不同木質(zhì)纖維原料對(duì)PVC木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

徐開(kāi)蒙 陳太安 吳章康 黃素涌 李凱夫

(1.西南林業(yè)大學(xué)材料工程學(xué)院，云南 昆明 650224；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)木質(zhì)復(fù)合材料中心，廣東 廣州 510642)

?

不同木質(zhì)纖維原料對(duì)PVC木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

徐開(kāi)蒙1陳太安1吳章康1黃素涌1李凱夫2

(1.西南林業(yè)大學(xué)材料工程學(xué)院，云南 昆明 650224；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)木質(zhì)復(fù)合材料中心，廣東 廣州 510642)

選取6種不同木質(zhì)纖維制備PVC木塑復(fù)合材料，分析木質(zhì)纖維的基本形態(tài)參數(shù)及表面接觸角，對(duì)比研究不同木質(zhì)纖維制備木塑復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能。結(jié)果表明：木質(zhì)纖維長(zhǎng)度、長(zhǎng)徑比及接觸角值均較高的材種較適合制備木塑復(fù)合材料；在6種不同木質(zhì)纖維中，纖維長(zhǎng)度、長(zhǎng)徑比和接觸角分別為2.66 mm、65.35和90.32°的杉木制備的木塑復(fù)合材料綜合力學(xué)性能最佳，彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、拉伸強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度分別可達(dá)45.63、3 247、29.14 MPa和6.41 kJ/m2。

木塑復(fù)合材料；木質(zhì)纖維；接觸角；形態(tài)參數(shù)；力學(xué)性能

隨著森林資源的日益緊缺及科技和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，當(dāng)前人類已從傳統(tǒng)材料的直接選用加工時(shí)代逐漸過(guò)渡到高新技術(shù)復(fù)合材料開(kāi)拓創(chuàng)新的時(shí)代，在此背景下，綜合性能突出、經(jīng)濟(jì)效益顯著、符合我國(guó)資源節(jié)約綜合高效利用和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)要求的木塑復(fù)合材料得到了快速的推廣及應(yīng)用[1-2]，同時(shí)木塑復(fù)合材料的零甲醛排放、優(yōu)良的裝飾性、尺寸穩(wěn)定性和耐生物侵蝕性相比人造板有巨大優(yōu)勢(shì)，且其較實(shí)木相對(duì)低廉的成本則更易被大眾所接受[3-4]。目前，我國(guó)的木塑復(fù)合材料生產(chǎn)企業(yè)已超過(guò)300家，年產(chǎn)值超過(guò)50億元[5]。

木塑復(fù)合材料發(fā)展至今，大部分企業(yè)從業(yè)者及其相關(guān)研究人員總是把木塑復(fù)合材料中的“木”質(zhì)部分認(rèn)為是一種普通的“填料”，將關(guān)注的焦點(diǎn)放在熱塑性高分子樹(shù)脂改性等難題的攻克上面，而忽視了不同木質(zhì)纖維原料會(huì)對(duì)相同復(fù)合體系的綜合性能產(chǎn)生較大影響[6]。

因此，本試驗(yàn)選用尾巨桉(Eucalyptusgrandis×E.urophylla)、楓香(Liquidambarformosana)、白千層(Melaleucaleucadendra)等闊葉樹(shù)種，馬尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)等針葉樹(shù)種和蓖麻稈(Ricinuscommunis)農(nóng)作物廢棄物共6種不同的木質(zhì)纖維原料，采用Schultze離析法和動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)試儀分析木質(zhì)纖維的基本形態(tài)參數(shù)及其表面接觸角，并通過(guò)同向平行雙螺桿造粒和錐形雙螺桿擠出兩步法成型法制備木塑復(fù)合材料，對(duì)比研究不同種類木質(zhì)纖維制備的PVC木塑復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能(彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、拉伸強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度)，旨在探索木塑復(fù)合材料中“木”質(zhì)部分對(duì)其結(jié)合性能、力學(xué)性能的綜合影響，為科學(xué)合理地指導(dǎo)PVC木塑復(fù)合材料的生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 材料與設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

木質(zhì)纖維原料：馬尾松(7～ 8年生，徑級(jí)14～19 cm)、杉木(7～ 8年生，徑級(jí)11～15 cm)、尾巨桉(5.5年生，徑級(jí)16～20 cm)均由廣東威華木業(yè)有限公司提供；楓香(15～20年生，徑級(jí)25～30 cm)由貴州金鳥(niǎo)木業(yè)有限公司提供；白千層(11年生，徑級(jí)20～25 cm)由廣東柏高股份有限公司提供；蓖麻稈(徑級(jí)4～6 cm)由華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院提供。

熱塑性樹(shù)脂原料：聚氯乙烯(PVC)樹(shù)脂(型號(hào)SG-5)，購(gòu)自天津大沽化工股份有限公司。

助劑及添加劑：復(fù)配穩(wěn)定劑、潤(rùn)滑劑、復(fù)合加工助劑，均由廣州名山新材料有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

BX484長(zhǎng)材刨片機(jī)，信陽(yáng)木工機(jī)械股份公司；XFB-400型手提式中藥粉碎機(jī)，湖南中誠(chéng)制藥機(jī)械廠；SHR-10A型高速混合機(jī)，張家港格蘭機(jī)械有限公司；SHJ-20型同向雙螺桿擠出機(jī)，南京杰恩特機(jī)電有限公司；LSE-35型錐形雙螺桿擠出機(jī)，順德聯(lián)塑機(jī)械制造公司；DFC-295型顯微鏡，德國(guó)萊卡公司；CMT5504型萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，深圳三思縱橫科技股份有限公司；OCA15型動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)試儀，德國(guó)DATAPHYSICS公司。

2 試驗(yàn)方法

2.1 木質(zhì)纖維基本形態(tài)參數(shù)測(cè)試

首先將木質(zhì)試樣劈成火柴桿大小放入試管中加熱煮沸，至試樣全部下沉，排除其內(nèi)部空氣；然后采用Schultze法(硝酸和氯酸鉀)對(duì)試樣進(jìn)行離析、制片；最后采用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察和測(cè)量。木質(zhì)纖維的長(zhǎng)度、寬度及長(zhǎng)徑比數(shù)據(jù)為隨機(jī)選取20根木質(zhì)纖維的平均值，并采用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行方差分析，取95%的置信區(qū)間。

2.2 木質(zhì)纖維動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)試

采用OCA15型動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)試儀，基于Washburn方程對(duì)不同木質(zhì)纖維的表面接觸角進(jìn)行測(cè)定[7]，每個(gè)材種重復(fù)3次，并采用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行方差分析，取95%的置信區(qū)間。試驗(yàn)前設(shè)備先用正己烷進(jìn)行校正。

2.3 木塑復(fù)合材料的制備方法

用推臺(tái)鋸將杉木原木去皮，放入單鼓輪長(zhǎng)材刨片機(jī)中進(jìn)行刨切處理，并通過(guò)手提式粉碎機(jī)將木片進(jìn)一步粉碎，然后進(jìn)行過(guò)篩和震動(dòng)分選，選取80～100目的木粉，之后將其干燥至含水率低于3%，密封待用。按表1比例在高速混合機(jī)中放入木質(zhì)纖維、PVC及各種加工助劑，將混合物料用同向雙螺桿擠出機(jī)和錐形雙螺桿擠出機(jī)兩步成型法進(jìn)行加工制備，各擠出參數(shù)與課題組前期研究一致[8]。

表1 木塑復(fù)合材料各組分比例Tab.1 The proportion of main componentof wood plastic composites

2.4 力學(xué)性能評(píng)價(jià)

分別參考GB/T 9341—2000《塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》、GB/T 1040—1992《塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》和GB/T 1843—2008《塑料懸臂梁沖擊強(qiáng)度的測(cè)定》對(duì)木塑復(fù)合材料試樣的彎曲、拉伸和抗沖擊性能進(jìn)行測(cè)試。

3 結(jié)果與分析

3.1 木質(zhì)纖維基本形態(tài)參數(shù)分析

不同材種木質(zhì)纖維基本特性見(jiàn)表2。

從表2中數(shù)據(jù)和方差分析可知，不同材種所對(duì)應(yīng)的木質(zhì)纖維特性差異顯著。其中馬尾松的平均木質(zhì)纖維長(zhǎng)度、纖維直徑和長(zhǎng)徑比值均為最大，分別為3.79、0.046 4 mm和81.738；而蓖麻稈所對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)基本形態(tài)參數(shù)值均為最低，分別為0.80、0.024 0 mm和33.333；其余材種的木質(zhì)纖維基本形態(tài)參數(shù)也各有差異，這些差異的存在都將影響木質(zhì)纖維在木塑復(fù)合材料中所起到的作用。

表2 不同材種木質(zhì)纖維基本特性Tab.2 Density and fiber basic parametersfor different wood species

注：不同小寫字母表示0.05水平差異顯著。

3.2 動(dòng)態(tài)接觸角分析

不同材種的動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同材種的動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)量參數(shù)和結(jié)果Tab.3 Results of dynamic contact angle for different wood species

從表3中可知，不同材種的木質(zhì)纖維表面的接觸角不同。根據(jù)方差分析可知，杉木與馬尾松間接觸角差異顯著；尾巨桉與楓香以及楓香與蓖麻稈的接觸角均差異顯著；而馬尾松、白千層、尾巨桉間差異不顯著。其中，杉木木質(zhì)纖維表面的接觸角最大，為90.32°，說(shuō)明杉木木質(zhì)纖維表面的親水性相對(duì)較弱。從相似相容理論分析可知，與親油性的PVC樹(shù)脂的結(jié)合性能較佳；反之，表面接觸角最小的蓖麻稈，其木質(zhì)纖維表面有較強(qiáng)的親水性，與樹(shù)脂間的界面結(jié)合能力較差。

3.3 力學(xué)性能分析

3.3.1 彎曲強(qiáng)度分析 不同木質(zhì)纖維制備木塑復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度見(jiàn)圖1。從圖1可見(jiàn)，在同一種配方和工藝下，用杉木木質(zhì)纖維制備的木塑復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度最大，為45.63 MPa；而蓖麻稈木質(zhì)纖維制備的木塑復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度僅為29.60 MPa，兩者相差16.03 MPa；尾巨桉、白千層、楓香所制備的樣品彎曲強(qiáng)度差別不大，這與上述木質(zhì)纖維基本形態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)接觸角的分析相對(duì)應(yīng)，即采用木質(zhì)纖維長(zhǎng)度、長(zhǎng)徑比及接觸角值均相對(duì)較高的材種來(lái)制備木塑復(fù)合材料，其彎曲強(qiáng)度較高，與前人的研究結(jié)論相一致[9]，這也再次證明了木塑復(fù)合材料中“木”質(zhì)部分對(duì)木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的影響甚大，在實(shí)際生產(chǎn)中選擇材種時(shí)應(yīng)引起足夠重視。

3.3.2 彎曲模量分析 不同木質(zhì)纖維制備木塑復(fù)合材料的彎曲模量見(jiàn)圖2。

圖2與圖1的曲線整體形狀趨于一致，木塑復(fù)合材料彎曲模量最高和最低值分別為3 247 MPa和2 311 MPa，分別對(duì)應(yīng)杉木木質(zhì)纖維和蓖麻稈木質(zhì)纖維。從圖2還發(fā)現(xiàn)，尾巨桉木質(zhì)纖維制備樣品的彎曲模量略有波動(dòng)，且其標(biāo)準(zhǔn)差也相對(duì)其他材種大，這可能是由于速生尾巨桉心邊材纖維特性波動(dòng)較大所致。

3.3.3 拉伸強(qiáng)度分析 不同木質(zhì)纖維制備木塑復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度見(jiàn)圖3。從圖3可知，各種木質(zhì)纖維對(duì)應(yīng)的拉伸強(qiáng)度與上述彎曲強(qiáng)度和模量有所差別，其中，拉伸強(qiáng)度最佳的木塑復(fù)合材料對(duì)應(yīng)的是馬尾松木質(zhì)纖維，達(dá)32.83 MPa，這是由于在木塑復(fù)合材料制備過(guò)程中，熱塑性樹(shù)脂熔融復(fù)合時(shí)長(zhǎng)纖維相比短纖維而言更容易沿流動(dòng)方向取向，故纖維長(zhǎng)度的增加提高了木塑復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度[10]。6種木質(zhì)纖維中，馬尾松的木質(zhì)纖維長(zhǎng)度最大，為3.79 mm；杉木和楓香次之，依次為2.66 mm和1.57 mm；蓖麻稈木質(zhì)纖維的平均長(zhǎng)度最短，相應(yīng)其拉伸強(qiáng)度最小。

3.3.4 抗沖擊強(qiáng)度分析 不同木質(zhì)纖維制備木塑復(fù)合材料的抗沖擊強(qiáng)度見(jiàn)圖4。

從圖4可知，采用杉木木纖維制備的木塑復(fù)合材料的抗沖擊強(qiáng)度最佳，為6.41 kJ/m2;其次為尾巨桉>白千層>馬尾松>楓香>蓖麻稈。根據(jù)先前的分析數(shù)據(jù)可以推斷，影響抗沖擊強(qiáng)度的因素之一為木質(zhì)纖維與樹(shù)脂間的界面結(jié)合能力，這是由于當(dāng)材料受到?jīng)_擊力時(shí)，界面結(jié)合性能的提升驅(qū)使外部作用在材料上的應(yīng)力在整個(gè)基體中較好地分散，并轉(zhuǎn)移部分應(yīng)力到木質(zhì)纖維上[11]。同時(shí)，木質(zhì)纖維的自身特性也會(huì)對(duì)沖擊強(qiáng)度產(chǎn)生影響，如圖4中的白千層和尾巨桉，雖然前者的接觸角更大(表3)，但其木質(zhì)纖維的長(zhǎng)徑比(表2)比后者差，所以其對(duì)應(yīng)的沖擊強(qiáng)度偏低。另外，從圖4中也發(fā)現(xiàn)，采用馬尾松制備的木塑復(fù)合材料抗沖擊強(qiáng)度偏低，這是由于其內(nèi)部含有松脂，影響了木粉與樹(shù)脂間的界面結(jié)合。

4 結(jié) 論

采用長(zhǎng)度長(zhǎng)、長(zhǎng)徑比高和表面接觸角高的木質(zhì)纖維制備的木塑復(fù)合材料，其綜合力學(xué)性能突出。在所選用的6個(gè)材種中，杉木制備的木塑復(fù)合材料綜合力學(xué)性能最佳，彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、拉伸強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度分別為45.63、3 247、29.14 MPa和6.41 kJ/m2。蓖麻稈制備的木塑復(fù)合材料綜合力學(xué)性能最差，各項(xiàng)參數(shù)與杉木的差距較大，分別相差16.03、936、12 MPa和2.02 kJ/m2，這再次證明了木塑復(fù)合材料中“木”質(zhì)部分對(duì)PVC木塑復(fù)合材料綜合力學(xué)性能的影響甚大，建議在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)選擇較為合適的材種來(lái)制備木塑復(fù)合材料。

[1] 劉剛連，龔迎春，吳章康，等.發(fā)泡劑POC木塑復(fù)合裝飾極性能的影響[J].西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015,35(2):105-109.

[2] 曹馨蕾, 李凱夫, 徐開(kāi)蒙，等. 木塑復(fù)合材料表面膠接特性研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)與黏合,2014(2): 53-56.

[3] 任丹, 余雁. 木塑復(fù)合材料力學(xué)性能影響因子研究進(jìn)展[J]. 世界林業(yè)研究, 2014, 27(2): 45-50.

[4] 路琴, 楊明. 熱塑性聚合物/木纖維復(fù)合材料的阻燃研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)塑料, 2013, 27(9): 11-16.

[5] 王偉宏, 王晶晶, 黃海兵，等. 纖維粒徑對(duì)木塑復(fù)合材料抗老化性能的影響[J]. 高分子材料科學(xué)與工程, 2014, 30(5): 92-97.

[6] Mukherjee T, Kao N. PLA based biopolymer reinforeced with natural fibre: a review [J]. Journal of Polymer Environment, 2011, 19(3): 714-725.

[7] Xu K M, Li K F, Zhong T H, et al. Interface self-reinforcing ability and antibacterial effect of natural chitosan modified polyvinyl chloride-based wood flour composites [J]. Journal of Applied Polymer Science, 2014, 131(3): DOI: 10.1002/app.39854.

[8] Kiesvaara J,Yliruusi J. The use of the Washburn method in determining the contact angies of lactose powder [J]. International Journal of Pharmaceutics, 1993, 92(1/3): 81-88.

[9] 王偉宏, 宋永明, 高華. 木塑復(fù)合材料[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2010.

[10] Lee B J, McDonald A G, James B. Influence of fiber length on the mechanical properties of wood-fiber/polypropylene prepregsheets [J]. Materials Research Innovations, 2001, 4(2/3):97-103.

[11] Dash B N, Rana A K, Mishra H K, et al. Novel, low-cost jute-polyester composites. Part 1: Processing, mechanical properties, and SEM analysis [J]. Polymer Composites, 1999, 20(1): 62-71.

(責(zé)任編輯 曹 龍)

Effect of Six Wood Species on the Mechanical Properties of PVC-Based Wood Plastic Composites

Xu Kaimeng1, Chen Taian1, Wu Zhangkang1, Huang Suyong1, Li Kaifu2

(1.College of Material Engineering, Southwest Forestry University, Kunming Yunnan 650224, China;
2. Center of Wood-Based Composites, South China Agricultural University, Guangzhou Guangdong 510642, China)

The PVC-based wood plastic composites (WPC) were prepared by six different wood fibers. The basic shape parameter and surface contact angle of each wood fiber were estimated, and tested the comprehensive mechanical properties for different WPC including flexural strength, flexural modulus, tensile strength and impact strength. The results showed that the mechanical properties of WPC were better when the values of length, length-diameter ratio and contact angle of wood fiber were higher. The best mechanical strengths were found on the WPC made byCunninghamialanceolata, its values of flexural strength, flexural modulus, tensile strength and impact strength were 45.63 MPa, 3247 MPa, 29.14 MPa and 6.41 kJ/m2.

wood plastic composites; wood fiber; contact angle; basic shape parameter; mechanical properties

2015-01-05

云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究青年項(xiàng)目(201501YC00048)資助；云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目(2015Y292)資助。

10.11929/j.issn.2095-1914.2015.05.016

S784

A

2095-1914(2015)05-0088-04

第1作者：徐開(kāi)蒙(1986—)，男，博士，實(shí)驗(yàn)師。研究方向：木塑復(fù)合材料。Email：xukm007@163.com。