植物纖維復(fù)合裝飾板纖維含量對(duì)性能的影響研究

何洪城，陳 超

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.中南林業(yè)科技大學(xué) 材料學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

植物纖維復(fù)合裝飾板纖維含量對(duì)性能的影響研究

何洪城1，陳 超2

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.中南林業(yè)科技大學(xué) 材料學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

主要對(duì)所研發(fā)的植物纖維多層復(fù)合板材進(jìn)行了纖維含量對(duì)性能的影響的實(shí)驗(yàn)和分析，結(jié)果表明：當(dāng)復(fù)合材料中纖維含量在30%時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)性能均能達(dá)到較優(yōu)，產(chǎn)品具有良好的物理、化學(xué)性能和環(huán)境學(xué)特性，達(dá)到室內(nèi)家具使用要求，可代替普通人造板使用，同時(shí)生產(chǎn)和使用過程中均不會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害，可降解，符合綠色環(huán)保材料要求，具有廣闊的發(fā)展前景。

植物纖維多層復(fù)合板；成型工藝；纖維含量；性能

天然植物纖維Natural Vegetable Fibers, NVF是自然界最豐富的天然高分子材料[1-3]，如木材、竹材、稻草、麥桔、谷糠、花生殼、甘蔗渣、椰子殼、亞麻、苧麻等[4]，自然界中每年生長(zhǎng)的纖維素(以天然植物纖維的形式存在)總量多達(dá)千億噸,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了地球上現(xiàn)有的石油總儲(chǔ)量[5-6]。此外，還有大量的農(nóng)業(yè)加工廢棄物天然纖維資源，一些熱帶地區(qū)尤為豐富，每年從農(nóng)業(yè)廢棄物中提取的木質(zhì)纖維可達(dá) 2.5×109Mt[7-9]。

充分利用天然植物纖維的潛力，發(fā)揮其獨(dú)特的功能和特性，開發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域，是引人注目的熱點(diǎn)[10-11]。天然植物纖維具有眾多優(yōu)點(diǎn)，如價(jià)格低廉、密度小、具有較高的彈性模量等，最為重要的是它的生物降解性和可再生性是其它任何增強(qiáng)材料無法比擬的，具有廣闊的發(fā)展前景[12-14]。

植物纖維多層復(fù)合裝飾板是新一代木質(zhì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。表層為同質(zhì)透心柔性植物纖維材料或增強(qiáng)改性材料層，芯層為植物纖維微發(fā)泡層，其產(chǎn)品較之現(xiàn)有的天然纖維復(fù)合材料或木塑復(fù)合材料具有更良好的物理化學(xué)及加工性能，尤為重要的是整個(gè)生產(chǎn)和使用過程中均不會(huì)對(duì)環(huán)境造成任何危害，符合綠色環(huán)保材料要求。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

（a）木質(zhì)纖維粉（木、竹小徑材和枝椏材、加工剩余物以及農(nóng)作物秸稈等），60目，自制；（b）重質(zhì)碳酸鈣粉；（c）熱塑性樹脂（聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯等）；（d）礦石顏料；（e）助劑（偶聯(lián)劑、發(fā)泡劑）；（f）輔料。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

（a）植物纖維多層復(fù)合裝飾板成型機(jī)組，常州產(chǎn)；

（b）微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)：MWD-50型，濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司；

（c）電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，SKGD-01，湖北省黃石市醫(yī)療器械廠。

1.3 制備方法

首先將表面活性劑和偶聯(lián)劑加入到植物纖維中，混合攪拌均勻，送至干燥窯干燥至設(shè)定含水率；再按照板材設(shè)定的比例，將各物料加入到雙螺旋攪拌機(jī)中進(jìn)行混料、開煉捏合，表、芯層要單獨(dú)分開；待開煉、捏合處理后，通過雙螺旋擠出機(jī)將物料擠出，芯層物料輸送至?？谶M(jìn)行微發(fā)泡定型，再將表層物料輸送至芯層，送至雙棍延壓機(jī)進(jìn)行延壓，延壓成型后的板材經(jīng)縱橫裁邊機(jī)裁剪成規(guī)格為1 220 mm×2 440 mm的成品，具體工藝流程見圖1。

在制備材料配比中，主要是調(diào)整木質(zhì)纖維與石灰石粉的比例，即木質(zhì)纖維比例提高則石灰石比例相應(yīng)下降，而其他組分不變。本實(shí)驗(yàn)按15%、20%、25%、30%、35%、40%不同纖維含量制備。

經(jīng)上述工藝成型后的板材如圖2所示：

圖1 植物纖維多層復(fù)合裝飾板材工藝流程Fig.1 Plant fi ber multilayer decorative board process fl ow

圖2 植物纖維多層復(fù)合板材Fig.2 Reinforcement and support layer of plant fi ber multilayer decorative board

1.4 力學(xué)性能檢測(cè)

靜曲強(qiáng)度和彈性模量按GB/T9341-2000鋸制試件，抗沖擊強(qiáng)度按ASTM D 256-06鋸制試件，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度按GB-T 11718-2009鋸制試件，密度按GB/T1033.1-2008鋸制試件，吸水厚度膨脹率按GB /T1034-1998鋸制試件，握螺釘力按GB 11718.9-1989鋸制試件。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results

2 結(jié)果與討論

在復(fù)合材料中，木質(zhì)纖維是基體相，石灰石和樹脂是增強(qiáng)相，纖維含量的多少直接影響復(fù)合材料的力學(xué)性能，故而在此次實(shí)驗(yàn)中主要考慮了復(fù)合材料中木質(zhì)纖維含量對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響，石灰石與樹脂構(gòu)成的增強(qiáng)相按照一定的比例加入。

從圖3、圖4和圖5中可以看出，隨著纖維含量的增加，復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度、彈性模量和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度先增大后減下，這是因?yàn)樵趶?fù)合材料中，當(dāng)纖維含量較少時(shí)，纖維與石灰石粉末通過樹脂形成纖維-樹脂-石灰石界面結(jié)合，多余的石灰石粉末在樹脂的作用下膠合，形成石灰石-樹脂-石灰石界面，在整個(gè)復(fù)合材料中，基體相有兩種界面，同樣，當(dāng)纖維含量過多時(shí)亦會(huì)有兩種界面存在，這對(duì)于復(fù)合材料強(qiáng)度會(huì)有很大影響，只有當(dāng)纖維含量與石灰石含量比例想當(dāng)時(shí)才會(huì)形成穩(wěn)定的纖維-樹脂-石灰石界面，整個(gè)復(fù)合材料的強(qiáng)度才會(huì)最好。

圖3 復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度Fig.3 MOR of composite

圖4 復(fù)合材料的彈性模量Fig.4 MOE of composite

圖5 復(fù)合材料的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度Fig.5 Internal bond strength of composite

而當(dāng)纖維含量超過30%后，其減度較小，這是因?yàn)槔w維之間形成的界面強(qiáng)度要高于石灰石粉末之間界面強(qiáng)度，故而隨著纖維含量的增加時(shí)，其靜曲強(qiáng)度、彈性模量和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度會(huì)先增加后減小。

在圖6和圖7中，可以看出，隨著纖維含量的逐漸增加，復(fù)合材料的抗沖擊強(qiáng)度和密度逐漸減小，這是因?yàn)殡S著纖維含量的增加，石灰石粉末含量逐漸減少，復(fù)合材料的界面結(jié)合情況發(fā)生變化，但是由于石灰石粉末屬于剛性粒子，其抗沖擊性能要大于纖維，所以隨著纖維含量的增加，抗沖擊強(qiáng)度會(huì)逐漸減小，同樣，由于石灰石粉末的密度要大于纖維的密度，因而隨著纖維含量的增加，整個(gè)復(fù)合材料的密度也會(huì)逐漸降低。

圖6 復(fù)合材料的抗沖擊強(qiáng)度Fig.6 Shock strength of composite

圖7 復(fù)合材料的密度Fig.7 Density of composite

從圖8和圖9中可以發(fā)現(xiàn)，隨著纖維含量的增加，復(fù)合材料的吸水厚度膨脹率和握螺釘力先增加后呈現(xiàn)平緩趨勢(shì)，纖維是吸水性物質(zhì)，石灰石是憎水性物質(zhì)，隨著纖維含量的增加，在一定范圍內(nèi)其吸水厚度膨脹率會(huì)隨之增加。

圖8 復(fù)合材料的吸水厚度膨脹率Fig.8 Ts of composite

圖9 復(fù)合材料的握螺釘力Fig.9 Screw holding capability of composite

當(dāng)纖維含量不斷增加時(shí)，復(fù)合材料界面結(jié)合發(fā)生變化，界面強(qiáng)度由小到大再減小，握螺釘力會(huì)隨著復(fù)合材料的強(qiáng)度變化而變化，故而隨著纖維含量的增加，握螺釘力會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。

3 結(jié) 論

（1）經(jīng)上述工藝制得的植物纖維板材彎曲強(qiáng)度最大可達(dá)27.2 MPa，彎曲模量最大可達(dá)1 679 MPa，沖擊強(qiáng)度最大可達(dá)18.9 kJ/m2，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度最大可達(dá)2.35 MPa，吸水厚度膨脹率最小可達(dá)0.56%，握螺釘力最大可達(dá)2 214 N，密度最小可為0.61 g/cm3；

（2）通過改變復(fù)合材料中的纖維含量，可以看出，隨著纖維含量的變化，各性能指標(biāo)均發(fā)生不同變化，綜合考慮各指標(biāo)，最終選定本復(fù)合材料纖維含量為30%；

（3）所制得板材的各項(xiàng)指標(biāo)均已達(dá)到普通人造板材國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，且無甲醛釋放，生產(chǎn)和使用過程中不會(huì)造成危害，完全可代替普通人造板材在家具中的使用。

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Study on forming process of plant fi ber multilayer decorative board (Ⅰ):effect of fi ber content on properties

HE Hong-cheng1, CHEN Chao2
(1. Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, Hunan, China; 2 Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The effects of fi ber content of plant fi ber multilayer decorative board on the board’s properties were investigated by the experiments. The results show that when the fi ber content was 30% in the composites, the every performance index achieved better level.Namely, the products had good physical and chemical properties and environmental protection performance, and have also reached the indoor furniture environmental standards, thus the products can be used to replace the ordinary artif i cial board. It was proved that the product is completely no harm to environment in both producing and using process, and has a broad development prospect.

plant fi ber multilayer decorative board; forming process (moulding process); fi ber content; performance

S781

A

1673-923X(2014)08-0097-04

2013-10-31

國(guó)家林業(yè)局948項(xiàng)目：“木質(zhì)天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料關(guān)鍵技術(shù)引進(jìn)”（2011-4-11）

何洪城（1959-），男，研究員、高級(jí)經(jīng)濟(jì)師，長(zhǎng)期從事林業(yè)生物質(zhì)材料、植物有效成分、林業(yè)經(jīng)濟(jì)研究；E-mail：xbd9818@163.com

[本文編校：文鳳鳴]