何洪城，陳 超

(1.湖南省林業(yè)科學院，湖南 長沙 410004；2.中南林業(yè)科技大學 材料學院，湖南 長沙 410004)

植物纖維復合裝飾板纖維含量對性能的影響研究

何洪城1，陳 超2

(1.湖南省林業(yè)科學院，湖南 長沙 410004；2.中南林業(yè)科技大學 材料學院，湖南 長沙 410004)

主要對所研發(fā)的植物纖維多層復合板材進行了纖維含量對性能的影響的實驗和分析，結(jié)果表明：當復合材料中纖維含量在30%時，各項指標性能均能達到較優(yōu)，產(chǎn)品具有良好的物理、化學性能和環(huán)境學特性，達到室內(nèi)家具使用要求，可代替普通人造板使用，同時生產(chǎn)和使用過程中均不會對環(huán)境造成危害，可降解，符合綠色環(huán)保材料要求，具有廣闊的發(fā)展前景。

植物纖維多層復合板；成型工藝；纖維含量；性能

天然植物纖維Natural Vegetable Fibers, NVF是自然界最豐富的天然高分子材料[1-3]，如木材、竹材、稻草、麥桔、谷糠、花生殼、甘蔗渣、椰子殼、亞麻、苧麻等[4]，自然界中每年生長的纖維素(以天然植物纖維的形式存在)總量多達千億噸,遠遠超過了地球上現(xiàn)有的石油總儲量[5-6]。此外，還有大量的農(nóng)業(yè)加工廢棄物天然纖維資源，一些熱帶地區(qū)尤為豐富，每年從農(nóng)業(yè)廢棄物中提取的木質(zhì)纖維可達 2.5×109Mt[7-9]。

充分利用天然植物纖維的潛力，發(fā)揮其獨特的功能和特性，開發(fā)新的應用領域，是引人注目的熱點[10-11]。天然植物纖維具有眾多優(yōu)點，如價格低廉、密度小、具有較高的彈性模量等，最為重要的是它的生物降解性和可再生性是其它任何增強材料無法比擬的，具有廣闊的發(fā)展前景[12-14]。

植物纖維多層復合裝飾板是新一代木質(zhì)纖維增強復合材料。表層為同質(zhì)透心柔性植物纖維材料或增強改性材料層，芯層為植物纖維微發(fā)泡層，其產(chǎn)品較之現(xiàn)有的天然纖維復合材料或木塑復合材料具有更良好的物理化學及加工性能，尤為重要的是整個生產(chǎn)和使用過程中均不會對環(huán)境造成任何危害，符合綠色環(huán)保材料要求。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

（a）木質(zhì)纖維粉（木、竹小徑材和枝椏材、加工剩余物以及農(nóng)作物秸稈等），60目，自制；（b）重質(zhì)碳酸鈣粉；（c）熱塑性樹脂（聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯等）；（d）礦石顏料；（e）助劑（偶聯(lián)劑、發(fā)泡劑）；（f）輔料。

1.2 實驗設備

（a）植物纖維多層復合裝飾板成型機組，常州產(chǎn)；

（b）微機控制電子式萬能試驗機，型號：MWD-50型，濟南試金集團有限公司；

（c）電熱恒溫鼓風干燥箱，SKGD-01，湖北省黃石市醫(yī)療器械廠。

1.3 制備方法

首先將表面活性劑和偶聯(lián)劑加入到植物纖維中，混合攪拌均勻，送至干燥窯干燥至設定含水率；再按照板材設定的比例，將各物料加入到雙螺旋攪拌機中進行混料、開煉捏合，表、芯層要單獨分開；待開煉、捏合處理后，通過雙螺旋擠出機將物料擠出，芯層物料輸送至?？谶M行微發(fā)泡定型，再將表層物料輸送至芯層，送至雙棍延壓機進行延壓，延壓成型后的板材經(jīng)縱橫裁邊機裁剪成規(guī)格為1 220 mm×2 440 mm的成品，具體工藝流程見圖1。

在制備材料配比中，主要是調(diào)整木質(zhì)纖維與石灰石粉的比例，即木質(zhì)纖維比例提高則石灰石比例相應下降，而其他組分不變。本實驗按15%、20%、25%、30%、35%、40%不同纖維含量制備。

經(jīng)上述工藝成型后的板材如圖2所示：

圖1 植物纖維多層復合裝飾板材工藝流程Fig.1 Plant fi ber multilayer decorative board process fl ow

圖2 植物纖維多層復合板材Fig.2 Reinforcement and support layer of plant fi ber multilayer decorative board

1.4 力學性能檢測

靜曲強度和彈性模量按GB/T9341-2000鋸制試件，抗沖擊強度按ASTM D 256-06鋸制試件，內(nèi)結(jié)合強度按GB-T 11718-2009鋸制試件，密度按GB/T1033.1-2008鋸制試件，吸水厚度膨脹率按GB /T1034-1998鋸制試件，握螺釘力按GB 11718.9-1989鋸制試件。

表1 實驗結(jié)果Table 1 Experimental results

2 結(jié)果與討論

在復合材料中，木質(zhì)纖維是基體相，石灰石和樹脂是增強相，纖維含量的多少直接影響復合材料的力學性能，故而在此次實驗中主要考慮了復合材料中木質(zhì)纖維含量對復合材料的力學性能的影響，石灰石與樹脂構(gòu)成的增強相按照一定的比例加入。

從圖3、圖4和圖5中可以看出，隨著纖維含量的增加，復合材料的靜曲強度、彈性模量和內(nèi)結(jié)合強度先增大后減下，這是因為在復合材料中，當纖維含量較少時，纖維與石灰石粉末通過樹脂形成纖維-樹脂-石灰石界面結(jié)合，多余的石灰石粉末在樹脂的作用下膠合，形成石灰石-樹脂-石灰石界面，在整個復合材料中，基體相有兩種界面，同樣，當纖維含量過多時亦會有兩種界面存在，這對于復合材料強度會有很大影響，只有當纖維含量與石灰石含量比例想當時才會形成穩(wěn)定的纖維-樹脂-石灰石界面，整個復合材料的強度才會最好。

圖3 復合材料的靜曲強度Fig.3 MOR of composite

圖4 復合材料的彈性模量Fig.4 MOE of composite

圖5 復合材料的內(nèi)結(jié)合強度Fig.5 Internal bond strength of composite

而當纖維含量超過30%后，其減度較小，這是因為纖維之間形成的界面強度要高于石灰石粉末之間界面強度，故而隨著纖維含量的增加時，其靜曲強度、彈性模量和內(nèi)結(jié)合強度會先增加后減小。

在圖6和圖7中，可以看出，隨著纖維含量的逐漸增加，復合材料的抗沖擊強度和密度逐漸減小，這是因為隨著纖維含量的增加，石灰石粉末含量逐漸減少，復合材料的界面結(jié)合情況發(fā)生變化，但是由于石灰石粉末屬于剛性粒子，其抗沖擊性能要大于纖維，所以隨著纖維含量的增加，抗沖擊強度會逐漸減小，同樣，由于石灰石粉末的密度要大于纖維的密度，因而隨著纖維含量的增加，整個復合材料的密度也會逐漸降低。

圖6 復合材料的抗沖擊強度Fig.6 Shock strength of composite

圖7 復合材料的密度Fig.7 Density of composite

從圖8和圖9中可以發(fā)現(xiàn)，隨著纖維含量的增加，復合材料的吸水厚度膨脹率和握螺釘力先增加后呈現(xiàn)平緩趨勢，纖維是吸水性物質(zhì)，石灰石是憎水性物質(zhì)，隨著纖維含量的增加，在一定范圍內(nèi)其吸水厚度膨脹率會隨之增加。

圖8 復合材料的吸水厚度膨脹率Fig.8 Ts of composite

圖9 復合材料的握螺釘力Fig.9 Screw holding capability of composite

當纖維含量不斷增加時，復合材料界面結(jié)合發(fā)生變化，界面強度由小到大再減小，握螺釘力會隨著復合材料的強度變化而變化，故而隨著纖維含量的增加，握螺釘力會發(fā)生相應的變化。

3 結(jié) 論

（1）經(jīng)上述工藝制得的植物纖維板材彎曲強度最大可達27.2 MPa，彎曲模量最大可達1 679 MPa，沖擊強度最大可達18.9 kJ/m2，內(nèi)結(jié)合強度最大可達2.35 MPa，吸水厚度膨脹率最小可達0.56%，握螺釘力最大可達2 214 N，密度最小可為0.61 g/cm3；

（2）通過改變復合材料中的纖維含量，可以看出，隨著纖維含量的變化，各性能指標均發(fā)生不同變化，綜合考慮各指標，最終選定本復合材料纖維含量為30%；

（3）所制得板材的各項指標均已達到普通人造板材國家標準要求，且無甲醛釋放，生產(chǎn)和使用過程中不會造成危害，完全可代替普通人造板材在家具中的使用。

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Study on forming process of plant fi ber multilayer decorative board (Ⅰ):effect of fi ber content on properties

HE Hong-cheng1, CHEN Chao2
(1. Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, Hunan, China; 2 Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The effects of fi ber content of plant fi ber multilayer decorative board on the board’s properties were investigated by the experiments. The results show that when the fi ber content was 30% in the composites, the every performance index achieved better level.Namely, the products had good physical and chemical properties and environmental protection performance, and have also reached the indoor furniture environmental standards, thus the products can be used to replace the ordinary artif i cial board. It was proved that the product is completely no harm to environment in both producing and using process, and has a broad development prospect.

plant fi ber multilayer decorative board; forming process (moulding process); fi ber content; performance

S781

A

1673-923X(2014)08-0097-04

2013-10-31

國家林業(yè)局948項目：“木質(zhì)天然纖維增強復合材料關(guān)鍵技術(shù)引進”（2011-4-11）

何洪城（1959-），男，研究員、高級經(jīng)濟師，長期從事林業(yè)生物質(zhì)材料、植物有效成分、林業(yè)經(jīng)濟研究；E-mail：xbd9818@163.com

[本文編校：文鳳鳴]