CaCO3粒子對天然纖維增強柔性復(fù)合地板性能的影響

何洪城，鄧臘云，袁光明

（1.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長沙 410004；2. 中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410018)

CaCO3粒子對天然纖維增強柔性復(fù)合地板性能的影響

何洪城1，鄧臘云1，袁光明2

（1.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長沙 410004；2. 中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410018)

以天然植物纖維制備的纖維增強柔性復(fù)合地板作為一種新型綠色環(huán)保復(fù)合地板受到越來越多的關(guān)注，纖維增強柔性復(fù)合地板為木竹加工剩余物、秸稈和麻類等農(nóng)業(yè)廢棄物的高效利用提供了新途徑。添加劑CaCO3粒子對纖維增強柔性復(fù)合地板的性能有重要影響，通過設(shè)置不同粒徑的CaCO3粒子及粒徑分布研究其對產(chǎn)品力學(xué)性能及物理性能的影響。結(jié)果表明：CaCO3粒子粒徑及分布最佳配比工藝是25%含量的粒徑48 μm粒子、25%含量的粒徑106 μm粒子、50%含量的粒徑160 μm粒子，在此工藝參數(shù)下獲得的彎曲強度、彈性模量、沖擊強度和內(nèi)結(jié)合強度分別為27.2 MPa、1 679 MPa、13.6 kJ/m2和1.68 MPa，吸水厚度膨脹率為1.56%，熱膨脹率為0.98%，密度為0.72 g/cm3。添加CaCO3粒子的天然纖維復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能和物理性能。

CaCO3粒子；柔性復(fù)合地板；天然纖維；性能

隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，綠色環(huán)保與節(jié)能降耗的工業(yè)產(chǎn)品成為世界廣泛關(guān)注的課題[1-5]。柔性天然纖維增強復(fù)合材料由天然纖維（例如木材、竹材、麻類、棉纖維以及農(nóng)作物秸稈等其他木質(zhì)纖維材料）、PVC或PP樹脂、CaCO3（石灰石）粒子、柔化劑及其他助劑等經(jīng)特殊系統(tǒng)成型工藝制備而成，是一種新型的天然纖維增強綠色復(fù)合材料，為可再生的天然植物纖維高質(zhì)高效利用開辟了途徑，產(chǎn)品可廣泛用于地板、家具、整體櫥柜以及室內(nèi)鋪地及墻面裝飾材料[6-9]。

天然纖維增強復(fù)合材料與傳統(tǒng)木質(zhì)材料相比具有顯著的競爭性優(yōu)勢：（1）綠色環(huán)保，它不含醛類樹脂，無游離甲醛釋放[10]，生產(chǎn)過程中無廢水廢氣排放；（2）耐磨性很好[11]，其耐磨轉(zhuǎn)數(shù)可達3.0×105轉(zhuǎn)，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)地板材的1.3×104～2.0×104轉(zhuǎn)；（3）質(zhì)量輕，彈性好[12]，它可更輕薄且強度高，在建筑中使用可減少樓體承重和占據(jù)空間[13]，且由于其在載荷沖擊下具有良好的彈性恢復(fù)，可大大減少工傷以及載荷對此類地板及裝飾材料的損傷；（4）防水、防滑、抗菌[14-15]性能良好，其中的天然纖維經(jīng)改性處理改變了纖維表面物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)，另外通過添加不同的改性劑與塑料等樹脂組分復(fù)合，可使此類復(fù)合材料地板及裝飾材料具有很好的功能化特性，如良好的防水和抗菌性能，阻燃性能可達GB 8624-1997中規(guī)定的B1級[16]；（5）抗靜電性好，由于天然纖維及CaCO3的自然特性，使得此類復(fù)合材料地板及裝飾材料能永久防靜電[17]；（6）吸音降噪性能好，因其中含有的木質(zhì)纖維，從而良好的吸音性[18]，因此，該復(fù)合材料可用于生產(chǎn)吸聲裝飾板材[19]、地板等材料。天然纖維增強復(fù)合材料將以其優(yōu)良的各項力學(xué)及物理加工性能而具有廣闊的市場前景[20-22]。

天然纖維復(fù)合材料中添加的CaCO3粒子可有效改善天然纖維與樹脂之間的相容性，從而提高復(fù)合材料的力學(xué)性能與物理性能，并有助于改善其阻燃、耐磨等功能特性，但其粒徑大小及分布、添加比例等對纖維復(fù)合材料的性能影響未見報道，筆者采用竹纖維為天然植物纖維原料，通過設(shè)置不同粒徑的CaCO3粒子和粒徑分布，研究成型工藝技術(shù)條件，探究CaCO3粒子對產(chǎn)品性能的影響。

1 材料與方法

1.1 材 料

竹纖維，細(xì)度80～120目，含水率8%，灰分低于3%，纖維尺寸分布見表1，山東鑫盛木質(zhì)纖維粉有限公司提供；聚氯乙烯（PVC），粒徑為0.1～1.0 μm，相對密度1.35～1.46，粘數(shù)100～120 mL/g，購自山東齊魯石化有限公司；CaCO3粒子，粒徑分別為48、106和160 μm，購自河北靈壽天昊礦產(chǎn)品加工廠；乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA），K值58～61，粘數(shù)78～82 mL/g，醋酸乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)10～12，總揮發(fā)份1.2%，購自北京化二股份有限公司。

表1 竹纖維尺寸參數(shù)Table 1 Dimension of bamboo fiber

1.2 主要設(shè)備與儀器

柔性竹木纖維地板生產(chǎn)線，自主研發(fā)；WDT-5微機控制電子萬能實驗機，上海兆鴻檢測儀器設(shè)備有限公司制造；DMA242動態(tài)熱機械分析儀，德國耐馳儀器制造有限公司制造；SKGD-01電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，湖北省黃石市醫(yī)療器械廠制造。

1.3 性能檢測方法

靜曲強度和彈性模量檢測按照GB/T9341—2000測試，抗沖擊強度按照ASTMD256—06測試，內(nèi)結(jié)合強度按照GB/T11718—2009測試，密度按照GB/T1033.1—2008測試，吸水厚度膨脹率按照GB/T1034—1998測試。

1.4 柔性木竹纖維地板制備

1.4.1 成型系統(tǒng)

在成型過程中，所用主要設(shè)備有纖維干燥箱、混料器、螺旋擠出機、壓延機、壓光機、油壓冷卻定型機、牽引機、切割機、模壓機、切邊機以及涂裝機。天然纖維復(fù)合地板成型系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 天然纖維復(fù)合地板成型系統(tǒng)Fig.1 The forming system of natural fi ber composite floor

1.4.2 制備工藝

取80～120目的竹纖維在烘箱烘干，溫度控制在100 ℃，最后的含水率控制在4%～6%。干燥后的竹纖維與EVA、PVC及不同粒徑的CaCO3粒子混合攪拌30 min，并在100～180℃條件下擠出捏合15～20 min，在80～120 ℃條件下開煉壓片5～10 min，在60～100 ℃條件下壓光3～5 min，在30～50 ℃條件下冷卻定型3～5 min，最后進行切邊與拋光。在所有的樣品制作過程中，竹纖維、CaCO3粒子、PVC樹脂以及助劑的比例是30∶40∶25∶5。圖2為天然纖維復(fù)合地板成型工藝流程。

圖2 天然纖維復(fù)合地板成型工藝流程Fig.2 The forming process of natural fi ber composite floor

2 結(jié)果與分析

CaCO3粒徑大小及粒徑分布對柔性天然纖維增強復(fù)合地板性能的影響見表2和圖3。所有的結(jié)果均為3次測試的平均值。從表2可以看出，在復(fù)合材料添加CaCO3粒子后，所有性能均得到提高，CaCO3粒子大小及粒徑分布對所得復(fù)合材料的力學(xué)性能起關(guān)鍵作用。從圖3（a）、（b）、（c）中可以看出，CaCO3粒子的粒徑越小，復(fù)合材料的靜曲強度和彈性模量越小，且內(nèi)結(jié)合強度隨CaCO3粒徑的增大而降低。這是因為在復(fù)合材料中，粒徑越小，比表面積越大，CaCO3粒子尺寸越小，與樹脂的結(jié)合力越好，其物理性能更接近于塑料，柔性更大。CaCO3粒徑越大，復(fù)合材料的靜曲強度和彈性模量越大。

表2 CaCO3粒徑大小及粒徑分布對木質(zhì)纖維復(fù)合地板性能的影響Table 2 Effects of CaCO3 particle size and distribution on the performance of composite floor

為獲得更好性能的復(fù)合材料，通過混合不同粒徑CaCO3粒子來增強復(fù)合材料。當(dāng)CaCO3粒子的各粒徑組分按48 μm（25%）、106 μm（25%）、160 μm（50%）配比時，所得復(fù)合材料不僅具有最佳的靜曲強度、彈性模量和內(nèi)結(jié)合強度，且還具更好的柔性和足夠的強度，作為柔性纖維復(fù)合地板的添加劑具有巨大應(yīng)用潛力。

圖3 CaCO3粒徑大小及粒徑分布對板材靜曲強度的影響Fig.3 Effects of CaCO3 particle size and size distribution on thermal expansion rate

從圖3（d）中可以看出，產(chǎn)品沖擊強度隨CaCO3粒子粒徑的增加而增加。當(dāng)CaCO3粒徑為160 μm時，沖擊強度達到最大值。然而，對于混合后的CaCO3粒子，粒徑大的粒子含量增加會降低沖擊強度。同時，粒徑大的CaCO3粒子比例越高，會導(dǎo)致密度降低（圖3(e)）。這是因為隨著粒徑大的CaCO3粒子含量的增加，復(fù)合材料內(nèi)部空隙和纖維含量將增加，進一步導(dǎo)致內(nèi)結(jié)合強度降低。

圖3（f）和（g）顯示了CaCO3大小及粒徑分布對吸水厚度膨脹率和熱膨脹率的影響。結(jié)果表明，粒徑小的粒子含量的增加會導(dǎo)致復(fù)合材料吸水厚度膨脹率和熱膨脹率的增加。這是由于粒徑小的粒子結(jié)合越致密，越易降低吸水厚度膨脹率。另一方面，隨著粒徑的增加（或大粒徑粒子含量提高），在界面區(qū)的晶格變形將變得更加困難，因為大粒徑的CaCO3需要較高的熱變形溫度，最終導(dǎo)致熱膨脹率降低[23]。

3 結(jié)論與討論

（1）經(jīng)上述工藝制備的柔性纖維復(fù)合地板的彎曲強度、彈性模量、沖擊強度和內(nèi)結(jié)合強度最大值可分別達28.3 MPa、1 950 MPa、19.9 kJ/m2和2.35 MPa，吸水厚度膨脹率最小值為0.56%，熱膨脹率最小值為0.92%，密度最小值為0.61 g/cm3。

（2）柔性纖維復(fù)合地板的性能受CaCO3粒子大小及粒徑分布影響，綜合考慮和對比所有影響因子，制備柔性竹纖維增強復(fù)合地板最佳CaCO3粒子的工藝參數(shù)為25%含量的粒徑48 μmCaCO3粒子、25%含量的粒徑106 μm CaCO3粒子、50%含量的粒徑160 μm CaCO3粒子，在此工藝參數(shù)下獲得的彎曲強度、彈性模量、沖擊強度和內(nèi)結(jié)合強度分別為27.2 MPa、1 679 MPa、13.6 kJ/m2和1.68 MPa，吸水厚度膨脹率為1.56%，熱膨脹率為0.98%，密度為0.72 g/cm3。

（3）研制的天然纖維復(fù)合材料具有良好的性能，與普通木質(zhì)人造板相比具有更加優(yōu)越的力學(xué)性能、物理性能和環(huán)保性能，具有可推廣應(yīng)用的價值[24]。

（4）國內(nèi)外主要針對天然纖維增強樹脂復(fù)合材料的性能弱點進行封端、交聯(lián)、多元共聚或共混增強處理，從而得到性能優(yōu)異的生物復(fù)合材料，特別是采用天然高分子對其增強、增韌研究已引起人們的高度關(guān)注[25]。本論文通過不同粒徑的CaCO3粒子及粒徑分布研究其對復(fù)合材料力學(xué)性能及物理性能的影響，得出了CaCO3粒子粒徑及分布最佳配比工藝，還需要進一步研究CaCO3粒子對天然纖維性能以及纖維與樹脂界面的影響。

[1]Bing J, Sun Z, Liu M. China’s energy development strategy under the low-carbon economy[J]. Energy, 2010, 35(11):4257-4264.

[2]Hezode C, Serfaty L, Vierling J M,et al. Interfacial and mechanical properties of environment-friendly“green” composites made from pineapple fibers and poly(hydroxybutyrate-co-valerate) resin[J]. Journal of Materials Science, 1999, 34(15): 3709-3719.

[3]Luo S, Netravali A N. Mechanical and thermal properties of environment-friendly “green” composites made from pineapple leaf fibers and poly(hydroxybutyrate-co-valerate)resin[J]. Polymer Composites, 1999, 20(3):367-378.

[4]Nam S, Netravali A N. Green composites. I. physical properties of ramie fibers for environment-friendly green composites[J].Fibers & Polymers, 2006, 7(4):372-379.

[5]Wang Y, Wei Ji, Yu X,et al.The Impact of Urbanization on the Annual Average Temperature of the Past 60 Years in Beijing[J].Advances in Meteorology, 2014, 2014(1):93-97.

[6]Holbery J, Dan H. Natural- fi ber-reinforced polymer composites in automotive applications[J]. JOM, 2006, 58(11):80-86.

[7]Lussi E, Ahlstedt U L, Ryden S A. Method of making decorative laminated products such as tiles, panels or webs from cellulosic materials: US, US 4420351 A[P]. 1983.

[8]Cullen R K, Singh M M, Sμmmerscales J. Characterisation of Natural Fibre Reinforcements and Composites[J]. Journal of Composites, 2013, 2013(204).

[9]肖羅喜, 袁光明, 何 霄,等. 納米Al2O3/PP/木纖維復(fù)合材料力學(xué)性能研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報, 2016,36(2):130-134.

[10]Kalayc?oglu H, Nemli G. Producing composite particleboard from kenaf (Hibiscus cannabinusL.) stalks[J]. Industrial Crops& Products, 2006, 24(2):177-180.

[11]Saxena M, Morchhale R K, Asokan P,et al.Plant Fiber-Industrial Waste Reinforced Polymer Composites as a Potential Wood Substitute Material[J]. Journal of Composite Materials, 2008,42(4):367-384.

[12]Aji I S, Sapuan S M, Zainudin E S,et al.Kenaf fibres as reinforcement for polymeric composites: A review[J].International Journal of Mechanical & Materials Engineering,2009, 4(3): 239-248.

[13]Sain M, Park S H, Suhara F,et al.Flame retardant and mechanical properties of natural fi bre–PP composites containing magnesiμm hydroxide[J]. Polymer Degradation & Stability,2004, 83(2):363-367.

[14]Cordell K R. Waterproof fabric: US, US6274520[P]. 2001.

[15]Morrison, Willard L. Antimicrobial blended yarns and fabrics comprised of naturally occurring fi bers: US, US3959556[P]. 1976.

[16]Tian W L, Yi-Qiang W U, Peng W X,et al.Study on Lowtozicity Fire-retardant Treated Technology of Wood[C]// The 3rd International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering (iCBBE 2009), 2009:1-5.

[17]Kissel C L. Antistatic textile compositions and sol/gel/polymer compositions: US, US 5173531 A[P]. 1992.

[18]Yang H S, Kim D J, Kim H J. Rice straw-wood particle composite for sound absorbing wooden construction materials[J].Bioresource Technology, 2003, 86(2):117-21.

[19]He H C, Chen C. Study on Forming Process of Plant Fiber Multilayer Decorative Board (I) - Effect of Fiber Content on the Properties[J]. Applied Mechanics & Materials, 2013, 468:3-7.

[20]何洪城,陳 超.植物纖維復(fù)合裝飾板纖維含量對性能的影響研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報, 2014,34(8):97-100.

[21]何洪城,鄧臘云,陳 超.美國木材與纖維復(fù)合材料研究現(xiàn)狀[J].世界林業(yè)研究, 2012, 25(5):70-75.

[22]何洪城,陳 超.生物可降解木質(zhì)天然纖維復(fù)合材料研究進展[J].木材加工機械,2011,22(4):30-34.

[23]Arpón R, Molina J M, Saravanan R A,et al. Thermal expansion behaviour of alμminiμm/SiC composites with bimodal particle distributions[J]. Acta Materialia, 2003, 51(11):3145-3156.

[24]李延軍,許 斌,張齊生,等.我國竹材加工產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與對策分析[J].林業(yè)工程學(xué)報,2016(1):2-7.

[25]李紅媛.纖維素增強PPC/CaCO3復(fù)合材料及其降解性研究[D].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué),2013.

Effects of CaCO3particle to the performance of flexible composite floor reinforced by natural fi ber

HE Hongcheng1, DENG Layun1, YUAN Guangming2
(1. Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, Hunan, China; 2. College of Material Science and Engineering of Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410018, Hunan, China)

Flexible composite floor reinforced by natural fi ber, produced from natural plants, is a kind of new green and environmental composite floor, which has been attracting more and more attention in the decorative materials. The products also make an ef fi cient solution of utilization to wastes from natural plants, such as wood and bamboo wastes, straw and hemp hurds. The additive CaCO3particle plays key role in the performance of flexible natural fi ber composite floor. In this work, the effects of CaCO3size and distribution were investigated. The best particle size and distributions of limestone are 25 wt% of 48 μm, 25 wt% of 106 μm, and 50 wt% of 160 μm.The features of the as-obtained composite was tested as follows: MOR 27.2 MPa, MOE 1679 MPa, shock strength 13.6 kJ/m2, internal bonding strength 1.68 MPa, thickness swelling 1.56%, thermo expansion ratio 0.98%, and density 0.72 g/cm3. The composite has good performance of mechanical and physical properties.

CaCO3particle; flexible composite floor; natural fi ber; performance

S781.63

A

1673-923X(2017)11-0167-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.11.027

2016-08-22

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目（201504503）；國家自然科學(xué)基金項目（3137056）

何洪城，研究員

鄧臘云，高級工程師；E-mail：deng269@163.com

何洪城，鄧臘云，袁光明.CaCO3粒子對天然纖維增強柔性復(fù)合地板性能的影響[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2017, 37(11):167-171, 186.

[本文編校：吳 毅]