木塑复合材料(WPC)是一种以木材、纤维素和聚乙烯、聚氯乙烯等塑料为原料混合制备得到的新型复合材料[1]。特殊的加工方式使得这种复合材料既具有木材的优良质感，又兼具塑料的持久耐用性[2]，在需要美感和高实用性的场景具有广泛应用，如高性能材料[3]、城市公共设施[4]、装潢材料[5]、汽车内饰，电缆管材[6]等。但是，WPC中的木粉添加剂多数为颗粒状或者短条状形态，脆性大、延展性和抗冲击应力低，容易发生膨胀变形[7-8]，因此需要增强WPC的力学性能，以拓展进一步的应用。玻璃纤维(GF)由于拉伸强度和弹性模量高、耐高温耐腐蚀且成本低廉，成为性价比较好的增强纤维材料[9]。邹汉涛[10]等发现在加入KH-550或者KH-570的表面活性剂后，随着GF含量的增加，聚丙烯基木塑复合材料的力学性能得到有效改善。Rizvi等[11]在WPC中加入5%的GF后，WPC的密度增加3%，模量提高50%，断裂强度得到有效改善，但是GF和WPC之间的相容性不佳，导致GF/WPC断裂伸长率下降。本实验在WPC中加入GF，探究不同长度和不同含量的GF对GF/WPC拉伸强度、弯曲强度和冲击强度的影响，制备GF/WPC后，添加不同含量的硅烷偶联剂(KH550)和马来酸酐枝接聚乙烯(MAPE)，分别探究其对复合材料力学性能的影响。1实验部分1.1主要原料杨木粉，60目，上海嘉峰木粉有限公司；聚乙烯(HDPE)，5000s，上海石油化工有限公司；玻璃纤维(GF)，DER20，上海耀华玻璃纤维有限公司；硅烷偶联剂，KH550，南京向前化工有限公司；马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE)，PP-G-2，阿拉丁(上海)试剂有限公司；滑石粉，500目，国药试剂有限公司。1.2仪器与设备双螺杆塑料挤出机，JSH-75，南京康发橡塑机械制造有限公司；塑料注射机，202，瑞安瑞城橡胶机械有限公司；万能材料试验机，GX-2.5-10，东莞高鑫检测设备有限公司；发射扫描电镜(SEM)，NOVA Nano SEM450，美国FEI公司；冲击试验机，WKT-LC2000，江苏维科特仪器仪表有限公司。1.3样品制备GF/WPC制备：称取烘干后的杨木粉60 g、HDPE140 g置于高混机中，加入质量分数分别为0、5%、10%、15%、20%，长度分别为0、2、4、6 mm的GF和10%的滑石粉，高混机中充分混合后，将混合物料挤出造粒，八个区的温度分别为100、115、120、125、125、135、150、150 ℃，螺杆转速40 r/min，切刀速度30 r/min，将挤出的颗粒用注射机注塑成标准试样，注射温度200 ℃，注射压力12 MPa。GF/WPC复合材料的表面改性：在GF/WPC中添加质量分数分别为0.5%、1%、1.5%、2%的表面改性剂，将混合物料置于双螺杆挤出机中充分混合并挤出造粒，八个区的温度分别为100、115、120、125、125、135、150、150 ℃，螺杆转速40 r/min，切刀速度30 r/min，将挤出的颗粒用注射机注塑成标准试样，注射温度200 ℃，注射压力12 MPa。1.4性能测试与表征拉伸性能测试：按GB/T 1040—2018进行测试，拉伸速率2.5 mm/min，样条尺寸150 mm×20 mm×4 mm。弯曲性能测试：按GB/T 9341—2008进行测试，弯曲速率11 mm/min，样条尺寸80 mm×10 mm×4 mm。冲击性能测试：按GB/T 1043.1—2008进行测试，样条尺寸80 mm×10 mm×4 mm。SEM分析：对样品表面喷金处理，观察样品表面形貌。2结果与讨论2.1GF长度和含量对GF/WPC复合材料力学性能影响GF从复合材料中拔出需要克服纤维与材料间的界面结合力，GF的长度与拔出时受到的界面结合力的大小呈正相关，因此，GF的长度与复合材料的力学性能紧密相关。保持GF含量为10%，分别考察GF的长度分别为0、2、4和6 mm时，复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度等力学性能的变化。图1为不同长度GF对WPC的力学性能的影响。从图1可以看出，GF的加入提高了WPC的拉伸强度和弯曲强度，降低冲击强度。这可能是因为GF与WPC的亲和性能较差，阻碍复合材料大分子链的链接移动，导致冲击强度降低。3个力学性能变化曲线在GF长度为4 mm时达到一个峰值，拉伸强度提升至24.9 MPa，较未添加GF时升高11.16%；弯曲强度升至35.4 MPa，升高4.7%。GF长度对力学性能的影响存在一个临界值[12]，当实际长度比这个临界值小时，复合材料中的GF很容易拔出，难以起到增强复合材料强度的作用。从图1可以看出，GF/WPC中GF临界长度为4 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.001.F001图1不同长度GF对WPC的力学性能的影响Fig.1Effect of different lengths of GF on the mechanical properties of WPC选择4 mm的GF，探究GF的添加量对木塑复合材料力学性能的影响，图2为不同含量GF对复合材料力学性能的影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.001.F002图2不同含量GF对复合材料的力学性能的影响Fig.2Effect of different content of GF on the mechanical properties of composites从图2可以看出，在GF含量为15%时，复合材料的弯曲强度、拉伸强度和冲击强度达到峰值，分别为24.5 MPa、36.2 MPa和15.4 kJ/m2，相比于未添加GF的WPC分别提升10.8%和6.8%和28.3%，这说明GF改善WPC力学性能具有显著效果。当GF含量增加到20%时，拉伸强度、弯曲强度和冲击强度的数值反而呈现下降趋势。这可能是因为当GF与WPC混合时，GF与木粉颗粒相互摩擦形成较多纤维细丝，这些细丝又与GF交错在一起，形成一种三维的网状结构。当含量较低时，树脂填充在网状结构中起到增强复合材料力学性能的作用。然而，随着GF含量的增加，三维网状结构也会增加，所形成的空隙不能完全被树脂填充[13]，复合材料中可能会出现孔洞缺陷，这种缺陷的产生会使得GF的分布不均匀，树脂填充的连续性得到破坏，从而造成整个复合物吸收外部能量的能力减弱，复合材料的冲击强度降低。2.2硅烷偶联剂对GF/WPC复合材料力学性能影响GF和WPC相容性很差，在制备得到的GF/WPC复合材料通常出现脱离、断裂和拔出等各种缺陷。硅烷偶联剂一端是亲无机分子的极性基团，另一端是亲复合材料的氨基官能团硅烷，可以与复合材料之间形成化学键[14-15]，有效提升GF与WPC两者的相容性，因此本实验选择KH550表面活性剂加入复合材料中进行改性。保持GF的直径为4 mm，含量为15%，对KH550添加量分别为0.5%、1.0%、1.5%和2.0%的复合材料进行力学性能分析。图3为硅烷偶联剂(KH550)含量对复合材料力学性能的影响。从图3可以看出，随着KH550含量的增加，拉伸强度、弯曲强度和冲击强度都呈现先升高后降低的趋势，在KH550为1.5%时力学性能达到峰值，分别为24.5 MPa、36.2 MPa和13.3 kJ/m2，此时，拉伸强度、弯曲强度和冲击强度较未添加添加剂前分别提升了6.6%、12.5%和15.3%。硅烷偶联剂对复合材料的界面层均起到了良好的传递和分散外力的作用，有效改善力学性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.001.F003图3硅烷偶联剂（KH550）含量对复合材料力学性能的影响Fig.3Effect of silane agent（KH550） content on mechanical properties of composites图4为选取对力学性能改善效果最好的KH550质量分数为1.5%时，硅烷偶联剂改性前后复合材料冲击断面的SEM照片。从图4a可以看出，受到破坏的界面中GF表面光滑，长短不一，说明与复合材料界面结合性能弱，GF发生拔出现象，增强力学性能的作用减弱。从图4b可以看出，GF基本上嵌入木塑复合材料的内部，在截面上受到的破坏形式主要是断裂。说明GF与WPC之间的结合比较紧密，黏结力比较大，在受到外力作用的情况下，GF能够起到传递和分散应力的作用，力学性能的改善也说明KH550的添加可以增加WPC与GF的融合性，但是GF的表面比较光滑，没有明显被复合材料附着在表面的痕迹。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.001.F004图4硅烷偶联剂改性前后复合材料冲击断面的SEM照片Fig.4SEM images of impact section of composites before and after silane coupling agent modification2.3MAPE对GF/WPC力学性能的影响GF的直径为4 mm，含量为15%，分别探究马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE)含量为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%时，对GF/WPC力学性能的影响。图5为不同含量相容剂(MAPE)对复合材料力学性能的影响。从图5可以看出，随着MAPE含量的增加，GF/WPC的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度都呈现增加趋势。MAPE的含量为2.0%时，拉伸强度为26.5 MPa，相比纯GF/WPC提升27.4%；弯曲强度为38.9 MPa，比纯GF/WPC提升21.6%。随着MAPE含量的增加，冲击强度虽然不是逐渐升高，但在2.0%时达到最大值14.8 kJ/m2，比纯GF/WPC提升23.3%，这说明MAPE作为一种表面活性剂，可以有效地将外力传导的载荷均匀分散在截面上并吸收外界的能量，从而有效地改善复合材料的力学性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.001.F005图5不同含量相容剂（MAPE）对复合材料力学性能的影响Fig.5Effect of the content of compatibilizer （MAPE） on the mechanical properties of composites图6为不同含量相容剂改性复合材料冲击断面SEM照片。从图6a可以看出，在未添加MAPE时，GF与WPC之间有明显的空隙且表面比较光滑，GF与WPC的结合程度较弱。从图6b可以看出，在MAPE的含量为1.0%时，已经有少量的复合材附着在GF的表面上，相比未添加MAPE时表面也变得更粗糙，GF与WPC之间的结合程度更紧密。从图6c可以看出，在MAPE的含量为2.0%时，GF表面已经附着较多的复合材料，材料基底空隙相对较少，说明此时GF与WPC的结合比较紧密。这可能是因为引入大量极性基团，把GF与复合材料相互黏结，使得两者之间的黏结强度升高，在受到外力作用时，GF不容易与WPC发生分离，复合材料能够把外力负荷较好地传递给GF，使得GF呈现良好的力学性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.001.F006图6不同含量相容剂改性复合材料冲击断面SEM照片Fig.6SEM images of impact fracture surface of composite treated by different content of compatibilizer2.4表面改性剂对GF/WPC熔融结晶行为的影响图7为改性剂含量为2.0%时的复合材料添加不同表面活性剂的WPC的DSC降温曲线和二次升温曲线。图7添加不同表面活性剂的WPC的DSC降温曲线和二次升温曲线Fig.7DSC cooling curves and secondary heating curves of WPC with different surfactants10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.001.F7a1（a）DSC降温曲线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.001.F7a2（b）DSC升温曲线表1为添加不同表面活性剂的WPC结晶温度和结晶焓。从图7a可以看出，3种复合材料在29~209 ℃范围内都有一个放热结晶峰。从7b可以看出，不同添加剂在26~201 ℃范围内均有一个明显的熔融吸热峰。两个图中曲线的相似性较高，说明吸热和放热过程比较相似。在表面活性剂加入后，WPC的结晶温度变化较小，说明表面活性剂对其结晶过程影响较小。3条曲线相比之下，KH550对复合材料的影响更大一些，结晶温度最高、结晶焓最低。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.001.T001表1添加不同表面活性剂的WPC结晶温度和结晶焓Tab.1Crystallization temperature and crystallization enthalpy of WPC with different surfactants表面活性剂开始结晶的起点温度/℃结晶峰值所处温度/℃结晶终点时温度/℃结晶焓ΔHc/（J·g-1）未添加112.1118.0122.150.03KH550114.2119.0123.139.74MAPE113.5118.7122.943.112.5表面改性剂对GF/WPC热稳定性的影响对比添加相同含量活性剂时复合材料的热稳定性能，对表面改性剂含量为2.0%的GF/WPC做热稳定性分析，图8为添加不同表面活性剂的WPC的TG与DTG曲线。图8添加不同表面活性剂的WPC的TG与DTG曲线Fig.8TG and DTG curves of WPC with different surfactants10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.001.F8a1（a）TG曲线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.001.F8a2（b）DTG曲线从图8可以看出，加入不同表面活性剂的材料的热失重过程与未添加的复合材料基本一致。主要分为两个阶段，第一个阶段是300 ℃左右，WPC中不稳定的半纤维开始分解；第二阶段是450 ℃左右，材料中的纤维素和PE开始分解。第二分解阶段的失重率明显高于第一阶段，加入KH550和MAPE的复合材料分别与未添加表面活性剂的复合材料相比，热分解初始温度和最终温度基本一致，但加入MAPE的复合材料在500 ℃以上时，失重率要大于其他两种复合材料，这可能是因为加入MAPE的复合材料更容易受热分解。3结论本实验在WPC中加入GF，探究不同长度和不同含量的GF对GF/WPC拉伸强度、弯曲强度和冲击强度的影响，同时，对添加不同含量的硅烷偶联剂(KH550)和马来酸酐枝接聚乙烯(MAPE)的复合材料的力学性能进行探究。（1）在WPC中加入不同长度和含量的GF，探究对复合材料力学性能的影响。实验结果表明：GF/WPC中GF临界长度为4 mm，此时拉伸强度和弯曲强度相比于未添加时分别提升11.16%和4.7%；随着GF含量的增加，在GF含量为15%时，力学性能达到最大值24.5 MPa、36.2 MPa和15.4 kJ/m2，相比未添加GF时的WPC分别提升10.8%、6.8%和28.3%。（2）随着KH550含量的增加，拉伸强度、弯曲强度和冲击强度都呈现先升高后降低的趋势，在添加量为1.5%达到峰值，分别为24.5 MPa、36.2 MPa和13.3 kJ/m2，相比于未添加KH550的复合材料分别提升6.6%、12.5%和15.3%。（3）随着MAPE含量的逐渐增加，GF/WPC材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度整体上都呈现不断增加的趋势。MAPE改善后的复合材料最大拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别为26.5 MPa、38.9 MPa和14.8 kJ/m2，相比未添加时提升27.4%、21.6%和23.3%，三项力学性能的提升幅度都比硅烷偶联剂要大，MAPE改善复合材料的力学性能优于KH550。（4）与未添加表面活性剂的复合材料相比，添加后的复合材料的DSC降温曲线和二次升温曲线、热失重过程与未添加的复合材料基本一致，说明加入表面活性剂对复合材料的结晶行为和热稳定性无明显影响。