碳布位置對木粉/高密度聚乙烯復合板性能影響1)

周晨 杜鳳 王偉宏

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

責任編輯:戴芳天。

木塑復合材料(WPC)是一類以熱塑性聚合物為基材，以木質纖維為填充增強材料，通過熔融復合制備的新型復合材料。木塑復合材料兼具木材和塑料的優(yōu)點，尺寸穩(wěn)定性好、硬度高、耐腐蝕、可回收再利用，最近幾年關注度大大上升［1-2］。但木塑復合材也存在明顯的缺點:脆性較大、力學強度不高［3］。

碳纖維是由有機纖維碳化處理后或者經過石墨化處理后，所得到的具有一定性能的纖維材料［4-6］。具有輕質、高強度、高剛度、優(yōu)良的減振性、耐疲勞和耐腐蝕等優(yōu)異性能。碳纖維與聚合物復合后，可以通過界面的結合增加聚合物基質的強度，改善其力學性能［7-8］。碳纖維增強復合材料已在體育產品高爾夫球桿、醫(yī)療領域骨組織支撐材料，以及航天材料等方面取得一定的應用進展［9-11］，但目前碳纖維尚未應用于增強木塑復合材料性能。因此，筆者引入碳纖維布作為增強手段，通過設計不同的工藝結構，研究其對木塑復合材性能的改善作用，探索利用其提高木塑復合材料物理力學性能的新途徑。

1 材料與方法

1.1 原料與設備

木粉(WF):20～40 目，含水率為5%～8%;碳纖維布單向，一束纖維里有12 000 根碳纖維，200 g/m2，厚度為0.111 mm，沈陽中恒復合材料有限公司;高密度聚乙烯(HDPE):牌號5000S，密度為0.954 g/cm3，熔融指數為0.08～0.11 g/min;PE 蠟;偶聯(lián)劑:馬來酸酐接枝聚乙烯(MAPE)，接枝率0.9%。

DHG-9625A 型電熱恒溫鼓風干燥箱、LD31001型高速混合機、模壓機、分析天平(量程0.01～210 g)、電子天平、小型精密臺鋸(XJ-300 型)、RGT-20A 型微機控制萬能力學實驗機、XJ-50Z 型組合沖擊實驗機。

1.2 WF/HDPE 復合板的制備

將60%的木粉、36%的HDPE、2%的MAPE 和2%PE 蠟按比例稱量放入高速混合機中，在70 ℃條件下攪拌10 min，物料混合均勻后倒入喂料斗，利用雙螺桿擠出機進行熔融復合，冷卻后粉碎成小顆粒。將粉碎后的物料按一定質量平鋪在160 mm×160 mm 的金屬模腔中，在175 ℃、5 MPa 的條件下熱壓5 min，保壓冷卻成型。待材料固化后取出，得到不同厚度的木塑板材。

1.3 碳布/WF/HDPE 復合板材的制備

將木塑片材與碳纖維布按照圖1所示順序層疊鋪放。碳布對稱地放置于木塑表板與芯板之間，在180 ℃溫度、5 MP 壓力下熱壓10 min，然后進行冷壓定型，制成夾層中帶有碳布的木塑復合材。碳布/WF/HDPE 復合板的總厚度為7 mm，根據表層與芯層木塑板的厚度，每種不同配置命名為“表層厚度—芯層厚度—表層厚度”。例如，3 mm 表層木塑板+碳布+1 mm 芯層木塑板+碳布+3 mm 表層木塑板的復合板記為CF313。

圖1 碳布與WF/HDPE 復合板的組合方式

1.4 性能測試的方法

碳布/WF/HDPE 復合板的彎曲強度參照ASTM D790-03《未增強和增強塑料及電絕緣材料彎曲性的標準試驗方法》進行測試，支點跨距為126 mm，加壓速度設置為3.78 mm/min。取至少5 個試件的平均值計為材料的彎曲強度和彎曲模量。

拉伸強度參照ASTM D638-03《塑料拉伸性能標準測試方法》進行測試，拉伸速度設置為5 mm/min;試件總長度為165 mm，兩端寬度為19 mm，中間測試部分寬度為13 mm，標距為50 mm，弧半徑為76 mm。

沖擊強度參照GB/T 1043.1—2008《塑料簡支梁沖擊性能的測試標準》在組合沖擊試驗機上進行，試件尺寸為75 mm×15 mm×7 mm，跨距為42 mm，沖擊速度為3.8 m/s，錘擺能量為15 J，預仰角160°，空擊角157°。

剝離性能參照GB/T 17657—1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》進行。將試件完全浸漬在沸水中，煮4 h 后，將試件分開平放在(63±3)℃的空氣對流干燥箱中干燥20 h，再在沸水中煮4 h，取出后在室溫下冷卻10 min。觀察試件在水熱作用下是否出現分層現象。

2 結果與分析

2.1 碳布/WF/HDPE 復合板材的彎曲性能

如表1所示，碳纖維布鋪放位置影響木塑復合材料彎曲強度和彈性模量。未添加碳布的WF/HDPE 復合板材彎曲強度最小，為27.39 MPa，添加碳布后得到顯著提高。碳布的位置越接近表層，碳布/WF/HDPE 復合材的彎曲強度越大，當碳布貼于木塑外表面時，抗彎強度達到最大值，為62.16 MPa，比未添加碳布的同等厚度WF/HDPE 復合材提高了127%。這是由于復合材彎曲過程中試件下表面受到最大拉應力，碳布覆于復合材的表層，直接承受拉應力，發(fā)揮了碳布拉伸強度高的優(yōu)勢。

表1 碳纖維放置位置對WF/HDPE 復合材料彎曲強度和彈性模量的影響

與抗彎強度類似，碳布/WF/HDPE 木塑復合材的彈性模量也隨著芯層厚度的增加(即碳纖維布越來越靠近復合材表層)而提高。例外的是，當碳布貼于木塑板材外表面時彈性模量急劇下降，比未添加碳布的木塑復合材料還要低。出現這種現象是因為試件上表面受到最大壓應力作用，表層碳布起皺，與木塑基材之間發(fā)生分層破壞，使復合材超出彈性變形階段;此時下表面碳布仍然可以承受拉應力保持完好，因此出現強度提高、彈性模量下降的現象。

圖2 CF070 抗彎試驗圖片

2.2 碳布/WF/HDPE 復合板材的拉伸性能

由表2可見，添加碳布后復合板材的拉伸性能有明顯的提高，比未添加碳布的復合板材提高了3倍。此外，隨著復合結構中表層木塑厚度的減小，碳布位置靠近復合材表面，復合材的拉伸強度減小。

表2 碳纖維放置位置對木塑復合材料拉伸強度的影響

拉伸測試過程中發(fā)現，復合材的木塑部分首先發(fā)生斷裂，而碳纖維卻遠沒有達到其破壞強度(圖3)。當碳布靠近中心放置時，兩側的木塑材料較厚，較薄的中心層斷裂后拉力被重新分配給外層的木塑層。此時相當于并聯(lián)關系，每層木塑/碳布分別承擔了1/2 的拉力，整體抗拉伸性能最高。與CF313 相比，CF232 的拉伸強度略有下降，但沒有明顯差別。而當表層木塑復合材料過薄時，例如CF151，在較大拉伸力作用下表層木塑復合首先斷裂，之后拉力全部由中間層的木塑/碳布繼續(xù)承擔，中間層木塑材料隨后也發(fā)生斷裂，導致材料整體拉伸強度下降，低于前兩種結構。此外，當碳布完全位于最外層時，塑料基質對碳纖維布的黏合作用較放于中心位置時的小，二者之間抗拉伸能力相差較大，容易出現剪切分層(如圖3所示)，而中間層木塑復合材料無法單獨承受大的拉應力。因此，碳布越靠近中心復合材整體抗拉伸效果越好。

圖3 試件的拉伸斷裂圖片

2.3 碳布/WF/HDPE 復合板材的沖擊性能

表3中，與未添加碳布的空白樣相比，CF/WF/HDPE 復合板材的抗沖擊性能得到極大改善。其中CF232 的沖擊強度達到最大值，為59.6 MPa，提高了447.5%;CF070 復合材的沖擊強度最小，為21.1 MPa。與碳布放于木塑復合材內部相比，CF070 復合材的碳布只有一面黏附在木塑基材的表面上，另一面沒有塑料基質的包覆，碳纖維束之間缺乏塑料的滲透和黏結，物理搭接不牢固。因此，當試件受到瞬時沖擊時纖維束之間發(fā)生滑移(圖4)，與木塑基材脫離，碳纖維作用發(fā)揮不充分。與其他CF/WF/HDPE 復合材相比，C070 的沖擊強度最小，但仍顯著高于未添加碳布的WF/HDPE 復合材。碳布放置在表面以下位置時其兩側都有塑料基質的黏附，摩擦力顯著增大，能夠抵抗更大的沖擊力，與C070 相比沖擊強度都有大幅度提高。

沖擊強度測試考查的是材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力，處于近表層位置的碳纖維需要抵抗較大變形。CF151 結構的復合材因表層木塑過薄，易斷裂，為碳纖維提供的摩擦力下降，碳纖維雖未斷裂，但纖維束亦發(fā)生滑移。碳布向中間位置偏移，表層木塑復合層達到一定厚度時才能起到較好的抗沖擊作用，如CF232 結構。但離中心位置過于接近又使碳纖維抵抗變形能力不能充分發(fā)揮，也導致CF/WF/HDPE 復合材沖擊強度有所下降。碳布鋪放位置對復合材沖擊韌度的影響有待深入研究。

表3 碳纖維放置位置對復合材料抗沖擊性能的影響

2.4 碳布/WF/HDPE 復合板材的浸漬剝離性能

經過水煮之后，CF313、CF232、CF151 復合材試件出現碳布與木塑的分離現象(圖5)。其中，表層木塑復合板厚度越大則剝離長度越小，如CF313 結構，試件側面僅出現1 mm 寬的裂縫，而CF151 的表板完全脫離芯板。這是由于表層木塑越薄，則中間的碳布越容易受到水和熱的影響，因而碳布與木塑板之間的結合遭到的破壞越嚴重。CF070 結構的表面碳纖維沒有受到HDPE 的的完全滲透，碳纖維間有較大空隙，使水與熱容易透過而破壞了碳布和木塑之間的結合，導致碳布與復合板材嚴重分層。

圖5 剝離性能測試后的試件

3 結論

碳布越靠近表層位置，復合板的抗彎強度越高，彈性模量也越大，但直接將碳布貼覆在木塑復合材表層反而使抗彎彈性模量大幅度下降。碳布挾持在木塑板材中間位置可以大幅度提高復合材的拉伸強度和抗沖擊強度，但表層木塑層厚度太薄也不利于發(fā)揮碳布的優(yōu)勢?？拷宀谋韺拥奶疾既菀资艿剿?、熱的影響，造成黏結力減弱，發(fā)生分層破壞。將碳布放置在適當的位置，可以較好地發(fā)揮碳纖維優(yōu)異性能，極大地提高木塑復合板材的各項力學性能，但碳布與木塑基材之間的界面結合還有待于進一步提高。

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