木纖維尺寸對(duì)聚乳酸木纖維復(fù)合材料性能的影響*

吳蘊(yùn)忱 劉珊杉 劉巍巖

（黑龍江省木材科學(xué)研究所，哈爾濱 150081）

木纖維尺寸對(duì)聚乳酸木纖維復(fù)合材料性能的影響*

吳蘊(yùn)忱 劉珊杉 劉巍巖

（黑龍江省木材科學(xué)研究所，哈爾濱 150081）

采用3種長(zhǎng)徑比的楊木纖維作為原料，與聚乳酸復(fù)合制成木纖維/聚乳酸復(fù)合材料。通過對(duì)比3種復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，含有中等尺寸木纖維復(fù)合材料的綜合物理力學(xué)性能較高，而含有較小尺寸木纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度較高，含有較大尺寸木纖維的樣品綜合性能較差。研究結(jié)果表明,纖維的分散性、體系的均勻性以及界面結(jié)合度對(duì)復(fù)合材料的各項(xiàng)物理力學(xué)性能影響最大，而木纖維的尺寸很大程度上決定了其分散性和界面結(jié)合面積，因此，添加適當(dāng)尺寸的木材纖維能夠?qū)δ纠w維/聚乳酸復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生相應(yīng)的增強(qiáng)效果。

木材纖維；聚乳酸；復(fù)合材料；力學(xué)性能；纖維尺寸

隨著溫室效應(yīng)、白色垃圾等環(huán)境問題的日益突出，國(guó)際社會(huì)及相關(guān)組織已經(jīng)意識(shí)到可再生資源和環(huán)保型材料才是今后發(fā)展的主要方向。作為一種高性能熱塑性高分子材料，聚乳酸具有可降解、原料可再生等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了廣泛的關(guān)注[1-3]。相關(guān)學(xué)者也對(duì)這種新型材料的改性和增強(qiáng)進(jìn)行了大量研究[4-6]，研究指出，將植物纖維尤其是木材纖維加入到聚乳酸中，不但能夠改變其性能，還可以大大降低材料成本并有助于聚乳酸材料的推廣和普及[7-8]；研究還發(fā)現(xiàn)，加入木纖維后，木纖維/聚乳酸復(fù)合材料的彈性模量相比純聚乳酸材料有所增加[9]，說明木纖維的加入能夠有效增加復(fù)合材料的剛度；然而加入纖維的尺寸對(duì)復(fù)合材料性能的影響至今還未得到全面具體的結(jié)論。本研究選取3種形態(tài)差異較大的楊木纖維，按一定配比與聚乳酸復(fù)合制成板材，并對(duì)復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度等性能進(jìn)行測(cè)試，期望通過對(duì)比和分析找到楊木纖維尺寸與復(fù)合材料性能之間的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及儀器

木材纖維：楊木纖維，含水率≤3%，將木纖維篩分成3種不同的尺寸（表1）；聚乳酸：美國(guó)Nature Works公司出品的2003D型聚乳酸粒料。

表1 木材纖維的尺寸及長(zhǎng)徑比

試驗(yàn)儀器有：電熱式鼓風(fēng)恒溫干燥箱，DHG-9625A，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；高速混合機(jī)，SHR-10A，張家港市通河橡膠機(jī)械有限公司；雙螺桿擠出機(jī)，SJSH30，南京橡塑機(jī)械廠；電熱式壓力成型機(jī)，SL-6，哈爾濱特種塑料制品有限公司；電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，RGT－20A，深圳瑞格爾儀器有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 木纖維/聚乳酸復(fù)合材料的制備

將木粉放在溫度為103℃烘箱中干燥8 h以上，直至木纖維含水率≤3%。使用60和100目的篩網(wǎng)，將干燥好的木纖維篩分成不同尺寸的3種纖維，密封后備用。在保證復(fù)合材料性能的前提下，確定木纖維與聚乳酸質(zhì)量比為6∶4[10-11]。將木纖維和聚乳酸按比例加入高速混合機(jī)，低速混合5 min后再高速混合5 min，然后將混合好的原料加入雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的熔融混合、擠出造粒。將木纖維與聚乳酸熔融復(fù)合制成的粒料，均勻鋪于200 mm×200 mm×5 mm的鋼制成型框中，放入熱壓機(jī)；在不加壓的條件下對(duì)原料進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度180℃，預(yù)熱時(shí)間3 min；在180℃、2.5 MPa的條件下對(duì)原料預(yù)壓3 min，然后對(duì)原料繼續(xù)加壓至10MPa并保持3 min；最后將熔融狀態(tài)的板材迅速取出并放入冷壓機(jī)冷壓成型，待原料接近室溫時(shí)將其取出備用。不同木纖維尺寸復(fù)合材料組成見表2。

表2 不同尺寸木纖維復(fù)合材料

1.2.2 性能測(cè)試

參照GB/T 17657-2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》[12]對(duì)復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。每種試件配方壓制板材5塊，每項(xiàng)性能測(cè)試在每塊板材上取1塊試樣，測(cè)試結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與分析

不同木材纖維尺寸復(fù)合材料的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同尺寸木材纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能

2.1 彎曲性能

圖1為不同尺寸木材纖維復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，3種復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度相差不大?，F(xiàn)有研究結(jié)論已證實(shí)，聚乳酸分子之間為剛性連接[11]，在木纖維/聚乳酸復(fù)合材料體系中聚乳酸的含量對(duì)復(fù)合材料整體的靜曲強(qiáng)度起主要的影響作用，因此在聚乳酸含量不變的情況下，復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度不會(huì)有太大差異[14]。3種樣品中，WP2即含有中等尺寸木纖維的復(fù)合材料其靜曲強(qiáng)度要略大于其他兩種，WP3的強(qiáng)度最低，這是由于WP3中所含木纖維的尺寸過大，影響了聚乳酸和木纖維體系的均勻性，同時(shí)也對(duì)聚乳酸結(jié)晶過程起到了一定的阻礙作用。

圖1 不同尺寸木材纖維復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度

圖2為不同尺寸木材纖維復(fù)合材料的彈性模量。3種復(fù)合材料的彈性模量差異較大，其中含有中等尺寸木纖維復(fù)合材料的彈性模量最大為5 286 MPa，而含有較小尺寸木纖維的WP2復(fù)合材料彈性模量最低，為3 755 MPa。與靜曲強(qiáng)度不同，材料的彈性模量在很大程度上受到復(fù)合材料中木纖維尺寸的影響，纖維的長(zhǎng)徑比和體系的均勻度對(duì)材料的性能起主導(dǎo)作用。含有小尺寸木纖維的WP1復(fù)合材料樣品雖然體系分散性和均勻度較好，但是纖維長(zhǎng)徑比較小，整體彈性模量也偏小；而含有較大尺寸木纖維的WP3復(fù)合材料樣品雖然纖維長(zhǎng)徑比較大，但是體系分散度和均勻性較差，導(dǎo)致整體性能不高。尺寸適中的木纖維既有一定的長(zhǎng)徑比又能夠具有良好的分散性，因此能夠使復(fù)合材料的彈性模量得到很好的增強(qiáng)。

圖2 不同尺寸木材纖維復(fù)合材料的彈性模量

2.2 拉伸性能

不同尺寸木材纖維復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果（圖3）表明，隨著加入纖維尺寸的增加，材料的拉伸性能下降迅速，3種復(fù)合材料中含有中等尺寸的WP2樣品其拉伸強(qiáng)度最高，而含有較小尺寸木纖維的WP1復(fù)合材料樣品拉伸性能最大。在復(fù)合材料體系中，不同材料界面間的結(jié)合與體系中不同相間的分散均勻性對(duì)材料的拉伸性能影響較大；材料界面結(jié)合性越好，體系分散越均勻，材料的拉伸性能就越強(qiáng)。本研究中，相同質(zhì)量的木纖維中尺寸較小的木纖維擁有最大的比表面積，與聚乳酸分子的界面結(jié)合更加充分，同時(shí)分散性也最均勻，因此相比較其他兩種樣品，WP1復(fù)合材料的拉伸性能最強(qiáng)；含有中等尺寸纖維的樣品分散性較好，但是比表面積小于WP1，故其拉伸強(qiáng)度也略低；而WP3中的大尺寸木纖維能夠與聚乳酸分子接觸的界面十分有限，纖維在體系中的分散性也較差，因此拉伸性能最差。

圖3 不同尺寸木材纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度

2.3 沖擊強(qiáng)度

不同尺寸木材纖維復(fù)合材料的抗沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果（圖4）表明，對(duì)于尺寸較大的木纖維，其纖維內(nèi)部擁有較多的空隙和較完整的纖維結(jié)構(gòu)，能夠更多地吸收沖擊能量。然而在本研究中，大尺寸的木材纖維經(jīng)過擠出和熱壓兩個(gè)高溫高壓的加工過程后，其內(nèi)部的空隙已經(jīng)被壓縮得很小，難以吸收較多的沖擊能量；同時(shí)由于其分散性較差，使得體系中存在較多的力學(xué)薄弱點(diǎn)，容易造成應(yīng)力集中而易使材料產(chǎn)生破壞，因此，WP3復(fù)合材料的沖擊性能要小于其他兩種樣品。

圖4 不同尺寸木材纖維復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度強(qiáng)度

3 結(jié)論

3.1 木纖維/聚乳酸復(fù)合材料體系中，木纖維的分散性和均勻性對(duì)于材料的各項(xiàng)性能均有顯著的影響，分散性和均勻性越好，復(fù)合材料的力學(xué)性能越高。

3.2 木材纖維的尺寸在很大程度上決定了其在體系內(nèi)的分散性和均勻性，纖維尺寸越大，越難于分散均勻，纖維尺寸越小則分散性越好。

3.3 木材纖維本身具有較高的強(qiáng)度，因此在保證其體系均勻性的前提下，較大的纖維能夠使復(fù)合材料的力學(xué)性能更強(qiáng)。

3.4 在本研究中，含有中等尺寸木纖維的WP2木纖維/聚乳酸復(fù)合材料的綜合性能表現(xiàn)較優(yōu)。

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第1作者簡(jiǎn)介：吳蘊(yùn)忱（1961-），男，副研究員，研究方向：木材復(fù)合材料的制備。

Effects of Wood Fiber Size on Mechanical Properties of Poplar Wood Fiber/ Poly(Lactic Acid)Composites

WUYunchen
（Heilongjiang Institute of Wood Science,Harbin150081）

The effects of wood fiber(WF)size on mechanical properties of poplar wood fiber/poly(lactic acid)composites were investigated.It was found that wood fibers with different size had different effects on the MOR,MOE,tensile strength and impact strength of PLA in WF/PLA composites.The integrated performance of composite samples with middle size wood fibers is higher than others.The tensile strength of composites within small size wood fibers is the highest,and the samples of large wood fibers is the lowest. The experimental results showed that the dispersity and homogeneity of wood fibers would impact mechanical properties,and the wood fibers size determines the dispersity and homogeneity of this two-phase system.Appropriate wood fiber size would provide certain effects on mechanical properties of wood fiber/ poly(lactic acid)composites.

Wood fiber;Poly(Lactic Acid);Composites;Mechanical properties;Fiber size

TS653.5

A

2017-05-20

（責(zé)任編輯：潘啟英）

1001-9499（2017）04-0023-04

*黑龍江省財(cái)政自擬項(xiàng)目“聚乳酸/木纖維結(jié)晶動(dòng)力學(xué)過程研究”