性玉米秸秆粉35.6932.183.51
3.4 木塑复合体系的微观形态分析
玉米秸秆粉在木塑复合材料中的分散情况和玉米秸秆粉与HDPE之间的界面粘合
状况可以通过木塑复合材料的弯曲断面图来观察。

图3和图4分别为70%未改性
的玉米秸秆粉和70%改性玉米秸秆粉制备的木塑复合材料弯曲断面的SEM照片。

图3 70%未改性玉米秸秆粉制备的木塑复合材料弯曲断面SEM照片Fig.3 SEM micrograph of flexural fracture surface of wood-plastic composites made with 70% unmodified corn stover fibers
图4 70%改性玉米秸秆粉制备的木塑复合x材料弯曲断面SEM照片Fig.4 SEM micrograph of flexural fracture surface of wood-plastic composites made with 70% modified corn stover fibers
从图3中可以看出，复合材料界面处光滑且有大量空洞存在，而且有玉米秸秆粉
的聚集现象，说明未改性的玉米秸秆粉与HDPE之间的相容性差。

从图4中可以
看出，改性的玉米秸秆粉在木塑复合材料中的分布比较均匀，HDPE与改性玉米秸秆粉之间没有明显的界面和空洞，而且存在着连接，说明改性玉米秸秆粉与HDPE 之间的相容性较好，将导致其力学强度增大。

SEM进一步证实了改性玉米秸秆粉
的表面张力高于未改性的玉米秸秆粉的表面张力，其在复合材料中有更好的分散性，与HDPE的界面相容性较好。

3.5 木塑复合材料的力学强度
图5和图6分别是采用70%未改性的玉米秸秆粉和70%改性玉米秸秆粉制备的木塑复合材料的抗张强度和弯曲强度。

可以看出，采用改性玉米秸秆粉制备的木塑复合材料的抗张强度和弯曲强度均有大幅的增加。

这是因为HDPE与改性玉米秸秆
粉具有良好的界面相容性，从而增加了木塑复合材料的力学强度。

图5木塑复合材料的抗张强度Fig.5 The tensile strength of wood-plastic composites
图6 木塑复合材料的弯曲强度Fig.6 The flexural strength of wood-plastic composites
4 结论
采用粉末物质接触角毛细管测定法，结合Washburn方程和Owens-wendt-Kaelble法，测得4%硅烷偶联剂kh550改性的玉米秸秆粉的表面张力为35.69 mN/m，高于未改性的玉米秸秆粉的表面张力(28.88 mN/m)，其极性分量从22.20 mN/m降低到3.51 mN/m，与HDPE复合时，有比未改性的玉米秸秆粉更好的界面相容性，木塑复合材料的力学强度和弯曲断面的SEM照片也证实了这一点。

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