基于絲狀單元的木塑復(fù)合板材制備及包裝應(yīng)用性能研究

（北京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，物流運(yùn)輸量不斷提升，對(duì)于包裝箱、托盤等包裝設(shè)備的需求量也不斷攀升［1-3］。傳統(tǒng)包裝箱和托盤的原材料大多是木材，木材本身存在材質(zhì)不均、含水率高等缺點(diǎn)，在使用過程中容易導(dǎo)致尺寸穩(wěn)定性差、易霉變等現(xiàn)象［4］，研究開發(fā)綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)耐用、可持續(xù)性良好的包裝材料成為了目前包裝領(lǐng)域的熱點(diǎn)。木塑復(fù)合材料是一種以木粉、竹粉、農(nóng)作物秸稈等木質(zhì)纖維原料與聚合物復(fù)合而成的環(huán)保復(fù)合材料，兼具木質(zhì)材料和塑料的雙重優(yōu)點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、易加工、防腐耐水性能好等優(yōu)良品質(zhì)［5］。木塑復(fù)合板材的制備，可以廢棄塑料作為粘接材料，不但減少了廢棄物對(duì)環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)了不可降解塑料的再次利用，而且能使一些植物秸稈充分利用，保護(hù)資源，從而真正實(shí)現(xiàn)了綠色可持續(xù)發(fā)展。由于木塑復(fù)合材料利用木材和熱塑性塑料作為原材料，可從源頭上解決傳統(tǒng)人造板因?yàn)槭褂秒迦┖头尤┠z黏劑釋放甲醛等揮發(fā)性有害氣體的污染問題，并且因其具有可使用回收料和再次回收利用等許多特點(diǎn)，已逐漸替代傳統(tǒng)木質(zhì)材料成為一種新型綠色環(huán)保的包裝材料［6-8］。

市面上多以塑料、木粉或木材單板為原料，采用熱壓法進(jìn)行木塑復(fù)合材料的制備。范世杰［9］等以木粉、PE樹脂為原料，采用先混煉后熱壓兩步法工藝，考察了熱壓時(shí)間、熱壓溫度、材料密度對(duì)板材靜曲強(qiáng)度、彈性模量、握螺釘力等物理力學(xué)性能的影響。任從容等［10］采用正交表進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析熱壓溫度、熱壓時(shí)間、熱壓壓力和聚乙烯膜用量對(duì)復(fù)合材料物理力學(xué)性能的影響。但由于塑料粉末原料通過木質(zhì)原料之間的空隙滑落至板坯底部導(dǎo)致塑料原料在產(chǎn)品中分布不均，極性的木粉與非極性的塑料界面結(jié)合強(qiáng)度低，因此所制備的木塑復(fù)合材料力學(xué)性能較低［11-12］。因此，目前部分學(xué)者通過研究增加木質(zhì)原料的長徑比，使用絲狀熱塑性塑料替代塑料粉末原料，增加塑料基體與木材質(zhì)之間的接觸面積，制備含有大尺寸木質(zhì)單元的木塑復(fù)合材料，增加木材與塑料復(fù)合材的性能［13-15］。

本研究以大長徑比桉木絲狀單元和熱塑性塑料絲狀單元為原料制備新型定向木塑復(fù)合板，通過單因素試驗(yàn)分析板材的力學(xué)性能，得到優(yōu)化值進(jìn)行托盤包裝箱的仿真模擬分析，為該包裝箱在不同工況下的應(yīng)用提供參考。

1.1 試驗(yàn)材料

采用自制疏解機(jī)將厚度1.5 mm的桉木單板疏解制得桉木絲，木絲寬度為1.5～2 mm，長度25～30 mm。高密度聚乙烯（HDPE）薄膜購自武漢市凱蒂塑料制品有限公司，單層薄膜厚度約為0.03 mm。將薄膜裁剪成條狀，寬度2 mm。異氰酸酯偶聯(lián)劑（MDI），牌號(hào)為pm200，購自煙臺(tái)萬華聚氨酯股份有限公司。使用時(shí)按質(zhì)量比1：1與丙酮混合稀釋，噴涂在木絲與塑料絲表面。

1.2 復(fù)合板材制備工藝

復(fù)合板材的工藝流程如圖1所示。試驗(yàn)分為無偶聯(lián)劑添加、有偶聯(lián)劑（含量為板材質(zhì)量的2%）兩組。

圖1 復(fù)合板材制備工藝流程Fig.1 Preparation technology of wood - plastic composite plate with oriented filament

木絲和塑料混合物分三層進(jìn)行定向鋪裝，鋪裝方式如圖2所示?？刂撇牧虾穸?0 mm，將板坯在180 ℃下熱壓，480 s時(shí)壓力降為零并保持零壓力30 s對(duì)板坯進(jìn)行放氣。轉(zhuǎn)移至冷壓機(jī)在室溫和1 MPa壓力下保壓20 min取出制成復(fù)合板材。復(fù)合板材的制備工藝參數(shù)如表1所示。

圖2 復(fù)合板材鋪裝方式Fig.2 Directional filamentary element wood-plastic composite panel hot pressing process

表1 復(fù)合材料工藝參數(shù)Tab.1 Process parameters of composite materials

1.3 物理力學(xué)性能測(cè)試

復(fù)合材料板材經(jīng)24 h自然堆放后裁邊，按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能檢測(cè)方法》分別進(jìn)行靜曲強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度、吸水厚度膨脹率的性能檢測(cè)，不同條件測(cè)10個(gè)試件，取平均值。

1.4 有限元分析

采用Solid Works軟件進(jìn)行三維建模，并將模型導(dǎo)入Workbench軟件進(jìn)行力學(xué)仿真計(jì)算，分析帶托盤包裝箱在不同工況下的應(yīng)力及位移云圖。木箱箱體尺寸為1 200 mm×1 000 mm×1 000 mm，底部托盤尺寸為1 200 mm×1 000 mm×120 mm。基于特征的參數(shù)化造型功能建立木箱模型（見圖3）。

圖3 木質(zhì)托盤包裝箱模型Fig.3 Model of wooden tray packing box

2 結(jié)果與分析

2.1 密度對(duì)木塑復(fù)合板材性能的影響

圖4所示為HDPE含量為30%的板材，密度分別為0.3、0.4、0.5 g/cm3時(shí)對(duì)板材性能的影響。靜曲強(qiáng)度是表征復(fù)合板材從受力彎曲到斷裂時(shí)所能承受的壓力強(qiáng)度，靜曲強(qiáng)度值越高，表明復(fù)合板材的抗彎曲破壞的能力越強(qiáng)；彈性模量是工程建筑材料重要的性能參數(shù)，是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度；內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度是反映復(fù)合板材內(nèi)部膠合質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。由圖4（a）～（c）可知，該復(fù)合板材的物理力學(xué)性能和耐水性能與材料的密度無明顯的線性相關(guān)性。

圖4 密度對(duì)板材性能的影響Fig.4 Effect of density on physical and mechanical properties of the board

材料的密度為0.5 g/cm3時(shí)，其靜曲強(qiáng)度和彈性模量處于最大值，而密度為0.4 g/cm3時(shí)卻為最小值，分析其原因，可能是當(dāng)密度為0.3 g/cm3時(shí)板材內(nèi)部的空隙較多，由于HDPE其獨(dú)特的熱塑性性質(zhì)，使其熱熔并在壓力的作用下進(jìn)入木絲板的空隙，HDPE無規(guī)則填充空隙增加了機(jī)械互鎖，木絲與HDPE之間的界面結(jié)合性能有所增強(qiáng)，提升了板材的靜曲強(qiáng)度和彈性模量；而密度為0.5 g/cm3時(shí)，板材內(nèi)部空隙減少，板材結(jié)構(gòu)更為致密，其靜曲強(qiáng)度和彈性模量大幅提高。材料的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度在0.08～0.18 MPa之間，隨密度的增大先平穩(wěn)變化后顯著增長，材料的密度增大導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)化，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度也隨之增大。

吸水厚度膨脹率是高濕環(huán)境下復(fù)合材料的重要性能之一，特別是室外用材對(duì)吸水厚度膨脹率和吸水率有極其嚴(yán)格的要求，板材密度對(duì)復(fù)合板材吸水厚度膨脹率的影響見圖4（d）。材料吸水厚度膨脹率隨密度的增加變化率穩(wěn)定在22%～25%、78%～82%范圍內(nèi)，材料的吸水率和材料密度沒有統(tǒng)一的線性關(guān)系，這是由于材料試件的比表面積大，吸收的水分均勻分布在材料各部分，從而導(dǎo)致吸水后變化較小。

2.2 偶聯(lián)劑對(duì)木塑復(fù)合板材性能的影響

表2所示為MDI偶聯(lián)劑對(duì)HDPE含量為30%、密度為0.3 g/cm3的復(fù)合板材性能的影響。MDI偶聯(lián)劑通過與木材中的羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可以提高木材纖維表面的能量，從而提升材料的界面特性。通過表3中力學(xué)性能數(shù)據(jù)的比較發(fā)現(xiàn)，添加MDI偶聯(lián)劑后，材料的靜曲強(qiáng)度和彈性模量有了顯著提高。對(duì)于30%HDPE的材料，添加偶聯(lián)劑后靜曲強(qiáng)度由5.33 MPa提升到9.38 MPa，提高了75.98%，而彈性模量提升了近1倍。添加2%MDI后，板材的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度提高2倍。分析其原因，木材屬于親水性材料，而HDPE是疏水性材料，在不經(jīng)過處理的情況下將兩種材料直接混合進(jìn)行熱壓，兩種材料的界面結(jié)合效果很差，而MDI分子與HDPE分子的相容性很好，能夠與HDPE連接。另一方面，MDI在反應(yīng)過程中可以通過接枝共聚體使HDPE基體改性，使其與HDPE的膠合能力更強(qiáng)，從而使材料之間的連接更加緊密，力學(xué)性能整體增強(qiáng)。

表2 MDI偶聯(lián)劑對(duì)高塑料含量復(fù)合板材性能的影響Tab 2 Effect of MDI coupling agent on properties of composite board with high plastic content

通過表2中吸水厚度膨脹率的比較發(fā)現(xiàn)，未添加MDI、HDPE含量30%的材料其吸水厚度膨脹率高達(dá)26.08%，而添加MDI偶聯(lián)劑的材料耐水性能顯著提高，其吸水厚度膨脹率減小了61.7%，僅為9.99%。復(fù)合板材中HDPE為憎水性材料，幾乎不吸收水分，因此影響其吸水厚度膨脹率大小的主要因素是木材。木材分子中的羥基和水分子之間具有很好的結(jié)合性，能形成氫鍵，一方面使木材本身的體積增加，另一方面是木材與HDPE之間的連接效果變差，彼此間的距離增加，從而使復(fù)合板材吸水后厚度增加。添加MDI后使得木材與HDPE連接緊密，彼此間隔變小，同時(shí)MDI與HDPE產(chǎn)生接枝反應(yīng)，生成的共聚物為拒水材料，當(dāng)它與木纖維進(jìn)行復(fù)合時(shí)，偶聯(lián)劑會(huì)使纖維表面的氫鍵減少，部分纖維分子被共聚物所包裹，隔絕水的能力更強(qiáng)。

2.3 HDPE含量對(duì)復(fù)合板材性能的影響

添加2%MDI偶聯(lián)劑條件下，20%、25%和30%三種HDPE含量的三種板材性能見表3。通過表3可以看出，隨著HDPE含量的增加，復(fù)合板材的靜曲強(qiáng)度、彈性模量和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度都有所增加。與HDPE添加量為20%的板材相比，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的板材的靜曲強(qiáng)度、彈性模量和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度分別增加了119%、214%、167%。

表3 HDPE含量對(duì)復(fù)合板材性能的影響Tab 3 Effect of MDI coupling agent content on properties of the composite board

隨著HDPE含量的增加，板材的物理力學(xué)性能有著明顯提升，這主要是由于HDPE獨(dú)特的熱塑性性質(zhì)。在復(fù)合板材熱壓過程中，塑料熔化并在壓力的作用下進(jìn)入木材刨花間的空隙，HDPE無規(guī)則填充空隙增加了機(jī)械互鎖，形成了與木材刨花更好的連接，從而最終增強(qiáng)定向木塑復(fù)合刨花板的物理力學(xué)性能。

隨著HDPE含量增加，定向木塑復(fù)合刨花板的吸水厚度膨脹率逐漸變小。HDPE塑料為憎水性材料，其添加量越大，則親水性的木材含量越少，產(chǎn)品中能吸水膨脹的物質(zhì)也就越少；此外，塑料包裹木材，減少了水分進(jìn)入木材的通道；再者，塑料在產(chǎn)品中形成連通的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，阻礙了木材的吸水膨脹。因此，HDPE含量越高，吸水厚度膨脹率越低。

3 應(yīng)用仿真分析

由于木包裝箱在實(shí)際應(yīng)用過程中大部分受到的是靜力載荷，因此對(duì)包裝箱進(jìn)行靜態(tài)分析，即模擬包裝箱在堆碼和靜載狀態(tài)下的位移和應(yīng)力變化。根據(jù)實(shí)際流通過程中的實(shí)際壓力和試驗(yàn)平均壓力，確定模擬實(shí)際工作壓力為10 kN。

泊松比與彈性模量的關(guān)系為：E=2.044 5G+0.068 1、G=E/2（1+v）。根據(jù)本文性能測(cè)試結(jié)果所得數(shù)據(jù)，確定優(yōu)化工藝下材料試樣為添加2%MDI、HDPE含量30%、密度為0.3 g/cm3的復(fù)合材料［16-18］。將其彈性模量E=2 939.67 MPa代入得到剪切模量G=1 404.53 MPa，泊松比為v=0.05。

堆碼和靜載狀態(tài)下，約束面為托盤底面，主要受力面為頂板和底板，通過軟件將載荷分別施加在頂板和底板；側(cè)面沖擊和墊塊沖擊的狀態(tài)下，主要受力面為側(cè)板和墊塊，通過軟件將載荷分別施加在相應(yīng)位置。有限元仿真模擬分析下，包裝箱在堆碼、靜載、側(cè)面沖擊、墊塊沖擊4種不同工況條件下的位移云圖和應(yīng)力云圖如圖5、圖6所示。

圖5 包裝箱位移云圖Fig.5 Displacement nephograms of packing box

圖6 包裝箱應(yīng)力云圖Fig.6 Stress nephograms of packing box

圖5、圖6中深色部分為板材抗壓試驗(yàn)仿真中變形、應(yīng)力及應(yīng)變較大，易產(chǎn)生破壞的位置?？梢郧宄乜吹剑?/p>

（1）在堆碼工況下，包裝箱位移主要發(fā)生在頂板的中部，受力部位主要為頂板的4個(gè)角。

（2）在靜載工況下，包裝箱位移主要發(fā)生在底板與托盤的連接處，主要受力部位為底板中央托盤所撐墊的位置。

（3）在側(cè)面沖擊工況下，包裝箱的變形主要發(fā)生在側(cè)板的中部，主要受力部位為側(cè)板的四個(gè)邊與其他板連接處，其中側(cè)板和底板的連接處受力最大。

（4）在墊塊沖擊的工況下，包裝箱的變形主要發(fā)生在墊塊與底板的連接處，主要受力部位為墊塊與地面接觸的位置。

綜上所述，在實(shí)際操作中，應(yīng)根據(jù)包裝箱不同的工況條件，對(duì)包裝箱的易損壞部位進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化改良設(shè)計(jì)，加強(qiáng)對(duì)其內(nèi)部產(chǎn)品的保護(hù)，減少包裝箱在應(yīng)用中的損耗，提升包裝箱的使用壽命，從而實(shí)現(xiàn)更大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

（1）本試驗(yàn)范圍內(nèi)，密度對(duì)板材性能的影響呈非線性關(guān)系。HDPE含量的增加和偶聯(lián)劑的添加均能有效提升板材的性能。試驗(yàn)條件為2%MDI、密度為 0.3 g/cm3、HDPE 含量 30% 的板材物理力學(xué)性能和耐水性能最佳。

（2）對(duì) 2%MDI、密度為 0.3 g/cm3、HDPE 含量30%的板材所制得的包裝箱進(jìn)行有限元仿真分析，得到材料在堆碼、靜載、側(cè)面沖擊、墊塊沖擊4種不同工況條件下的位移云圖和應(yīng)力云圖，對(duì)易損部位進(jìn)行研究分析，對(duì)于包裝箱的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有良好的指導(dǎo)意義。

（3）本研究以木絲和HDPE絲作為原材料制備的新型木塑復(fù)合板材，是一種原料來源廣泛、無游離甲醛釋放、可多次回收利用的綠色包裝材料。下一步的研究中，可通過對(duì)板材進(jìn)行改性處理提升板材的附加性能，使得該板材在包裝儲(chǔ)運(yùn)方面具有更廣闊的應(yīng)用前景。