木塑复合材料是采用木质纤维和高分子树脂，通过化学或物理等方式复合而制备的一种环保型复合材料。由于木塑复合材料具有成本低、制备过程简单以及环保等特性，已被广泛用于建筑、汽车内饰等领域。然而，木质纤维以及高分子树脂均具有较大的密度，使复合材料的致密性较高，从而阻碍其在建筑保温隔热材料、阻燃轻质材料等领域的应用[1]。因此，构建新型木塑复合材料可以有效扩展木塑复合材料的应用领域。通过发泡技术可以在材料内部引入多孔结构，使木塑复合材料的质量更轻、成本更低。发泡木塑复合材料由于内部具有丰富的泡孔结构，使其具备优异的保温、隔热性能。王亮龙[2]在HDPE/小麦秸秆木塑材料中，添加不同含量的小苏打作为发泡剂，研究不同发泡剂含量对发泡材料性能的影响。结果表明：小苏打含量为1.5%时，复合材料具有最佳的力学性能以及保温性能。张晶等[3]采用聚氨酯(PU)和木粉为原料，通过物理加压的方法制备发泡木塑复合材料(FWPC)，研究木粉的质量分数、硅烷偶联剂的(KH550)加入量、实验温度和反应时间对复合材料性能的影响。结果表明：木粉的质量分数为40%、硅烷偶联剂的加入量为3%、温度为35 ℃、时间为60 min时，制备的复合材料具有最佳的综合性能。聚苯乙烯(PS)由于具有质量轻、发泡性能好、成本低等优点，已被广泛用于发泡建筑材料。尽管目前已有较多关于PS基发泡保温材料的研究，但大部分仅将其作为结构承重材料，应用于建筑阻燃泡沫材料方面的研究较少。因此，开发一种新型建筑用阻燃PS木塑发泡材料，可以有效扩展PS基木塑材料的应用领域。本实验在PS基体中添加硅烷偶联剂修饰的杨木粉，采用偶氮二甲酰胺作为发泡剂，十溴二苯乙烷作为阻燃剂，制备建筑用PS木塑发泡材料，并研究不同木粉填充量对PS木塑发泡材料的力学性能、回弹性、保温性能以及阻燃性能的影响。1实验部分1.1主要原料杨木粉，jx-1，40~60目，灵寿县冀西矿产品有限公司；聚苯乙烯(PS)，GPPS GP-525，通用级，江苏绿安擎峰新材料有限公司；硅烷偶联剂，KH550，河南昊轩化工产品有限公司；十溴二苯乙烷阻燃剂(DBDPE)，工业级，寿光卫东化工有限公司；偶氮二甲酰胺（AC发泡剂），分析纯，国药集团化学试剂有限公司。1.2仪器与设备双阶塑料挤出机组，BSDF-60，昆山宝塑机械设备有限公司；鼓风干燥箱，DHG-9420A，上海一恒科学仪器有限公司；场发射扫描电镜(SEM)，S-4800，日本Hitachi公司；极限氧指数仪(LOI)，HC-3，南京江宁分析仪器厂；UL94垂直水平燃烧测试仪，PX-03-001，苏州菲尼克斯仪器有限公司；万能材料测试机，CNT-7014，深圳新三思材料检测有限公司；热重分析仪(TG)，TG209F1，德国耐驰仪器（上海）有限公司。1.3样品制备改性木粉的制备：将木粉置于鼓风干燥机中105 ℃下干燥4 h。将KH-550和乙醇按质量比1∶4充分混合，将木粉加入溶液，固定KH550与木粉的份数比为1∶8。将混合物料于高速混合机中高速混合，混合温度80 ℃、混合时间20 min。混合物料在鼓风干燥机中105 ℃下干燥4 h。PS/木粉发泡材料的制备：表1为PS/木粉发泡复合材料配方。按照表1的配方称取原料，利用高速混合机混合10 min，使用双螺杆挤出机造粒，加热Ⅰ区~加热Ⅱ区温度设置150~155 ℃、加热Ⅲ区~加热Ⅳ区温度设置155~160 ℃、加热Ⅴ区~加热Ⅵ区温度设置160~165 ℃。造粒完成，使用单螺杆挤出机发泡挤出，加料段和压缩段温度为150~155 ℃、均化段温度为165~175 ℃、模口温度140~145 ℃。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.006.T001表1PS/木粉发泡复合材料配方Tab.1Formula of PS/wood flour foamed composites样品编号木粉PSDBDPE阻燃剂发泡剂1093252108325320732543063255405325份phr1.4性能测试与表征FTIR测试：测试范围400~4 000 cm-1。发泡密度测试：按GB/T 6343—2009进行测定。测定发泡前后复合材料的密度，计算发泡倍率。回弹性测试：将样品通过万能试验机压缩至原厚度的50%，保持5 min；释放压力，静置1 min，利用游标卡尺测量厚度。回弹率公式为：回弹率=(回弹后厚度-1/2厚度)1/2厚度×100%（1）拉伸强度测试：按GB/T 1040.1—2018进行测试，拉伸速率20 mm/min。导热系数测试：按GB/T 10294—2008进行测试。保温性能测试：将PS/木粉发泡复合材料堆积为尺寸40 cm×40 cm×40 cm的空心立方体，在内部放置电子温度计测量其内部的温度变化。密封后放置在40 ℃烘箱，待内部温度稳定后，关闭加热，测量温度达到255 ℃时所需时间。阻燃性能测试：LOI按GB/T 2408—2008进行测试，热释放速率(HRR)按ASTM D3801进行测试，产烟量(TSP)按ISO 5660-1进行测试。SEM分析：将样品真空喷金处理，灯丝电流10 μA、加速电压10 kV，观察样品微观形貌。2结果与讨论2.1改性木粉的FTIR分析通过硅烷偶联剂对木粉进行表面改性，可以有效改善木粉和树脂基体之间的相容性，增加界面之间的结合能力[4]。图1为木粉改性前后的FTIR谱图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.006.F001图1木粉改性前后的FTIR谱图Fig.1FTIR spectra of wood flour before and after modification从图1可以看出，相比原木粉，改性木粉在2 918 cm-1和2 850 cm-1处出现2个新吸收峰。2 918 cm-1处的峰是KH-550的—CH3振动吸收峰，2 850 cm-1处的峰是KH-550的—CH2的吸收峰[5]。2个特征吸收峰均为KH-550的特征峰，由此说明木粉被KH550成功接枝改性。2.2发泡密度分析密度是衡量发泡材料最直接、最容易的参数。密度越小，表明发泡效果越好[6]。图2为不同木粉填充量对PS/木粉发泡复合材料密度的影响。从图2可以看出，未发泡的复合材料的密度随着木粉填充量的增加而提升。通常木材的密度为0.40~0.70 g/cm3，小于PS的密度1.05 g/cm3。但是当木材破碎为木粉，其粒径变小，混融时导致木材的中空细胞结构被破坏，木粉呈现“压实”状态[7]，导致木粉的密度高于PS基体。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.006.F002图2木粉填充量对PS/木粉发泡复合材料密度的影响Fig.2Effects of wood flour filling amount on density of PS/wood flour foamed composites而发泡复合材料的密度随着木粉填充量的增加呈现先下降再上升的趋势。木粉填充量较低时，木粉和PS基体呈现较好的相容状态。以木粉为发泡点位，PS树脂能够更均匀地发泡，较好包裹由发泡剂释放的气体，发泡效果更好[8]。当木粉填充量为20份，发泡复合材料的密度最小，为0.227 g/cm3，低于木粉填充量为0的密度(0.234 g/cm3)。但是当木粉超过一定的含量（20份），材料之间的分散性变差，导致发泡过程中孔壁破裂，发泡材料塌缩，密度上升[9]。2.3回弹性能分析图3为发泡复合材料的回弹率和木粉填充量的变化关系。从图3可以看出，木粉填充量为20份之内，发泡复合材料的回弹性能和木粉填充量呈正相关。木粉填充量为20份时，发泡复合材料的回弹率达到最大值(95.10%)。而木粉填充量超过20份时，发泡复合材料的回弹性能开始下降。因为木粉填充量较低时，木粉和PS树脂之间具有良好的相容性，共混体系可以均匀发泡，气泡壁强度较高[10]。木粉中纤维缠结作用可能使气泡强度提高[11]，宏观上发泡复合材料的回弹性能随着木粉填充量增加而增强。当木粉的填充量超过20份，发泡复合材料气泡的完整性降低，回弹性变差。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.006.F003图3木粉填充量对PS/木粉发泡复合材料回弹率的影响Fig.3Effects of wood flour filling amount on rebound rate of PS/wood flour foamed composites2.4拉伸强度分析图4为木粉填充量对发泡复合材料相对拉伸强度的影响。从图4可以看出，木粉填充量不超过20份时，发泡复合材料的相对拉伸强度和木粉填充量呈正相关。木粉填充量20份时，发泡复合材料的相对拉伸强度达到最大值，为19.03 MPa/(g·cm-3)。而当木粉填充量继续增加，发泡复合材料的相对拉伸强度逐渐下降。木粉对发泡复合材料的作用机制包括2种：（1）木粉的存在一定限度上破坏PS基体的连续性，对相对拉伸性能产生不利影响；（2）木粉的存在能够使混合体系均匀发泡，气泡壁强度较高，复合材料的整体拉伸强度较高。木粉的填充量较低时，第二种作用机制起主导作用，相对拉伸强度和木粉的填充量呈正相关。但是当木粉填充量较高，复合材料气泡的完整性被破坏，主要表现第一种作用机制。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.006.F004图4木粉填充量对PS/木粉发泡复合材料相对拉伸性能的影响Fig.4Effect of wood flour filling amount on relative tensile properties of PS/wood flour foamed composites2.5保温性能分析图5为木粉填充量对发泡复合材料热导率的影响。木粉填充量≤20份时，发泡复合材料的热导率保持稳定，维持在0.040 0 W/(m·K)以下。木粉填充量为20份时，发泡复合材料的热导率为0.039 2 W/(m·K)。木粉填充量20份时，发泡复合材料的热导率明显上升。因为多孔材料的热导率和其孔隙、含量有关系。气泡孔越小，使空气的气体流动性越差，传导的热量越小，从而使多孔材料的绝热性能越好。气泡孔越完整，材料的绝热性能也越好。木粉填充量较低（20份以下）时，气泡孔径随着木粉填充量提高而增大，气泡孔也更完整，因此木粉的加入对绝热性能影响不大。但是当木粉填充量过高，气孔孔径的结构不完整，导致材料的绝热性能下降。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.006.F005图5木粉填充量对PS/木粉发泡复合材料热导率的影响Fig.5Effect of wood flour filling amount on thermal conductivity of PS/wood flour foamed composites通过测试不同材料温度降至25 ℃所需时间评估其保温性能，图6为测试结果。从图6可以看出，木粉填充量为≤20份时，不同发泡复合材料温度降低的时间基本相同，保持在26.0 min以上，与发泡复合材料的热导率一致。研究表明：当木粉填充量低于20份，木粉填充量对发泡复合材料的保温性能影响不大。木粉填充量为20份时，发泡复合材料的降温时间为27.1 min。当木粉填充量20份，发泡复合材料温度降低的时间明显降低。因为木粉填充量较多时，破坏发泡复合材料内部的多孔结构，从而使其保温性能下降。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.006.F006图6木粉填充量对PS/木粉发泡复合材料保温性能的影响Fig.6Effect of wood flour filling amount on thermal insulation performance of PS/wood flour foamed composites2.6阻燃性能分析表2为木粉填充量对发泡复合材料阻燃性能的影响。从表2可以看出，随着木粉填充量的增加，发泡复合材料的LOI先增加后下降，且木粉填充量为20份时，发泡复合材料的LOI达到最大值(35.8%)，由此说明木粉的加入可以增加复合材料的阻燃性能。而当木粉填充量20份，发泡复合材料的LOI值下降。因为木粉填充量较少(≤20)时，木粉可以有效分散在基体内部，与PS基体之间具有较好的相容性，从而形成规则的泡孔结构，使阻燃剂受热分解产成的卤化氢气体有效填充材料内部，达到较好的阻燃效果。而木粉填充量较多时，复合材料的泡孔结构坍塌，内部结构与外界气体之间接触较多，从而导致燃烧过程更容易侵入材料内部，导致阻燃性能发生下降。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.006.T002表2木粉填充量对PS/木粉发泡复合材料阻燃性能的影响Tab.2Effect of wood flour filling amount on flame retardancy of PS/wood flour foamed composites样品编号木粉填充量/份LOI值/%是否滴落1015.6是21025.3是32035.8否43030.1否54028.5是图7为不同木粉填充量的发泡复合材料的HRR和TSP曲线。图7不同木粉填充量的PS/木粉发泡复合材料的HRR和TSP曲线Fig.7HRR and TSP curves of PS/wood flour foamed composites with different wood flour filling amount10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.006.F7a1（a）HRR10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.006.F7a2（b）TSP从图7a可以看出，未加入木粉时，发泡复合材料燃烧过程迅速，在较短的时间内便释放大量的热，其热释放速率峰值(PHRR)达到986.30 kW/m2。由于PS具有较高的易燃性。而加入木粉，发泡复合材料的PHRR发生下降，由于木粉的可燃性低于PS。而随着木粉填充量的增加，发泡复合材料的PHRR呈现先降低后上升的趋势。木粉填充量为20份时，发泡复合材料的PHRR达到最低值，为630.89 kW/m2，此结果与LOI值一致。因为木粉与PS基体之间具有较好的相容性，从而生成规则的泡孔结构，使阻燃剂在受热分解为卤化氢气体时，可以有效填充泡孔，使材料具有较好的阻燃性。而木粉填充量较多时，木粉与PS基体之间相容性较差，导致泡孔结构被破坏，从而导致阻燃性下降。从图7b可以看出，随着木粉填充量的增加，发泡复合材料的TSP呈现先降低后上升的趋势。木粉填充量为20份时，发泡复合材料的TSP达到最低，为475.46 m2。结果表明：制备的PS/木粉发泡复合材料相较纯PS发泡材料具有更好的阻燃性能。2.7SEM分析通过SEM观察发泡材料的泡孔形貌，图8为不同木粉填充量下发泡复合材料的SEM照片。从图8可以看出，当木粉填充量不超过20份，发泡复合材料的泡孔尺寸随着木粉填充量的增加而增大，气泡壁的连接规整，气泡的体积分布较均一。与木粉填充量较少时，发泡复合材料的密度、回弹性能、拉伸性能较好的结果相符合。而当填充量超过20份，发泡复合材料的气泡孔被破坏，大量气泡孔兼并、塌缩，使复合材料的力学强度以及隔热性能均降低。综合分析，木粉添加含量为20份的复合材料具有最佳的综合性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.006.F008图8不同木粉填充量下PS/木粉发泡复合材料的SEM照片Fig.8SEM images of PS/wood flour foamed composites with different wood flour filling amount3结论（1）利用硅烷偶联剂成功改性木粉，并研究改性木粉填充量对PS/木粉发泡复合材料的密度、回弹性能、拉伸性能的影响。当木粉填充量不超过20份，木粉可以有效促进发泡材料气泡孔均匀生长，随着木粉填充量的增加，发泡复合材料的密度降低、发泡效果变好、回弹性能提高、相对拉伸强度提高。（2）木粉的填充量影响发泡复合材料的泡孔形貌。木粉的含量较低时，发泡复合材料泡孔较完整从而表现较好的性能；而木粉的含量较高时，使发泡复合材料泡孔发生破坏，从而影响其各项性能。当木粉填充量为20份，发泡复合材料具有最佳的综合性能，其热导率为0.039 2 W/(m·K)、密度为0.227 g/cm3、压缩回弹率达到95.10%、相对拉伸强度达到19.03 MPa/(g·cm-3)、LOI值达到35.8%。