植物纤维是自然界中含量最丰富的天然高分子材料，具有良好的生物降解性、较高的比强度和极低的密度[1-5]。更重要的是，相对于不可回收的石油基高分子化合物，植物纤维是可再生资源。但在我国植物纤维的利用率低，大部分仍然是被丢弃或者焚烧，不仅造成极大的浪费，更引发空气污染问题[6]。将植物纤维与塑料混合，制备木塑复合材料能够提高植物纤维利用率、减少塑料使用[7]，具有重要的社会意义。但植物纤维表面富含羟基，与疏水树脂的界面相容性极差，影响了复合材料的性能[8-9]。硅烷偶联剂能够与植物纤维表面的羟基反应，从而在复合材料表面接枝疏水层，提高复合材料亲油性能，是常用的植物纤维表面改性方法[10-14]。本实验利用十六烷基三甲氧基硅烷对植物纤维表面进行改性，制备表面改性的植物纤维，利用熔融挤出法制备木塑复合材料。以复合材料力学性能为指标，探讨植物纤维表面改性对复合材料耐自然老化、紫外老化和冷热交变性能的影响，制备具有较好耐候性的木塑复合材料。1实验部分1.1主要原料高密度聚乙烯，5502，韩国大林集团；植物纤维(PF)，200目，北京木北科技有限公司；十六烷基三甲氧基硅烷，分析纯，南京罗恩硅材料有限公司；无水乙醇、盐酸，分析纯，市售。1.2仪器与设备塑料双螺杆挤出机，SJZ80，江苏飞鸽友联机械股份有限公司；伺服注射机，140T，常州广德润塑料机械有限公司；傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)，Lida-20，天津恒创立达科技发展有限公司；场发射扫描电镜(SEM)，Sigma 300，苏州森沃斯工业设备有限公司；万能材料试验机，YG028S，温州际高检测仪器有限公司；悬臂梁冲击试验机，XJJUD-50，厦门崇达智能科技有限公司。1.3样品制备1.3.1改性植物纤维的制备制备1 L 90%乙醇溶液，搅拌下依次加入10 g十六烷基三甲氧基硅烷、1 mL HCl后，升温至80 ℃。继续搅拌加入1 kg植物纤维，反应4 h后过滤，用无水乙醇冲洗滤渣3次，将滤渣烘干、磨碎，得到改性植物纤维，记为MPF。1.3.2PE/MPF复合材料的制备将MPF、PE按质量比30∶70混合后，在170~190 ℃下真空挤出、水冷、造粒，得到PE/MPF复合材料，其中，挤出机主机转速为120 r/min。1.4性能测试与表征耐老化性能测试：将样品置于户外放置180 d后取出，对复合材料耐自然老化性能进行测试。耐紫外性能测试：按GB/T 16422.3—2014进行测试。耐冷热交变性能测试：将样品在60 ℃条件下放置4 h后，置于-20 ℃条件下放置2 h，如此20个循环后，测试复合材料耐冷热交变性能。拉伸性能：按GB/T 1040.2—2018进行测试，样条尺寸150 mm×10 mm×4 mm。弯曲性能：按GB/T 9341—2000进行测试，样条尺寸80 mm×10 mm×4 mm。冲击性能：按GB/T 1843—2008进行测试，样条尺寸80 mm×10 mm×4 mm，长条形样条，并开制2 mm深的A型缺口。FIIR测试；测试范围为500~4 000 cm-1。2结果和讨论2.1FTIR表征图1为对植物纤维(PF)、改性植物纤维(MPF)进行测试的FTIR谱图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.011.F001图1改性植物纤维FTIR谱图Fig.1FTIR spectra of MPF从图1可以看出，与未处理的PF相比，MPF在2 889 cm-1和2 819 cm-1处出现两个较强的吸收峰，为十六烷基三甲氧基硅烷C—H键伸缩振动峰，在1 450 cm-1处为Si—OH键的弯曲振动峰，在840 cm-1处出现一个特征峰，为Si—O—C键的弯曲振动峰，表明十六烷基三甲氧基硅烷被成功偶联接枝到PF表面。2.2SEM分析图2为PE/MPF复合材料断面SEM照片。从图2可以看出，MPF在微观尺度上呈现具有一定长径比的棍状结构，在复合材料中呈现海-岛结构，此结构能够在复合材料中起到类似骨架的作用，从而提高复合材料的刚性。PF表面并不光滑，经过偶联改性后能够与PE充分浸润，从而增大与PE的接触面积，提高复合材料强度。MPF从复合材料断面处有伸出，说明可以在复合材料中起到拔出效应，分散复合材料应力，提高复合材料性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.011.F002图2PE/MPF复合材料断面SEM照片Fig.2SEM images of PE/MPF composites section2.3PF表面改性与复合材料性能的关系表1为PE/MPF复合材料的性能。从表1可以看出，经过表面改性后木塑复合材料拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量和冲击强度都明显上升，说明PF表面偶联改性能够提高复合材料的韧性和强度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.011.T001表1PE/MPF复合材料的性能Tab.1Properties of PE/MPF composites样品拉伸强度/MPa弯曲强度/MPa弯曲模量/MPa冲击强度/（kJ·m-2）PE/MPF19.420.11 42927.4PE/PF17.619.21 31222.4出现这一现象的原因是PF本身表面富含亲水基团，与PE相容性较差，PE/PF复合材料间界面强度低，在受到应力作用时，复合材料容易从界面处分离，因此降低复合材料的强度。并且界面处相容性差，导致复合材料在冲击过程中容易产生应力集中，因此复合材料冲击强度差。对PF进行表面改性后，复合材料强度和韧性明显改善，原因是PF表面改性改善PE/MPF间界面相容性，提高界面强度，并且降低MPF表面极性，减少MPF团聚的可能性，也提高复合材料的性能。2.4MPF对复合材料自然老化性能的影响图3为自然老化时间与复合材料物理性能的关系。图3自然老化时间与复合材料物理性能的关系Fig.3Relationship between natural aging time and physical properties of composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.011.F3a1（a）拉伸强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.011.F3a2（b）弯曲强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.011.F3a3（c）弯曲模量10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.011.F3a4（d）冲击强度从图3可以看出，复合材料各项性能随放置时间的增加明显下降，而纯PE、PE/MPF复合材料性能下降幅度明显低于PE/PF复合材料。在处理180 d后，PE的拉伸强度从15.8 MPa降至15.6 MPa，弯曲强度从15.4 MPa降至15.2 MPa，弯曲模量从682 MPa降至679 MPa，冲击强度从33.1 kJ/m2降至31.7 kJ/m2，分别下降1.3%、1.3%、0.4%和4.2%。PE/MPF的拉伸强度从19.4 MPa降至18.8 MPa，弯曲强度从20.1 MPa降至19.7 MPa，弯曲模量从1 429 MPa降至1 385 MPa，冲击强度从27.4 kJ/m2降至24.5 kJ/m2，分别下降3.1%、2.0%、3.1%和10.6%。而PE/PF拉伸强度则由17.6 MPa降至15.9 MPa，弯曲强度由19.2 MPa降至17.3 MPa，弯曲模量由1 312 MPa降至1 201 MPa，冲击强度由22.4 kJ/m2降至17.3 kJ/m2，分别下降9.7%、9.9%、8.5%和22.8%。从以上数据可以看出，PE的耐候性最好，但强度明显低于PE/PF复合材料，加入PF后，复合材料强度明显提高，同时会明显降低复合材料的耐候性和韧性，而PE/MPF复合材料无论是强度、韧性还是耐自然老化性能都明显优于PE/PF复合材料。在自然老化试验中，对复合材料性能影响因素较多，包括光照、气温变化、湿度变化以及细菌作用等，都会对复合材料性能产生明显影响。而PF的表面改性能够提高PF热稳定性，因此在面临光照以及高温日晒时，MPF结构能够保持完整。另外，MPF表面疏水性能提高，因此在自然老化过程中难以吸收空气中的水分，也难以被细菌侵蚀，因此，PE/MPF复合材料比PE/PF复合材料耐自然老化性能更好。2.5MPF对复合材料紫外老化性能的影响图4为紫外老化时间与复合材料物理性能的关系。从图4可以看出，PE/MPF复合材料和PE/PF复合材料物理性能，随紫外光照射时间的增加而明显降低。PE在紫外光照射28 d后拉伸强度从未处理时的15.8 MPa降至13.3 MPa，弯曲强度从15.4 MPa降至12.4 MPa，弯曲模量从682 MPa降至589 MPa，冲击强度从33.1 kJ/m2降至23.3 kJ/m2，分别下降15.8%、19.5%、13.6%和29.6%。PE/MPF复合材料在紫外光照射28 d后，拉伸强度从未处理时的19.4 MPa降至15.7 MPa，弯曲强度从20.1 MPa降至14.6 MPa，弯曲模量从1 429 MPa降至1 141 MPa，冲击强度从27.4 kJ/m2降至15.6 kJ/m2，分别下降19.1%、27.4%、20.2%和43.1%。而PE/PF的拉伸强度则由17.6 MPa降至13.9 MPa，弯曲强度由19.2 MPa降至14.1 MPa，弯曲模量由1 312 MPa降至1 091 MPa，冲击强度由22.4 kJ/m2降至12.4 kJ/m2，分别下降21.0%、26.6%、16.8%和44.6%。图4紫外老化时间与复合材料物理性能的关系Fig.4Relationship between UV aging time and physical properties of composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.011.F4a1（a）拉伸强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.011.F4a2（b）弯曲强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.011.F4a3（c）弯曲模量10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.011.F4a4（d）冲击强度从以上数据可以看出，PE、PE/MPF及PE/PF复合材料耐紫外性能较差，在紫外辐照28 d后复合材料性能明显下降，并且PE/MPF复合材料和PE/PF复合材料下降幅度相近，说明PF的表面改性与复合材料耐紫外线性能之间无明显关系。而纯PE性能下降幅度尽管不低，但下降幅度普遍仍然优于PE/PF和PE/MPF复合材料，说明PE耐紫外性能不好，但PF更容易受紫外影响。紫外线是指波长小于400 nm的不可见光，紫外光具有较高的能量，在辐照过程中会使聚合物化学键断裂，聚合物分子量降低，从而在宏观上出现龟裂、破碎和老化现象。由于MPF制备时所用的偶联剂没有能够吸收紫外光的官能团，因此无法提升复合材料耐紫外线性能。2.6MPF对复合材料冷热交变性能的影响图5为冷热交变循环次数与复合材料物理性能的关系。图5冷热交变循环次数与复合材料物理性能的关系Fig.5Relationship between the number of cold and hot cycles and the physical properties of the composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.011.F5a1（a）拉伸强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.011.F5a2（b）弯曲强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.011.F5a3（c）弯曲模量10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.011.F5a4（d）冲击强度从图5可以看出，PE/PF复合材料物理性能随冷热交变次数的增加而明显降低，而PE/MPF复合材料和纯PE物理性能随冷热交变次数的增加略微下降。其中，PE复合材料在冷热交变25次后，拉伸强度从15.8 MPa降至15.5 MPa，弯曲强度从15.4 MPa降至15.1 MPa，弯曲模量从682 MPa降至675 MPa，冲击强度从33.1 kJ/m2降至30.6 kJ/m2，分别下降1.9%、1.9%、1.0%和7.6%。PE/MPF复合材料在冷热交变25次后拉伸强度从19.4 MPa降至18.9 MPa，弯曲强度从20.1 MPa降至19.9 MPa，弯曲模量从1 429 MPa降至1 419 MPa，冲击强度从27.4 kJ/m2降至25.1 kJ/m2，分别下降2.6%、1.0%、0.7%和8.4%。PE/PF的拉伸强度则由17.6 MPa降至15.9 MPa，弯曲强度由19.2 MPa降至16.6 MPa，弯曲模量由1 312 MPa降至1 244 MPa，冲击强度由22.4 kJ/m2降至16.7 kJ/m2，分别下降9.7%、13.5%、5.2%和25.4%。从以上数据可以看出，在冷热交变循环25次后，PE、PE/MPF复合材料拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量下降都不超过3%，而冲击强度下降不超过10%，性能保持优异，而PE/PF复合材料性能下降更加明显，说明纯PE耐冷热交变性能优秀，而PE/PF复合材料耐候性能相对较差，经过表面改性后，复合材料耐冷热交变性能明显恢复。在PE冷热交变过程中，由于PF与PE基体的热膨胀系数不同，导致在循环过程中复合材料界面间产生应力作用，过多的应力下复合材料基体与PF发生分离，是复合材料冷热交变时性能降低的原因，而MPF表面含有可以滑动的碳链，能够利用碳链的形变转移冷热交变时复合材料界面应力，因此PE/MPF复合材料耐冷热交变性能明显提高。3结论利用十六烷基三甲氧基硅烷对植物纤维表面进行改性，制备表面改性的植物纤维，利用熔融挤出法制备木塑复合材料。以复合材料力学性能为指标，探讨植物纤维表面改性对复合材料耐自然老化、紫外老化和冷热交变性能的影响，制备具有较好耐候性的木塑复合材料（1）纯PE耐候性能较好，但PE/PF复合材料耐候性下降明显，经过PF表面偶联改性后，复合材料耐自然老化性能明显提高，PE/MPF复合材料自然老化180 d后拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量和冲击强度分别下降3.1%、2.0%、3.1%和10.6%。（2）PE耐冷热交变性能优秀，而PE/PF复合材料耐冷热交变性能较差，表面改性植物纤维替代植物纤维后能够大幅提高复合材料的耐冷热交变性能，PE/MPF复合材料耐冷热交变性能优异，冷热交变循环25次后，复合材料拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量和冲击强度分别下降2.6%、1.0%、0.7%和8.4%。（3）纯PE、PE/PF、PE/MPF复合材料耐紫外老化性能均较差，PF的表面改性对复合材料耐紫外线性能无明显影响。