超低密度生物質(zhì)復(fù)合材料力學(xué)性能的研究

■高峰

本研究以沙柳刨花和聚乙烯塑料為原料，采用聚合物發(fā)泡技術(shù)與人造板熱壓工藝相結(jié)合的方法制備超低密度復(fù)合材料，并對(duì)影響板材性能的主要因素：復(fù)合溫度、發(fā)泡劑加量、復(fù)合時(shí)間、木塑比進(jìn)行分析討論。試驗(yàn)結(jié)果表明：復(fù)合溫度170.0C,發(fā)泡劑加量3%，復(fù)合時(shí)間1.2min/mm，木塑比40%時(shí)板材性能最好。

生物質(zhì)復(fù)合材料是將木材以刨花、纖維、木粉的形態(tài)作為增強(qiáng)材料或填料添加到塑料中，并通過(guò)加熱使木材與熔融狀態(tài)的塑料進(jìn)行復(fù)合而得到的新型材料。該材料制成的產(chǎn)品不僅充分保留了木質(zhì)材料與塑料的優(yōu)點(diǎn)，而且在很大程度上克服了木材的缺點(diǎn)。具有重量輕、吸水吸濕性小、不易變形、體積穩(wěn)定、抗蟲(chóng)蛀、耐腐蝕、強(qiáng)度大、強(qiáng)重比小等一系列優(yōu)良的物理力學(xué)性能。特別是這種發(fā)泡/木塑材料沒(méi)有普通木質(zhì)人造板的甲醛釋放問(wèn)題，無(wú)污染、可回收，是一種綠色環(huán)保型材料，在室內(nèi)使用尤為適合、放心。

發(fā)泡/木塑復(fù)合材料和木材一樣，具有良好的加工性能和裝飾性能，可鋸、刨、鉆、釘?shù)葯C(jī)械加工，其表面可進(jìn)行各種飾面裝飾。而且具有良好的耐侯性，可在室外環(huán)境下使用。因此，不僅可以廣泛應(yīng)用在經(jīng)常使用木材和木質(zhì)人造板的室內(nèi)家具和室內(nèi)裝飾等行業(yè)，而且也可廣泛應(yīng)用于不適合使用木材和木質(zhì)人造板的室外工程，如活動(dòng)板房、包裝材料等，是一種理想的木材和木質(zhì)人造板的替代品。

發(fā)泡/木塑復(fù)合材料，其兩大主要原料木材—可廣泛利用森林采伐和木材加工剩余物及沙生灌木平茬枝條；塑料—可利用各種回收廢舊塑料，而且復(fù)合材料本身還可回收再用，是一種地道的“環(huán)保”、生態(tài)材料。具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景，是目前木材科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域一個(gè)十分重要的研究方向。

本研究以沙柳刨花和聚乙烯塑料為原料，采用聚合物發(fā)泡技術(shù)與人造板生產(chǎn)技術(shù)相結(jié)合的工藝，并對(duì)其工藝和性能進(jìn)行分析討論。該產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)不僅為沙柳利用開(kāi)辟了一條新途徑，而且對(duì)于環(huán)境保護(hù)和生態(tài)建設(shè)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

表1 因素水平安排

一、材料與方法

（一）主要原材料與設(shè)備

1.試材沙柳：采自位于毛烏素沙地的內(nèi)蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗境內(nèi)，屬于干旱、半干旱地區(qū)。在沙柳林選擇采集生長(zhǎng)發(fā)育良好的枝條，在伊金霍洛旗烏蘭集團(tuán)刨花板廠加工成刨花，干燥后含水率為5%—6%。

2.熱塑性塑料：來(lái)自市場(chǎng)購(gòu)買的聚乙烯塑料農(nóng)膜，主要成分為聚乙烯（PE）,密度為 0.9g/cm3,熔融溫度為125.0C_1350C。

3.發(fā)泡劑：AC發(fā)泡劑，由山東淄博日月星化工股份有限公司生產(chǎn)。

4.試驗(yàn)設(shè)備及儀器：主要有電子天平、物理天平、萬(wàn)能試驗(yàn)熱壓機(jī)、冷壓機(jī)、微機(jī)控制電子萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、干燥箱、精密推臺(tái)鋸鋸機(jī)、木質(zhì)模具、厚度規(guī)等。

（二）試驗(yàn)方法：

本試驗(yàn)采用發(fā)泡技術(shù)與人造板熱壓工藝相結(jié)合的技術(shù)。采用正交試驗(yàn)法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。先分別稱取相應(yīng)重量的刨花和發(fā)泡劑，并將其攪拌均勻，將攪拌好的原料盡量均勻的鋪撒在模具中，并鋪裝成板柸。放入熱壓機(jī)加熱到一定溫度，使塑料熔融，刨花軟化，并在一定壓力作用下，熱壓成板。再放入冷壓機(jī)冷卻定型，將板材在室溫下冷卻24h后，對(duì)試件進(jìn)行裁邊并進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

試驗(yàn)中采用L9【34】正交表安排試驗(yàn)，重點(diǎn)考察4個(gè)工藝因素復(fù)合溫度、復(fù)合時(shí)間、發(fā)泡劑加入量和木塑比對(duì)板材靜曲強(qiáng)度（MOR）、彈性模量(MOE)、2h吸水厚度膨脹率（TS）的影響，并通過(guò)極差和方差分析影響板材物理力學(xué)性能的因素。各因素的水平安排見(jiàn)表1。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

二、試驗(yàn)結(jié)果分析

（一）試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算

1、試驗(yàn)結(jié)果

冷壓后的板材在室溫下放置24h后，參照J(rèn)IS A5905:2003的要求，對(duì)板材進(jìn)行取樣和性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3

表3 超低密度木塑刨花板力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

2、試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)試驗(yàn)分析，探討工藝因素變化對(duì)板材性能的影響趨勢(shì)，找出制板的最佳工藝條件，實(shí)現(xiàn)通過(guò)控制工藝因素達(dá)到提高板材性能的目的。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)表4

表4 工藝因子水平的方差分析及顯著性檢驗(yàn)

表5 工藝因子水平指標(biāo)的極差分析

1、各因素對(duì)板材靜曲強(qiáng)度影響的分析

通過(guò)表4、表5可以看出，發(fā)泡劑加量對(duì)板材的靜曲強(qiáng)度有一定影響。發(fā)泡劑的加入可以有效提高板材的靜曲強(qiáng)度，而且隨著發(fā)泡劑加量的增加，板材的靜曲強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)；復(fù)合時(shí)間是影響靜曲強(qiáng)度的一個(gè)非常顯著的因子，復(fù)合時(shí)間越長(zhǎng)，靜曲強(qiáng)度越大；木塑比越大，板材的靜曲強(qiáng)度越大；復(fù)合溫度在第二水平時(shí)靜曲強(qiáng)度最大，因此得出影響靜曲強(qiáng)度的較優(yōu)工藝條件是：木塑比40%、復(fù)合溫度1700C、發(fā)泡劑加量3%、復(fù)合時(shí)間1.5min/mm。

2、各因素對(duì)板材彈性模量的影響分析

彈性模量代表板材的剛度和彈性。通過(guò)表4、表5可以看出：復(fù)合溫度是影響彈性模量大小的一個(gè)非常顯著的因子，隨著溫度的升高，彈性模量的變化趨勢(shì)為先增大后減小，即在1700C達(dá)到最大；發(fā)泡劑加量對(duì)彈性模量有一定影響，在第二水平時(shí)，即加入量為3%時(shí)彈性模量的值最大；復(fù)合時(shí)間為1.2min/mm時(shí)彈性模量的值最大，時(shí)間過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)都會(huì)導(dǎo)致彈性模量的值降低；木塑比越大，板材的彈性模量也越大。因此得出影響彈性模量的較優(yōu)工藝條件是：復(fù)合時(shí)間1.2min/mm、復(fù)合溫度1700C、木塑比40%、發(fā)泡劑加量3%。

3、各因素對(duì)板材2h吸水厚度膨脹率影響的分析

2h吸水厚度膨脹率是反映復(fù)合材料在200C/2h浸水條件下的尺寸穩(wěn)定性，它的值越小，說(shuō)明板材的穩(wěn)定性越好。通過(guò)表4、表5可以看出：吸水厚度膨脹率隨溫度的升高呈先減小后增加的趨勢(shì)，當(dāng)溫度是1700C時(shí)，值達(dá)到最?。话l(fā)泡劑加量為6%時(shí)，值最小；復(fù)合時(shí)間為1.2min/mm時(shí)，值最??；木塑比為40%時(shí)，板材的吸水厚度膨脹率最小。因此得出影響吸水厚度膨脹率的較優(yōu)工藝條件為：溫度1700C、復(fù)合時(shí)間1.2min/mm、發(fā)泡劑加量6%、木塑比40%。

三、結(jié)論

1.以沙柳刨花和聚乙烯塑料為原料，加入一定量的AC發(fā)泡劑，在一定的工藝條件下，采用先熱壓、后冷壓的方法，可以制成合格的超低密度復(fù)合刨花板。

2.選定的最優(yōu)工藝條件是：復(fù)合溫度1700C、發(fā)泡劑加量3%、復(fù)合時(shí)間1.2min/mm、木塑比40%。

3.以AC發(fā)泡劑可以有效的改善生物質(zhì)木基復(fù)合材料的物理力學(xué)性能，其各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)都符合JISA 5905:2003標(biāo)準(zhǔn)。

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