截面形狀和木粉含量對木塑復合地板彎曲性能的影響

邱飛，王偉宏，王海剛，王清文

（東北林業(yè)大學 生物質材料科學與技術教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150040）

截面形狀和木粉含量對木塑復合地板彎曲性能的影響

邱飛，王偉宏，王海剛，王清文

（東北林業(yè)大學 生物質材料科學與技術教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150040）

基于5種具有代表性的型材截面，對木塑復合地板的抗彎性能進行對比分析，同時研究了木粉含量對不同截面木塑地板彎曲性能的影響。結果表明：開口型地板的抗彎截面系數小于實心型和中空型地板；實心型地板和中空型地板的抗彎性能與剛度均優(yōu)于開口型地板；木粉含量的增加可以提高木塑地板的抗彎性能。從截面系數、強度方面綜合考慮，70%木粉含量的中空型地板性價比較高。

木塑地板；截面形狀；木粉含量；抗彎性能

木塑復合材料（WPC）是一種新型的環(huán)保材料，具有耐水、耐濕、可降解等優(yōu)勢，主要用作室外地板、欄桿等用途[1]。彎曲強度和彎曲模量是衡量這類材料性能的關鍵指標。商業(yè)化的WPC地板多為異型材，截面形狀主要有實心、中空、開口3種形式。國內關于木塑地板截面特征和彎曲性能的研究很少，朱宇宏等[2-3]分析了幾種截面的慣性矩計算模型，并研究了跨距對木塑地板彎曲性能的影響。徐朝陽等[4]對市場上常用的4種不同尺寸規(guī)格的木塑地板做了分析研究，結果表明木塑復合材料自身的彎曲強度和抗彎彈性模量均小于型材的，說明結構設計很重要，但從截面設計、材料配方的角度對木塑地板彎曲性能進行研究還有待深入。

為此，本研究設計了5種具有代表性的型材截面形式，制作了不同木粉含量的WPC地板，分析其彎曲性能與截面的關系，從產品性能和材料成本方面綜合考慮，為實際生產確定性價比較高的產品方案。

1 試驗

1.1 主要原材料

高密度聚乙烯（HDPE），5000S，熔融指數為0.8～1.1 g/10 min，中國石油大慶石化公司生產；楊木粉，30～80目，自制；馬來酸酐接枝聚乙烯（MAPE），CMG9804，接枝率為0.9%，上海日之升新技術發(fā)展有限公司生產；石蠟，上海華靈康復器械廠生產；聚乙烯蠟（PE蠟），山東齊魯石化公司生產；碳酸鈣，海城市八里鎮(zhèn)挺進高檔碳酸鈣廠生產；硬脂酸，馬來西亞天然油脂化學品私人有限公司生產。

1.2 木塑材料的制備

先將稱好的木粉倒入SRL-Z混合機組（張家港市靈杰塑料機械廠）的高速混合機中，高速攪拌20～25 min，使木粉的含水率降至5%左右，然后依次加入HDPE和助劑，繼續(xù)混合10 min。將混合好的物料倒入BHMSY-2雙螺桿木塑生產機組（南京塞旺科技發(fā)展有限公司）的喂料筒中，物料在雙螺桿擠出機中混煉塑化后進入單螺桿擠出機，進一步熔融后經擠出成不同截面形狀的板材，復合材料的配方見表1，擠出工藝參數見表2，木塑地板的截面形狀和尺寸見圖1。

1.3 彎曲性能測試

1.3.1 試件測試

采用RGT－20A微機控制電子萬能試驗機（深圳瑞格爾儀器有限公司），按ASTM D790—2007[5]測試抗彎性能，試件尺寸為80 mm×13 mm×4 mm，每組10個試件。根據標準規(guī)定試驗跨距與厚度比值為16∶1，加載速度按式（1）計算，此時跨距為64 mm，加載速度R為1.7 mm/s。

式中：Z——外表面形變速率，取0.01 s-1；

h——試樣厚度，mm；

L——支撐跨距，mm（L=16h）。

1.3.2 型材測試

型材測試采用中點加載方式，試件長度為450 mm，每組5個試件。使用RGT-20A微機控制電子萬能試驗機測試抗彎性能，參考ASTM D790—2007確定跨距與加載速度，由于試件厚度為25 mm且Z值相同，此時跨距為400 mm，加載速度為10.7 mm/s。

復合材料地板在彎曲性能方面符合簡支梁彎曲，根據材料力學理論，木塑地板的彎曲強度σ和抗彎彈性模量E分別按式（2）、式（3）計算：

式中：Mmax——中間加載簡支梁的最大彎矩，N·mm；

y——材料表面離中性軸的距離，mm；

Iz——慣性矩，mm4；

△P——彈性范圍內的載荷變化量，N；

△f——彈性范圍內的撓度變化量，mm。

5種不同截面的木塑地板如圖1所示。

2 結果與分析

2.1 不同截面形式的分析

在型材的結構設計中，需要了解材料在外力作用下產生的應力和變形，并對材料構件的強度、剛度、穩(wěn)定性等力學性質進行計算，而型材的截面設計尺寸為上述計算提供了非常重要的參數，這些幾何參數主要包括面積、形心、慣性矩等。利用AutoCAD軟件面域特征的查詢功能，計算本研究中各種截面的幾何參數[6-7]（見表3）。

由表3可知，實心型板的截面積最大，所消耗的材料最多。由于實心型板和空心型板均為近似上下對稱結構，所以它們的形心位置也較對稱，偏移較??；而開口型板下半部分有缺口，導致中性軸位置上移，形心向上偏移較大。

抗彎截面系數綜合反映了橫截面形狀和尺寸對彎曲正應力的影響，可根據式（4）計算。從強度方面考慮，應采用最小的截面積得到最大的抗彎截面系數[8]，通常采用比值Wz/A1.5衡量板材截面形狀的合理性[9]。從表3可以看出，中空型板材的Wz/A1.5最大，說明該形狀在滿足抗彎強度要求的同時也節(jié)省了材料用量，并且2種中空型板材的各項截面幾何參數均非常相近。

式中：Wz——型材的抗彎截面系數，mm3；

ymax——中性軸到臨界線的距離，mm。

2.2 不同截面形狀木塑復合地板的彎曲性能

表4為不同木粉含量的5種不同截面形狀木塑地板的彎曲性能參數。

從表4可以看出，5種不同截面形狀地板的最大破壞載荷、地板斷裂時中跨處最大變形和最大應變的變化順序均相同，從大到小依次為實心型＞矩形中空型＞圓形中空型＞圓形開口型＞矩形開口型。實心型板能承受的最大載荷比中空型板略高，無明顯優(yōu)勢；是矩形開口型的2.16～2.30倍，是圓形開口型的1.76～1.87倍。但實心型板的最大變形和最大應變卻處于不利情況，約為中空型板的1.3倍，是開口型板的1.6倍，容易產生變形。木塑地板受外力作用時，會在板材橫截面上產生一個應力，此時板材上部受壓應力，下部受拉應力，應力在中性軸處為0，并從中性軸向板的外表面呈線性增加，由此導致板材彎曲變形。相對中性軸對稱的材料其最大彎曲壓應力等于最大彎曲拉應力。對于實心型板和2種中空型板，雖然由于上表面的凹槽和倒角導致中性軸向下偏移，使壓應力略大于拉應力，但中性軸偏移幅度較小，可以近似看作中性軸的對稱結構。而開口型板下半部分缺失較多，中性軸向上偏移幅度較大，致使最大拉應力、壓應力相差較大，矩形開口型板的最大拉應力是最大壓應力的1.71倍；圓形開口板的最大拉應力是最大壓應力的1.50倍。最大拉應力的大小順序依次為：圓形開口型板＞矩形開口型板＞實心型板＞矩形中空型板≈圓形中空型板；最大壓應力的大小順序為：實心型板＞矩形中空型板≈圓形中空型板＞圓形開口型板＞矩形開口型板。

從總體上看，木塑地板在受壓力作用時承受最大載荷順序為：實心型＞中空型＞開口型。5種不同截面形狀木塑地板的抗彎彈性模量的大小順序為：矩形開口型板≈圓形開口型板＞圓形中空型板＞矩形中空型板＞實心型板。

剛度是衡量材料抵抗變形能力的指標，由式（3）可推出型材剛度EIz的計算式（5）：

由式（5）可知，其與慣性矩和抗彎彈性模量均成正比。對于型材來說，抗彎彈性模量高的材料其制品剛度不一定也高，還要考慮制品的截面慣性矩。因此，要增大木塑復合地板的剛度，可以通過配方的改進處理提高彎曲彈性模量，如提高木粉摻量，添加改性劑等，也可以通過設計合理的截面以增大慣性矩。由表4可見，5種不同截面形狀木塑復合地板剛度大小的順序為：圓形中空型板＞矩形中空型板＞實心型板＞圓形開口型板＞矩形開口型板，其中圓形中空截面地板具有較高的抗彎曲變形性能。

2.3 不同木粉含量木塑復合地板的彎曲性能

從表4還可以看出，隨著木粉含量的增加，5種不同截面形狀的木塑地板的最大載荷、最大彎曲應力、抗彎彈性模量和剛度均呈增大的趨勢，而最大變形呈降低趨勢。其中，木粉含量從50%增加到70%，實心型板的抗彎彈性模量和剛度增幅為71.51%，其它4種地板的增幅為40%～46%；實心型板的最大變形和最大應變下降幅度為49.11%，圓形中空型板的降幅為33.92%，其它3種板的降幅為40%～42%。實心型板的抗彎性能變化量最大，容易受木粉含量增減的影響。

表5為不同木粉含量木塑復合材料的彎曲性能參數。

綜合對比表4與表5可以發(fā)現，5種不同截面形狀型材的最大載荷和抗彎彈性模量與木粉含量存在對應關系，即木粉的增加使體系的剛性增強，這也是木塑地板隨木粉增加而斷裂時的最大變形降低的原因。

2.4 不同截面、木粉含量木塑復合地板原料成本分析

以木塑復合材料制成的地板，不僅要滿足使用性能要求，還要嚴格控制成本來提高其市場競爭力。為此，本研究計算了不同截面地板型材的原料成本。首先根據材料的截面面積（見表3）與材料的密度（見表5）算出木塑復合地板的米重（kg/m），再根據材料配方（見表2）和原料的單價（見表6），計算出不同截面、木粉含量的木塑復合地板的原料成本，如表7所示。

由于木粉價格低廉，因此木粉含量的增加必然會降低板材原料成本。實心板用料最多，因此成本也最高。5種截面型材中，矩形開口型板的成本最低。從截面系數、強度、價格方面綜合考慮（參考表3、表4、表7），認為截面相同時，70%木粉含量的地板性價比較高；木粉含量相同的情況下，中空型截面地板的性價比較高。

3 結語

（1）開口型木塑復合地板上下結構不對稱，形心向上偏移較大，導致抗彎截面系數減小，大約是同等橫截面積的中空型材的43%。從抗彎強度方面考慮，中空型截面設計最合理。

（2）通過剛度分析可知，5種不同截面形狀的木塑地板抵抗變形能力的優(yōu)劣順序為：圓形中空型板＞矩形中空型板＞實心型板＞圓形開口型板＞矩形開口型板。中空型板的抗彎性能優(yōu)于其它截面形狀。

（3）隨著木粉含量增加，木塑地板的破壞載荷、最大彎曲應力、彈性模量以及剛度呈增大趨勢，而地板斷裂時中跨處的最大變形呈下降趨勢。

（4）從截面系數、強度、價格方面綜合考慮，70%木粉含量的中空型木塑復合地板的性價比較高。

[1]Klyosov A A.木塑復合材料[M].王偉宏，宋永明，高華，譯.北京：科學出版社，2010.

[2]朱宇宏，徐朝陽，李大綱，等.耐水木塑復合地板彎曲性能的測試方法[J].木材工業(yè)，2009，23（6）：5-7.

[3]朱宇宏，徐朝陽，李大綱，等.耐水木塑復合地板截面結構特征分析[J].木材工業(yè)，2009，23（4）：37-39.

[4]徐朝陽，朱宇宏，李大綱，等.木塑型材與木塑復合材料抗彎性能比較研究[J].包裝工程，2009，30（3）：28-30.

[5]ASTM D790—2007.Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials[S].West Conshohocken，PA.

[6]高建亮.AutoCAD計算截面幾何性質的應用[J].建設科技，2011 （11）：79-80.

[7] 黃永玉，王曉君，張建育.截面幾何性質求解的簡便方法研究[J].機械制造研究，2009，38（3）：115-116，124.

[8]楊青，趙吉坤.梁截面優(yōu)化對工程造價的影響分析[J].建筑技術，2010，41（10）：942-945.

[9] 薛福林.再說梁截面形狀經濟合理性的合理衡量方法[J].力學與實踐，2002，24（6）：64-65.

Bending performance of wood-plastic composite decking with different cross-section figure and wood flour content

QIU Fei，WANG Weihong，WANG Haigang，WANG Qingwen
（Key Lab of Bio-based Material Science&Technology of Education Ministry，Northeast Forestry University，Harbin 150040，Heilongjiang，China）

This paper analyzed the bending performance of extruded wood-plastic composite（WPC）decking with five different cross-section figures.The influence of wood flour content on bending performance was also investigated.The results show that section modulus of bending of open-end type floor was less than those of solid and hollow type floor.Solid and hollow type decking was superior to open-end type decking in bending and rigidity performance.Bending performance of WPC decking was improved with the increasing of wood flour content.Comprehensively considering the cross-section figure，strength，and cost，it is concluded that the combination of 70%wood flour content and hollow type presented a higher cost performance for floor lumber.

wood-plastic composite floor，cross-section figure，wood flour content，bending performance

TU532+.62；TQ327

A

1001-702X（2015）06-0025-04

國家“十二五”科技支撐計劃項目（2012BAD32B00）

2014-11-26；

2015-01-12

邱飛，男，1989年生，安徽淮南人，碩士研究生，主要從事木塑復合材料產品加工利用研究。