全 文 ：第 35 卷 第 6 期
2014 年 11 月
内 蒙 古 农 业 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )
Journal of Inner Mongolia Agricultural University (Natural Science Edition)
Vol． 35 No． 6
Nov． 2014
沙柳材塑料复合板界面相容性的研究
*
高峰1， 张桂兰2*
(1． 内蒙古农业大学职业技术学院，包头 014109;2．内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院，呼和浩特 010018
摘 要: 为了改善沙柳材和塑料复合板材的结合强度，本研究利用扫描电镜，对复合板内沙柳材刨花与塑料界面进行了微
观结构观察。分析探讨了偶联剂种类和偶联剂用量对沙柳材塑料复合板界面相容性的影响。结果表明，本研究所采用的三
种偶联剂均可明显改善沙柳材塑料复合板的界面相容性。以 y―氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)的效果最好，SEM 图显示，
偶联剂加入量由 0%变化到 6%，塑料在刨花之间的分布越来越均匀，而且随着偶联剂用量增加，效果渐好。
关键词: 沙柳;塑料;偶联剂;界面相容性
中图分类号: TS653． 5 文献标志码: A 文章编号:1009 － 3575(2014)06 － 0123 － 06
STUDY ON THE INTEＲFACE COMPATIBILITY OF
SALIX WOOD/ PLASTICS COMPOSIED BOAＲD
Gao Feng1， Zhang Guilan2*
(1． College of Vocational and Technical，Inner Mongolia Agricultural University，Baotou，014019，China;
2． College of Material Science and Art Design，Inner Mongolia Agricultural University，Huhhot，010018，China)
Abstract: Abstract:In order to improve the bonding strength of Salix wood /plastics Composied board，The ultratructure of Salix
plastics Composiedboard was observed by scanning electron microscopy，The effects of kinds of coupling agent and silane coupling a-
gent dosage，on Salix plastics particleboard interfacial compatibility were Analysised． The results show that the three kinds of coupling
agent can obviously improve the interfacial compatibility of plastics composied board of Salix psammophila．，and the KH550 coupling
agent was best The photos by SEM show that the distribution of plastic on particle were more unin with more coupling agent dosage．
Keywords: Salix;plastics;coupling agent;interfacial compatibility
木材 /塑料复合材料，是以热塑性塑料和木材
为原料，通过挤出注塑法、实木浸注聚合法，无纺织
成型法、人造板加工压制法等各种不同的复合途径
制成的 1 种复合材料。沙柳塑料刨花板就是 1 种通
过沙柳碎料与热塑性塑料混合，采用人造板加工压
制法制成的木材塑料复合材料，无论采用什么方
法，还是通过哪种复合途径，要保证和提高木材塑
料复合材料的性能，必须解决极性木材和非极性塑
料之间界面相容性差的难题［1］。
木材和塑料复合时，界面之间相容性差的主要
原因是:木材表面有丰富的极性基团—羟基，而塑料
表面是非极性的。所以，二者复合时，界面之间不仅
形不成牢固的化学键结合，而且互相排斥，无法靠
近，也很难形成紧密的物理结合，从而造成木材塑料
复合材料的性能较差，达不到使用要求［9］。因此，
改善解决木材塑料复合时的界面相容性问题就成了
* 收稿日期:2014 － 04 － 21
作者简介:高峰(1968 －) ，男，硕士，主要从事人造板方面的研究。
* 通讯作者:E － mail:zhangguilan2003@ hotmail． com
内 蒙 古 农 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) 2014 年
木材塑料复合材料研究领域的重要课题之一［4］。
木材和塑料复合时，改善界面之间相容性的方
法很多，本研究采用偶联剂法。这是 1 种化学方法，
可明显改善和提高木材和塑料之间的结合性能，而
且具有偶联剂用量少、操作简单、使用方便等优点。
1．实验材料和方法
1． 1 材料
试材沙柳:采自位于毛乌素沙地的内蒙古鄂尔
多斯，在刨花板厂加工成刨花，干燥后含水率为 5%
－6%。
热塑性塑料:来自市场购买的聚乙烯塑料农
膜，主要成分为聚乙烯。
偶联剂:偶联剂对于木材和塑料之间的结合十
分重要。偶联剂可分为有机偶联剂、无机偶联剂和
有机—无机杂合偶联剂。后 2 种应用较少，木材塑
料复合材料使用最多的是有机偶联剂。本研究采
用有机偶联剂中的 3 种不同种类的硅烷偶联剂:y
―氨丙基三乙氧基硅烷(KH550);y －缩水甘油醚
氧丙基三甲氧基硅烷(KH560) ;y － (甲基丙烯酰
氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570) ;均由北京市申达
精细化工有限公司生产，都是无色透明液体［7］。
1． 2 主要仪器和设备
主要有电子天平、物理天平、万能试验热压机、
冷压机、干燥箱等。
1． 3 实验方法
先将固体状态下的热塑性塑料和沙柳刨花与
偶联剂相混合，并铺装成板坯。然后放入热压机加
热到一定温度，使塑料熔融，刨花软化，并在一定压
力作用下，热压成板，再移入冷压机冷却定型。重
点考察不同种类偶联剂和不同偶联剂用量对板材
性能的影响。
评价方法:木材塑料复合材料的物理力学性
能，主要由木材和塑料的自身性能以及二者之间的
界面结合强度决定。高强度的界面可以传递较大
应力而不被破坏。如果界面结合强度较弱，则在材
料承受外力时，界面就会发生断裂或分层。因此，
界面结合强度是评价界面特性的关键值。
复合材料界面性能的测定方法很多，它们可以
直接或间接地反映复合材料的界面特性。其中间
接方法是通过测定复合材料的抗弯强度、拉伸强
度、抗压强度以及内结合强度等，用其测定数值来
间接评价复合材料的界面结合性。直接测定法有
单纤维复合体法、纤维拉出法和微键合法等。这些
方法可以直接评价界面特性，其测定数值能够直接
反映界面的结合强度［2］。
复合材料的内结合强度指标是复合材料界面结
合性能的直接体现，同时也反映了复合材料在受拉
条件下，各组份的自身强度性能［12］。
2． 研究方法
在沙柳塑料刨花板制造工艺研究的基础上，应
用测定沙柳塑料刨花板内结合强度的间接方法，结
合扫描电镜来对试验结果进行分析，重点分析讨论
沙柳塑料刨花板内结合强度的试验结果和分析数
据。利用扫描电镜观察分析未加偶联剂和已加偶联
剂的沙柳塑料刨花板的微观界面结构来综合评价沙
柳塑料刨花板的界面特性。
表 1 不同种类偶联剂沙柳塑料复合板性能指标
Tab． 1 Salix plastics particleboard manufacturing technology research results of the poor
性能 水平值
工艺因子
偶联剂种类 偶联剂加量
静曲强度
(Mpa)
1 12． 963 3 10． 596 7
2 12． 386 6 13． 430 0
3 12． 793 3 14． 116 7
极差 0． 576 7 3． 520
弹性模量
(Mpa)
1 1 405． 24 1 012． 85
2 1 406． 94 1 474． 69
3 1 324． 19 1 648． 83
极差 82． 75 635． 98
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第 6 期 高 峰等:沙柳材塑料复合板界面相容性的研究
续表
性能 水平值
工艺因子
偶联剂种类 偶联剂加量
内结合强度
(Mpa)
1 0． 745 2 0． 416 5
2 0． 609 6 0． 719 3
3 0． 590 2 0． 809 1
极差 0． 155 0． 392 6
2h吸水厚度
膨胀率(%)
1 5． 16 7． 473 3
2 7． 003 3 5． 853 3
3 6． 17 5． 003 3
极差 1． 84 2． 47
表 2 沙柳塑料刨花板内结合强度(IB)方差分析表［1］
Tab． 2 Plastics particleboard of Salix psammophila internal bond strength (IB)analysis of variance in table［1］
工艺因子 自由度 偏差平方和 平均偏差平方和 F值 显著性
偶联剂种类 2 0． 31376 0． 15688 6． 85 ※※
偶联剂加量 2 1． 36520 0． 68260 29． 81 ※※
误 差 18 0． 41271 0． 0229
总 计 26 4． 04246
F0． 01(2 18 )= 6． 01 F0． 05(2 18)= 3． 55 F0． 1(2 18)= 2． 62
偶联剂种类水平
图 1 偶联剂种类与 IB的关系
Fig． 1 diagram of 1 kinds of coupling agent and IB［1］
偶联剂加量水平
图 2 偶联剂加量与 IB的关系
Fig． 2 the addition of coupling agent and IB［1］
3． 实验结果与分析讨论
3． 1 偶联剂种类对沙柳塑料刨花板界面相容性的
影响
偶联剂是 1 种一端含有极性基因，另一端含有
非极性基因的化合物，其极性一端与木质部分相
容，非极性一端和塑料部分相容，起到一个木材和
塑料之间“桥梁”的作用，从而使木材与塑料紧密结
合，明显改善木材与塑料界面的相容性，显著提高
木塑复合材料的性能［7］。本研究采用在不同种类
偶联剂和不同偶联剂加量下测定的沙柳塑料复合板
的性能指标，来反映对沙柳塑料刨花板界面相容性
的影响。从不同种类偶联剂沙柳塑料复合板性能指
标表 1 中可以看出，第 2 列，也就是偶联剂种测定沙
柳塑料刨花板内结合强类所在列的内结合强度极差
值为 0． 155 0，与其他因素列的内结合强度极差值相
比，较小。但 3 个水平的平均内结合强度值都比较
大，第 1 水平为 0． 745 2Mpa，第 2 水平为0． 609 6
Mpa，第 3 水平为 0． 590 2Mpa。3 个水平分别代表 3
种不同类型的偶联剂。因此，极差分析表中的平均
内结合强度值都比较大，是说明 3 个水平所代表的
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3 种不同类型的偶联剂对板材的内结合强度的影响
都比较大。而其极差值较小，则是说明这 3 种偶联
剂各自对板材的内结合强度的影响程度相差不大。
从沙柳塑料刨花板内结合强度方差分析表 2 中的显
著性检验结果来看，偶联剂对板材内结合强度的影
响高度显著。观察偶联剂种类与内结合强度的关
系图 1 可以更加直观地看出，图中 3 个水平所对应
的内结合强度值都比较大，但互相之间的差别不
大。这都充分说明，试验中所用的 3 种偶联剂都对
沙柳塑料刨花板的内结合强度影响比较大，但 3 种
偶联剂分别对板材内结合强度的影响差别较小。
这就间接地说明，在沙柳塑料刨花板制造过程中，
适量加入偶联剂 KH550、KH560、KH570 中的任意 1
种时，沙柳刨花和塑料的相容性都能得到较大的提
高。在 KH550、KH560、KH570 3 种偶联剂中，
KH550 相对较好。加入 KH550 偶联剂比加入
KH560 和 KH570 的效果更明显，沙柳刨花和塑料界
面的相容性改善的更好。制成的沙柳塑料刨花板
的各项物理性能都能得到明显提高。
3． 2 偶联剂加量对沙柳塑料刨花板界面相容性的
影响
首先分析不同种类偶联剂沙柳塑料复合板性
能指标表 1。从表中可以看出，第 3 列，也就是偶联
剂加量所在列的内结合强度极差值为 0． 392 6，比其
他因素的内结合强度极差值都大。说明偶联剂加
量对沙柳塑料刨花板内结合强度的影响比其他变
化因素的影响都大。从沙柳塑料刨花板内结合强
度的方差分析表 2 中的显著性检验结果来看，偶联
剂加量对复合刨花板的内结合强度的影响高度显
著。再看偶联剂加量与内结合强度的关系图 2，可
以更加直观地看出，偶联剂加量为第 1 水平 0%时，
所对应的内结合强度平均值仅 0． 416 5，当偶联剂加
量变化到第 2 水平 3%时，所对应的内结合强度平
均值显著增加到了 0． 719 3，当偶联剂加量变化到第
3 水平 6%时，内结合强度平均值又增加到了 0． 809
1，几乎比没加偶联剂时的板材内结合强度值增加一
倍。
以上分析充分说明，在沙柳塑料刨花板制造过
程中，偶联剂加量对沙柳塑料刨花板的内结合强度
有显著影响。在沙柳塑料刨花板制造工艺研究试
验规定的水平范围内，随偶联剂加量的增加，板材
的内结合强度明显增大。这就间接地说明，在沙柳
塑料刨花板制造过程中，偶联剂加量可明显改善沙
柳刨花和塑料界面的相容性，可有效提高塑料在沙
柳刨花之间渗透的均匀性，从而明显提高沙柳塑料
刨花板的各项性能［3］。
4 沙柳塑料刨花板的界面微观结构
复合材料界面相容性的研究，不仅可以通过测
定复合材料的力学性能，间接地评价复合材料的界
面特性;而且可以利用扫描电镜，对复合材料的界面
微观结构进行区域形态研究，这是对复合材料界面
结合状况的直接研究方法。
本研究利用扫描电镜(SEM)，对加入偶联剂和
未加偶联剂的沙柳塑料刨花板中的沙柳刨花和塑料
界面进行了详细观察和分析。
图 3 是未加偶联剂的沙柳塑料刨花板的微观结
构扫描电镜图，其中 a 图和 b 图是不同放大倍数的
复合刨花板微观结构 SEM图。
图 4 是加入 3%偶联剂的沙柳塑料刨花板的微
观结构扫描电镜图，其中 a 图和 b 图是不同放大倍
数的复合刨花板微观结构 SEM图。
图 5 是加入 6%偶联剂的沙柳塑料刨花板的微
观结构扫描电镜图，其中 a 图和 b 图是不同放大倍
数的微观结构 SEM图。
图 3 未加偶联剂的沙柳塑料刨花板界面 SEM图
Fig． 3 without coupling agent plastics particleboard of Salix psammophila interface
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图 4 加 3%偶联剂的沙柳塑料刨花板界面
Fig． 4 and 3% coupling agent plastics particleboard of Salix psammophila interface
图 5 加 6%偶联剂的沙柳塑料刨花板界面
Fig． 5 and 6% coupling agent plastics particleboard of Salix psammophila interface
观察图 3 可以看出，未加偶联剂的复合刨花板
中，沙柳刨花与塑料相互之间分布的不均匀，而且
塑料只是分布于沙柳刨花表面，并未渗透到刨花内
部。在图 3 的 b图中可以更清楚地看出，塑料与沙
柳刨花之间存在许多微小的空隙，使接触面积减
少，结合力降低。这些现象均说明未加偶联剂的沙
柳塑料刨花板中的沙柳刨花和塑料界面的相容性
差，结合不紧密。
观察图 4 可以发现，在沙柳塑料刨花板制造过
程中加入 3%的偶联剂以后，塑料与沙柳刨花界面
的结合情况明显改善。塑料在沙柳刨花之间的分
布比较均匀，塑料与沙柳刨花之间的空隙明显减
少，接触面积明显增加。在图 4 的 b 图中还可以看
出，分布于沙柳刨花表面的塑料有部分渗入到了刨
花内部。说明在沙柳塑料刨花板制造过程中加入
3%的偶联剂，可以明显改善塑料和刨花界面的相容
性，使刨花和塑料的界面结合紧密。
图 5 是沙柳塑料刨花板在制造过程中加入 6%
偶联剂的微观结构扫描电镜图。与图 4 对照观察不
难发现，塑料在沙柳刨花之间分布更加均匀，塑料
与沙柳刨花之间的空隙进一步减少，接触面积进一
步增大。刨花表面渗入到刨花内部的塑料明显增
加，也比较深入。这些观察结果清楚地说明，在沙柳
塑料刨花板制造过程中，加入 6%偶联剂比加入 3%
偶联剂，塑料与刨花界面的相容性改善的更好，塑料
与刨花的界面结合更紧密、更牢固。
沙柳塑料刨花板制造过程中加入一定量的偶联
剂，能改善沙柳刨花和塑料界面相容性的主要原因
是:偶联剂起到了“分子桥”的作用。偶联剂是一种
一端含有极性基团，而另一端含有非极性基团的化
合物。其极性的一端可以和木质部分相容，非极性
的一端和塑料部分相容。当沙柳塑料刨花板制造过
程中，加入一定量的偶联剂后，沙柳塑料和刨花之间
就能形成共价键，从而使沙柳刨花和塑料紧密结合
起来。另一方面，偶联剂水解后产生成氢离子，与沙
柳刨花表面的羟基发生化学反应生成水，减少了沙
柳刨花表面的羟基数量，提高了刨花的疏水性，降低
了刨花表面张力，增加了刨花的分散性，提高了沙柳
刨花与塑料的润湿性，从而进一步改善了刨花与塑
料界面的相容性。另外，偶联剂与塑料基体之间还
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存在一定的物理作用。
虽然在沙柳塑料刨花中，加入一定量的偶联剂
能够明显改善沙柳刨花和塑料界面的相容性，但并
不是越多越好。随着偶联剂加入量的增加，沙柳塑
料刨花板的力学性能会出现减小的趋势。这是因
为当偶联剂加入量达到某值时，积聚在界面上的偶
联剂分子会达到饱和，如果继续增加偶联剂加入
量，部分偶联剂就会自身聚集成弱边界层。当材料
承受外力时，该弱边界层就会首先成为破坏区域，
造成力学强度降低，耐水性也随着下降［7］。
5 结论
通过沙柳材 /塑料复合板界面相容性的研究，
得出以下结论:
5． 1 在沙柳塑料刨花板制造过程中，加入硅烷偶联
剂 KH550、KH560 和 KH570 均能较好地改善沙柳刨
花与塑料界面的相容性，提高刨花板的各项物理力
学性能。其中加入 KH550 效果较加入 KH560 和
KH570 好。
5． 2 在沙柳塑料刨花板制造工艺研究试验规定的
水平范围内，随着偶联剂用量的增加，沙柳塑料刨
花板的界面相容性明显改善，其性能指标明显提
高。本试验最高加入量为 6%，此时刨花板的界面
相容性相对较好，其物理力学性能也较佳。但 6%
的偶联剂加入量不一定是最佳的加入量，要确定最
佳的加入量还需要在 6%加入量以上适当位置选定
新的水平，继续进行试验。
5． 3 利用扫描电镜可以清楚地观察到沙柳塑料刨
花板中沙柳刨花与塑料界面的微观结构。SEM 图
显示，在刨花板中加入偶联剂后，沙柳刨花与塑料
界面的结合情况明显改善，而且随着加入量由 0%
变化到 6%，塑料在刨花之间的分布越来越均匀，塑
料与刨花界面的空隙逐渐减少，接触面积逐渐增
大，刨花表面渗入到刨花内部的塑料明显增多，增
深。表明塑料与刨花界面的相容性明显改善［8］。
参 考 文 献:
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