木质素是目前自然界中仅次于纤维素的第二大可再生资源，但是在工业上许多木质素废渣并未得到有效的利用，因此造成了大量的资源浪费[1]。对木质素进行回收和综合利用，可以增加废物利用率并得到较好的经济利益。同时木质素作为一种热塑性高分子材料，具有较好的热稳定性，可以与大部分的塑料进行混融从而获得较好性能的木质素复合材料[2]。目前，研究者们通过将木质素作为填料与塑料共聚物进行混合获得了具有良好力学性能的复合材料[3]。顾晓华等[3]通过将二乙二醇与乙醇胺混合降解废弃硬质聚氨酯塑料，并将降解物与木质素混合得到了具有较低密度和较高力学性能以及保温性能的再生聚氨酯泡沫塑料。李园媛[4]通过在聚乳酸中加入经过物理修饰后的木质素制备了聚乳酸/木质素复合材料，通过与未修饰的木质素复合材料相比，修饰后的木质素复合材料表现出了较高的耐热性，并且有效地改善了聚乳酸的结晶行为。聚乙烯塑料泡沫具有轻质、柔软、弹性好以环保隔温等特点，已经广泛地用于建筑工程中的隔热防水处理领域[5-6]。因此，将木质素与聚乙烯进行互容可以获得较好力学性能的聚乙烯木质素复合材料。然而木质素作为一种极性高分子，当其与非极性的聚乙烯进行互容时会使木质素在基体内部发生团聚从而降低复合材料的力学性能[7]。本实验中，将木质素与马来酸酐以及聚乙烯混合后制备了具有优异性能的聚乙烯/木质素复合塑料泡沫，通过马来酸酐可以在木质素上接枝官能团从而提高木质素与非极性聚乙烯的相容性[8]。对复合塑料泡沫的力学性能、保温性能以及阻燃性能进行了研究。1实验部分1.1主要原料工业碱木质素，纯度98%，山东高唐泉林纸业有限责任公司；低密度聚乙烯(LDPE)， 2426H，大庆石化公司；马来酸酐，纯度大于99.0%，西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司；偶氮二甲酰胺发泡剂(AC)，纯度99%，北京百灵威科技有限公司。1.2仪器与设备高速混合机，SHR-1000A，苏州白狮机械制造有限公司；双辊开炼机，6寸实验型，厦门威伯伦科技有限公司；单冲压片机，ZP35A，上海天和制药机械有限公司；热重分析仪，TGA-103，南京大展检测仪器有限公司；万能试验机，WDW-300G，济南众标仪器设备有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，JSM 5900LV，日本电子株式会社；氧指数测定仪，HC-2C，江宁机械制造厂；热导率测试仪，2500-OT，瑞典Hot Disk公司。1.3样品制备表1为聚乙烯/木质素复合塑料泡沫的配方。将聚乙烯、木质素、马来酸酐以及发泡剂进行混合并在双辊开炼机上进行混炼，温度80~110 oC，将混合物在单冲压片机上进行压片，压力50 MPa，温度80~120 oC。压制后的片材放置在200 oC的烘箱中进行加热发泡5 h，得到聚乙烯/木质素复合塑料泡沫，并根据木质素的比例命名为PE-0、PE-10、PE-15、PE-20、PE-25。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.T001表1聚乙烯/木质素复合塑料泡沫的配方Tab.1Formula for polyethylene/lignin composite plastic foam配方聚乙烯马来酸酐木质素发泡剂PE-093502PE-10835102PE-15785152PE-20735202PE-25685252gg1.4性能测试与表征SEM分析：样品在液氮中冷冻1 h后进行脆断，喷金后进行测试，加速电压25 kV。TG分析：2 mg样品，N2气氛，温度范围25~600 oC。阻燃性能测试：放热速率测试热流25 kW/m2，样品尺寸300 mm×15 mm×15 mm；烟密度测试：热流25 kW/m2，样品尺寸300 mm×15 mm×15 mm。物理性能：按GB/T 29500—2013进行测试。热导率测试：按GB/T 10294—2008进行测试[9]。抗腐蚀性能测试：将样品浸泡在5 mol/L的盐酸或5 mol/L氢氧化钠溶液中，测量弯曲强度。抗老化性能：将样品分别在30 W的紫外灯和80 oC的烘箱中老化一定时间，测量弯曲强度。2结果与讨论2.1聚乙烯/木质素复合塑料泡沫的微观形貌图1为不同木质素含量的聚乙烯/木质素复合塑料泡沫的断面SEM照片。从图1a可以看出，未加木质素的PE-0泡沫呈现出多孔形貌，并且孔道分布不均以及孔径大小不一。在加入了10%的木质素之后，由于木质素与PE基底之间的相容性增强，PE-10泡沫中的孔道被覆盖，形成了致密的结构(图1b)。在PE-15中(图1c)，由于木质素含量的增多，出现了一些木质素与PE基底互容而产生的凸起状结构，然而由于木质素含量较少，这些凸起结构分布不均匀。在PE-20中(图1d)，合适的木质素含量与PE基底之间产生了较好的互容作用从而产生了均匀且光滑的凸起状结构以及孔道结构。由于木质素与PE基底的互容，这些孔道结构相比于纯PE泡沫更大，并且这些结构具有桥接作用可以有效地充当PE泡沫中的支架以提升材料的力学性能。在PE-25中(图1e)，木质素含量过量，PE基底无法有效地与木质素形成互容，因此出现不规则的形状。图1不同聚乙烯/木质素的SEM 照片Fig.1SEM photos of different PE/lignin plastic foam10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F001(a)PE-010.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F002(b)PE-1010.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F003(c)PE-1510.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F004(d)PE-2010.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F005(e)PE-252.2聚乙烯/木质素复合塑料泡沫的热稳定性图2为不同聚乙烯/木质素塑料泡沫的TG曲线。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F006图2不同聚乙烯/木质素塑料泡沫的TG曲线Fig.2TG curves of different PE/lignin plastic foam从图2可以看出，不加木质素的PE-0的初始分解温度最低，为225 oC，并且最大质量损失温度为410 oC。在加入不同含量的木质素之后，复合塑料泡沫的初始分解温度均发生增加，均大于250 oC，并且最大质量损失温度增加到了425 oC附近，说明木质素的加入可以有效地提高复合塑料泡沫的热稳定性。产生这一结果的原因主要为木质素中的愈创木基结构对聚合物的热分解具有抑制作用，并且木质素高温下脱水可以有效抑制聚乙烯的热分解[10-11]。除此以外，可以看出随着木质素含量的增加，样品的残炭率从18%增加到了31%，这可能是由于木质素含量越多，其越难分解完全，因此残炭率随着木质素的增加而增加。2.3　聚乙烯/木质素复合塑料泡沫的力学性能图3为不同聚乙烯/木质素塑料泡沫的物理性能。图3不同聚乙烯/木质素塑料泡沫的物理性能Fig.3Physical properties of different PE/lignin plastic foam10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F007(a)弯曲强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F008(b)冲击强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F009(c)维卡软化温度从图3a可以看出，随着木质素含量的增加，聚乙烯/木质素复合塑料泡沫的弯曲强度随着木质素含量的增加而先增加后降低，并在PE-20中达到最大值，为48.6 MPa，相比于未加木质素的PE-0(18.2 MPa)提高了167.03%，说明加入合适含量的木质素可以有效地增加PE塑料泡沫的弯曲强度。根据GB/T 29500—2013中规定的静曲强度≥18 MPa的标准值，制备的聚乙烯/木质素复合材料可以有效地用于建筑材料。从图3b可以看出，与弯曲强度相同，简支梁冲击强度值均随着木质素的增加而先增加后下降，并在PE-20中达到最大值(15.62 kJ/m2)，相比于PE-0的3.25 kJ/m2增加了380.62%，并且满足GB/T 29500—2013中规定的简支梁冲击强度≥12.0 kJ/m2的标准值。图3c为本研究制备的聚乙烯/木质素复合塑料泡沫的维卡软化温度。从图3c可以看出，PE-20表现出最高的软化温度，为86 oC，相比PE-0增加53.57%，并满足GB/T 29500—2013中规定的维卡软化温度≥75 oC的标准值。因此，根据以上物理性能研究，制备的PE-20具有优异的物理性能，产生这一结果的原因是在PE-20中，由于其合适的凸起的结构可以有效地起到支撑作用，这一支撑作用可以有效地吸收弯曲和冲击过程中产生的应力从而获得更大的力学强度，而在其他样品之中，表面凸起不均匀以及互容较差，使得基体与木质素的连接较差导致强度低于PE-20。综上所述，制备的PE-20可以有效地用于建筑材料应用之中。2.4　聚乙烯/木质素复合塑料泡沫的阻燃性能在建筑用木塑材料中，其阻燃性能可以有效地体现其安全性以及环保性，表2为不同聚乙烯/木质素复合塑料泡沫的阻燃性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.T002表2不同聚乙烯/木质素塑料泡沫的阻燃性能Tab.2Flame retardancy of different PE/lignin plastic foam样品热释放速率峰值/(kW·m-2)平均燃烧时间/s烟密度/%PE-02633686PE-102423073PE-152322561PE-202151652PE-252262158标准值≤250≤30≤75热释放速率峰值表示了塑料泡沫在燃烧时放热的速率，其值越低，说明燃烧放热越慢。从表2可以看出，PE-20具有最小的热释放速率峰值，为215 kW/m2。并且其燃烧时间也较短，为16 s，说明在PE-20可以有效地抑制燃烧过程。在烟密度表征中，PE-20也表现出了较低的烟密度52%，说明其在燃烧过程中产生的烟量较小，有利于燃烧发生时的人员逃生。根据GB 20286—2006中规定的性能指标，PE-20可以有效地用于阻燃材料之中[12]。相较于PE-0和其他比例的聚乙烯/木质素复合塑料泡沫，PE-20具有最佳的阻燃性能是由于合适比例的木质素与聚乙烯基体之间能够形成良好互容体系，并且木质素在高温下分解产生的水蒸气以及二氧化碳可以有效地降级火焰蔓延，相较于其他比例的不均匀分散，PE-20中的木质素可以有效地缓解燃烧速率从而获得较高的阻燃性能。2.5聚乙烯/木质素复合塑料泡沫的保温性能具有优异保温性能的建筑材料可以有效地降低能量损失，因此对制备的聚乙烯/木质素复合塑料泡沫的保温性能进行了研究，并采用导热系数对其保温性能进行表征，导热系数越低，其保温性能就越好。图4为不同聚乙烯/木质素塑料泡沫的导热系数。从图4可以看出，PE-0具有最低的导热系数，说明其保温性能最好，这是由于其内部的多孔结构可以有效地隔绝热量。在加入不同比例的木质素之后，由于木质素与PE基体在内部形成的结构不同，因此导热系数也不同。其中具有最佳保温性能的为PE-20，这一结果是由于其具有多孔结构，而在其他比例之中的孔道结构较差，因此保温性能较差。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F010图4不同聚乙烯/木质素塑料泡沫的导热系数Fig.4Thermal conductivity of different PE/lignin plastic foam2.6聚乙烯/木质素复合塑料泡沫的抗腐蚀性能以及抗老化性能建筑材料的老化的腐蚀会严重影响材料的物理性能，因此，为了表征制备的PE-20在建筑材料上的可行性，对其耐腐蚀性能和抗老化性能进行了研究，图5为PE-20的耐腐蚀性能测试结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F011图5PE-20的耐腐蚀性能Fig.5Corrosion resistance of PE-20从图5可以看出，浸泡在酸、碱溶液中不同时间后，PE-20的弯曲强度发生了一定的下降，在72 h浸泡处理后，弯曲强度分别从48.6 MPa下降到45.1 MPa和43.1 MPa。并且在酸中的弯曲强度高于在碱中。这是由于木质素在碱性环境下会发生一定的降解从而降低其弯曲强度。尽管如此，在72 h的浓酸和浓碱环境中，PE-20的弯曲强度仍保持在标准值以上，这是由于作为基体的聚乙烯具有较强的耐酸碱腐蚀性能，说明其具有较好的耐腐蚀性能。图6为PE-20的抗老化性能测试结果。由于木质素具有较强的稳定性以及不易腐烂的特性，因此可以在紫外光照射和较高环境温度下保持较好的稳定性。在紫外处理和80 oC处理下，其弯曲强度分别从48.6 MPa下降到42.4 MPa和45.6 MPa，其中紫外下老化速率大于80 oC处理，这是由于聚乙烯在紫外照射下容易发生降解，然而，由于木质素的加入及其较好的稳定性，使得紫外处理后的PE-20的弯曲强度仍保持在建筑材料弯曲强度标准值以上，说明其作为建筑材料具有较好的抗老化性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F012图6PE-20的抗老化性能Fig.6Anti-aging properties of PE-203结论(1)通过将马来酸酐与聚乙烯和木质素进行共混制备了具有优良互容性的聚乙烯/木质素塑料泡沫，在PE-20样中，木质素与聚乙烯产生了较好的互容性并且出现均匀的凸起与孔道结构。(2)PE-20具有优异的热稳定性以及物理性能，其弯曲强度、冲击强度以及维卡软化温度分别为48.6 MPa、15.62 kJ/m2和86 oC，均满足GB/T 29500—2013中规定的标准值；阻燃性能上，PE-20具有最佳的阻燃性能，根据GB 20286—2006中规定的性能指标，PE-20可以有效地用于阻燃材料之中。(3) 由于其均匀的孔道结构，PE-20具有较好的保温性能并且具有较好的抗老化性能和耐腐蚀性能，因此，PE-20可以有效的用于建筑材料之中。