闡述木塑的材料對(duì)材料力學(xué)性能的影響研究論文

　　摘要：適合的木粉填充量、粒徑大小有利于提升木塑材料的綜合性能;合適基體樹(shù)脂的選擇也有較大影響;加工工藝的類型決定材料的質(zhì)地、密度, 影響材料強(qiáng)度;原料的改性處理也是提升木塑材料的重要途徑。闡述了提升木塑材料力學(xué)性能的微觀作用機(jī)理, 舉出了現(xiàn)階段主要的科研成果, 總結(jié)了木塑材料發(fā)展的不足, 并做出了展望。

　　關(guān)鍵詞：木塑復(fù)合材料; 木粉; 基體塑料; 加工工藝; 助劑;

　　木塑復(fù)合材料, 簡(jiǎn)稱WPC, 是由熱塑性塑料作為基體材料, 植物纖維作為增強(qiáng)材料復(fù)合而成的一種聚合物基復(fù)合材料。作為木塑復(fù)合材料的熱塑性基體塑料主要包括:PP、PE、PVC、PS等, 木粉通常采用楊木粉、桉木粉、竹粉等�，F(xiàn)階段木塑復(fù)合材料的制備工藝主要是擠出成型和模壓成型, 將木粉與塑料經(jīng)高速混合機(jī)混合均勻后, 加入擠出機(jī)中 (通常使用雙螺桿擠出機(jī)) , 熔融共混后從特定形狀的出料口擠出成型, 或者直接將物料熔融共混后注入磨具中壓制成型, 最后根據(jù)需要可以對(duì)成型的木塑復(fù)合材料進(jìn)行加工處理。

　　木塑復(fù)合材料現(xiàn)已應(yīng)用于包裝、建筑、園林庭院、汽車(chē)內(nèi)飾等領(lǐng)域, 但是木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能不高及耐水性能差一直限制其更加廣泛的使用, 科研人員也致力于開(kāi)發(fā)新型的高強(qiáng)木塑復(fù)合材料。

　　本文主要從木粉粒徑、木粉填充量、基體塑料種類、加工工藝和原料前處理展開(kāi), 探究木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能特點(diǎn), 并介紹改性研究的發(fā)展現(xiàn)狀。

　　1 木粉粒徑、填充量對(duì)材料力學(xué)性能的影響

　　強(qiáng)度反映了材料抵抗破壞的能力, 往往是復(fù)合材料增強(qiáng)改性的研究重點(diǎn)。影響木塑復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度等力學(xué)性能的主要因素有植物纖維種類、含量、粒徑分布, 基體塑料的種類, 助劑的使用, 成型工藝等。一般而言, 在一定程度上植物纖維粉末的粒徑越小、分布越均勻所制得的木塑復(fù)合材料強(qiáng)度越高。

　　宋麗賢等[1]利用桉木粉制備出PVC基的木塑復(fù)合材料, 探究了木粉粒徑大小對(duì)材料強(qiáng)度的影響。首先用10%的Na OH溶液對(duì)桉木粉進(jìn)行了預(yù)處理, 然后將處理后的木粉與PVC經(jīng)高速混合機(jī)混合均勻后, 經(jīng)熔融、混煉、模壓成型后制備出木塑復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨著木粉粒徑的減小呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì), 在粒徑為70~80目時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)度峰值。由于木粉粒徑的減小, 大顆粒木粉所造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象消失, 木粉與PVC的混合狀況變好, 木粉在基體塑料中形成連續(xù)相, 對(duì)材料起到增強(qiáng)作用。但隨著木粉粒徑的繼續(xù)降低, 木粉在基體塑料中出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象, 同時(shí)木粉表面的粗糙度隨著粒徑的下降而變小, 對(duì)基體塑料的附著力變差, 降低了復(fù)合材料混合的均勻性, 易造成應(yīng)力集中, 使得材料拉伸強(qiáng)度下降。

　　李蘭杰等[2]研究了木粉粒徑對(duì)HDPE基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:粒徑較大的木粉有利于復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度的提高, 與粒徑大小為100μm的木粉相比, 850μm的木粉制得的復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和沖擊強(qiáng)度分別提高10.4%、56.3%和14.6%, 增強(qiáng)效果明顯。

　　木粉的填充量對(duì)木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能也具有一定的影響。在木粉添加量較少時(shí), 粉體在塑料中的呈現(xiàn)不均勻“海島狀”分布, 易造成應(yīng)力集中現(xiàn)象, 并且在外力的持續(xù)作用下, 分散的木粉顆粒周?chē)�形成銀紋, 應(yīng)力增大時(shí)銀紋擴(kuò)增, 最終導(dǎo)致材料發(fā)生斷裂, 使得復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度較差。木粉含量增加到一定程度時(shí), 粉體之間相互接觸, 發(fā)生交叉甚至纏繞現(xiàn)象, 在受到應(yīng)力作用時(shí), 纖維之間相互牽制, 使得材料能夠承受更大的作用力, 起增強(qiáng)作用, 拉伸強(qiáng)度增大。當(dāng)木粉含量進(jìn)一步增大時(shí), 材料的拉伸強(qiáng)度趨于平穩(wěn), 木粉含量不再是主要的影響因素。

　　王自瑛等[3]利用擠出成型的方法制備出了HDPE基的木塑復(fù)合材料, 探究了木粉添加量對(duì)材料靜態(tài)力學(xué)性能和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):木粉填充量在50%~70%時(shí), 拉伸強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度受木粉添加量的影響較小, 隨著添加量的增加表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì), 但變化程度較小, 當(dāng)木粉填充量超過(guò)80%時(shí), 拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度急劇下降, 這是因?yàn)槟痉厶砑恿康揭欢ǔ潭群笤诨�體塑料中發(fā)生了團(tuán)聚, 嚴(yán)重影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析表明復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量和損耗模量均隨著木粉添加量的增高而增大。

　　2 基體塑料種類對(duì)材料力學(xué)性能的影響

　　高分子材料的性能往往取決于分子結(jié)構(gòu)的類型和鏈段運(yùn)動(dòng)的方式。柔順性好的高分子結(jié)構(gòu)往往賦予聚合物優(yōu)異的韌性, 高分子結(jié)構(gòu)中存在的剛性基團(tuán)往往會(huì)提供聚合物卓越的剛性;晶體高分子鏈段被凍結(jié)在晶體結(jié)構(gòu)中, 即使在受到外力作用下也無(wú)法自由移動(dòng), 非晶高分子鏈段無(wú)規(guī)排列, 在受到外力作用時(shí)會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)迫高彈形變。因此, 基體塑料的種類對(duì)木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能有著較大的影響。

　　以LDPE和HDPE基的木塑復(fù)合材料為例, HDPE基的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均要明顯強(qiáng)于LDPE基, 這是因?yàn)镠DPE的高分子鏈結(jié)構(gòu)規(guī)整, 在熔融加工形成復(fù)合材料的過(guò)程中, 分子鏈排列緊密, 范德華作用力大大增強(qiáng), 使得材料的強(qiáng)度提高。以HDPE和PP基的木塑復(fù)合材料為例, HDPE基的彎曲強(qiáng)度較高, 這是因?yàn)镠DPE的熔點(diǎn)較低, 在與木粉熔融共混的過(guò)程中, 混合體系粘度降低, 使得材料混合均勻, 導(dǎo)致HDPE基木塑復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度更高。

　　孫曉民等[4]探究不同基體塑料, 如PE、PP、PVC, 對(duì)木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論:不同的塑料基體對(duì)復(fù)合材料的性能會(huì)產(chǎn)生不同的影響, PE、PP、PVC基的木塑復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率并無(wú)明顯差距;PVC基的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別達(dá)到了48.29MPa和3.78GPa, 較PE基分別提升了28.37%、50.87%;PE基的韌性最佳, 室溫下, 缺口沖擊強(qiáng)度達(dá)到了4.93k J·m-2。

　　周雷[5]以聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯-1, 4-環(huán)己二甲醇酯 (PETG) 為基體塑料采用熱壓成型的方式制備了纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的木塑復(fù)合材料, 先用高速混合機(jī)將原料混合30min, 在溫度為190℃, 壓力為10MPa的條件下熱壓10min使材料成型, 經(jīng)過(guò)力學(xué)性能測(cè)試后發(fā)現(xiàn), 纖維顆粒尺寸在60~80目時(shí), 復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度達(dá)到最大值, 為81.74MPa。PETG基的木塑復(fù)合材料從綜合力學(xué)性能上來(lái)說(shuō)是優(yōu)于PE基材料的。

　　3 加工成型方式對(duì)材料力學(xué)性能的影響

　　不同的加工成型方式對(duì)木塑復(fù)合材料的性能影響是不同的。木塑復(fù)合材料的成型工藝可分為熱壓法一次成型和擠出注塑二次成型, 當(dāng)采用擠出注塑成型方式時(shí), 擠出溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、擠出壓力等都會(huì)影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。

　　趙忠玉[6]介紹了擠出注塑成型時(shí)加工工藝的參數(shù)設(shè)置對(duì)材料力學(xué)性能的影響。物料混合區(qū)的溫度較低時(shí), 基體塑料粘度較大, 導(dǎo)致擠出效率下降, 溫度較高時(shí), 可能會(huì)導(dǎo)致木粉焦化, 影響復(fù)合效果;螺桿轉(zhuǎn)速較快時(shí), 物料混合不均勻, 導(dǎo)致出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力, 降低產(chǎn)品外觀效果和使用性能, 螺桿轉(zhuǎn)速較慢時(shí)會(huì)導(dǎo)致出料速率變慢, 影響生產(chǎn)效率;合適的擠出壓力有利于物料混合, 提高力學(xué)性能強(qiáng)度, 壓力過(guò)高時(shí)會(huì)導(dǎo)致出料不均勻, 甚至不成型, 壓力過(guò)低時(shí)擠出物料密度下降, 力學(xué)強(qiáng)度降低, 并且導(dǎo)致產(chǎn)品表面出現(xiàn)不均勻紋路。

　　徐冬梅等[7]采用正交試驗(yàn)探究了木塑復(fù)合材料擠出成型最佳的工藝參數(shù)。主機(jī)頻率和喂料頻率分別為10Hz、8Hz, 擠出機(jī)七個(gè)區(qū)段溫度階段遞增, 由150℃升至180℃, 每區(qū)段升溫5℃, 機(jī)頭溫度設(shè)定為175℃, 此時(shí)擠出成型的木塑復(fù)合材料品質(zhì)最佳。

　　朱嫻等[8]探究了木塑復(fù)合材料模壓成型和擠出成型的性能對(duì)比, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn), 模壓成型制備的復(fù)合材料在拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率等方面均要優(yōu)于擠出成型工藝, 這是因?yàn)槟�壓成型�?duì)于木粉和塑料的混合效果更明顯, 相容性更高, 力學(xué)性能更強(qiáng), 而擠出成型的方式存在較大的切應(yīng)力使得木粉在混合過(guò)程中被切斷, 纖維長(zhǎng)度減小, 在基體中的取向程度降低, 導(dǎo)致力學(xué)性能不高。

　　4 改性處理對(duì)材料力學(xué)性能的影響

　　復(fù)合材料由基體相、增強(qiáng)相和界面相組成, 基體材料與增強(qiáng)材料復(fù)合使得材料性能顯著提升的根本原因是界面效應(yīng)所產(chǎn)生的協(xié)同作用, 因此提高復(fù)合材料的界面相容性往往會(huì)大幅度提升材料的力學(xué)性能。木塑復(fù)合材料提升界面相容性的方法主要是添加偶聯(lián)劑和相容劑, 偶聯(lián)劑和相容劑都具有兩親結(jié)構(gòu), 疏水端與非極性基體塑料具有很好的相容性, 親水端能夠與纖維粉末形成氫鍵或發(fā)生縮合反應(yīng), 最終使得纖維粉末與基體塑料具有較好的相容性, 并提升粉體分散的均勻性。

　　張文杰[9]探究了硅烷偶聯(lián)劑的添加量對(duì)聚丙烯基木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的影響, 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 隨著硅烷偶聯(lián)劑KH550添加量的增多, 復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì), 7%的KH550添加量時(shí)達(dá)到峰值, 拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度分別達(dá)到38.8MPa、201.2J·m-2, 較未添加時(shí)分別增強(qiáng)了11.9%、45.6%, KH550添加量低于7%時(shí), 偶聯(lián)劑的兩親結(jié)構(gòu)提升了聚丙烯和木粉的相容性, 使得力學(xué)性能提升, 當(dāng)添加量高于7%時(shí), 偶聯(lián)劑可能在復(fù)合體系中聚集或形成弱界面層, 降低了界面相容效果。

　　曹金星等[10]利用亞臨界流體擠出技術(shù)對(duì)PP基木塑復(fù)合材料進(jìn)行了界面相容改性處理, 探究了以PP-g-MAH作為相容劑對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 添加PP-gMAH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%時(shí)復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能最佳, 復(fù)合體系中PP-g-MAH起到了類似"橋梁"的作用, 提高了木粉與PP的相容性, 進(jìn)而增加了力學(xué)強(qiáng)度, FTIR證實(shí)PP-gMAH與木粉上裸露的羥基發(fā)生了酯化反應(yīng), 在木粉顆粒上鍵接了相容劑分子, 最終與PP基體達(dá)到分子水平上的混合, 宏觀上表現(xiàn)出力學(xué)性能的提高。

　　5 小結(jié)

　　木塑復(fù)合材料發(fā)展至今遭遇了很多問(wèn)題, 也攻克了很多難關(guān), 其中木塑材料的力學(xué)性能的改善更是科研人員研究的重點(diǎn), 投入了大量的時(shí)間和精力去探究影響木塑材料力學(xué)強(qiáng)度的微觀因素, 包括纖維粉末粒徑的大小、纖維粉末的填充量、基體塑料的種類、加工工藝和改性處理等。木塑材料的開(kāi)發(fā)已取得了很多卓越的成就, 但仍存在不足之處, 比如密度高、耐熱性和耐老化性差、造價(jià)昂貴等, 這些都是未來(lái)木塑復(fù)合材料發(fā)展的主要障礙, 需要我們廣大科研和工程技術(shù)人員的不斷努力。

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