表面改性对纳米sio2增强木纤维-pp复合材料微观结构及性能的影响

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1、表面改性对纳米SiO2增强木纤维/PP复合材料微观结构及性能的影响　　引言　　纳米SiO2粒子为无定型白色粉末，无毒、无味，微结构为球形，呈絮状和X状的准颗粒结构，表面含有大量的羟基，不仅具有纳米效应，还具有优越的稳定性、补强性、增稠性和触变性-5。有研究表明，使用纳米SiO2粒子可有效增强木纤维/PP复合材料的力学性能、吸水性能及热稳定性能。李坚等采用溶胶-凝胶法制备了性能优异的木材/纳米SiO2气凝胶材料，Saka.S等利用纳米SiO2制备出了木材-无机复合材料，相比于木材，该复合材料具有较好的力学强度、尺寸稳

2、定性和阻燃性等。但由于纳米SiO2与木纤维/PP之间存在界面相容性问题，纳米SiO2对木纤维/PP的性能提高量与理论值相差很大-8。因此有必要对纳米SiO2在木纤维/PP内的分散机制进行研究。　　王敏研究了不同分散剂对纳米TiO2分散的影响及其对纳米TiO2在木材内的分布;雷晶旭研究了纳米粒子的均匀分布程度对PE基木塑复合材料性能的影响;曾志海研究了纳米ZnO的加入量对其在基体内分布的影响。从已有的研究报道来看，纳米粒子在聚合物基体中的分散特征-18主要有所示的3种：(a)为分散性良好的纳米粒子，大小均一，达到了纳

3、米级别，在基体中均匀分布;(b)为已分散的纳米粒子，在基体中又出现了团聚体，(c)是没有经过表面改性处理的纳米粒子，其大小不一，并且在基体中团聚成颗粒体的形态。　　文中研究了经过不同表面改性的纳米SiO2在木纤维/PP复合材料内的分散状态，并探究了纳米SiO2增强木纤维/PP复合材料的力学性能及吸水性能。　　1材料及方法　　1.1试样制备　　将纳米SiO2置于干燥箱中干燥24h，取出，溶于一定量的无水乙醇溶液中，利用高速剪切仪分散30min;取一定质量分数的KH570置于无水乙醇中预水解30min，将水解好的KH5

4、70加入之前溶有纳米SiO2的无水乙醇溶液中，剪切分散2h;整个试验过程在恒温水浴锅中进行，水浴温度为75℃。最后利用超声波分散1h。分别经过抽滤，利用热的无水乙醇冲洗滤饼，干燥，研磨，制得改性后的纳米SiO2。　　木纤维进行碱处理，选择质量分数为10%的NaOH溶液浸泡木纤维48h以上，目的是提高木纤维与聚丙烯之间的界面相容性，对经过碱处理的木纤维进行反复洗涤，直至达到中性，并干燥24h。　　用质量分数为0%、5%、10%和15%的KH570改性纳米SiO2，并将进行改性分散后的纳米SiO2，与经过处理的木纤维混

5、合，将混合料经过干燥后，加入到双辊混炼机(型号：XK-160，青岛鑫诚产)中，共混10min，与熔融状态的PP混炼均匀。　　冷却后的块状混合物经强力破碎机(型号：PC-300)破碎成粒料后，铺装在模具中，170℃，10MPa，12min，通过热压机(型号：Y33-50，上海产)模压成型，板材规格：250mm250mm6mm。　　1.2表征与分析　　纳米SiO2的粒度由英国马尔文公司Mastersizer2000型激光粒度仪测定，分析范围0.02～2000μm;红外分析由日本SHIMADU公司的IRAffini

6、ty-1测定，波长范围350～8300cm-1，用KBr压片，扫描速度为10Hz。　　纳米SiO2表面改性前后增强木纤维/PP复合材料由JC2000D接触角测定仪测定，水滴体积为6μL;结晶度由荷兰菲利普公司生产的X射线衍射仪测定，X射线源：CuKαλ=0.154056nm，扫描范围25°～60°，转靶速度8°/min。纳米SiO2在木纤维/PP复合材料中的分散状态由美国FEI公司的Quanta450型SEM表征。　　1.3性能测试　　按照GB/T1843-2

7、008和GB/T9341-2000，利用电子万能力学试验机(型号：M1为初始质量，g;M2为浸水后质量，g。吸水率=(M1-M2)/M1100%(1)按照GB/T1934.1-2009，测试复合材料的吸水膨胀率，将复合材料放入25℃的恒温水槽中浸泡24h，分别对复合材料浸入水槽前后的尺寸进行测量。　　2结果与分析　　2.1纳米SiO2　　改性前后的粒径分布纳米SiO2改性前后粒度变化见。未改性时((a))，纳米粒子已经部分出现团聚，绝大部分纳米粒子集中在140nm左右。经质量分数为5%的KH570改性后纳米SiO2

8、的粒径分布见(b)，可以看出：纳米粒子平均粒径为62nm左右。经过KH570改性后纳米SiO2粒径相比于改性前出现了明显的降低，分析原因主要有以下两点：一是硅烷偶联剂KH570的水解基团与纳米SiO2粒子表面的羟基发生了化学键合或物理吸附，在粒子表面形成有机吸附层，从而削弱了纳米SiO2增强木纤维/PP复合材料微观结构及性能的影响二根据胶体的电化学性质，溶胶