木质素/高密度聚乙烯（HDPE）复合材料与木材/HDPE复合材料的力学性能比较

《Journal of Applied Polymer Science》：Comparison of Mechanical Properties of Lignin/High-Density Polyethylene (HDPE) Composites and Wood/HDPE Composites

本研究比较了木质素塑料复合材料（LPCs）与木质素塑料复合材料（WPCs）的机械性能，发现采用钠木质素磺酸盐（SLS）和马来酸酐接枝聚乙烯（MAPE）复合的LPCs在拉伸强度（35.17 MPa）和模量（2.87 GPa）方面与WPCs相当，验证了木质素作为替代材料在建筑行业的可行性。

　　在当今工业和环境问题日益受到关注的时代，利用可再生资源开发高性能材料成为研究热点之一。木质素作为一种丰富的天然聚合物，仅次于纤维素，其在造纸工业中作为副产品被广泛回收，成为制造生物基复合材料的重要原料。木质素具有天然丰富、成本低廉、热稳定性良好、抗氧化和抗菌等特性，使其成为一种理想的填料，用于增强塑料复合材料的性能。然而，由于木质素和非极性聚合物（如聚烯烃）之间存在化学极性差异，两者之间的相容性较差，导致复合材料在力学性能上受到限制，例如脆性增加、延展性降低等。

本研究旨在探索如何通过合理的工艺手段和材料选择，将木质素复合材料（LPCs）开发为一种可行的替代材料，用于建筑行业中的木质纤维塑料复合材料（WPCs）。WPCs因其耐用性、低维护成本和良好的外观特性，广泛应用于建筑领域，如地板、墙板和户外家具。然而，随着对可持续材料需求的上升，研究者们正在寻找更环保、成本更低的替代方案，而木质素复合材料因其来源广泛和可降解性，被视为一种有潜力的材料。然而，如何在保证其性能的前提下实现大规模生产，是目前研究中的一个关键挑战。

本研究采用高密度聚乙烯（HDPE）作为基体材料，与两种木质素填料——水溶性的钠木质素磺酸盐（SLS）和疏水性的木质素脱碱（LD）进行复合。SLS是通过硫酸盐法（sulfite process）制备的，而LD则是在SLS的基础上通过进一步的化学处理（如脱磺化、氧化、水解和去甲基化）获得的。为了提高木质素与HDPE之间的相容性，研究中引入了马来酸酐接枝聚乙烯（MAPE）作为相容剂，其含量为5%。通过这种方法，研究人员发现，SLS基木质素复合材料（SLS50M5）在弯曲强度和模量方面表现出与基准WPCs相当的性能，分别为35.17 MPa和2.87 GPa，而LD基复合材料（LD50M5）虽然表现出更高的延展性，但其强度和模量略低于SLS基材料。这种差异可能与LD在制备过程中经历的化学处理导致其分子结构部分降解有关。

在实验设计方面，研究团队首先对填料进行了干燥处理，确保其在后续混合过程中不会因水分影响性能。随后，将干燥后的填料与HDPE粉末混合，并在双螺杆混合机中进行熔融混合。混合过程中，温度被控制在150°C左右，以确保HDPE充分熔化而不发生热降解。混合后的材料通过颗粒化处理，并最终在注塑机中成型为拉伸和弯曲试样。注塑参数经过优化，确保了材料在加工过程中的均匀性和结构完整性。

在机械性能测试方面，研究团队使用了Instron 5582伺服电液测试机进行拉伸试验，并采用三支点弯曲法对材料的弯曲性能进行了评估。测试结果显示，未经相容剂处理的木质素复合材料在拉伸强度和弯曲强度上均低于纯HDPE，这表明木质素与HDPE之间的相容性较差，容易导致材料脆化。然而，当加入5%的MAPE后，拉伸和弯曲强度显著提高，达到与WPCs相当的水平。这种提升可能归因于MAPE中的马来酸酐基团能够与木质素或木粉中的羟基发生反应，从而形成较强的共价键，改善了界面结合，增强了复合材料的整体性能。

此外，研究还通过热重分析（TGA）评估了不同填料的热稳定性。结果显示，SLS的热分解温度（T_d,5%）最低，约为193°C，而LD的热分解温度较高，约为243°C，这表明LD在热稳定性方面优于SLS。然而，SLS在热处理过程中表现出更缓慢的重量损失，且在高温下仍保留较高的残余物，这可能与其分子结构中富含磺酸基团有关。相比之下，LD经过进一步的化学处理，去除了部分不稳定结构，如磺酸基团，从而提高了其热稳定性。

研究还探讨了不同木质素制备工艺对复合材料性能的影响。例如，通过比较不同来源的木质素（如硫酸盐法、碱法和有机溶剂法）制备的复合材料，发现不同处理方式会影响木质素的分子结构和化学性质，从而影响其与HDPE的相容性。研究指出，通过化学接枝或改性可以有效提高木质素与聚合物之间的相互作用，但这些方法可能会带来额外的成本和环境负担。相比之下，添加相容剂（如MAPE）被认为是一种更高效、经济的策略，因为它可以被直接引入到现有的工业制造流程中，无需对木质素进行复杂的化学改性。

从研究结果来看，SLS基木质素复合材料在力学性能上表现最佳，特别是在拉伸和弯曲强度方面。这可能与SLS较高的分子量和交联密度有关，使其在基体中具有更强的刚性和更高的承载能力。然而，LD基材料由于其较低的分子量和部分降解，虽然在延展性上优于SLS基材料，但在强度方面有所不足。因此，研究建议在实际应用中，根据所需的性能需求选择合适的木质素类型和相容剂配比，以实现最佳的材料性能。

此外，研究还通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析了SLS和LD的化学结构差异。FTIR光谱显示，SLS在3400 cm^?1附近具有明显的羟基吸收峰，而LD的羟基峰相对较弱，这可能与其在制备过程中经历的脱磺化和去甲基化处理有关。同时，SLS在1043 cm^?1处的磺酸基团吸收峰比LD更为明显，进一步验证了LD在化学处理过程中部分去除了这些基团，从而提高了其热稳定性和机械性能。

研究还指出，尽管MAPE在提高复合材料性能方面表现出色，但其添加量需要根据具体的填料类型进行优化。例如，对于SLS基材料，添加5%的MAPE即可显著提升其强度和模量，而LD基材料可能需要更多的相容剂才能达到相似的性能。此外，研究团队还发现，某些情况下，直接对木质素进行化学接枝（如将马来酸酐接枝到木质素分子上）并未显著改善其性能，这可能是由于接枝过程中形成的空隙结构降低了材料的整体强度。相比之下，通过熔融混合引入MAPE的方式更有利于材料的均匀分散和界面结合。

从实际应用的角度来看，木质素复合材料在建筑行业具有广阔的前景。其不仅可以作为传统WPCs的替代材料，还可以用于制造更环保、成本更低的复合材料产品。然而，为了实现大规模生产和商业化应用，还需要进一步优化加工参数，确保材料在高温处理过程中不会发生不可逆的降解。此外，对于不同类型的木质素和填料，需要深入研究其化学性质和微观结构，以更好地理解其对复合材料性能的影响。

综上所述，本研究通过系统分析木质素复合材料的热稳定性和机械性能，为开发高性能、环保的建筑复合材料提供了重要的理论依据和技术支持。研究结果表明，通过合理的相容剂选择和工艺优化，木质素复合材料可以在强度和模量方面达到与传统WPCs相当的水平，从而为可持续材料的发展提供了新的思路。未来的研究可以进一步探索不同木质素来源、不同相容剂类型以及不同加工条件对复合材料性能的影响，以期开发出更加高效、经济的木质素基复合材料体系。