張濤　楊雙燕　高曉菊

摘 要：木塑復(fù)合材料的加工過程較為復(fù)雜，所以材料的力學(xué)性能會(huì)受到多個(gè)因素的影響。而適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行加工因素的控制，則能夠確保木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能。因此，基于這種認(rèn)識(shí)，該文首先從加工工藝和加工材料兩個(gè)方面對(duì)木塑復(fù)合材料的加工問題進(jìn)行了分析，同時(shí)也對(duì)材料的力學(xué)性能測試方法進(jìn)行了探討。而在此基礎(chǔ)上，該文主要對(duì)塑料種類、木粉粒徑與填量、偶聯(lián)劑種類與用量以及潤滑劑種類這幾種影響木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的因素進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：木塑復(fù)合材料 力學(xué)性能 影響因素 探討

中圖分類號(hào)：TQ325 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（a）-0064-02

木塑復(fù)合材料具有較好的穩(wěn)定性、抗腐蝕性和強(qiáng)度。而該種材料的使用，則能夠?yàn)榫徑馐澜缟仲Y源貧乏做出一定的貢獻(xiàn)。所以，在一定程度上，該材料得到了人們的重視。但就目前來看，木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能將受到多種因素的影響，繼而限制了該種材料的應(yīng)用和發(fā)展。而研究木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的影響因素，則可以為木塑復(fù)合材料的加工工藝的優(yōu)化提供一定指導(dǎo)。因此，相關(guān)人員有必要進(jìn)行該問題的研究，以便促進(jìn)木塑復(fù)合材料的應(yīng)用和發(fā)展。

1 木塑復(fù)合材料的加工概述

1.1 加工工藝

就目前來看，木塑復(fù)合材料的加工工藝主要有三種，即擠出成型工藝、壓制成型工藝和注射成型工藝。其中，擠出成型工藝得到了廣泛的應(yīng)用，是較為重要的木塑復(fù)合材料加工方法。利用該種工藝，可以連續(xù)進(jìn)行性能均一的木塑復(fù)合材料的生產(chǎn)，并且方法本身具有消耗低、產(chǎn)出高的優(yōu)點(diǎn)，可以進(jìn)行各類板材的生產(chǎn)。具體在進(jìn)行材料加工時(shí)，則需要將木塑混合顆粒加入到機(jī)筒，并利用螺桿的連續(xù)旋轉(zhuǎn)摩擦和機(jī)筒加熱將顆粒流化，并最終使材料從機(jī)頭擠出成型。

壓制成型工藝是較為傳統(tǒng)的聚合物加工工藝，也可以用于進(jìn)行木塑復(fù)合材料的生產(chǎn)。在加工的過程中，需要將一定量的預(yù)混料傳送至模具，并利用壓力將物料從固態(tài)轉(zhuǎn)化成粘流態(tài)，以便進(jìn)行木塑制品的壓制。而利用該種工藝進(jìn)行加工的方式主要有兩種，即冷料熱壓和熱料冷壓[1]。從加工特點(diǎn)上來看，該種工藝操作簡便，并且能夠解決擠出成型的密度小、強(qiáng)度低、剛性差等問題，所以可以用來進(jìn)行板材的加工。但是，該工藝同時(shí)也具有生產(chǎn)周期長和生產(chǎn)效率較低的缺點(diǎn)。

注射成型工藝是較為成熟和經(jīng)濟(jì)的加工工藝，但是只能用于進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡單的制品的生產(chǎn)。在加工的過程中，需要將干燥的木質(zhì)纖維和改性塑料高速混合，并將原料加熱至固化狀態(tài)，繼而通過磨具進(jìn)行木塑復(fù)合材料的加工。而該種工藝雖然操作簡單，但是卻對(duì)加工設(shè)備有著一定的要求。

1.2 加工材料

就目前來看，木塑復(fù)合材料的加工原料主要有四種，即植物纖維、熱塑性塑料、偶聯(lián)劑和添加劑。其中，添加劑的使用，將有助于改進(jìn)木塑復(fù)合材料的加工條件，并進(jìn)行木塑復(fù)合材料的性能的提升。就實(shí)際情況而言，在加工原料組分不同的情況下，木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能也將不同。在日常的加工生產(chǎn)中，較為常見的植物纖維材料為木粉。而塑性塑料、偶聯(lián)劑和添加劑的種類較多，需要根據(jù)加工的實(shí)際需要來決定[2]。但是，使用不同種類的塑料、偶聯(lián)劑和添加劑，則會(huì)得到具有不同力學(xué)性能的木塑復(fù)合材料。而需要注意的是，在進(jìn)行木塑復(fù)合材料加工之前，首先需要對(duì)木粉進(jìn)行處理。具體來講，就是進(jìn)行木粉的篩選，并完成木粉的干燥。而之所以需要進(jìn)行木粉的篩選，主要是因?yàn)橐坏┐嬖谀痉哿酱笮〔灰坏默F(xiàn)象，將對(duì)加工的木塑復(fù)合材料的均勻性產(chǎn)生一定的影響，繼而影響到材料的各方面性能。此外，木粉具有較強(qiáng)的親水性，容易在與塑料混合中出現(xiàn)結(jié)團(tuán)，并影響到木塑復(fù)合材料的性能。因此，需要預(yù)先對(duì)木粉進(jìn)行干燥，以便確保材料的性能。

2 木塑復(fù)合材料力學(xué)性能測試方法

2.1 拉伸強(qiáng)度測試法

拉伸強(qiáng)度是木塑復(fù)合材料的重要力學(xué)性能，需要采取相應(yīng)的方法進(jìn)行該性能的測試。首先，需要制作一定尺寸的試件，并將試件夾緊在試驗(yàn)機(jī)的活動(dòng)夾頭中。而在此基礎(chǔ)上，則需要使試件中心通過試驗(yàn)機(jī)活動(dòng)夾具軸線。此外，則需要進(jìn)行試驗(yàn)機(jī)加載移動(dòng)速度的設(shè)定，并以等速進(jìn)行試件的加載[3]。而直至試件破壞，則可以進(jìn)行最大破壞載荷的記錄，并進(jìn)行拉伸強(qiáng)度的計(jì)算。

2.2 彎曲強(qiáng)度測試

彎曲強(qiáng)度是較為重要的力學(xué)性能。在進(jìn)行材料的彎曲強(qiáng)度測試時(shí)，首先需要進(jìn)行具有統(tǒng)一尺寸的試件的制作。而在此基礎(chǔ)上，則可以利用試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件加載直至破壞，并進(jìn)行試件最大破壞載荷的記錄，以便進(jìn)行材料彎曲強(qiáng)度的計(jì)算。

2.3 無損檢測法

在進(jìn)行木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能檢測時(shí)，除了使用破壞性的檢測方法，還可以使用無損檢測法進(jìn)行材料的彈性模量、靜曲強(qiáng)度等多種力學(xué)性能的檢測。就目前來看，常用的木塑復(fù)合材料的無損檢測法有超聲波檢測、微波檢測、射線檢測、機(jī)械應(yīng)力檢測和沖擊應(yīng)力檢測等等[4]。其中，超聲檢測即利用超聲波進(jìn)行材料密度的檢測，并利用密度和超聲波傳播速度進(jìn)行材料彈性模量的計(jì)算。微波檢測則可以用來進(jìn)行材料含水率的檢測，而射線檢測則可以進(jìn)行材料內(nèi)部連續(xù)性的檢測。而在進(jìn)行機(jī)械應(yīng)力檢測時(shí)，則需要在試樣上加載荷來進(jìn)行測試，以便進(jìn)行材料彈性模量和靜曲強(qiáng)度的計(jì)算。此外，沖擊應(yīng)力檢測是利用沖擊波進(jìn)行材料產(chǎn)生的應(yīng)力波的檢測，并利用被測材料速度和密度進(jìn)行彈性模量、靜曲強(qiáng)度和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的計(jì)算。

3 木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的影響因素

3.1 塑料種類

在進(jìn)行木塑復(fù)合材料加工時(shí)，采用不同的塑料種類加工而成的木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能顯然不同。以低密度聚乙烯、聚丙烯、高密度聚乙烯三種塑料材料為例，采用重量比為塑料基質(zhì)40份、木粉20份、硅烷2份的配方進(jìn)行木塑復(fù)合材料的加工。對(duì)加工出來的材料進(jìn)行測試可以發(fā)現(xiàn)，利用高密度聚乙烯和聚丙烯制成的材料的性能要明顯好于利用低密度聚乙烯制成的材料。一方面，從材料剛性角度來看，采用高密度聚乙烯和采用聚丙烯制成的復(fù)合材料剛性沒有明顯差異，但是卻要明顯高于采用低密度聚乙烯制成的材料的剛性。而從抗彎曲破壞能力和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度角度來看，采用高密度聚乙烯制成的木塑復(fù)合材料性能顯然較高。所以，綜合來看，相較于其他兩種材料，利用高密度聚乙烯材料進(jìn)行木塑復(fù)合材料的制作，顯然能使材料具有更好的力學(xué)性能[5]。而之所以會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象，主要是因?yàn)楦呙芏染垡蚁┎牧系拿芏纫哂诘兔芏染垡蚁┎牧?，所以?qiáng)度也相對(duì)較高。同時(shí)，高密度聚乙烯材料的熔點(diǎn)要稍低于聚丙烯材料。所以，在進(jìn)行板材熱壓的過程中，該材料能夠得到充分的熔化，繼而具有較高的流動(dòng)性。而這樣一來，高密度聚乙烯材料將與木粉進(jìn)行更好的融合，兩相界面的粘合性也將更好，繼而使木塑復(fù)合材料具有較好的力學(xué)性能。此外，由于聚丙烯材料具有較好的導(dǎo)熱率，所以其在塑料熔化過程的流動(dòng)性和熔融效果較差，繼而影響了材料的性能。

3.2 木粉粒徑與填量

在進(jìn)行木塑復(fù)合材料加工時(shí)，木粉的粒徑與填量顯然會(huì)對(duì)材料的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。一方面，隨著木粉粒徑的逐漸變小，木塑復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度將呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。而這是因?yàn)?，在粒徑較小的情況下，木粉與其它材料將得到更好的融合，材料的拉伸強(qiáng)度也將得到提升。而隨著木粉粒徑的逐漸變小，木粉與其它材料的接觸面積則會(huì)逐漸增大。在這種情況下，木粉與基體的結(jié)合力會(huì)逐漸增大，而大顆粒引起的應(yīng)力集中和產(chǎn)生缺陷可能性則會(huì)變小，繼而使材料的拉伸性能得到改進(jìn)[6]。但是，在木粉粒徑減小到一定程度后，材料的拉伸強(qiáng)度會(huì)逐漸下降。而這一現(xiàn)象的出現(xiàn)，主要是因?yàn)槟痉鄣拈L徑隨著粒徑減小而減小，繼而使木粉顆粒的表面粗糙度減小，繼而不利于材料力學(xué)性能的提升。因此，在進(jìn)行木塑復(fù)合材料加工時(shí)，應(yīng)該使木粉粒徑適中。

除了木粉粒徑因素，木粉的添加量也會(huì)對(duì)木塑復(fù)合材料的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。在木粉填量較少時(shí)，由于木粉成呈“海島”狀分布，所以難以產(chǎn)生應(yīng)力集中。在木粉與木粉距離較大的情況下，受到木粉剛性受阻的問題的影響，復(fù)合材料會(huì)產(chǎn)生少量伸長和局部微量斷裂現(xiàn)象，繼而使材料拉伸強(qiáng)度下降。而在木粉含量足夠多的情況下，木粉與木粉之間則會(huì)出現(xiàn)纏繞，繼而使木塑復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度提高[7]。但是，在木粉填量持續(xù)增加的情況下，木塑復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度將逐漸趨于平穩(wěn)，繼而較少受到木粉填量的影響。

3.3 偶聯(lián)劑種類與用量

在進(jìn)行木塑復(fù)合材料加工時(shí)，會(huì)進(jìn)行偶聯(lián)劑的使用。而偶聯(lián)劑的種類與用量，則會(huì)對(duì)木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響。在研究偶聯(lián)劑種類對(duì)木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的影響方面，可以以鋁酸酯、硅烷兩類偶聯(lián)劑為例。相較于加入鋁酸酯的木塑復(fù)合材料，加入硅烷偶聯(lián)劑的木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能明顯較高。因?yàn)?，鋁酸酯是一種固態(tài)的偶聯(lián)劑，需要經(jīng)過加熱融化才能使用。而鋁酸酯在冷卻凝固后會(huì)出現(xiàn)塑料團(tuán)聚的問題，繼而影響到材料熱壓時(shí)的流動(dòng)性，并降低木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能[8]。而硅烷類耦合劑為液態(tài)，具有更好的流動(dòng)性，可以進(jìn)行木塑復(fù)合材料的性能的提升。

在加工木塑復(fù)合材料的過程中，同一種偶聯(lián)劑的添加量不同，加工制成的木塑復(fù)合材料則有著不同的力學(xué)性能。首先，相較于不添加偶聯(lián)劑的木塑復(fù)合材料，添加偶聯(lián)劑的材料顯然具有更好的力學(xué)性能。在1%到3%的范圍內(nèi)，硅烷偶聯(lián)劑的添加量最高時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最高。但是，在超出3%的限量后，木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能并沒有隨著偶聯(lián)劑使用量的增加而增加。而這是因?yàn)椋谂悸?lián)劑用量過少的情況下，填料表面不能得到完全包覆，所以木塑復(fù)合材料的性能不能得到明顯提高。而一旦偶聯(lián)劑使用量過多，則會(huì)在填料表面形成多分子層，繼而不利于填料的結(jié)合，并影響到木塑復(fù)合材料的性能。

3.4 潤滑劑種類

在加工木塑復(fù)合材料的過程中，材料的加工會(huì)存在兩種摩擦，即內(nèi)摩擦和外摩擦。其中，內(nèi)摩擦是由熔融聚合物分子間的摩擦造成的，會(huì)影響到聚合物的熔融，并降低材料的流動(dòng)性，繼而導(dǎo)致木塑復(fù)合材料的性能受到影響。而外摩擦則是由聚合物熔體與機(jī)械壁間的摩擦造成的，會(huì)使聚合物黏貼在附屬設(shè)備或其他材料表面，繼而影響材料的性能。所以，在進(jìn)行木塑復(fù)合材料加工時(shí)，需要添加內(nèi)潤滑劑和外潤滑劑這兩種添加劑。一方面，進(jìn)行內(nèi)潤滑劑的添加，將使木塑復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度得到明顯提升。而相較于硬脂酸，硬脂酸鋅類的內(nèi)潤滑劑顯然可以使木塑復(fù)合材料具有更好的性能[9]。所以，內(nèi)潤滑劑的種類的選擇，將對(duì)木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響；另一方面，進(jìn)行外潤滑劑的添加，將使木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能得到提升。但是，加入石蠟的木塑復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彈性模量要好于加入PE蠟的木塑復(fù)合材料。所以，外潤滑劑的種類的選擇，也將對(duì)木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響。

4 結(jié)論

總而言之，影響木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的因素有很多，主要包含了塑料種類、木粉粒徑與填量、偶聯(lián)劑種類與用量以及潤滑劑種類這幾種因素。從研究來看，想要使木塑復(fù)合材料具有較好的抗彎曲破壞能力和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度，就要使用密度高、熔點(diǎn)低的塑料。想要使材料具有較好的拉伸強(qiáng)度，則要使木粉粒徑大小保持適中，并添加適量的木粉。而想要使材料具有較好的彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，則要合理進(jìn)行偶聯(lián)劑種類的選擇，并控制好偶聯(lián)劑用量。此外，為了提升木塑復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彈性模量，則需要合理進(jìn)行內(nèi)外潤滑劑的選擇。

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