竹塑復合材料吸水性能的研究

李大綱 閆微麗 何強 代紹君

(1南京林業(yè)大學 江蘇 南京210037 2 遵義市生產力促進中心 貴州 遵義563000 3 貴州新錦竹木制品有限公司 貴州 赤水564707)

竹塑復合材料吸水性能的研究

李大綱1閆微麗1何強2代紹君3

(1南京林業(yè)大學 江蘇 南京210037 2 遵義市生產力促進中心 貴州 遵義563000 3 貴州新錦竹木制品有限公司 貴州 赤水564707)

對楠竹/新PE、楠竹/回收PE、雜竹/回收PE 3種竹塑復合材料的吸水性能進行了研究，結果表明：（1）溫度是影響竹塑復合材料吸水厚度膨脹率和吸水率的主要因素之一。(2) 3種竹塑復合材料厚度方向吸水膨脹性和吸水率表現為：雜竹/回收PE材料吸水膨脹性最大，楠竹/新PE次之，楠竹/回收PE最小。（3）雜竹/回收PE在80℃時的吸水率是室溫下的3.5倍；楠竹/新PE和楠竹/回收PE在80℃條件下的吸水率均是室溫下的3倍。（4）楠竹/回收PE在80℃水浴中的厚度方向吸水膨脹率是55℃下的1.4倍，是室溫下的2倍；楠竹/新PE80℃水浴下吸水膨脹率是55℃下的1.2倍，是室溫下的1.9倍；雜竹/回收PE 80℃水浴下吸水膨脹率是55℃下的1.6倍，是室溫下的2倍多。（5）光學顯微鏡和掃描電鏡觀察后發(fā)現，吸水后竹塑復合材料除了竹纖維發(fā)生膨脹之外，材料的內部結構沒有發(fā)生變化，即竹塑復合材料是一種具有良好抗?jié)衽蛎浶阅艿男滦蛷秃喜牧稀?/p>

竹塑復合材料；厚度方向吸水膨脹性；吸水率；高密度聚乙烯

竹塑復合材料(B a m b o o-p l a s t i c Composites，縮寫B(tài)PC)是以竹鋸末、竹屑、竹渣等竹纖維為主要原料，利用高分子化學界面融合原理和增強填充改性的特點，配混一定比例的塑料基料，輔以適當的加工助劑，經特殊工藝處理后加工成型的一種具有可逆循環(huán)的多種用途的新型材料[1－3]。隨著竹塑復合材料在房屋、室外地板、陽光房、碼頭、護欄等領域的推廣應用，越來越迫切需要對其使用性能有充分了解。在戶外使用中，周期性的日曬雨淋與水分接觸是不可避免的，例如竹塑復合材用于建造園林景觀中的池塘，用在海邊的建筑，碼頭鋪板、海港護欄。因此本文希望通過分析水分對竹塑復合材料影響，為今后合理利用這種新型復合材料提供理論參考。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料主要成分為楠竹竹屑和雜竹竹屑與高密度聚乙烯（新PE和回收PE），竹纖維與塑料所占的比例分別為65%和35%。采用先造粒、后擠出成型的二步法，生產出具有空芯斷面結構形狀的竹塑制品。產品規(guī)格：寬240mm，厚40mm，具有5個空腔的空芯板材。

1.2 試驗方法

從上述材料上鋸制出20mm×20mm×10mm的小試件，分別將試件置于室溫、55℃、80℃的水浴中進行浸泡。室溫水浴試驗中，將試件直接取出擦拭即可進行測定；55℃和80℃水浴試驗中，不同時間是將其從不同溫度的水浴中取出，擦拭試件，在實驗室條件下(溫度為20℃，相對濕度為53%)平衡24h再進行測定。

2 試驗結果及分析

2.1 竹塑復合材料吸水率

圖2-圖4分別為試材在室溫（20℃）、55℃和80℃條件下的吸水率。從圖中可以看出，隨著時間的增加,各種竹塑復合材料的吸水率增大，但是不同試樣之間隨時間增加的趨勢不相同。

3種溫度條件下，雜竹/回收PE的吸水率最大，室溫下達到了4%，55℃條件下達到10%，80℃下則達到了14%；楠竹/回收PE的吸水率最小，室溫下僅為3%，55℃條件下為8%，80℃時則達到了9%；楠竹/新PE的吸水率居中，室溫下為3.5%，55℃時達到了8.5%，80℃條件下則達到了9.5%。

可以看出，溫度對材料的吸水率影響很大，隨著溫度的升高，各種材料的吸水率都有一定程度的升高。對于雜竹/回收PE而言，80℃時的吸水率是室溫下的3.5倍；楠竹/新PE在80℃條件下的吸水率是室溫下的3倍；而楠竹/回收PE在80℃條件下的吸水率相比于室溫下來說也多了3倍，即溫度是影響材料吸水率的重要因素之一。

比較試驗結束時不同試樣之間的最大吸水率，可以發(fā)現，在相同條件下，雜竹/舊PE的最大。室溫下是楠竹/回收PE的1.3倍，是楠竹/新PE的1.2倍；55℃水浴條件下，雜竹/回收PE的吸水率是楠竹/回收PE的1.2倍，是楠竹/新PE的1.1倍；80℃水浴條件下，雜竹/回收PE的吸水率是楠竹/回收PE的1.3倍，是楠竹/新PE的1.2倍。

采用光學顯微鏡和掃描電鏡比較3組試樣的微觀結構，發(fā)現吸水之后材料的內部結構基本上沒有發(fā)生變化，只是在吸水之后，竹纖維體積膨脹。這是因為用于試驗的雜竹竹屑中粗纖維比楠竹的粗纖維多，而簿壁細胞又相對較少，導致雜竹與塑料之間的空隙比楠竹與塑料的空隙要大，竹纖維與塑料的融合性較差，從而其吸水性較高[4－7]。

2.2 竹塑復合材料厚度方向吸水膨脹性

圖5～圖7分別為室溫、55℃水浴和80℃水浴中厚度方向尺寸膨脹率?？梢钥闯?，竹塑復合材料厚度方向吸水膨脹率隨著時間的增加而增加。

在室溫下，經過744h的浸泡，楠竹/新PE復合材厚度方向的吸水膨脹率達到0.6%，楠竹/回收PE復合材厚度方向的吸水膨脹率達到0.45%，雜竹/回收PE復合材厚度方向的吸水膨脹率最大，達到0.8%。普通耐水刨花板材料在24h后的厚度吸水率就達10%左右，即使耐水較好的礦渣刨花板吸水膨脹率也達到3%左右。因此，在常溫下竹塑復合材具有良好的抗?jié)衽蛎浶浴?/p>

在55℃水浴條件下，經過744h的浸泡后，楠竹/新PE復合材、楠竹/回收PE復合材料、雜竹/回收PE復合材厚度方向的吸水膨脹率分別達到0.96%、0.66%和1.03%。雜竹/回收PE復合材厚度方向的吸水膨脹率最大。

在80℃水浴條件下，經過744h的浸泡后，楠竹/新PE復合材、楠竹/回收PE復合材料、雜竹/回收復合材料厚度方向的吸水膨脹率分別達到1.15%、0.93%和1.7%。雜竹/回收復合材料厚度方向的吸水膨脹率最大。

比較最大吸水膨脹率發(fā)現，楠竹/回收PE在80℃水浴中的厚度方向吸水膨脹率是55℃下的1.4倍，是室溫下的2倍。楠竹/新PE在80℃水浴下吸水膨脹率是55℃下的1.2倍，是室溫下的1.9倍。雜竹/回收PE在80℃水浴下吸水膨脹率是55℃下的1.6倍，是室溫下的2倍多。在相同條件下，雜竹/回收PE的厚度方向吸水膨脹率最大，楠竹/新PE的次之，楠竹/回收PE的吸水膨脹率最低。室溫水浴條件下，雜竹/回收PE的吸水膨脹率是楠竹/新PE的1.4倍，是楠竹/回收PE的1.8倍。55℃水浴條件下，雜竹/回收PE的吸水膨脹率是楠竹/新PE的1.6倍，是楠竹/回收PE的1.1倍。80℃水浴條件下，雜竹/回收PE的吸水膨脹率是楠竹/新PE的1.4倍，是楠竹/回收PE的1.8倍。

3 小結

通過對不同溫度條件下，3種材料吸水率和厚度方向吸水膨脹性的研究后，認為：

(1)3種不同材料厚度方向吸水膨脹性和吸水率均表現為：雜竹/回收PE材料吸水膨脹性最大，楠竹/新PE次之，楠竹/回收PE最小。

(2)溫度對材料的吸水厚度膨脹性能的影響較為明顯，隨著溫度的升高，材料的吸水膨脹率也在升高。對于楠竹/回收PE而言，80℃水浴中，厚度方向吸水膨脹率是55℃下的1.4倍，是室溫下的2倍。楠竹/新PE在80℃水浴下吸水膨脹率是55℃下的1.2倍，是室溫下的1.9倍。雜竹/回收PE在80℃水浴下吸水膨脹率是55℃下的1.6倍，是室溫下的2倍多。因此溫度是影響材料吸水膨脹率的主要重要因素之一。

(3)溫度對材料的吸水率的影響也非常明顯，雜竹/回收PE在80℃時的吸水率是室溫下的3.5倍，楠竹/新PE和楠竹/回收PE在80℃條件下的吸水率均為室溫下的3倍。

(4)通過掃描電鏡分析表明吸水后，竹塑復合材料除了竹纖維發(fā)生膨脹之外，材料的內部結構沒有發(fā)生變化，即竹塑復合材料是一種具有良好的抗?jié)衽蛎浀男滦蛷秃喜牧稀?/p>

1 吳春渝,李大綱,閆微麗,何強,等.溫度對竹塑復合材料尺寸穩(wěn)定性的影響[J].世界竹藤通訊，2000，3（3）25-28.

2 何強,李大綱,代紹君,吳春渝,等.竹纖維/HDPE混熔生產竹塑復合材料的研究[J].世界竹藤通訊，2010，8（3）20-25.

3 何強,李大綱,代紹君,吳春渝,等.竹塑復合材料的制備及主要材性研究[J].世界竹藤通訊，2010，8(4):

4 孫占英,李大綱,丁建生等，木塑復合材料吸水膨脹率的研究[J]，福州大學學報(自然科學版)，2005，33(3)：321-325.

5 張洋，礦渣刨花板的工藝研究[博士論文][D].南京:南京林業(yè)大學,1989.

6 林金娜,陳禮輝,黃祖泰.竹塑復合材料及其土網工藝的研究[D]，福建農林大學[碩士研究生論文]，2004.

7 顏大偉,蔡敏.竹塑復合材料的力學性能分析研究[J].安徽建筑工業(yè)學院學報，2006，14(4):19-21.

A Study of Water Absorption of Bamboo -Plastic Composites

Li Dagang1, Yan Weili1, He Qiang2, Dai Shaoqun3
(1 Nanjing Forestry University, Nanjing 210037 2 Zunyi Productivity Promotion Center, Zunyi 563000 3 Guizhou Xinjin Bamboo & Wood Product Co., Ltd. Chishui 564707)

The study showed that: 1) The temperature was one of the major factors to affect the thickness swelling rate and the water absorption rate of bamboo-plastic composite (BPC). 2) The thickness swelling and water absorption rate of 3 kinds of BPC showed that the thickness swelling of miscellaneous bamboo/recycled PE was the maximum, followed by that ofPhyllostachys pubescensnew PE, and that ofPh.pubescens/recycled PE was the minimum. 3) The water absorption rate of miscellaneous bamboo/ recycled PE at 80℃ was 3.5 times higher than the room temperature, that ofPh. pubescens/ new PE at 80℃ was 3 times as high as room temperature, and that ofPh.pubescens/ recycled PE at 80℃ was 3 times higher than the room temperature. 4) The thickness swelling rate ofPh.pubescens/ recycled PE at 80℃ water bath was 1.4 times higher than that at 55℃ and 2 times higher than the room temperature; that ofPh. pubescens/ new PE at 80℃ water bath was 1.2 times higher than that as 55℃ and 1.9 times as high as the room temperature; that of miscellaneous bamboo/ recycled PE at 80℃ water bath was 1.6 times as high as that as that as 55℃ and 2 times higher than the room temperature. 5) Through the light microscope and scanning electricity mirror, it was observed that the inner structure of BPC has no any change except for the bamboo fi ber swelling, i.e. , BPC is a kind of new compound material which has fi ne wet-swelling-resisting function.

bamboo-plastic composites, water absorption in thickness direction, water absorption rate, highdensity polyethylene

貴州省十一五重大科技專項<<竹產業(yè)關鍵技術研究與示范>>,（項目編號：黔科合重大專項字（2007）6002號）。第一作者：李大綱，南京林業(yè)大學，教授，博士生導師。