木纖維-LDPE復(fù)合材料力學(xué)性能分析

齊菁

（遼寧省森林經(jīng)營(yíng)研究所，遼寧丹東118003）

木纖維-LDPE復(fù)合材料力學(xué)性能分析

齊菁

（遼寧省森林經(jīng)營(yíng)研究所，遼寧丹東118003）

該文按照木纖維和低密度聚乙烯塑料（LDPE）熔融擠出工藝來制造木塑復(fù)合材料，并對(duì)擠出產(chǎn)品進(jìn)行力學(xué)性能分析，從而確定該復(fù)合材料的基本力學(xué)性能參數(shù)，為工業(yè)化生產(chǎn)提供依據(jù)和質(zhì)量控制方向。結(jié)果表明：適量添加木纖維和潤(rùn)滑劑可以有效改善木纖維-LDPE復(fù)合材料的抗拉伸性能；潤(rùn)滑劑的添加又可有效抑制添加木纖維造成的抗彎曲性能下降；添加適量的偶聯(lián)劑可以有效提高復(fù)合材料的抗拉伸和抗彎曲性能。

木纖維；LDPE；復(fù)合材料；力學(xué)性能

為了促進(jìn)木材加工業(yè)健康發(fā)展，真正起到龍頭帶動(dòng)作用，并充分利用和節(jié)約木材，實(shí)現(xiàn)木材的高效利用，以緩解木材供需矛盾，必須采取行之有效的措施。一方面要積極發(fā)展和擴(kuò)大森林資源，逐步增加木材供給量；另一方面要做好木材精、深加工業(yè)，充分合理利用、節(jié)約利用和綜合利用木材資源，提高木材利用率[1]。

木塑復(fù)合材料作為木材高效利用的新途徑適應(yīng)了未來的發(fā)展需求，能夠緩解木材資源短缺的緊張局面。木塑復(fù)合材料的生產(chǎn)采用高度自動(dòng)化的加工工藝，可以合理地利用各種原材料。目前，木質(zhì)基復(fù)合材料的主要產(chǎn)品（如膠合板、刨花板、中密度板等）都是二維設(shè)計(jì)的單板，需先分割成小塊然后膠合或者固定在一起再加工成型；既耗費(fèi)大量的工時(shí)，又產(chǎn)生了大量的加工剩余物，增加了生產(chǎn)成本。植物纖維和塑料復(fù)合材料能夠通過熱定型進(jìn)行三維設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，其二次加工所耗費(fèi)的費(fèi)用就能以利用的形式全部轉(zhuǎn)移到產(chǎn)品中去。如果纖維的含量低于60%，可以利用熱壓和無紡編織法復(fù)合定性。在許多木材的應(yīng)用領(lǐng)域里，木塑復(fù)合材的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、硬度等主要力學(xué)性能都可以替代木材，目前正在逐步進(jìn)入建材市場(chǎng)[2]。

本文選用了低密度聚乙烯塑料和制備好的木纖維，采用雙螺桿-單螺桿雙階擠出機(jī)組進(jìn)行擠出成型。通過添加不同配比的原料、偶聯(lián)劑和潤(rùn)滑劑擠出不同的產(chǎn)品。將擠出的產(chǎn)品制成標(biāo)準(zhǔn)試件并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行分析，從而對(duì)木塑復(fù)合材料的進(jìn)一步發(fā)展和市場(chǎng)推廣提供研究基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

木纖維：選擇纖維長(zhǎng)度能夠用20～30目網(wǎng)篩進(jìn)行過濾且含水率為5%以下的木纖維；

LDPE：低密度聚乙烯用高壓法生產(chǎn)，結(jié)晶度為45%～65%；

偶聯(lián)劑：MA-g-LDPE，馬來酸酐接枝低密度聚乙烯；為淡黃色的透明顆粒，馬來酸酐含量為16%～20%；

潤(rùn)滑劑：化學(xué)純硬脂酸鈣。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

SHR-A型高速混合機(jī)（張家港市通河塑機(jī)有限公司）；

SJSH30/SJ45型雙階塑料擠出機(jī)組（南京橡膠機(jī)械廠）；

RGT-20A型電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（深圳瑞格爾REGER儀器有限公司）。

1.3 試驗(yàn)方法及過程

1.3.1 復(fù)合擠出成型

木纖維和LDPE按3:7和4:6的比例，添加不同比例的潤(rùn)滑劑和偶聯(lián)劑，在SHR-A高速混合機(jī)混合10 mim，共制備8組混合料，然后從雙螺桿的雙喂料口加入到雙螺桿-單螺桿串聯(lián)的擠出系統(tǒng)中擠出片材，物料配比見表1。

表1 試驗(yàn)物料配比

1.3.2 力學(xué)性能測(cè)試

采用0°試件測(cè)試復(fù)合材料的抗拉伸性能，具體按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1040-79中的塑料拉伸試驗(yàn)方法中Ⅱ型大試樣試驗(yàn)方法進(jìn)行。測(cè)試儀器為RGT-20A電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，拉伸速度為5 mm·min-1，測(cè)試試件每組至少測(cè)試5個(gè)，所需測(cè)量值為抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和拉伸模量。

彎曲性能測(cè)試使用3點(diǎn)彎曲測(cè)試方法加載測(cè)定單向木纖維-LDPE復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量。試樣尺寸：80 mm×10 mm×4 mm，測(cè)試儀器為RGT-20A電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，跨距為60 cm，運(yùn)行速度為2 mm·min-1。每組測(cè)5個(gè)試件，所需測(cè)量值為彎曲強(qiáng)度、彎曲模量[3]。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合材料拉伸性能分析

從圖1、2可看出，隨著木纖維比例的增大和潤(rùn)滑劑的加入，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度逐漸增加，但不顯著。因?yàn)殡S著木纖維比例的增大，會(huì)出現(xiàn)“搭橋”現(xiàn)象，對(duì)抗拉伸起到了增強(qiáng)的作用。也說明隨著木纖維比例的增大，兩相的相容性較好，使外力能通過復(fù)合材料進(jìn)行傳遞[4]。而斷裂伸長(zhǎng)率卻是木纖維比例增大的時(shí)候在減小，因?yàn)長(zhǎng)DPE的韌性遠(yuǎn)大于木纖維；而在相同比例添加了潤(rùn)滑劑之后，斷裂伸長(zhǎng)率有所回升，因?yàn)樘砑舆m量的潤(rùn)滑劑減小了雙螺桿對(duì)原料的剪切作用，減少木纖維的炭化幾率，降低木纖維的降解，使LDPE的韌性表現(xiàn)增強(qiáng)。同時(shí)由圖1可知，馬來酸酐接枝聚乙烯作為偶聯(lián)劑加入后，如果含量適合，將可有效提高復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，尤其是可大幅提高抗拉強(qiáng)度。

圖1 8組復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率的比較

圖2 顯示，木纖維比例上升和增添潤(rùn)滑劑，都能使復(fù)合材料的拉伸模量增大。這是因?yàn)槟纠w維的拉伸模量比LDPE的大，增添潤(rùn)滑劑，既可減小雙螺桿對(duì)原料的剪切作用和木纖維的炭化幾率，又可降低木纖維的降解，在相同比例情況下，使木纖維和LDPE融合更加緊密，從而增加復(fù)合材料拉伸模量。此外，適量添加偶聯(lián)劑，可以有效增強(qiáng)木纖維和LDPE基質(zhì)間的界面結(jié)合，使外力能夠在木纖維和塑料基質(zhì)之間進(jìn)行傳遞，大幅提高復(fù)合材料的拉伸模量；但偶聯(lián)劑的添加量不是越多越好而是有一個(gè)量的限定。

圖2 8組復(fù)合材料拉伸模量的比較

2.2 復(fù)合材料彎曲性能分析

由圖3可知，隨著木纖維比例增大，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，但添加了潤(rùn)滑劑之后，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度有所增強(qiáng)，再添加偶聯(lián)劑后，復(fù)合材料的彎曲性能大幅增加。偶聯(lián)劑含量增加會(huì)使木纖維和LDPE結(jié)合更好，但是從圖3可知，偶聯(lián)劑含量從3%增加到4%時(shí)，彎曲強(qiáng)度略有下降，可能是由于加工誤差或偶聯(lián)劑在4%時(shí)，彎曲強(qiáng)度確實(shí)有所減弱。

圖3 8組復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度比較

由圖4可知，隨著木纖維比例的增加，復(fù)合材料的彎曲模量也下降。這是因?yàn)樗芰系腖DPE彎曲模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于木纖維，所以隨著木纖維比例增大，彎曲模量也下降。但添加了潤(rùn)滑劑后，復(fù)合材料的彎曲模量有所提高。再加入偶聯(lián)劑后，復(fù)合材料的彎曲模量隨偶聯(lián)劑的比例增加而逐漸增加，但趨勢(shì)緩慢。

圖4 8組復(fù)合材料彎曲模量比較

3 結(jié)論

通過對(duì)不同比例復(fù)合材料的力學(xué)性能研究可知，在復(fù)合材料中增加木纖維含量和加入潤(rùn)滑劑都體現(xiàn)了較好的增韌效果，其添加量均應(yīng)控制在5%～12%，過低的含量體現(xiàn)不出增韌效果，過高的含量又會(huì)過分地降低塑料的模量。另一方面，復(fù)合材料所表現(xiàn)出的彎曲模量、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度卻是隨著木纖維含量的上升而下降，加入潤(rùn)滑劑有所抑制。這也說明木纖維含量的增加降低了復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度，可使用潤(rùn)滑劑進(jìn)行必要的界面改性，或選擇加入偶聯(lián)劑，達(dá)到對(duì)復(fù)合材料增韌的目的。5%偶聯(lián)劑含量的復(fù)合材料在斷裂伸長(zhǎng)率、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量以及復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度方面，均表現(xiàn)出較高的性能，應(yīng)該作為偶聯(lián)劑添加量的選擇。

［1］莊東泉.試論有效利用我國(guó)木材資源的途徑與措施［J］.林業(yè)經(jīng)濟(jì)問題，1998，（4）:61-64.

［2］黃澤雄.木塑復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)［J］.國(guó)外塑料，2003，（2）:10-13.

［3］M Mehrabzadeh，F(xiàn) Farahmand.Recycling of Commingled Plastic Waste Containing Polypropylen，Polyethlene and Paper［J］.Journal of Polymer Science，2000，（80）: 2573-2577

［4］秦特夫.改善木塑復(fù)合材料界面相容性的途徑［J］.世界林業(yè)研究，1998，（3）:46-51.

(責(zé)任編輯：董莉莉)

TQ327.1

A

1001-1714（2017）03-0026-03

2017-02-05

齊菁（1982-），女，工程師，主要從事木材加工利用研究。E-mail:woiqj@163.com。