中国的众多园林景观是传统园林文化的遗留与见证，是中华民族留下的传统瑰宝[1-2]。然而，园林建筑基本都保存了成百上千年，这就不可避免的会产生腐蚀损坏，因此需要进行人为修复[3]。园林修复中所使用的木材，一方面难以与古建筑匹配，另一方面因木材的高水分和虫害，容易出现腐朽、收缩、开裂等问题，难以达到园林修复的效果[4]。而在众多的园林修复材料中，木塑复合材料由于其环境友好性，受到了人们的广泛青睐[5]。木塑复合材料主要是由塑料、木屑以及麦秆等废弃生物质材料通过物理化学方法合成的仿木材料，因此其具有塑料和木材的共有特性，包括耐水、耐腐蚀性、容易进行加工、硬度高以及可循环利用等优点[6-8]。付自政等[9]通过聚氯乙烯 (PVC)与油菜杆结合制备了具有较高耐热性的木塑复合材料，并且其力学强度以及卫生指标均达到了相应的国家指标。代少俊等[10-12]采用棉花秸秆粉与聚乙烯(PE)复合制备了棉花秸秆/PE木塑复合材料，并研究了不同相容剂对其性能的影响，结果表明木塑复合材料的力学强度均高于纯塑料。以上研究均表明，相比于纯塑料，木塑复合材料具有更加优异的性能，然而这些研究均停留在材料的制备方面，并未对其在园林修复中的应用做出分析。本实验通过混融法将PVC和疏水改性的稻秆粉末进行混合，制备了具有一定疏水性能的PVC/稻秆木塑复合材料，并对其力学性能、防水性能以及热学性能进行了分析表征，评估了其在园林修复中的应用。1实验部分1.1主要原料聚氯乙烯(PVC)，纯度97.6%，中国石化上海石油化工股份有限公司；丙烯酸，分析纯，阿拉丁生化科技有限公司；乙酸酐、乙醇，分析纯，中国国药试剂有限公司；双氨基硅烷偶联剂，分析纯，上海迈瑞尔试剂有限公司；稻秆，四川农业大学试验田；溴化钾，光谱纯，天津大茂试剂有限公司。1.2仪器与设备双辊筒炼塑机，SK-160B，上海橡胶机械厂；平板硫化机，XLB，上海橡胶机械厂；粉碎机，DK，杭州星标机械有限公司；傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)，FTIR-650，天津港东科技股份有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，S4800，日本日立公司；万能试验机，XHR-150，上海材料试验机厂；热重分析仪(TGA)，TGA-1350，上海皆准仪器设备有限公司；接触角测量仪，Theta Flex，瑞典百欧林仪器公司；硬度测试仪，HR-150A，莱州知金测试仪器有限公司。1.3样品制备1.3.1改性稻秆粉的制备收集的稻秆采用粉碎机进行粉碎，在研钵中研磨，并过240目筛得到粒径均匀的稻秆粉末。取50 mg的稻秆粉末与20 mL无水乙醇混合，加入0.2 g双氨基硅烷偶联剂并在40 oC下搅拌反应12 h，将改性稻秆放置在65 oC的烘箱中蒸发溶剂，得到硅烷改性的稻秆粉末。1.3.2PVC/稻秆木塑复合材料的制备表1为PVC/稻秆木塑复合材料配方。将一定质量的稻秆粉末、PVC、乙酸酐和丙烯酸按表1的比例进行共混，并在双辊筒炼塑机上进行混炼20 min，温度为165 oC。将混炼好的产物放置在平板硫化机(预设温度180 oC，压力3 MPa)上进行制样，样品尺寸3 cm×2 cm×2 cm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.T001表1PVC/稻秆木塑复合材料配方Tab.1PVC/rice straw wood-plastic composites formula样品PVC稻秆粉末乙酸酐丙烯酸P080023P180323P280523P380723P480923gg1.4性能测试与表征FTIR测试：将样品与KBr研磨并进行压片，在红外光谱仪上进行测试。SEM分析：取少量样品粘贴到导电胶上并喷金后在扫描电子显微镜上进行测试。拉伸性能测试：按GB/T 1040—1992进行测试，样品尺寸3 cm×2 cm×2 cm。弯曲性能测试：按GB/T 9341—2000进行测试，样品尺寸3 cm×2 cm×2 cm。TGA分析：取8 mg样品进行测试，N2气氛，升温速率10 oC/min，终止温度600 oC。接触角测试：将样品放置在接触角测量仪的镜头下，通过注射器在其上滴加10 μL的水滴，测量其接触角大小。硬度测试：在硬度测试仪上进行，样品尺寸3 cm×3 cm×1 cm。2结果与讨论2.1PVC/稻秆木塑复合材料的形貌图1为硅烷、稻秆粉末和硅烷改性稻秆粉末的FTIR谱图。从图1可以看出，改性稻秆粉末与未改性的稻秆粉末具有相同的光谱特性，在1 250、1 092和1 020 cm-1处均表现出现了硅烷较强的特征峰，并且在2 965 cm-1和785 cm-1处也出现了硅烷微弱的特征峰，这些峰位分别代表硅烷中的Si—CH3、Si—O—C、Si—O—Si、—CH3和Si—CH3基团，说明硅烷成功地被接枝到了稻秆粉末上。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F001图1红外光谱分析Fig.1IR analysis图2为不同PVC/稻秆木塑复合材料的微观形貌。从图2可以看出，颗粒状的稻秆粉末被PVC包裹在其中，形成缠结结构。在不同稻秆含量的木塑复合材料之中，表现出的微观结构具有较大的差异。在稻秆粉末含量较低时，由于稻秆粉末的嵌入，呈现出疏松多孔结构(图2a、2b)；在稻秆粉末含量较高时(图2c、2d)，由于粉末较为密集，PVC基体在其上形成膜状物。这些缠结的稻秆粉末可以分担材料受到外力时的载荷，从而可以有效地提高其力学性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F002图2不同PVC/稻秆木塑复合材料的SEM照片Fig.2Microstructures of different PVC/ rice straw wood plastic composites2.2PVC/稻秆木塑复合材料的热学性能图3为不同PVC/稻秆木塑复合材料的TG曲线。从图3可以看出，无稻秆粉添加剂的PVC材料的热分解初始温度为260 oC，并在450 oC的时候质量损失率接近100%。加入稻秆粉末之后，PVC/稻秆木塑复合材料的热分解初始温度均增大，其中，P3的热分解初始温度最高，达到了310 oC。这可能是由于稻秆粉末的加入与PVC分子间产生了连接作用，从而在高温下具有较好的热稳定性。在P4中，由于过多的稻秆粉末并不会与恒定质量的PVC产生复合效果，因此，P4与P3的热性能并未产生较大的区别。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F003图3不同PVC/稻秆木塑复合材料的TG曲线Fig.3TG curves of different PVC/rice straw wood plastic composites2.3PVC/稻秆木塑复合材料的力学性能图4为不同PVC/稻秆木塑复合材料的力学性能分析。从图4a可以看出，随着稻秆粉末含量的增加，PVC/稻秆木塑复合材料的拉伸强度逐渐增强，并在P3中达到了最大值38 MPa，相比于纯PVC材料的拉伸强度增加了44.7%。图4不同PVC/稻秆木塑复合材料的力学性能Fig.4Mechanical properties of different PVC/rice straw wood-plastic composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F004(a)拉伸强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F005(b)弯曲强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F006(c)弯曲模量10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F007(d)冲击强度这一结果表明稻秆粉末对PVC材料的拉伸强度增强十分显著，这是由于在拉伸的过程中，稻秆的纤维状结构较PVC更容易拉断从而可以有效地分担一部分载荷，因此PVC/稻秆木塑复合材料的拉伸强度得到了提高。从图4b、c和d可以看出，加入稻秆粉末后，与拉伸强度改变类似，木塑复合材料的弯曲强度、弯曲模量和冲击强度均随着稻秆粉末的增加而增加，并在P3分别达到了最大值62 MPa，4 590 MPa和0.53 kJ/cm，相较于纯PVC分别提高了22.6%、30.3%和41.5%。这些结果说明当加入适量的稻秆粉末时，PVC/稻秆木塑复合材料的力学性能能够得到有效的提高。这是由于合适含量的稻秆粉末的引入在PVC基体中分散良好，加强了聚合物分子链与纤维之间的缠结从而提高了力学性能[13]。然而值得注意的是，在稻秆粉末含量较多的P4中，其力学性能相较于P3并未发生提高，这是由于较多的稻秆粉末引入之后，多余的稻秆粉末并不会与PVC进行复合作用，因此并不会继续提高其力学性能。2.4PVC/稻秆木塑复合材料的疏水性能一般来说，水接触角大于150°时才能达到完全防水[14]。图5为PVC/稻秆木塑复合材料的疏水性能实验结果。图5不同PVC/稻秆木塑复合材料的水接触角Fig.5Water contact angles of different PVC/rice straw wood-plastic composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F008（a）P110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F009（b）P210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F010（c）P310.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F011（d）P4从图5可以看出，加入改性稻秆粉末之后，形成的木塑复合材料的水接触角均大于150°，说明其具有较好的超疏水效果。造成这一结果的原因是稻秆粉末加入硅烷进行改性之后，在与PVC进行混合之后，其表面能降低，因此获得了较好的超疏水效果[15]。2.5PVC/稻秆木塑复合材料的耐久性将普通松木，纯PVC和P3木塑复合材料放置在相同的自然环境下(样品尺寸均为3 cm×3 cm×1 cm)放置不同时间，以观察自然条件下其耐久性。在经过不同的时间之后，图6为材料的拉伸强度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F012图6经过不同的时间之后不同材料的拉伸强度Fig.6The tensile strength of different materials after different time从图6可以看出，初始时候P3木塑复合材料具有最高的拉伸强度(38 MPa)，在经过80天的自然老化之后，其拉伸强度为28 MPa，下降了26%。而木头和纯PVC的拉伸强度在一定时间下的老化后分别降低了71%和41%，下降幅度远大于P3木塑复合材料。对初始样品和80 d老化后的样品进行了硬度测试，图7为测试结果。从图7可以看出，在未经过老化时，P3具有较高的硬度，而纯PVC的硬度最低。在经过80天老化之后，PVC硬度从50下降到了23，下降幅度为54%，木头从63下降为48，下降幅度为24%。而在P3中，80 d后硬度从72下降到了63，下降幅度仅仅为13%，说明PVC/稻秆木塑复合材料相比于其他常用修复材料具有较好的耐久性，适合于园林修复中的使用。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F013图7初始和老化后材料的硬度Fig.7Hardness of initial and post-aging materials3结论通过在PVC基体中引入硅烷改性稻秆粉末制备了PVC/稻秆木塑复合材料，并对其性能进行了研究。（1）微观形貌显示PVC基体与稻秆粉末形成了缠结，该结构有助于分担材料受到的外加载荷从而增加其力学性能。热学性能结果显示加入稻秆粉末有效地提高了其热学性能。在力学性能测试中，随着稻秆粉末含量的增加，其性能也随之增加，并且在P3中达到了最大。（2）由于硅烷对稻秆粉末的改性作用可以有效地降低材料的表面能，因此PVC/稻秆木塑复合材料均表现出了较好的超疏水性能，并提高了其耐久性。在经过80 d的老化测试后，P3的拉伸强度相比于木头和纯PVC下降较低。（3）以上结果表明，PVC/稻秆木塑复合材料具有较好的性能，将其应用于园林修复中一方面可替代实木材料，保护生态环境，另一方面可通过生产工艺直接配混造粒和注塑成型，便于后续的现场安装或成品固定。可以说，PVC/稻秆木塑复合材料是一种具有广泛应用潜力的园林修复材料。