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聚氯乙烯(PVC)是被人类大量使用的主要塑料品种之一,综合性能优良。木质素是自然界中在总量上仅次于纤维素的第二大天然有机高分子化合物,它与纤维素和半纤维素共同形成植物体的骨架,可再生,可生物降解,是自然界中一种能大量提供可再生芳基化合物的非石油资源。将木质素及其改性产物与聚氯乙烯进行共混,如果所得共混材料的性能与聚氯乙烯制品相比没有太多的下降,甚或有某种程度的提高,从而可以大量替代现有聚氯乙烯制品,则既可以为木质素这种长期以来被当作工业废料而仅作低值处理的可再生资源找到一个量大而面广的应用渠道,同时可以减少聚氯乙烯的用量及其制品的成本。
采用乙醇一无机酸二步法对工业碱木质素进行提纯处理,在水醇比较低时可获得较好外观的纯化木质素,且过滤方便,操作简单,但产率较低。随着水醇比的增加,虽然纯化木质素的产率提高,但所得产物的外观将与普通酸析法逐渐趋同,过滤操作也逐渐趋于困难。增加酸用量可以提高纯化木质素的产率,但当酸用量达到一定值时,随着酸用量的增加,产率几乎不变。在相同的酸用量下,纯化木质素产率随水醇比增加而增加。在低水醇比时,预加酸处理可以大大增加纯化木质素的产率,但水醇比较高时,预加酸反而使产率有所降低。
考察了聚氯乙烯与纯化木质素直接共混、聚氯乙烯与经丙烯酸酯共聚乳液包覆改性处理的纯化木质素的共混以及聚氯乙烯与经硅酸钠/丙烯酸酯共聚乳液双重包覆改性木质素的共混等各体系的流变性能、静态热稳定性和力学性能,并对部分试样的低温脆断表面用扫描电子显微镜进行了断面形貌观察。
木质素与聚氯乙烯的直接共混试样,与聚氯乙烯对比试样相比,其流变性能的改变表现为共混试样的塑化时间缩短,塑化扭矩增大,对平衡扭矩则影响不大,加工稳定性略有下降。木质素对共混物中聚氯乙烯的降解具有抑制作用,但添加量较多时,木质素在较低温度时的结构调整产物对聚氯乙烯的初期分解具有催化作用。所以,只有当木质素添加量较少时,对聚氯乙烯的降解才具有全程抑制作用。少量添加木质素,对聚氯乙烯具有一定的增韧作用,但添加量较多时,共混试样的力学性能随木质素添加量增加而变差。共混试样低温脆断表面的扫描电子显微图片表明,木质素与聚氯乙烯的相容性较差。
木质素用丙烯酸乙酯均聚或共聚乳液包覆处理后,对共混体系的流变性能和静态热稳定性没有明显的影响,跟直接共混试样相比没有太大的差别。适当单体配比和用量的丙烯酸乙酯-丙烯酸共聚乳液处理木质素对聚氯乙烯/木质素共混体系有明显的同时增强增韧效果。丙烯酸乙酯-马来酸酐共聚乳液对聚氯乙烯/木质素共混体系也具有同时增强和增韧的作用,但其增强作用比丙烯酸乙酯-丙烯酸体系弱,而增韧作用明显,但其增韧作用随共聚物中含羧基的MA结构单元比例增加的变化不大,所以其最大增韧效果不如丙烯酸乙酯-丙烯酸体系。共混试样低温脆断表面的扫描电子显微图片表明,木质素用两种共聚乳液处理后,都可以很好地改善其与聚氯乙烯基体的界面结合。这种界面结合的改善应当是丙烯酸酯共聚物的贡献。一方面,其分子结构中少量的羧基能与木质素中的羟基等极性基团形成氢键,在加工条件下有可能缩合成酯键,从而与木质素颗粒牢固地结合在一起;另一方面,它与聚氯乙烯基体有着极好的相容性,能与之进行分子水平的融合,从而将木质素与聚氯乙烯较好地结合在一起。
用硅酸钠和丙烯酸酯共聚乳液双重处理的木质素,其共混试样的力学性能比单用丙烯酸酯共聚乳液处理的木质素共混试样差。
在各种改性方案中,丙烯酸单体比例为3.75%的丙烯酸乙酯-丙烯酸共聚乳液改性的木质素与聚氯乙烯的共混体系具有最好的同时增强增韧效果,其最佳用量为1%(乳液干重相对于木质素重量的比率,下同)。丙烯酸单体比例为5.00%的丙烯酸乙酯-丙烯酸共聚乳液改性的木质素与聚氯乙烯的共混体系则具有最好的增韧效果,但增强作用相应减弱,其最佳用量亦为1%。