聚乙烯基木塑復(fù)合材料蠕變量影響因素分析

馮 莉，趙春雁

(東北林業(yè)大學機電工程學院，哈爾濱 150040)

0 前言

木塑復(fù)合材料是以木粉等植物纖維填充熱塑料而形成的一種新型復(fù)合材料，既具有植物纖維的高強度、高彈性，又具有塑料基體的高韌性、耐疲勞的優(yōu)點，目前廣泛應(yīng)用于建筑業(yè)和裝飾業(yè)等領(lǐng)域[1]。由于木塑復(fù)合材料存在蠕變?nèi)毕荩鳛榻Y(jié)構(gòu)材料使用時，在長期載荷作用下，會發(fā)生嚴重變形。結(jié)構(gòu)往往因蠕變而提前失穩(wěn)，承載力下降，甚至破壞[2]。在美國的ASTM標準中，木塑復(fù)合材料的蠕變是一項重要檢測項目，而在中國卻沒有相關(guān)技術(shù)標準[3]。因此有必要對木塑復(fù)合材料的蠕變性能進行研究，掌握蠕變規(guī)律以及蠕變影響因素。通過對木塑復(fù)合材料蠕變性能的研究，能夠預(yù)測材料在未來使用過程中的尺寸穩(wěn)定性及長期承載能力，并確保材料使用的安全性[4]。本文在室溫恒定的情況下，主要研究了原材料配比、材料制備工藝參數(shù)在不同載荷條件下對木塑復(fù)合材料24 h蠕變性能的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

楊木粉，180～250 μm，自制；

聚乙烯，50D012(5000S)，大慶石化有限公司；

偶聯(lián)劑[接枝高密度聚乙烯(PE-HD)]，南通日之升高分子新材料科技有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

單螺桿擠出機，SJ-45，南京橡塑機械廠；

電子萬能力學試驗機，CMT5504，深圳新三思公司。

1.3 樣品制備

將楊木粉、聚乙烯、偶聯(lián)劑按照表1試驗配方混合后，通過單螺桿擠出機擠出木塑板材試件，按照GB/T 9341—2000將試件裁成80 mm×10 mm×4mm用于木塑板材蠕變試驗。

表1 試驗配方Tab.1 Test formulations

1.4 試驗設(shè)計

蠕變試驗參考ASTM D 7031標準，運用電子萬能材料試驗機，采用3點彎曲蠕變測試方法測試各組試件的蠕變量。試件跨度為64mm，每個試件加載24 h，每隔1 min記錄一個數(shù)據(jù);標準要求每種被測試件個數(shù)不少于10件，每個試件加載24 h后卸載恢復(fù)24 h;在中跨部位測量彎曲撓度至少4次：加載前、加載24 h后、卸載1 min后和恢復(fù)24 h后;第一個24 h發(fā)生的彎曲變形為總撓度;單個試件的回復(fù)率是指恢復(fù)撓度除以總撓度再乘以100 %，取被測試件回復(fù)率平均數(shù)為最終該試件回復(fù)率;加載負荷為被測試件的抗彎強度的30 %、50 %、70 %，取5塊試件的平均蠕變量為最終蠕變量，并考察是否存在斷裂現(xiàn)象，實驗結(jié)果見表2。

表2 蠕變數(shù)據(jù)Tab.2 Creep data

2 結(jié)果與討論

2.1 蠕變試驗結(jié)果

由于在載荷為70 %抗彎強度時，所有試件均在24 h內(nèi)發(fā)生了斷裂，故以斷裂前應(yīng)變量作為最終應(yīng)變量。經(jīng)過24 h蠕變試驗后的最終應(yīng)變見圖1。由圖1可見3種不同加載載荷條件下所對應(yīng)的24 h應(yīng)變曲線具有十分相似的趨勢，但是應(yīng)變量相差得多，隨著載荷不同某些配方的應(yīng)變量甚至擴大幾倍。由此可見對于木塑板材來說加載載荷是影響其蠕變量的重要影響因素之一。為了更加準確地分析工藝因素對木塑板材蠕變量的影響，本文利用SPSS數(shù)學軟件分別對載荷為抗彎強度30 %、50 %、70 %的24 h應(yīng)變量與工藝因素進行回歸分析。旨在分析各個工藝因素對PE基木塑復(fù)合材料24 h蠕變量的影響程度大小，并從中選出影響比較顯著的工藝因素，分析其對24 h蠕變量的影響規(guī)律。

載荷/%：■—30 ●—50 ▲—70圖1 蠕變應(yīng)變關(guān)系Fig.1 Creep strain relationship

由圖1易知隨著施加給試件的載荷增加，試件的蠕變量也增加。當載荷為抗彎強度的30 %時，其回歸系數(shù)如表3所示?；貧w系數(shù)的絕對值的大小直接反映了自變量對因變量的影響程度，由表3可知各工藝參數(shù)欄的標準系數(shù)的絕對值分別是0.154、0.357、0.771、0.050、0.215，當載荷為抗彎強度的30 %時，各工藝參數(shù)對復(fù)合材料蠕變量的影響程度由大到小的順序依次為：木塑比、螺桿轉(zhuǎn)速、造粒溫度、成型溫度、偶聯(lián)劑。由表3知木塑比和螺桿轉(zhuǎn)速欄的顯著性水平(Sig.)<0.05，由此可知當載荷為抗彎強度30 %時，工藝參數(shù)木塑比和螺桿轉(zhuǎn)速對復(fù)合材料的蠕變有顯著影響。

表3 載荷為抗彎強度30 %時的回歸系數(shù)Tab.3 Regression coefficient when the load is 30 %bending strength for load

當載荷為抗彎強度50 %時，其回歸系數(shù)如表4所示。由表4可知在該載荷條件下各工藝參數(shù)欄的標準化系數(shù)的絕對值分別為0.436、0.191、0.602、0.023、0.092，因此當載荷為抗彎強度的50 %時，各工藝參數(shù)對復(fù)合材料蠕變量的影響程度由大到小的順序依次為：木塑比、成型溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、造粒溫度、偶聯(lián)劑。由表4中木塑比欄的Sig.<0.05，可知當載荷為抗彎強度的50 %時，木塑比對復(fù)合材料的蠕變量有顯著影響。

當載荷為抗彎強度70 %時，其回歸系數(shù)如表5所示。由表5可知該試驗的各工藝參數(shù)欄的標準化系數(shù)絕對值分別為0.751、1.029、5.334、1.445、0.603。由此可知各工藝參數(shù)對復(fù)合材料蠕變量的影響程度由大到小的順序依次為：木塑比、偶聯(lián)劑、螺桿轉(zhuǎn)速、成型溫度、造粒溫度。由表5中木塑比欄的Sig.<0.05，可知當載荷為抗彎強度的70 %時，木塑比對復(fù)合材料的蠕變量有顯著影響。

表4 載荷為抗彎強度50 %時的回歸系數(shù)Tab.4 Regression coefficient when the loadis 50 % bending strength

表5 載荷為抗彎強度70 %的回歸系數(shù)Tab.5 Regression coefficient when the loadis 70 % bending strength

從上述分析中可以看出在不同載荷條件下，各個工藝因素對其蠕變量影響的顯著程度有所不同。載荷為30 %抗彎強度時，木塑比與螺桿轉(zhuǎn)速為顯著因素，但當載荷為50 %、70 %抗彎強度時，雖然各個工藝因素對蠕變量影響的顯著程度不同，但其有一個共同特點那就是對蠕變影響的顯著因素只有一個——木塑比。在3種載荷下木塑比都是最顯著的影響因素，這是因為木粉作為增強填料有一定的長徑比和較高的比強度，這種特性提高了材料的彎曲強度，在木粉含量范圍內(nèi)增強了復(fù)合材料的抗彎性能，所以復(fù)合材料的抗蠕變性能也就隨著木粉含量的增大而逐漸提高[5]。

2.2 木塑板材蠕變影響分析

2.2.1 木塑比對木塑板材蠕變影響

根據(jù)木塑比將16種板材分為4組，并觀察其蠕變應(yīng)變量。第一組是第1#、6#、11#、16#配方(木塑比55∶45)；第二組是第2#、5#、12#、15#配方(木塑比60∶40)；第三組是第3#、8#、9#、14#配方(木塑比65∶35)；第四組是第4#、7#、10#、13#配方(木塑比70∶30)。從圖1可以看出在3種載荷下的24 h蠕變量的趨勢有相似特點，所以選擇載荷為30 %的蠕變量數(shù)據(jù)進行觀察，如圖2所示。圖2中每一組的木塑比都是相同的，并且每一組內(nèi)4種方案的蠕變量數(shù)值都相對比較接近，而組與組之間成下降趨勢。從圖2不難看出隨著木塑比的增大PE基木塑復(fù)合材料的蠕變量也在下降。也就是說在木塑比在(55∶45～70∶30)范圍內(nèi)木粉含量越高，材料的蠕變變形量就會相應(yīng)減少。

圖2 木塑比與蠕變量的關(guān)系Fig.2 Relationship between and wooden plastic ratio

1—1# 2—6# 3—11# 4—16# 5—2# 6—5# 7—12# 8—15# 9—3#10—8# 11—9# 12—14# 13—4# 14—7# 15—10# 16—13#(a)55∶45 (b)60∶40 (c)65∶35 (d)70∶30圖3 木塑比與24 h蠕變量的關(guān)系Fig.3 Relationship between 24 h creep variable and wooden plastic ratio

由于各載荷下蠕變應(yīng)變的圖形類似，現(xiàn)將載荷為30 %的蠕變應(yīng)變情況列出，如圖3所示。由圖3可以看出施加載荷為抗彎強度30 %的情況下，各種配方的24 h蠕變趨勢十分相近都呈現(xiàn)出3個階段。第一階段是從開始加載到加載后60 min左右，這一階段變形較為迅速。從圖中明顯可以看出這一階段所對應(yīng)的曲線圖曲率是最大的；第二階段是從60 min到600 min左右，這一階段變形曲線的曲率逐漸變小，是一個應(yīng)變速率降低的過程；第三階段是從600 min至實驗結(jié)束，蠕變速度趨于一個比較平穩(wěn)的狀態(tài)。每一個階段的持續(xù)時間長短有所不同與木塑比相關(guān)。出現(xiàn)這一現(xiàn)象，主要是因為隨著木塑比的增大，木粉含量增多，木塑板材的密度增加，彎曲強度和彈性模量也隨之提高，復(fù)合材料的彈性形變和穩(wěn)態(tài)蠕變速率呈下降趨勢[6]。

第一階段：從第一階段變形可以明顯看出隨著木塑比的增大，第一階段的變形曲線曲率越小，尤其是圖6中13號試件的蠕變曲線。并且隨著木塑比的增大第一階段所對應(yīng)的應(yīng)變也在逐漸減小，并且會在更短時間內(nèi)進入第二階段。第二階段：可以看出隨著木塑比的增大第二階段的應(yīng)變時間應(yīng)變量都隨之減少。木塑比比較大的時間能更快的趨于穩(wěn)態(tài)的第三階段。第三階段：當試件進入第三階段后都呈現(xiàn)出一種比較平穩(wěn)的狀態(tài)，只是隨著木塑比的增大，這一階段所對應(yīng)的應(yīng)變曲線更加平直應(yīng)變量也更小。

2.2.2螺桿轉(zhuǎn)速對木塑板材蠕變影響

由于在載荷為30 %的24 h蠕變試驗中，木塑比較小的配方中螺桿轉(zhuǎn)速是第二顯著因素。因此有必要將螺桿轉(zhuǎn)速對蠕變的影響進行分析。由圖3(a)中看出同一木塑比下所對應(yīng)的應(yīng)變量有高低之分，對應(yīng)因素水平表我們考察螺桿轉(zhuǎn)速對蠕變的影響。由觀察發(fā)現(xiàn)這四種配方的板材呈現(xiàn)出隨著螺桿轉(zhuǎn)速的升高24 h蠕變量下降的情況并且十分吻合，可以說明在這種木塑比的配方下隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，擠出壓力大幅提升導(dǎo)致所擠出的板材內(nèi)部的空隙逐漸減小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較密實穩(wěn)定。通過對比這四種配方所對應(yīng)的密度，發(fā)現(xiàn)螺桿轉(zhuǎn)速比較高的時候擁有更大的密度。但隨著木塑比的上升這一特點逐漸變得不明顯，在木塑比為(60∶40)與(65∶35)時較大的螺桿轉(zhuǎn)速(90 r/min)有著比較小的蠕變量，此時螺桿轉(zhuǎn)速為(30、50、70) r/min對蠕變量的影響已經(jīng)不顯著。但當木塑比為(70∶30)時，螺桿轉(zhuǎn)速對蠕變量的影響已經(jīng)比較小了。由上述顯現(xiàn)可知在木塑比較小時，螺桿轉(zhuǎn)速對于減少木塑板材的內(nèi)部孔隙有著明顯的作用，但隨著木塑比的上升擠出變得愈加困難，內(nèi)部擠出壓力已經(jīng)處于一個比較高的水平。此時較低的螺桿轉(zhuǎn)速對于改善木塑板材內(nèi)部結(jié)構(gòu)作用已經(jīng)不明顯，只有較大的螺桿轉(zhuǎn)速才能體現(xiàn)這一作用。當木塑比達到(70∶30)時，螺桿轉(zhuǎn)速對于改善木塑板材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)已十分有限。

3 結(jié)論

(1)在24 h蠕變試驗中各個載荷下影響蠕變量的優(yōu)勢因素各不相同，但木塑比都為第一顯著因素。載荷為30 %抗彎強度時，木塑比與螺桿轉(zhuǎn)速為顯著因素；載荷為50 %和70 %抗彎強度時，木塑比為顯著因素，且只有木塑比為極顯著因素;

(2)利用直觀分析法對木塑板材的蠕變規(guī)律進行了分析，結(jié)果顯示木塑比較大的配方擁有比較小的蠕變量。

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