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阐述木塑的材料对材料力学性能的影响研究

时间:2018-10-09 10:15作者:乐枫
本文导读:这是一篇关于阐述木塑的材料对材料力学性能的影响研究的文章,适合的木粉填充量、粒径大小有利于提升木塑材料的综合性能;合适基体树脂的选择也有较大影响;加工工艺的类型决定材料的质地、密度, 影响材料强度;原料的改性处理也是提升木塑材料的重要途径。

  摘要:适合的木粉填充量、粒径大小有利于提升木塑材料的综合性能;合适基体树脂的选择也有较大影响;加工工艺的类型决定材料的质地、密度, 影响材料强度;原料的改性处理也是提升木塑材料的重要途径。阐述了提升木塑材料力学性能的微观作用机理, 举出了现阶段主要的科研成果, 总结了木塑材料发展的不足, 并做出了展望。

  关键词:木塑复合材料; 木粉; 基体塑料; 加工工艺; 助剂;

复合材料

  木塑复合材料, 简称WPC, 是由热塑性塑料作为基体材料, 植物纤维作为增强材料复合而成的一种聚合物基复合材料。作为木塑复合材料的热塑性基体塑料主要包括:PP、PE、PVC、PS等, 木粉通常采用杨木粉、桉木粉、竹粉等。现阶段木塑复合材料的制备工艺主要是挤出成型和模压成型, 将木粉与塑料经高速混合机混合均匀后, 加入挤出机中 (通常使用双螺杆挤出机) , 熔融共混后从特定形状的出料口挤出成型, 或者直接将物料熔融共混后注入磨具中压制成型, 最后根据需要可以对成型的木塑复合材料进行加工处理。

  木塑复合材料现已应用于包装、建筑、园林庭院、汽车内饰等领域, 但是木塑复合材料的力学性能不高及耐水性能差一直限制其更加广泛的使用, 科研人员也致力于开发新型的高强木塑复合材料。

  本文主要从木粉粒径、木粉填充量、基体塑料种类、加工工艺和原料前处理展开, 探究木塑复合材料的力学性能特点, 并介绍改性研究的发展现状。

  1 木粉粒径、填充量对材料力学性能的影响

  强度反映了材料抵抗破坏的能力, 往往是复合材料增强改性的研究重点。影响木塑复合材料拉伸强度、弯曲强度等力学性能的主要因素有植物纤维种类、含量、粒径分布, 基体塑料的种类, 助剂的使用, 成型工艺等。一般而言, 在一定程度上植物纤维粉末的粒径越小、分布越均匀所制得的木塑复合材料强度越高。

  宋丽贤等[1]利用桉木粉制备出PVC基的木塑复合材料, 探究了木粉粒径大小对材料强度的影响。首先用10%的Na OH溶液对桉木粉进行了预处理, 然后将处理后的木粉与PVC经高速混合机混合均匀后, 经熔融、混炼、模压成型后制备出木塑复合材料。实验结果发现:复合材料的拉伸强度随着木粉粒径的减小呈现出先增大后减小的趋势, 在粒径为70~80目时出现强度峰值。由于木粉粒径的减小, 大颗粒木粉所造成的应力集中现象消失, 木粉与PVC的混合状况变好, 木粉在基体塑料中形成连续相, 对材料起到增强作用。但随着木粉粒径的继续降低, 木粉在基体塑料中出现团聚现象, 同时木粉表面的粗糙度随着粒径的下降而变小, 对基体塑料的附着力变差, 降低了复合材料混合的均匀性, 易造成应力集中, 使得材料拉伸强度下降。

  李兰杰等[2]研究了木粉粒径对HDPE基复合材料力学性能的影响。结果表明:粒径较大的木粉有利于复合材料弯曲强度和冲击强度的提高, 与粒径大小为100μm的木粉相比, 850μm的木粉制得的复合材料弯曲强度、弯曲模量和冲击强度分别提高10.4%、56.3%和14.6%, 增强效果明显。

  木粉的填充量对木塑复合材料的力学性能也具有一定的影响。在木粉添加量较少时, 粉体在塑料中的呈现不均匀“海岛状”分布, 易造成应力集中现象, 并且在外力的持续作用下, 分散的木粉颗粒周围形成银纹, 应力增大时银纹扩增, 最终导致材料发生断裂, 使得复合材料的拉伸强度较差。木粉含量增加到一定程度时, 粉体之间相互接触, 发生交叉甚至缠绕现象, 在受到应力作用时, 纤维之间相互牵制, 使得材料能够承受更大的作用力, 起增强作用, 拉伸强度增大。当木粉含量进一步增大时, 材料的拉伸强度趋于平稳, 木粉含量不再是主要的影响因素。

  王自瑛等[3]利用挤出成型的方法制备出了HDPE基的木塑复合材料, 探究了木粉添加量对材料静态力学性能和动态力学性能的影响。实验发现:木粉填充量在50%~70%时, 拉伸强度与冲击强度受木粉添加量的影响较小, 随着添加量的增加表现出先增大后减小的趋势, 但变化程度较小, 当木粉填充量超过80%时, 拉伸强度和冲击强度急剧下降, 这是因为木粉添加量到一定程度后在基体塑料中发生了团聚, 严重影响复合材料的力学性能。动态热机械分析表明复合材料的储能模量和损耗模量均随着木粉添加量的增高而增大。

  2 基体塑料种类对材料力学性能的影响

  高分子材料的性能往往取决于分子结构的类型和链段运动的方式。柔顺性好的高分子结构往往赋予聚合物优异的韧性, 高分子结构中存在的刚性基团往往会提供聚合物卓越的刚性;晶体高分子链段被冻结在晶体结构中, 即使在受到外力作用下也无法自由移动, 非晶高分子链段无规排列, 在受到外力作用时会出现强迫高弹形变。因此, 基体塑料的种类对木塑复合材料的力学性能有着较大的影响。

  以LDPE和HDPE基的木塑复合材料为例, HDPE基的拉伸强度和弯曲强度均要明显强于LDPE基, 这是因为HDPE的高分子链结构规整, 在熔融加工形成复合材料的过程中, 分子链排列紧密, 范德华作用力大大增强, 使得材料的强度提高。以HDPE和PP基的木塑复合材料为例, HDPE基的弯曲强度较高, 这是因为HDPE的熔点较低, 在与木粉熔融共混的过程中, 混合体系粘度降低, 使得材料混合均匀, 导致HDPE基木塑复合材料的弯曲强度更高。

  孙晓民等[4]探究不同基体塑料, 如PE、PP、PVC, 对木塑复合材料力学性能的影响。实验得出结论:不同的塑料基体对复合材料的性能会产生不同的影响, PE、PP、PVC基的木塑复合材料拉伸强度和断裂伸长率并无明显差距;PVC基的弯曲强度和弯曲模量分别达到了48.29MPa和3.78GPa, 较PE基分别提升了28.37%、50.87%;PE基的韧性最佳, 室温下, 缺口冲击强度达到了4.93k J·m-2。

  周雷[5]以聚对苯二甲酸乙二醇酯-1, 4-环己二甲醇酯 (PETG) 为基体塑料采用热压成型的方式制备了纤维质量分数为10%的木塑复合材料, 先用高速混合机将原料混合30min, 在温度为190℃, 压力为10MPa的条件下热压10min使材料成型, 经过力学性能测试后发现, 纤维颗粒尺寸在60~80目时, 复合材料的弯曲强度达到最大值, 为81.74MPa。PETG基的木塑复合材料从综合力学性能上来说是优于PE基材料的。

  3 加工成型方式对材料力学性能的影响

  不同的加工成型方式对木塑复合材料的性能影响是不同的。木塑复合材料的成型工艺可分为热压法一次成型和挤出注塑二次成型, 当采用挤出注塑成型方式时, 挤出温度、螺杆转速、挤出压力等都会影响复合材料的力学性能。

  赵忠玉[6]介绍了挤出注塑成型时加工工艺的参数设置对材料力学性能的影响。物料混合区的温度较低时, 基体塑料粘度较大, 导致挤出效率下降, 温度较高时, 可能会导致木粉焦化, 影响复合效果;螺杆转速较快时, 物料混合不均匀, 导致出现内应力, 降低产品外观效果和使用性能, 螺杆转速较慢时会导致出料速率变慢, 影响生产效率;合适的挤出压力有利于物料混合, 提高力学性能强度, 压力过高时会导致出料不均匀, 甚至不成型, 压力过低时挤出物料密度下降, 力学强度降低, 并且导致产品表面出现不均匀纹路。

  徐冬梅等[7]采用正交试验探究了木塑复合材料挤出成型最佳的工艺参数。主机频率和喂料频率分别为10Hz、8Hz, 挤出机七个区段温度阶段递增, 由150℃升至180℃, 每区段升温5℃, 机头温度设定为175℃, 此时挤出成型的木塑复合材料品质最佳。

  朱娴等[8]探究了木塑复合材料模压成型和挤出成型的性能对比, 实验结果发现, 模压成型制备的复合材料在拉伸强度、弯曲强度、断裂伸长率等方面均要优于挤出成型工艺, 这是因为模压成型对于木粉和塑料的混合效果更明显, 相容性更高, 力学性能更强, 而挤出成型的方式存在较大的切应力使得木粉在混合过程中被切断, 纤维长度减小, 在基体中的取向程度降低, 导致力学性能不高。

  4 改性处理对材料力学性能的影响

  复合材料由基体相、增强相和界面相组成, 基体材料与增强材料复合使得材料性能显著提升的根本原因是界面效应所产生的协同作用, 因此提高复合材料的界面相容性往往会大幅度提升材料的力学性能。木塑复合材料提升界面相容性的方法主要是添加偶联剂和相容剂, 偶联剂和相容剂都具有两亲结构, 疏水端与非极性基体塑料具有很好的相容性, 亲水端能够与纤维粉末形成氢键或发生缩合反应, 最终使得纤维粉末与基体塑料具有较好的相容性, 并提升粉体分散的均匀性。

  张文杰[9]探究了硅烷偶联剂的添加量对聚丙烯基木塑复合材料力学性能的影响, 实验发现, 随着硅烷偶联剂KH550添加量的增多, 复合材料的拉伸强度和冲击强度均呈现先增后减的趋势, 7%的KH550添加量时达到峰值, 拉伸强度和冲击强度分别达到38.8MPa、201.2J·m-2, 较未添加时分别增强了11.9%、45.6%, KH550添加量低于7%时, 偶联剂的两亲结构提升了聚丙烯和木粉的相容性, 使得力学性能提升, 当添加量高于7%时, 偶联剂可能在复合体系中聚集或形成弱界面层, 降低了界面相容效果。

  曹金星等[10]利用亚临界流体挤出技术对PP基木塑复合材料进行了界面相容改性处理, 探究了以PP-g-MAH作为相容剂对复合材料力学性能的增强。实验发现, 添加PP-gMAH的质量分数达到10%时复合材料的综合力学性能最佳, 复合体系中PP-g-MAH起到了类似"桥梁"的作用, 提高了木粉与PP的相容性, 进而增加了力学强度, FTIR证实PP-gMAH与木粉上裸露的羟基发生了酯化反应, 在木粉颗粒上键接了相容剂分子, 最终与PP基体达到分子水平上的混合, 宏观上表现出力学性能的提高。

  5 小结

  木塑复合材料发展至今遭遇了很多问题, 也攻克了很多难关, 其中木塑材料的力学性能的改善更是科研人员研究的重点, 投入了大量的时间和精力去探究影响木塑材料力学强度的微观因素, 包括纤维粉末粒径的大小、纤维粉末的填充量、基体塑料的种类、加工工艺和改性处理等。木塑材料的开发已取得了很多卓越的成就, 但仍存在不足之处, 比如密度高、耐热性和耐老化性差、造价昂贵等, 这些都是未来木塑复合材料发展的主要障碍, 需要我们广大科研和工程技术人员的不断努力。

  参考文献
  [1]宋丽贤, 张平, 姚妮娜, 等.木粉粒径和填量对木塑复合材料力学性能影响研究[J].功能材料, 2013, 44 (17) :2451-2454.
  [2]李兰杰, 刘得志, 陈占勋.木粉粒径对木塑复合材料性能的影响[J].现代塑料加工应用, 2005 (05) :24-27.
  [3]王自瑛, 李珊珊.高木粉填充量PE木塑复合材料的机械性能分析[J].塑料, 2012, 41 (06) :20-22.
  [4]孙晓民, 刘伯元, 刘英俊, 等.不同树脂基木塑复合材料的性能对比[J].上海塑料, 2007 (04) :16-19.
  [5]周雷.废纸/PETG木塑复合材料制备工艺与性能的研究[D].广西大学, 2017.
  [6]赵忠玉.浅谈木塑复合材料挤出加工工艺参数对成型性能的影响[J].橡塑技术与装备, 2017, 43 (02) :50-52.
  [7]徐冬梅, 刘太闯, 靳鑫, 等.正交法研究HDPE木塑复合材料的配混工艺[J].塑料工业, 2016, 44 (01) :67-70.
  [8]朱娴, 刘芹, 包玉衡, 等.成型方式对不同木塑复合体系的性能影响研究[J].高分子通报, 2016 (01) :68-73.
  [9]张文杰.硅烷偶联剂对PP基木塑复合材料力学性能的影响[J].科技信息, 2013 (13) :3, 30.
  [10]曹金星, 张玲, 张云灿, 傅伟宁.相容剂对PP/木粉复合材料力学性能的影响[J].现代塑料加工应用, 2017, 29 (02) :47-50.

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