康浩，郝妙琴

(荔浦師范學(xué)校，廣西 桂林 546600)

開展木塑復(fù)合材料的研究，首先應(yīng)了解原料的選取，實(shí)驗(yàn)方案、技術(shù)路線的設(shè)計(jì)，須對(duì)木纖維/聚丙烯、木纖維/聚乙烯復(fù)合材料制備工藝進(jìn)行研究，確定最佳工藝因子，使其符合相關(guān)板材的物理力學(xué)性能指標(biāo)。

在實(shí)際生產(chǎn)中，生產(chǎn)木質(zhì)纖維復(fù)合材料常采用輥壓和注塑成型工藝，輥壓成型主要生產(chǎn)薄型板材，通過連續(xù)輥壓機(jī)時(shí)，在壓力鋼帶與中心熱壓輥之間被壓成毛坯帶[1～5]。因中心熱壓輥始終直接接觸板坯，傳遞壓力及熱量, 因而熱量損失小，產(chǎn)品沒有預(yù)固化層，板材不需要砂光，其特點(diǎn)是與板坯成型、預(yù)壓、預(yù)熱熱壓、冷卻等工序運(yùn)行速度完全同步，因而使用連續(xù)輥壓熱壓機(jī)生產(chǎn)該復(fù)合材料，不僅可保證產(chǎn)品質(zhì)量，而且低耗高效運(yùn)行。

注塑工藝是一種注射兼模塑的成型方法。注塑成型方法的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)速度快、效率高，操作可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，花色品種多，形狀可以由簡(jiǎn)到繁，尺寸可以由大到小，而且制品尺寸精確，產(chǎn)品易更新?lián)Q代，能成形狀復(fù)雜的制件，現(xiàn)已成為生產(chǎn)WPC過程中主要加工成型方法[6～8]。注塑成型適用于大量生產(chǎn)與形狀復(fù)雜產(chǎn)品等成型加工領(lǐng)域，其方法是在一定溫度下，通過控制成型壓力、成型周期等因素，使螺桿攪拌完全熔融的塑料材料，用高壓射入模腔，經(jīng)冷卻固化后，得到成型產(chǎn)品。

除此之外，在部分企業(yè)仍采用擠出成型，其可生產(chǎn)具有某些特殊結(jié)構(gòu)的復(fù)合型材，例如生產(chǎn)空心板等。

而本課題采用聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)及木質(zhì)纖維為原料，由于生產(chǎn)設(shè)備影響，實(shí)驗(yàn)采用人造板平壓“熱進(jìn)冷出”工藝技術(shù)，對(duì)不同配方下不同參數(shù)中PP/木纖維、PE/木纖維復(fù)合材料制備工藝及性能進(jìn)行分析研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

楊木纖維，60～80目，榆林市鑫潤(rùn)木粉廠；聚丙烯塑料，A.Z30S型，中國(guó)石油天然氣股份有限公司；聚乙烯塑料，DFDA7047，中國(guó)石油天然氣股份有限公司；γ-氨丙基三乙氧基硅烷，純度≥98%，廣州憶暉盛化工有限公司；γ-(2,3-環(huán)氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷，純度≥98%，廣州憶暉盛化工有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)用主要設(shè)備見表1。

表1 主要儀器設(shè)備

1.3 復(fù)合材料制備方法

木纖維復(fù)合材料制備工藝流程見圖1。

圖1 木纖維復(fù)合材料制備工藝流程

1.3.1 木質(zhì)纖維處理

（1）粉碎與篩選：首先將楊木枝椏材粉碎成細(xì)小纖維，同時(shí)為了增加木纖維與塑料相結(jié)合的表面積，提高木塑復(fù)合材料的物理力學(xué)性能，因此要將粉碎后的木纖維進(jìn)行除雜處理，要求原料無雜物，霉變，大小均等，得到2.0±0.5 mm形態(tài)的木纖維，同時(shí)符合人造板平壓要求[9～10]。

（2）干燥：溫度作為影響木材干燥的重要因素，溫度升高，纖維中水蒸氣壓力升高，液態(tài)自由水黏度降低，有利于水分移動(dòng)和擴(kuò)散，但溫度過高于120℃時(shí)，會(huì)引起纖維顏色加深，甚至焦化；當(dāng)溫度小于110℃時(shí)，木質(zhì)纖維易造成型材表面不光潔,發(fā)泡等問題，從而使得木質(zhì)纖維不能達(dá)到使用要求，故木質(zhì)纖維干燥溫度選擇110～120℃，在此溫度區(qū)間內(nèi)，木纖維具有良好的物理力學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)也有利于木纖維與塑料的共混加工[11～12]。

1.3.2 熔融混煉

實(shí)驗(yàn)室采用雙輥筒式開煉機(jī)適合于橡膠、塑膠行業(yè)中聚合物等化工原料的混煉加工，根據(jù)不同的使用要求，將各種原料均勻混合，調(diào)節(jié)輥筒的溫度，通過兩輥筒相對(duì)回轉(zhuǎn)，使膠粒在兩輥縫中進(jìn)行機(jī)械加工，從而達(dá)到新要求的顏色和質(zhì)量[13]。

1.3.3 造粒

將混煉所得的材料放置空氣中降溫，待將至常溫后放入低噪音塑料粉碎機(jī)中進(jìn)行粉碎，粉碎過程中帶好手套注意自身安全，將粉碎所得材料從粉碎機(jī)下方的鐵框中拿出，繼續(xù)放入粉碎機(jī)中，將材料粉碎至少3次后收入提前編好號(hào)的袋中。

1.3.4 熱壓成板

取兩塊夾板在上面鋪上一層錫箔紙，在錫箔紙上鋪滿石蠟，用手抹勻，然后再其中一塊夾板上放上定型框，注意不要損壞錫箔紙，在框內(nèi)倒入被碎粉的材料，將另一塊夾板放在上面，然后將其放在已經(jīng)預(yù)熱完畢的熱壓機(jī)中，將工藝參數(shù)控制在180℃，9 MPa，熱壓20 min，取出夾板中的木塑復(fù)合材料[14～20]，放置冷卻，編號(hào)，使其與之前袋上的編號(hào)一致。

1.4 木塑復(fù)合材料的制備

將不同配方中稱量好的聚丙烯和聚乙烯、干燥改性處理后的木質(zhì)纖維攪拌均勻混合，并置于煉膠機(jī)中混煉，待混合均勻后采用碎料機(jī)碎料三次[21～23]，得到顆粒狀成型材料，分裝備用。其次，按實(shí)驗(yàn)方案將脫模劑石蠟均勻涂在墊板表面，然后將混合后成型材料手工鋪裝成250 mm×250 mm×6 mm的疏松板坯，再在室溫狀態(tài)下預(yù)壓，預(yù)壓壓力為1 MPa，時(shí)間約為2 min，接著預(yù)熱，待溫度升高至預(yù)定溫度后進(jìn)行熱壓。

1.5 變量因子的選擇

（1）樹脂成分

用不同塑料與木纖維復(fù)合制作出復(fù)合材料，檢測(cè)性能，分析不同塑料對(duì)木塑復(fù)合材料性能的影響。本實(shí)驗(yàn)隨機(jī)選擇到了PP和PE兩種塑料作為復(fù)合材料基體，比較其影響的大小，選出最優(yōu)基體，見表2。

表2 各板材編號(hào)及其配方

（2）木纖維與塑料的比例

通過改變木纖維與塑料的比例制作出復(fù)合材料，分析不同木塑比對(duì)復(fù)合材料性能的影響。本實(shí)驗(yàn)選擇四種木塑比即35:65、40:60、45:55、50:50來制作木塑復(fù)合材料，測(cè)試其性能，選擇最優(yōu)木塑比，見表2。

（3）偶聯(lián)劑的種類

通過改變偶聯(lián)劑的種類來測(cè)定偶聯(lián)劑對(duì)木塑復(fù)合材料性能的影響。本實(shí)驗(yàn)選擇兩種硅烷偶聯(lián)劑即KH550和KH560來對(duì)木纖維進(jìn)行改性，制得木塑復(fù)合材料并測(cè)性能，比較兩種偶聯(lián)劑的改性效果有何差異并選擇最優(yōu)偶聯(lián)劑，見表2。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 變量因子對(duì)復(fù)合材料斷裂伸長(zhǎng)率的影響

根據(jù)所得數(shù)據(jù)，分別做出在不同塑料基體的條件下，木塑比對(duì)不同偶聯(lián)劑處理的木纖維所得復(fù)合材料斷裂伸長(zhǎng)率的折線圖，并做出比較，如下圖2、3。

由圖2可知，在塑料基體為PP時(shí)，在木塑比為35/65～45/55范圍內(nèi)，復(fù)合材料斷裂伸長(zhǎng)率先增加后下降，由圖可得，木塑比在40:60時(shí)，斷裂伸長(zhǎng)率最大。在上升過程中，纖維起到良好的拉伸作用，使得該復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率增加，但當(dāng)纖維含量超過40%時(shí)，纖維與塑料間結(jié)合度降低，沒有形成緊密結(jié)合，因此在木塑比超過40:60后，斷裂伸長(zhǎng)率下降。由圖3可知，在以PE為塑料基體時(shí)，木塑比在40:60時(shí)，斷裂伸長(zhǎng)率最大，與PP為基體的木塑復(fù)合材料一樣，在木塑比超過40:60后，隨著木纖維含量的增加，纖維與塑料間結(jié)合度降低，斷裂伸長(zhǎng)率隨之降低。

圖2 PP木塑比對(duì)復(fù)合材料斷裂伸長(zhǎng)率影響

圖3 PE木塑比對(duì)復(fù)合材料斷裂伸長(zhǎng)率影響

2.2 變量因子對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響

圖4 、5是不同塑料基體的條件下，木塑比對(duì)不同偶聯(lián)劑處理的木纖維所得復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度的折線圖，如圖4可知，在以PP為基體的木塑復(fù)合材料隨著木塑比的增加呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)，可以看出，在木塑比為40:60時(shí)，拉伸強(qiáng)度最大，在木纖維含量超過40%后，拉伸強(qiáng)度開始下降，在纖維含量少于40%時(shí)，木纖維與PP結(jié)合度能承受足夠大的拉伸強(qiáng)度，超過40%之后，結(jié)合度下降，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度隨之下降。同理如圖5，在以PE為基體的木塑復(fù)合材料隨之木塑比的增加拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)與PP基木塑復(fù)合材料同樣趨勢(shì)的變化。如上二圖可知，在木塑比為40:60時(shí)，木塑復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度最大。

圖4 PP木塑比對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度影響

圖5 PE木塑比對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度影響

2.3 變量因子對(duì)復(fù)合材料靜曲強(qiáng)度及彈性模量的影響

靜曲強(qiáng)度是材料剛性的體現(xiàn)，是決定材料的使用價(jià)值及使用領(lǐng)域的重要指標(biāo)[24～26]。塑料含量對(duì)復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度影響較大，木纖維含量增加意味著塑料含量減少，木纖維含量從35%增加到40%，靜曲強(qiáng)度亦隨之增大，木纖維是復(fù)合材料中抵抗形變的受力主體，塑料在其中主要起膠黏劑的作用[27～29]，但隨著木纖維含量的增大，靜曲強(qiáng)度卻減小，隨著木塑比的增大，與塑料結(jié)合的木纖維變少，達(dá)到一定極限作用就會(huì)減小，因而出現(xiàn)木塑比超過40:60后，靜曲強(qiáng)度就下降的情況。因此在一定范圍內(nèi)提高木纖維加入量有利于保證纖維間的膠合，材料承受外力的能力增強(qiáng)，繼而靜曲強(qiáng)度提高。

圖6 PP木塑比對(duì)復(fù)合材料靜曲強(qiáng)度影響

圖7 PE木塑比對(duì)復(fù)合材料靜曲強(qiáng)度影響

彈性模量是理想材料有小形變時(shí)應(yīng)力與相應(yīng)的應(yīng)變之比，是材料變形難易程度的表征，和靜曲強(qiáng)度一樣，彈性模量是材料的一種最重要且最具特征的力學(xué)性質(zhì)[30]。塑料受到外力分子鏈長(zhǎng)容易發(fā)生形變，表現(xiàn)出很好的韌性，但剛性很低平壓工藝中纖維作為基本原料，塑料充當(dāng)膠黏劑，受力主體是木纖維，而膠黏劑是應(yīng)力的傳遞者，當(dāng)木纖維確定后，膠黏劑對(duì)力的傳導(dǎo)直接影響著整體性能，界面結(jié)合的好壞是外力能否均勻傳導(dǎo)的直接影響因素[31]。由上圖可知，隨著纖維含量的增加，該復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢(shì)，在上升過程中，纖維起到良好的拉伸作用，使得該木質(zhì)纖維柔性復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度隨之增加，但當(dāng)纖維含量超過40%時(shí)，由于纖維與塑料間結(jié)合度降低，沒有形成緊密結(jié)合，因而靜曲強(qiáng)度也隨之降低。

圖8 PP木塑比對(duì)復(fù)合材料彈性模量影響

圖9 PE木塑比對(duì)復(fù)合材料彈性模量影響

2.4 變量因子對(duì)復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的影響

由圖10可知，在KH550處理下的PP基復(fù)合材料隨著木塑比的增加，沖擊強(qiáng)度逐漸下降，這是由于增加纖維含量致使整個(gè)復(fù)合材料的致密性隨之降低，進(jìn)而導(dǎo)致沖擊強(qiáng)度下降。而以KH560處理后的PP基復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度在木塑比增加的同時(shí)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，說明在一定程度上，KH560的改性效果比KH550的好。圖11可知KH550和KH560改性后的木塑復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度隨著木塑比的增加都在下降，說明基體的選擇也會(huì)對(duì)復(fù)合材料產(chǎn)生很大的影響。

圖10 PP木塑比對(duì)復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度影響

圖11 PE木塑比對(duì)復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度影響

2.5 最優(yōu)變量因子的選擇

分析不同變量因子對(duì)木塑復(fù)合材料的物理力學(xué)性能的影響，可以對(duì)木塑復(fù)合材料形成的關(guān)鍵因素與性能之間的關(guān)系有更深入的理解，現(xiàn)根據(jù)上述分析得到的結(jié)論，對(duì)變量因子與復(fù)合材料性能相關(guān)性進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)最優(yōu)因子的確定進(jìn)行進(jìn)一步的討論。

2.5.1 木塑比對(duì)復(fù)合材料的影響

木塑比對(duì)復(fù)合材料性能都有一定的影響，在測(cè)定的物理力學(xué)性能中，木塑比對(duì)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彈性模量具有較大的影響，其次影響靜曲強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和沖擊強(qiáng)度。

2.5.2 偶聯(lián)劑的種類對(duì)復(fù)合材料性能的影響

偶聯(lián)劑主要用于對(duì)木纖維的改性，影響著木纖維與塑料之間的結(jié)合度，不同的偶聯(lián)劑對(duì)木塑復(fù)合材料有一定影響，經(jīng)過試驗(yàn)得到，KH560的效果比KH550的好。

2.5.3 塑料對(duì)復(fù)合材料性能的影響

本實(shí)驗(yàn)選用了兩種塑料即PP和PE，并做出了比較，PE基復(fù)合材料比PP基復(fù)合材料性能好，在測(cè)出的幾組物理性能中，很明顯，PE對(duì)復(fù)合材料產(chǎn)生的積極影響要比PP的好。

3 總結(jié)

本文主要研究了同質(zhì)透心型木質(zhì)纖維復(fù)合材料的制備工藝，并且對(duì)該復(fù)合材料進(jìn)行了相關(guān)物理力學(xué)性能分析，研究不同工藝參數(shù)，不同組分加入量分別對(duì)該復(fù)合材料的性能影響，經(jīng)過綜合實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

（1）木塑比對(duì)木塑復(fù)合材料性能影響。

通過采用三種不通過木塑比即35:65、40:60、45:55、50:50，隨著纖維含量的提高，板材沖擊強(qiáng)度下降，同時(shí)，但靜曲強(qiáng)度、彈性模量、拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率隨著纖維含量的增加呈先上升后下降趨勢(shì)。其最佳木塑比為40:60。

（2）塑料種類對(duì)木塑復(fù)合材料的影響。

通過對(duì)兩種復(fù)合材料的各項(xiàng)性能的比對(duì)，得出PE基性能更優(yōu)。

（3）實(shí)驗(yàn)選用不同偶聯(lián)劑對(duì)木纖維進(jìn)行改性，通過比較發(fā)現(xiàn)KH560改性后的復(fù)合材料的性能更優(yōu)。