竹粉用量對竹粉/聚丙烯復合材料力學性能和蠕變性能的影響

何文浩

(福建省林業(yè)勘察設(shè)計院，福州 350001)

木塑復合材料(簡稱WPC)是問世于1961年的一種新型材料，是利用聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等塑料材料[1]，代替常用的樹脂膠粘劑，與木粉等植物纖維按一定比例混合后經(jīng)熱壓成型的板材[2]。近些年，隨著我國對森林資源的保護，木材的供給越來越少。我國竹子種類、竹林面積、竹材產(chǎn)量均位居世界第一[3]。竹材壁薄中空，同時具有不均勻的組織結(jié)構(gòu)，極易產(chǎn)生蟲蛀和霉變等問題[4]，導致其加工利用率很低，嚴重限制了竹材資源的利用及加工。因此，大力發(fā)展竹質(zhì)復合材料，拓寬其利用空間，對我國竹材工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展意義重大[5]?，F(xiàn)階段竹塑復合材料的基體主要有PE、PP、PVC以及ABS等。本文采用聚丙烯(PP)作為基體，通過注塑法制備出不同竹粉含量的竹粉/聚丙烯復合材料[6]，檢測其相關(guān)力學性能，總結(jié)竹粉用量對復合材料力學性能和蠕變性能的影響。

1 試驗原料與試驗方法

1.1 試驗原料和設(shè)備

竹粉為生長五年以上的毛竹竹材加工剩余物經(jīng)粉碎研磨成40～120目；聚丙烯型號K8303，購自中國石化北京燕山分公司；潤滑劑采用CH3(CH2)16COOH硬脂酸；硬脂酸鈣采用[CH3(CH2)16COOH]2Ca，呈白色粉末狀，以提高竹塑復合材料的流動性；偶聯(lián)劑采用MAPP，以改善竹粉和PP的相容性。試驗設(shè)備含干燥箱、密煉機、破碎機、成型機等(表1)。

表1 試驗設(shè)備

1.2 試樣的制備

采用注塑法制備注塑復合材料(圖1)。稱取適量竹粉置于電熱恒溫鼓風干燥箱中干燥至少8 h，使竹粉的含水率下降到2%以下。設(shè)置了3種竹粉/聚丙烯復合材料的原料配比(表2)。竹粉含量分別占復合材料總質(zhì)量的15%、30%、45%，偶聯(lián)劑質(zhì)量為竹粉質(zhì)量的6%，潤滑劑占復合材料總質(zhì)量的1%。

圖1 注塑工藝流程

表2 竹粉/聚丙烯竹塑復合材料的配方

竹粉、聚丙烯經(jīng)過干燥箱烘干后，將其與硬脂酸、硬脂酸鈣、MAPP按比例均勻的放置在托盤中，攪拌均勻，然后倒在密封袋中繼續(xù)用手揉搓袋子使其混合均勻。打開密煉機，溫度設(shè)定188 ℃。將經(jīng)過充分混合的物料分次投入密煉機中密煉，大約20 min后密煉完成。取出褐色的不規(guī)則塊狀黏稠物料，按照不同的竹粉用量分別放入粉碎機粉碎成細小的顆粒后進行注塑。

1.3 竹粉/聚丙烯復合材料的性能測試

彎曲性能測試使用微機控制電子萬能試驗機進行[7]，試樣為長80(±0.2)mm、寬20(±0.1)mm、厚4(±0.1)mm的長條。沖擊性能測試使用多功能擺錘沖擊試驗機進行[8]，試樣為無缺口的沖擊樣條。蠕變性能測試參照塑料彎曲性能試驗標準[7]，使用微機控制電子萬能試驗機進行測試，試樣為長60(±0.2)mm、寬20(±0.1)mm、厚4(±0.1)mm的長條。拉伸強度性能測試使用微機控制電子萬能試驗機進行[9]，試樣為長150(±0.2)mm、寬20(±0.1)mm、厚4(±0.1)mm的長條。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 不同竹粉含量的竹粉/聚丙烯復合材料工藝參數(shù)的比較

對于不同竹粉含量的竹塑復合材料，注塑機各段的溫度需由170 ℃逐漸提高到180 ℃左右(表3)。通過不同竹粉含量試樣對比，15%、30%竹粉含量的試樣在密煉和注塑時溫度、壓力參數(shù)變化相對較小且試樣形狀完整，性能也相對穩(wěn)定(表4)。45%的竹粉含量較高，所以流動性較差，尤其在注塑時需要較高的溫度與較大壓力。當竹粉含量為60%的時候，復合材料的流動性變差，無法完成注塑。

表3 注塑機溫度設(shè)定參數(shù)

表4 射出、儲料的壓力與時間的快速設(shè)定

2.2 竹粉含量對試樣物理力學性能的影響

2.2.1 竹粉含量對試樣密度的影響

注塑法制備的竹粉含量15%、30%、45%的竹粉/聚丙烯復合材的平均密度為0.916 9 g/cm3、0.930 3 g/cm3、1.043 0 g/cm3。由此可見，隨著竹粉含量的增加，竹粉/聚丙烯復合材料的密度也隨之增大。由于在竹粉/聚丙烯復合體系中竹粉是增強相而聚丙烯是基體相，因此經(jīng)過壓縮密實后竹粉/聚丙烯復合材料的密度也會隨著竹粉的含量升高而變大。

2.2.2 竹粉含量對試樣彎曲性能的影響

注塑法制備的竹粉含量15%、30%、45%的竹粉/聚丙烯復合材料的彎曲強度分別為49.27 MPa、51.44 MPa、51.68 MPa。在試樣尺寸相同的理想條件下，隨著竹粉含量的提高，破壞載荷變大，從而彎曲強度變大。其他條件不變的理想條件下，隨著竹粉含量的提高，彎曲模量也隨之變大。所以，竹粉含量為15%～45%時的竹粉/聚丙烯復合材料彎曲性能隨著竹粉的增加逐漸提升。當竹粉含量達到45%的時候，材料的彎曲性能得到較大的提升。

2.2.3 竹粉含量對試樣沖擊性能的影響

缺口沖擊試驗得到的15%、30%、45%竹粉含量的復合材料的沖擊強度分別為30.55 kJ/m2、27.01 kJ/m2、22.27 kJ/m2。隨著竹粉用量的增大，沖擊強度逐漸下降，當竹粉加到一定多量的時候，下降趨勢逐漸變緩。其主要原因是竹粉是剛性物質(zhì)，韌性較差，竹粉含量升高造成復合材料的應(yīng)力集中從而使得復合材料韌性降低。綜上所述，竹粉/聚丙烯復合材料的沖擊強度隨著竹粉用量的升高而降低。

2.2.4 竹粉含量對試樣拉伸性能的影響

通過試樣拉伸性能測試，得到15%、30%、45%竹粉含量的竹粉/聚丙烯復合材料的拉伸強度分別為29.55 MPa、28.83 MPa、28.44 MPa，斷裂伸長率分別為7.95%、5.62%、6.20%。隨著竹粉含量的增加，拉伸強度下降，而斷裂伸長率先快速下降，而后緩慢上升。

2.2.5 竹粉含量對試樣蠕變性能影響的比較

對竹粉含量15%的竹粉/聚丙烯復合材料，分別施加25%、50%、75%的應(yīng)力，其應(yīng)變隨應(yīng)力的增大而變大，增大到一定程度后應(yīng)變基本保持不變，未出現(xiàn)明顯的彎曲現(xiàn)象(圖2)。竹粉含量30%的復合材料，施加應(yīng)力之后，在3 600 s內(nèi)未出現(xiàn)明顯的彎曲現(xiàn)象，可見30%竹粉含量的竹粉/聚丙烯復合材料具有良好的蠕變性能(圖3)。竹粉含量45%的復合材料，在25%、50%的彎曲強度下材料的應(yīng)變較小，但是75%應(yīng)力下材料在1 500 s左右時發(fā)生斷裂，應(yīng)變?yōu)?.057 1。

圖2 竹粉含量15%的復合材料的應(yīng)力蠕變曲線

圖3 竹粉含量30%的復合材料的應(yīng)力蠕變曲線 圖4 竹粉含量45%的復合材料的應(yīng)力蠕變曲線

3 結(jié)論

竹粉添加量為15%、30%、45%時，隨著竹粉含量的升高，竹粉/聚丙烯復合材料成型過程所需的注射溫度和注射壓力增大，而竹粉含量為60%時，復合材料流動性能較差，無法注塑完成。

復合材料的密度增大，彎曲性能升高，當竹粉含量為45%時，復合材料的彎曲強度和彎曲模量分別為51.68 MPa和3 701.08 MPa；而復合材料的拉伸性能和沖擊強度隨著竹粉含量增高逐漸緩慢下降，當竹粉含量為45%時，復合材料的拉伸強度為28.44 MPa和22.27 kJ/m2。

竹粉含量30%的竹粉/聚丙烯復合材料的蠕變性能最佳，25%、50%和75%應(yīng)力水平下，經(jīng)歷3 600 s蠕變實驗后，復合材料產(chǎn)生的應(yīng)變僅分別為0.013 8、0.025 6、0.044 6，而45%竹粉/聚丙烯復合材料在75%應(yīng)力水平下，經(jīng)歷1 500 s就發(fā)生斷裂，應(yīng)變?yōu)?.057 1。