周晨 杜鳳 王偉宏

(生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

責(zé)任編輯:戴芳天。

木塑復(fù)合材料(WPC)是一類以熱塑性聚合物為基材，以木質(zhì)纖維為填充增強(qiáng)材料，通過熔融復(fù)合制備的新型復(fù)合材料。木塑復(fù)合材料兼具木材和塑料的優(yōu)點(diǎn)，尺寸穩(wěn)定性好、硬度高、耐腐蝕、可回收再利用，最近幾年關(guān)注度大大上升［1-2］。但木塑復(fù)合材也存在明顯的缺點(diǎn):脆性較大、力學(xué)強(qiáng)度不高［3］。

碳纖維是由有機(jī)纖維碳化處理后或者經(jīng)過石墨化處理后，所得到的具有一定性能的纖維材料［4-6］。具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高剛度、優(yōu)良的減振性、耐疲勞和耐腐蝕等優(yōu)異性能。碳纖維與聚合物復(fù)合后，可以通過界面的結(jié)合增加聚合物基質(zhì)的強(qiáng)度，改善其力學(xué)性能［7-8］。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已在體育產(chǎn)品高爾夫球桿、醫(yī)療領(lǐng)域骨組織支撐材料，以及航天材料等方面取得一定的應(yīng)用進(jìn)展［9-11］，但目前碳纖維尚未應(yīng)用于增強(qiáng)木塑復(fù)合材料性能。因此，筆者引入碳纖維布作為增強(qiáng)手段，通過設(shè)計不同的工藝結(jié)構(gòu)，研究其對木塑復(fù)合材性能的改善作用，探索利用其提高木塑復(fù)合材料物理力學(xué)性能的新途徑。

1 材料與方法

1.1 原料與設(shè)備

木粉(WF):20～40 目，含水率為5%～8%;碳纖維布單向，一束纖維里有12 000 根碳纖維，200 g/m2，厚度為0.111 mm，沈陽中恒復(fù)合材料有限公司;高密度聚乙烯(HDPE):牌號5000S，密度為0.954 g/cm3，熔融指數(shù)為0.08～0.11 g/min;PE 蠟;偶聯(lián)劑:馬來酸酐接枝聚乙烯(MAPE)，接枝率0.9%。

DHG-9625A 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、LD31001型高速混合機(jī)、模壓機(jī)、分析天平(量程0.01～210 g)、電子天平、小型精密臺鋸(XJ-300 型)、RGT-20A 型微機(jī)控制萬能力學(xué)實驗機(jī)、XJ-50Z 型組合沖擊實驗機(jī)。

1.2 WF/HDPE 復(fù)合板的制備

將60%的木粉、36%的HDPE、2%的MAPE 和2%PE 蠟按比例稱量放入高速混合機(jī)中，在70 ℃條件下攪拌10 min，物料混合均勻后倒入喂料斗，利用雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行熔融復(fù)合，冷卻后粉碎成小顆粒。將粉碎后的物料按一定質(zhì)量平鋪在160 mm×160 mm 的金屬模腔中，在175 ℃、5 MPa 的條件下熱壓5 min，保壓冷卻成型。待材料固化后取出，得到不同厚度的木塑板材。

1.3 碳布/WF/HDPE 復(fù)合板材的制備

將木塑片材與碳纖維布按照圖1所示順序?qū)盈B鋪放。碳布對稱地放置于木塑表板與芯板之間，在180 ℃溫度、5 MP 壓力下熱壓10 min，然后進(jìn)行冷壓定型，制成夾層中帶有碳布的木塑復(fù)合材。碳布/WF/HDPE 復(fù)合板的總厚度為7 mm，根據(jù)表層與芯層木塑板的厚度，每種不同配置命名為“表層厚度—芯層厚度—表層厚度”。例如，3 mm 表層木塑板+碳布+1 mm 芯層木塑板+碳布+3 mm 表層木塑板的復(fù)合板記為CF313。

圖1 碳布與WF/HDPE 復(fù)合板的組合方式

1.4 性能測試的方法

碳布/WF/HDPE 復(fù)合板的彎曲強(qiáng)度參照ASTM D790-03《未增強(qiáng)和增強(qiáng)塑料及電絕緣材料彎曲性的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》進(jìn)行測試，支點(diǎn)跨距為126 mm，加壓速度設(shè)置為3.78 mm/min。取至少5 個試件的平均值計為材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量。

拉伸強(qiáng)度參照ASTM D638-03《塑料拉伸性能標(biāo)準(zhǔn)測試方法》進(jìn)行測試，拉伸速度設(shè)置為5 mm/min;試件總長度為165 mm，兩端寬度為19 mm，中間測試部分寬度為13 mm，標(biāo)距為50 mm，弧半徑為76 mm。

沖擊強(qiáng)度參照GB/T 1043.1—2008《塑料簡支梁沖擊性能的測試標(biāo)準(zhǔn)》在組合沖擊試驗機(jī)上進(jìn)行，試件尺寸為75 mm×15 mm×7 mm，跨距為42 mm，沖擊速度為3.8 m/s，錘擺能量為15 J，預(yù)仰角160°，空擊角157°。

剝離性能參照GB/T 17657—1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》進(jìn)行。將試件完全浸漬在沸水中，煮4 h 后，將試件分開平放在(63±3)℃的空氣對流干燥箱中干燥20 h，再在沸水中煮4 h，取出后在室溫下冷卻10 min。觀察試件在水熱作用下是否出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

2 結(jié)果與分析

2.1 碳布/WF/HDPE 復(fù)合板材的彎曲性能

如表1所示，碳纖維布鋪放位置影響木塑復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和彈性模量。未添加碳布的WF/HDPE 復(fù)合板材彎曲強(qiáng)度最小，為27.39 MPa，添加碳布后得到顯著提高。碳布的位置越接近表層，碳布/WF/HDPE 復(fù)合材的彎曲強(qiáng)度越大，當(dāng)碳布貼于木塑外表面時，抗彎強(qiáng)度達(dá)到最大值，為62.16 MPa，比未添加碳布的同等厚度WF/HDPE 復(fù)合材提高了127%。這是由于復(fù)合材彎曲過程中試件下表面受到最大拉應(yīng)力，碳布覆于復(fù)合材的表層，直接承受拉應(yīng)力，發(fā)揮了碳布拉伸強(qiáng)度高的優(yōu)勢。

表1 碳纖維放置位置對WF/HDPE 復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和彈性模量的影響

與抗彎強(qiáng)度類似，碳布/WF/HDPE 木塑復(fù)合材的彈性模量也隨著芯層厚度的增加(即碳纖維布越來越靠近復(fù)合材表層)而提高。例外的是，當(dāng)碳布貼于木塑板材外表面時彈性模量急劇下降，比未添加碳布的木塑復(fù)合材料還要低。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為試件上表面受到最大壓應(yīng)力作用，表層碳布起皺，與木塑基材之間發(fā)生分層破壞，使復(fù)合材超出彈性變形階段;此時下表面碳布仍然可以承受拉應(yīng)力保持完好，因此出現(xiàn)強(qiáng)度提高、彈性模量下降的現(xiàn)象。

圖2 CF070 抗彎試驗圖片

2.2 碳布/WF/HDPE 復(fù)合板材的拉伸性能

由表2可見，添加碳布后復(fù)合板材的拉伸性能有明顯的提高，比未添加碳布的復(fù)合板材提高了3倍。此外，隨著復(fù)合結(jié)構(gòu)中表層木塑厚度的減小，碳布位置靠近復(fù)合材表面，復(fù)合材的拉伸強(qiáng)度減小。

表2 碳纖維放置位置對木塑復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響

拉伸測試過程中發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材的木塑部分首先發(fā)生斷裂，而碳纖維卻遠(yuǎn)沒有達(dá)到其破壞強(qiáng)度(圖3)。當(dāng)碳布靠近中心放置時，兩側(cè)的木塑材料較厚，較薄的中心層斷裂后拉力被重新分配給外層的木塑層。此時相當(dāng)于并聯(lián)關(guān)系，每層木塑/碳布分別承擔(dān)了1/2 的拉力，整體抗拉伸性能最高。與CF313 相比，CF232 的拉伸強(qiáng)度略有下降，但沒有明顯差別。而當(dāng)表層木塑復(fù)合材料過薄時，例如CF151，在較大拉伸力作用下表層木塑復(fù)合首先斷裂，之后拉力全部由中間層的木塑/碳布繼續(xù)承擔(dān)，中間層木塑材料隨后也發(fā)生斷裂，導(dǎo)致材料整體拉伸強(qiáng)度下降，低于前兩種結(jié)構(gòu)。此外，當(dāng)碳布完全位于最外層時，塑料基質(zhì)對碳纖維布的黏合作用較放于中心位置時的小，二者之間抗拉伸能力相差較大，容易出現(xiàn)剪切分層(如圖3所示)，而中間層木塑復(fù)合材料無法單獨(dú)承受大的拉應(yīng)力。因此，碳布越靠近中心復(fù)合材整體抗拉伸效果越好。

圖3 試件的拉伸斷裂圖片

2.3 碳布/WF/HDPE 復(fù)合板材的沖擊性能

表3中，與未添加碳布的空白樣相比，CF/WF/HDPE 復(fù)合板材的抗沖擊性能得到極大改善。其中CF232 的沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值，為59.6 MPa，提高了447.5%;CF070 復(fù)合材的沖擊強(qiáng)度最小，為21.1 MPa。與碳布放于木塑復(fù)合材內(nèi)部相比，CF070 復(fù)合材的碳布只有一面黏附在木塑基材的表面上，另一面沒有塑料基質(zhì)的包覆，碳纖維束之間缺乏塑料的滲透和黏結(jié)，物理搭接不牢固。因此，當(dāng)試件受到瞬時沖擊時纖維束之間發(fā)生滑移(圖4)，與木塑基材脫離，碳纖維作用發(fā)揮不充分。與其他CF/WF/HDPE 復(fù)合材相比，C070 的沖擊強(qiáng)度最小，但仍顯著高于未添加碳布的WF/HDPE 復(fù)合材。碳布放置在表面以下位置時其兩側(cè)都有塑料基質(zhì)的黏附，摩擦力顯著增大，能夠抵抗更大的沖擊力，與C070 相比沖擊強(qiáng)度都有大幅度提高。

沖擊強(qiáng)度測試考查的是材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力，處于近表層位置的碳纖維需要抵抗較大變形。CF151 結(jié)構(gòu)的復(fù)合材因表層木塑過薄，易斷裂，為碳纖維提供的摩擦力下降，碳纖維雖未斷裂，但纖維束亦發(fā)生滑移。碳布向中間位置偏移，表層木塑復(fù)合層達(dá)到一定厚度時才能起到較好的抗沖擊作用，如CF232 結(jié)構(gòu)。但離中心位置過于接近又使碳纖維抵抗變形能力不能充分發(fā)揮，也導(dǎo)致CF/WF/HDPE 復(fù)合材沖擊強(qiáng)度有所下降。碳布鋪放位置對復(fù)合材沖擊韌度的影響有待深入研究。

表3 碳纖維放置位置對復(fù)合材料抗沖擊性能的影響

2.4 碳布/WF/HDPE 復(fù)合板材的浸漬剝離性能

經(jīng)過水煮之后，CF313、CF232、CF151 復(fù)合材試件出現(xiàn)碳布與木塑的分離現(xiàn)象(圖5)。其中，表層木塑復(fù)合板厚度越大則剝離長度越小，如CF313 結(jié)構(gòu)，試件側(cè)面僅出現(xiàn)1 mm 寬的裂縫，而CF151 的表板完全脫離芯板。這是由于表層木塑越薄，則中間的碳布越容易受到水和熱的影響，因而碳布與木塑板之間的結(jié)合遭到的破壞越嚴(yán)重。CF070 結(jié)構(gòu)的表面碳纖維沒有受到HDPE 的的完全滲透，碳纖維間有較大空隙，使水與熱容易透過而破壞了碳布和木塑之間的結(jié)合，導(dǎo)致碳布與復(fù)合板材嚴(yán)重分層。

圖5 剝離性能測試后的試件

3 結(jié)論

碳布越靠近表層位置，復(fù)合板的抗彎強(qiáng)度越高，彈性模量也越大，但直接將碳布貼覆在木塑復(fù)合材表層反而使抗彎彈性模量大幅度下降。碳布挾持在木塑板材中間位置可以大幅度提高復(fù)合材的拉伸強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度，但表層木塑層厚度太薄也不利于發(fā)揮碳布的優(yōu)勢?？拷宀谋韺拥奶疾既菀资艿剿岬挠绊?，造成黏結(jié)力減弱，發(fā)生分層破壞。將碳布放置在適當(dāng)?shù)奈恢茫梢暂^好地發(fā)揮碳纖維優(yōu)異性能，極大地提高木塑復(fù)合板材的各項力學(xué)性能，但碳布與木塑基材之間的界面結(jié)合還有待于進(jìn)一步提高。

［1］ 牛笑一.木塑復(fù)合材料及其發(fā)展［J］.家具與室內(nèi)裝飾，2011(1):88-89.

［2］ 李光哲.木塑復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢［J］.木材加工機(jī)械，2010(2):41-44.

［3］ 劉柳，夏英，馬春，等.木塑復(fù)合材料的研究進(jìn)展［J］.塑料科技，2006(6):90-93.

［4］ 春勝利，黃榴紅，李勇鋒.碳纖維及其在復(fù)合材料方面的應(yīng)用［J］.玻璃鋼，2005(2):5-14.

［5］ Gunyaev G M，Gorelov Y A，Davydov Y A，et al.Effect of surface treatment of carbon fibers on the strength properties of carbon fiber plastics［J］.Mech Compos Mater，1980，15(4):363-367.

［6］ Mostovoi G E，Rabotnov Y N，Kobets L P，et al.Relaxation of stresses in a carbon fiber at elevated temperatures［J］.Mech Compos Mater，1980，16(1):1-5.

［7］ 伍波，張求慧，王永波.木塑復(fù)合材料界面化學(xué)改性研究進(jìn)展［J］.化工新型材料，2010(5):28-30.

［8］ 王鵬，鄒琥，陳曦，等.碳纖維的研究和生產(chǎn)現(xiàn)狀［J］.合成纖維，2010(10):42-53.

［9］ 趙稼祥.碳纖維復(fù)合材料高爾夫球桿［J］.高科技纖維與應(yīng)用，2005，30(4):1-4.

［10］ 曾麗平，郭申，曹麗云，等.碳纖維改性HA/PMMA 生物復(fù)合材料力學(xué)性能的研究［J］.塑料科技，2009，37(1):52-55.

［11］ 林德春，潘鼎，高健，等.碳纖維復(fù)合材料在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.玻璃鋼，2007(1):18-28.