楊木纖維幾何形態(tài)對木塑復(fù)合材料性能的影響1)

高 珣 程萬里 王海剛 韓廣萍 李 卓

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (廊坊光禾木業(yè)有限公司)

木塑復(fù)合材料(簡稱WPC)作為一種新型材料，具有成本低、性能好等優(yōu)點(diǎn)［1］，在環(huán)境保護(hù)和資源利用等方面有重要意義。隨著可利用資源的匱乏和市場競爭的日益激烈，WPC制品在建筑、園林等領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。

在WPC制備過程中，影響其力學(xué)性能的因素很多，其中木纖維幾何形態(tài)包括直徑和長徑比等，是重要因素之一。國內(nèi)外有學(xué)者就木纖維直徑等因素對WPC性能的影響進(jìn)行了研究，但結(jié)果并不一致，對WPC力學(xué)性能與纖維形態(tài)、尺寸之間關(guān)系也有不同解釋。王偉宏等［2］認(rèn)為在WPC中，木纖維直徑越大，長徑比越大，其力學(xué)性能越好，且與塑料熔融復(fù)合時長纖維沿著流動方向，與短纖維相比改善了WPC力學(xué)性能;Lee等［3］的研究表明增加纖維長度可以提高WPC拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和彈性模量;Verhey［4］和 Chen［5］等學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了木纖維直徑越大，WPC強(qiáng)度越高的結(jié)論。但是Maiti［6］和孔展［7］等通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)得出:隨著木纖維直徑的增加，WPC彈性模量有所降低。此外，王海剛等［8］也研究了不同形態(tài)的針狀木纖維對WPC力學(xué)性能的影響。筆者在項(xiàng)目前期研究基礎(chǔ)之上，考查了木纖維直徑和長徑比等對WPC各項(xiàng)力學(xué)性能的影響。

1 材料與方法

1.1 主要原料

聚乙烯(PE)采購于中國石油大慶石油化工總廠;楊木薄板由哈爾濱市永旭實(shí)業(yè)人造板公司提供;馬來酸酐接枝聚乙烯(MAPE)采購于廣州柏晨有限公司;工業(yè)石蠟為市購。

1.2 儀器與設(shè)備

60型木纖維粉碎機(jī)，徐州富陽能源科技有限公司;SHR－10A高速混合機(jī)，張家港市通河橡塑機(jī)械有限公司;SJSH30/SJ45型雙階塑料擠出機(jī)組，南京橡塑機(jī)械廠;RGT－20A電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，深圳REGER儀器有限公司;XJ－50G組合式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，河北承德力學(xué)試驗(yàn)機(jī)有限公司;GE－5高清數(shù)碼顯微鏡，上海長方光學(xué)儀器有限公司;G－9625A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司。

1.3 試樣制備

楊木薄板經(jīng)揉搓碾軋式木纖維粉碎機(jī)粉碎加工，篩選出20目＜h(目數(shù))≤40目、40目 ＜h≤60目、60目＜h≤80目、80目＜h≤100目的木纖維，并置于干燥箱中，在(103±2)℃條件下干燥至含水率低于3%。將PE、木纖維、MAPE和石蠟按一定比例放入高速混合機(jī)中混合，然后將混合好的物料置于雙螺桿及單螺桿擠出機(jī)中造粒、擠出成型，并鋸成標(biāo)準(zhǔn)測試試件備用。

雙螺桿擠出機(jī)溫度設(shè)定:1區(qū)160℃、2區(qū)165℃、3區(qū)170℃、4區(qū)170℃、5區(qū)185℃、6區(qū)170℃，7區(qū)165℃。

單螺桿擠出機(jī)溫度設(shè)定:1區(qū)145℃、2區(qū)155℃、3區(qū)165℃、4區(qū)165℃、機(jī)頭165℃。

1.4 工藝流程

WPC的制備工藝流程見圖1。

圖1 WPC制備工藝流程

1.5 性能測試

彎曲性能參照GB/T 9341—2000測試，拉伸性能參照GB/T 1040—1992測試，沖擊強(qiáng)度參考GB/T 1043—1993進(jìn)行。測試結(jié)果為7個試樣的算術(shù)平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 木纖維直徑與纖維形態(tài)

木纖維是木質(zhì)材料經(jīng)過機(jī)械破碎加工而成的，由于在粉碎過程中加工原理和木質(zhì)材料不同位置所承受的力不同，木材原本的微泡結(jié)構(gòu)遭到不同程度破壞，從而導(dǎo)致木纖維直徑和長徑比大小各異。圖2為不同目數(shù)木纖維顯微圖。可以看出:木纖維形態(tài)比較規(guī)則，絕大部分的木纖維呈通直狀態(tài)，但也有少量呈彎曲狀態(tài)。木纖維長徑比是指其長度與直徑的比值，它是影響WPC物理力學(xué)性能的重要因素之一。由表1可以看出20目＜h≤40目、40目＜h≤60日、80目＜h≤100目的木纖維長徑比大約為5，而60目＜h≤80目的木纖維長徑比相對較大;40目＜h≤60目的木纖維長度、直徑及長徑比變異系數(shù)分別為 0.29、0.29、0.38，相對較大，說明其形態(tài)尺寸不太均勻;20目＜h≤40目的木纖維各變異系數(shù)都相對較小，尺寸相對均勻。

圖2 木纖維顯微圖像(60×)

表1 木纖維形態(tài)

2.2 木纖維直徑對復(fù)合材料性能的影響

2.2.1 木纖維直徑對WPC密度的影響

如圖3所示，用直徑為0.17 mm的木纖維填充WPC的密度為1.17 g/cm3，而采用直徑為0.54 mm的木纖維填充WP的密度為1.12 g/cm3，降幅為4.27%。直徑大、粗糙度高的木纖維容易在界面處形成空洞缺陷，同時PE向木纖維滲透只發(fā)生在較淺的表面層，而在木纖維中心部分仍然保留了木材原有的蜂窩狀微泡結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致WPC密度隨著木纖維直徑增大呈逐漸減小的趨勢。因此直徑小的木纖維發(fā)生這種現(xiàn)象的幾率相對較少，密度也相對較大。

圖3 木纖維直徑對WPC密度的影響

2.2.2 木纖維直徑對WPC拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長率的影響

木纖維直徑對WPC拉伸強(qiáng)度影響如圖4所示。拉伸強(qiáng)度隨著木纖維直徑(d)的增大呈先增大后減少趨勢。在0.17 mm＜d≤0.29 mm范圍內(nèi)，拉伸強(qiáng)度逐漸增加，在0.29 mm處拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)最大值40.55 MPa;在0.29 mm ＜ d≤0.54 mm 的范圍內(nèi)，拉伸強(qiáng)度從40.55 MPa減少到36.46 MPa，下降幅度幅為10.1%。WPC斷裂伸長率也隨著木纖維直徑增大呈現(xiàn)出先增大后減少趨勢，并在直徑為0.29 mm時出現(xiàn)最大值。

圖4 木纖維直徑對WPC拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率的影響

拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率出現(xiàn)該類變化規(guī)律與木纖維的直徑和長徑比有關(guān)。直徑越小，長徑比也越小，只有部分木纖維具有纖維特征，其本身力學(xué)強(qiáng)度較低，在基體中承擔(dān)應(yīng)力能力也較小。當(dāng)直徑較大時，木纖維表面粗糙度高，結(jié)構(gòu)較疏松，且由于PE和木纖維的相容性較差，PE熔體不易向木纖維中滲透。因此直徑較大、粗糙度高的木纖維中容易形成空洞缺陷，材料在承受拉伸力作用時會在這些微小的缺陷處形成應(yīng)力集中，從而使材料在相對較小的拉力作用下斷裂。正是由于上述兩方面原因，木纖維的直徑過小或者過大時，WPC的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率較低。

2.2.3 木纖維直徑對WPC彎曲強(qiáng)度和彈性模量的影響

圖5表征了WPC彎曲性能隨著木纖維直徑的增大呈現(xiàn)出先增大后減少的趨勢。木纖維直徑在0.17 mm＜d≤0.21 mm范圍內(nèi)，彎曲強(qiáng)度迅速上升，從0.17 mm 時的 61.06 MPa增加到 0.21 mm 時的64.80 MPa，增幅為 6.13%。在 0.21 mm ＜ d≤0.29 mm范圍內(nèi)，彎曲強(qiáng)度隨著木纖維直徑的增大而下降，在0.29 mm＜d≤0.54 mm范圍內(nèi)彎曲強(qiáng)度呈緩慢上升趨勢，但上升幅度較小。WPC彈性模量與彎曲強(qiáng)度的變化趨勢大體相同，在木纖維直徑0.21 mm時彈性模量達(dá)到最大值為3.79 GPa。

圖5 木纖維直徑對WPC彎曲強(qiáng)度和彈性模量的影響

木纖維的直徑和長徑比對WPC的彎曲強(qiáng)度和彈性模量都有較大影響。彎曲強(qiáng)度以撓度最大點(diǎn)為中心，向兩邊逐漸減小，隨著木纖維目數(shù)的提高，木纖維變短，木纖維末端承受的應(yīng)力變大，出現(xiàn)脫黏破壞的情況變多，彎曲強(qiáng)度也隨之下降。直徑較大的木纖維基本保持了木材原有的結(jié)構(gòu)，在WPC中起到良好的骨架支撐作用，而且在彎曲形變過程中受到的外力為壓應(yīng)力，具有較好的力學(xué)強(qiáng)度。但是木纖維過長，其與基體樹脂進(jìn)行熔融共混時容易發(fā)生機(jī)械纏結(jié)和團(tuán)聚現(xiàn)象，使得木纖維和樹脂不能充分浸漬、復(fù)合，產(chǎn)生空洞等缺陷的幾率增大，使WPC的彎曲強(qiáng)度降低。所以木纖維的直徑過大或過小時，WPC彎曲性能相對較低。

2.2.4 木纖維直徑對WPC沖擊強(qiáng)度的影響

沖擊強(qiáng)度是評價體系韌性的重要指標(biāo)(見圖6)。木纖維直徑在0.17 mm ＜d≤0.21 mm 時，WPC沖擊強(qiáng)度隨木纖維直徑的增加而增大;而在0.21 mm＜d≤0.54 mm時，WPC沖擊強(qiáng)度隨木纖維直徑的增加而減小，復(fù)合材料在木纖維直徑為0.21 mm時，沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值12.66 kJ·m－2，與直徑為0.54 mm的復(fù)合材料相比，提高了約19%。這是因?yàn)闆_擊過程主要是通過裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展來吸收能量，20目的木纖維表面粗糙，與PE基體不能形成良好嚙合，在界面處易產(chǎn)生空洞，產(chǎn)生的裂紋大而少，因此吸收能量的能力弱;而木纖維直徑為0.21 mm時，其長徑比較大，粗糙度適中，能較好地浸漬在基體中并產(chǎn)生嚙合作用，形成較深的界面擴(kuò)散和機(jī)械互鎖;當(dāng)受到?jīng)_擊作用時，產(chǎn)生的裂紋多，耗能多，故其沖擊性能好。木粉直徑為0.17 mm左右時，沖擊強(qiáng)度只有10.4 kJ·m－2，原因在于木粉直徑大小會對其在基體中的分散產(chǎn)生較大影響。當(dāng)木粉直徑小、表面積大時，同等質(zhì)量下木粉含有的羥基數(shù)目較多，產(chǎn)生的氫鍵作用較強(qiáng)，使其在基體中較易發(fā)生團(tuán)聚而不易分散均勻，顆粒變大，承受沖擊能力變?nèi)酰虼藳_擊強(qiáng)度不升反降。

圖6 木纖維直徑對WPC沖擊強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論與展望

隨著直徑增加，WPC拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、彎曲性能、彈性模量及沖擊強(qiáng)度均呈先增加后減少的趨勢，其中拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率在直徑為0.29 mm時出現(xiàn)最大值，彎曲性能、彈性模量及沖擊強(qiáng)度均在直徑為0.21 mm時出現(xiàn)最大值。WPC的密度會隨木纖維直徑增大略有下降，降幅為4.27%。

當(dāng)木纖維直徑為0.21 mm＜d≤0.29 mm(60目＜h≤80目)、長徑比為5～8時可賦予WPC較好的力學(xué)性能。

筆者還將在今后一段時間內(nèi)重點(diǎn)針對不同含水率、不同樹種及形態(tài)的原料，采用不同加工原理的設(shè)備就生物質(zhì)微細(xì)纖維的定向制備進(jìn)行系統(tǒng)深入研究，以期探討適合于生物質(zhì)復(fù)合材料用纖維的最佳制備工藝和設(shè)備。

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