不同變量因子對木塑復合材料的力學性能研究

康浩，郝妙琴

(荔浦師范學校，廣西 桂林 546600)

開展木塑復合材料的研究，首先應了解原料的選取，實驗方案、技術(shù)路線的設(shè)計，須對木纖維/聚丙烯、木纖維/聚乙烯復合材料制備工藝進行研究，確定最佳工藝因子，使其符合相關(guān)板材的物理力學性能指標。

在實際生產(chǎn)中，生產(chǎn)木質(zhì)纖維復合材料常采用輥壓和注塑成型工藝，輥壓成型主要生產(chǎn)薄型板材，通過連續(xù)輥壓機時，在壓力鋼帶與中心熱壓輥之間被壓成毛坯帶[1～5]。因中心熱壓輥始終直接接觸板坯，傳遞壓力及熱量, 因而熱量損失小，產(chǎn)品沒有預固化層，板材不需要砂光，其特點是與板坯成型、預壓、預熱熱壓、冷卻等工序運行速度完全同步，因而使用連續(xù)輥壓熱壓機生產(chǎn)該復合材料，不僅可保證產(chǎn)品質(zhì)量，而且低耗高效運行。

注塑工藝是一種注射兼模塑的成型方法。注塑成型方法的優(yōu)點是生產(chǎn)速度快、效率高，操作可實現(xiàn)自動化，花色品種多，形狀可以由簡到繁，尺寸可以由大到小，而且制品尺寸精確，產(chǎn)品易更新?lián)Q代，能成形狀復雜的制件，現(xiàn)已成為生產(chǎn)WPC過程中主要加工成型方法[6～8]。注塑成型適用于大量生產(chǎn)與形狀復雜產(chǎn)品等成型加工領(lǐng)域，其方法是在一定溫度下，通過控制成型壓力、成型周期等因素，使螺桿攪拌完全熔融的塑料材料，用高壓射入模腔，經(jīng)冷卻固化后，得到成型產(chǎn)品。

除此之外，在部分企業(yè)仍采用擠出成型，其可生產(chǎn)具有某些特殊結(jié)構(gòu)的復合型材，例如生產(chǎn)空心板等。

而本課題采用聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)及木質(zhì)纖維為原料，由于生產(chǎn)設(shè)備影響，實驗采用人造板平壓“熱進冷出”工藝技術(shù)，對不同配方下不同參數(shù)中PP/木纖維、PE/木纖維復合材料制備工藝及性能進行分析研究。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

楊木纖維，60～80目，榆林市鑫潤木粉廠；聚丙烯塑料，A.Z30S型，中國石油天然氣股份有限公司；聚乙烯塑料，DFDA7047，中國石油天然氣股份有限公司；γ-氨丙基三乙氧基硅烷，純度≥98%，廣州憶暉盛化工有限公司；γ-(2,3-環(huán)氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷，純度≥98%，廣州憶暉盛化工有限公司。

1.2 實驗儀器

實驗用主要設(shè)備見表1。

表1 主要儀器設(shè)備

1.3 復合材料制備方法

木纖維復合材料制備工藝流程見圖1。

圖1 木纖維復合材料制備工藝流程

1.3.1 木質(zhì)纖維處理

（1）粉碎與篩選：首先將楊木枝椏材粉碎成細小纖維，同時為了增加木纖維與塑料相結(jié)合的表面積，提高木塑復合材料的物理力學性能，因此要將粉碎后的木纖維進行除雜處理，要求原料無雜物，霉變，大小均等，得到2.0±0.5 mm形態(tài)的木纖維，同時符合人造板平壓要求[9～10]。

（2）干燥：溫度作為影響木材干燥的重要因素，溫度升高，纖維中水蒸氣壓力升高，液態(tài)自由水黏度降低，有利于水分移動和擴散，但溫度過高于120℃時，會引起纖維顏色加深，甚至焦化；當溫度小于110℃時，木質(zhì)纖維易造成型材表面不光潔,發(fā)泡等問題，從而使得木質(zhì)纖維不能達到使用要求，故木質(zhì)纖維干燥溫度選擇110～120℃，在此溫度區(qū)間內(nèi)，木纖維具有良好的物理力學穩(wěn)定性，同時也有利于木纖維與塑料的共混加工[11～12]。

1.3.2 熔融混煉

實驗室采用雙輥筒式開煉機適合于橡膠、塑膠行業(yè)中聚合物等化工原料的混煉加工，根據(jù)不同的使用要求，將各種原料均勻混合，調(diào)節(jié)輥筒的溫度，通過兩輥筒相對回轉(zhuǎn)，使膠粒在兩輥縫中進行機械加工，從而達到新要求的顏色和質(zhì)量[13]。

1.3.3 造粒

將混煉所得的材料放置空氣中降溫，待將至常溫后放入低噪音塑料粉碎機中進行粉碎，粉碎過程中帶好手套注意自身安全，將粉碎所得材料從粉碎機下方的鐵框中拿出，繼續(xù)放入粉碎機中，將材料粉碎至少3次后收入提前編好號的袋中。

1.3.4 熱壓成板

取兩塊夾板在上面鋪上一層錫箔紙，在錫箔紙上鋪滿石蠟，用手抹勻，然后再其中一塊夾板上放上定型框，注意不要損壞錫箔紙，在框內(nèi)倒入被碎粉的材料，將另一塊夾板放在上面，然后將其放在已經(jīng)預熱完畢的熱壓機中，將工藝參數(shù)控制在180℃，9 MPa，熱壓20 min，取出夾板中的木塑復合材料[14～20]，放置冷卻，編號，使其與之前袋上的編號一致。

1.4 木塑復合材料的制備

將不同配方中稱量好的聚丙烯和聚乙烯、干燥改性處理后的木質(zhì)纖維攪拌均勻混合，并置于煉膠機中混煉，待混合均勻后采用碎料機碎料三次[21～23]，得到顆粒狀成型材料，分裝備用。其次，按實驗方案將脫模劑石蠟均勻涂在墊板表面，然后將混合后成型材料手工鋪裝成250 mm×250 mm×6 mm的疏松板坯，再在室溫狀態(tài)下預壓，預壓壓力為1 MPa，時間約為2 min，接著預熱，待溫度升高至預定溫度后進行熱壓。

1.5 變量因子的選擇

（1）樹脂成分

用不同塑料與木纖維復合制作出復合材料，檢測性能，分析不同塑料對木塑復合材料性能的影響。本實驗隨機選擇到了PP和PE兩種塑料作為復合材料基體，比較其影響的大小，選出最優(yōu)基體，見表2。

表2 各板材編號及其配方

（2）木纖維與塑料的比例

通過改變木纖維與塑料的比例制作出復合材料，分析不同木塑比對復合材料性能的影響。本實驗選擇四種木塑比即35:65、40:60、45:55、50:50來制作木塑復合材料，測試其性能，選擇最優(yōu)木塑比，見表2。

（3）偶聯(lián)劑的種類

通過改變偶聯(lián)劑的種類來測定偶聯(lián)劑對木塑復合材料性能的影響。本實驗選擇兩種硅烷偶聯(lián)劑即KH550和KH560來對木纖維進行改性，制得木塑復合材料并測性能，比較兩種偶聯(lián)劑的改性效果有何差異并選擇最優(yōu)偶聯(lián)劑，見表2。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 變量因子對復合材料斷裂伸長率的影響

根據(jù)所得數(shù)據(jù)，分別做出在不同塑料基體的條件下，木塑比對不同偶聯(lián)劑處理的木纖維所得復合材料斷裂伸長率的折線圖，并做出比較，如下圖2、3。

由圖2可知，在塑料基體為PP時，在木塑比為35/65～45/55范圍內(nèi)，復合材料斷裂伸長率先增加后下降，由圖可得，木塑比在40:60時，斷裂伸長率最大。在上升過程中，纖維起到良好的拉伸作用，使得該復合材料的斷裂伸長率增加，但當纖維含量超過40%時，纖維與塑料間結(jié)合度降低，沒有形成緊密結(jié)合，因此在木塑比超過40:60后，斷裂伸長率下降。由圖3可知，在以PE為塑料基體時，木塑比在40:60時，斷裂伸長率最大，與PP為基體的木塑復合材料一樣，在木塑比超過40:60后，隨著木纖維含量的增加，纖維與塑料間結(jié)合度降低，斷裂伸長率隨之降低。

圖2 PP木塑比對復合材料斷裂伸長率影響

圖3 PE木塑比對復合材料斷裂伸長率影響

2.2 變量因子對復合材料拉伸強度的影響

圖4 、5是不同塑料基體的條件下，木塑比對不同偶聯(lián)劑處理的木纖維所得復合材料的拉伸強度的折線圖，如圖4可知，在以PP為基體的木塑復合材料隨著木塑比的增加呈現(xiàn)先增長后下降的趨勢，可以看出，在木塑比為40:60時，拉伸強度最大，在木纖維含量超過40%后，拉伸強度開始下降，在纖維含量少于40%時，木纖維與PP結(jié)合度能承受足夠大的拉伸強度，超過40%之后，結(jié)合度下降，導致拉伸強度隨之下降。同理如圖5，在以PE為基體的木塑復合材料隨之木塑比的增加拉伸強度呈現(xiàn)與PP基木塑復合材料同樣趨勢的變化。如上二圖可知，在木塑比為40:60時，木塑復合材料的拉伸強度最大。

圖4 PP木塑比對復合材料拉伸強度影響

圖5 PE木塑比對復合材料拉伸強度影響

2.3 變量因子對復合材料靜曲強度及彈性模量的影響

靜曲強度是材料剛性的體現(xiàn)，是決定材料的使用價值及使用領(lǐng)域的重要指標[24～26]。塑料含量對復合材料的靜曲強度影響較大，木纖維含量增加意味著塑料含量減少，木纖維含量從35%增加到40%，靜曲強度亦隨之增大，木纖維是復合材料中抵抗形變的受力主體，塑料在其中主要起膠黏劑的作用[27～29]，但隨著木纖維含量的增大，靜曲強度卻減小，隨著木塑比的增大，與塑料結(jié)合的木纖維變少，達到一定極限作用就會減小，因而出現(xiàn)木塑比超過40:60后，靜曲強度就下降的情況。因此在一定范圍內(nèi)提高木纖維加入量有利于保證纖維間的膠合，材料承受外力的能力增強，繼而靜曲強度提高。

圖6 PP木塑比對復合材料靜曲強度影響

圖7 PE木塑比對復合材料靜曲強度影響

彈性模量是理想材料有小形變時應力與相應的應變之比，是材料變形難易程度的表征，和靜曲強度一樣，彈性模量是材料的一種最重要且最具特征的力學性質(zhì)[30]。塑料受到外力分子鏈長容易發(fā)生形變，表現(xiàn)出很好的韌性，但剛性很低平壓工藝中纖維作為基本原料，塑料充當膠黏劑，受力主體是木纖維，而膠黏劑是應力的傳遞者，當木纖維確定后，膠黏劑對力的傳導直接影響著整體性能，界面結(jié)合的好壞是外力能否均勻傳導的直接影響因素[31]。由上圖可知，隨著纖維含量的增加，該復合材料的靜曲強度呈先上升后下降的趨勢，在上升過程中，纖維起到良好的拉伸作用，使得該木質(zhì)纖維柔性復合材料的靜曲強度隨之增加，但當纖維含量超過40%時，由于纖維與塑料間結(jié)合度降低，沒有形成緊密結(jié)合，因而靜曲強度也隨之降低。

圖8 PP木塑比對復合材料彈性模量影響

圖9 PE木塑比對復合材料彈性模量影響

2.4 變量因子對復合材料沖擊強度的影響

由圖10可知，在KH550處理下的PP基復合材料隨著木塑比的增加，沖擊強度逐漸下降，這是由于增加纖維含量致使整個復合材料的致密性隨之降低，進而導致沖擊強度下降。而以KH560處理后的PP基復合材料的沖擊強度在木塑比增加的同時呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，說明在一定程度上，KH560的改性效果比KH550的好。圖11可知KH550和KH560改性后的木塑復合材料的沖擊強度隨著木塑比的增加都在下降，說明基體的選擇也會對復合材料產(chǎn)生很大的影響。

圖10 PP木塑比對復合材料沖擊強度影響

圖11 PE木塑比對復合材料沖擊強度影響

2.5 最優(yōu)變量因子的選擇

分析不同變量因子對木塑復合材料的物理力學性能的影響，可以對木塑復合材料形成的關(guān)鍵因素與性能之間的關(guān)系有更深入的理解，現(xiàn)根據(jù)上述分析得到的結(jié)論，對變量因子與復合材料性能相關(guān)性進行總結(jié)，并對最優(yōu)因子的確定進行進一步的討論。

2.5.1 木塑比對復合材料的影響

木塑比對復合材料性能都有一定的影響，在測定的物理力學性能中，木塑比對復合材料的拉伸強度和彈性模量具有較大的影響，其次影響靜曲強度、斷裂伸長率和沖擊強度。

2.5.2 偶聯(lián)劑的種類對復合材料性能的影響

偶聯(lián)劑主要用于對木纖維的改性，影響著木纖維與塑料之間的結(jié)合度，不同的偶聯(lián)劑對木塑復合材料有一定影響，經(jīng)過試驗得到，KH560的效果比KH550的好。

2.5.3 塑料對復合材料性能的影響

本實驗選用了兩種塑料即PP和PE，并做出了比較，PE基復合材料比PP基復合材料性能好，在測出的幾組物理性能中，很明顯，PE對復合材料產(chǎn)生的積極影響要比PP的好。

3 總結(jié)

本文主要研究了同質(zhì)透心型木質(zhì)纖維復合材料的制備工藝，并且對該復合材料進行了相關(guān)物理力學性能分析，研究不同工藝參數(shù)，不同組分加入量分別對該復合材料的性能影響，經(jīng)過綜合實驗，得出以下結(jié)論：

（1）木塑比對木塑復合材料性能影響。

通過采用三種不通過木塑比即35:65、40:60、45:55、50:50，隨著纖維含量的提高，板材沖擊強度下降，同時，但靜曲強度、彈性模量、拉伸強度與斷裂伸長率隨著纖維含量的增加呈先上升后下降趨勢。其最佳木塑比為40:60。

（2）塑料種類對木塑復合材料的影響。

通過對兩種復合材料的各項性能的比對，得出PE基性能更優(yōu)。

（3）實驗選用不同偶聯(lián)劑對木纖維進行改性，通過比較發(fā)現(xiàn)KH560改性后的復合材料的性能更優(yōu)。