摘要：適合的木粉填充量、粒徑大小有利於提升木塑材料的綜合性能;合適基體樹脂的選擇也有較大影響;加工工藝的類型決定材料的質地、密度, 影響材料強度;原料的改性處理也是提升木塑材料的重要途徑。闡述了提升木塑材料力學性能的微觀作用機理, 舉出了現階段主要的科研成果, 總結了木塑材料發展的不足, 並做出了展望。
關鍵詞：木塑複合材料; 木粉; 基體塑料; 加工工藝; 助劑;
木塑複合材料, 簡稱WPC, 是由熱塑性塑料作爲基體材料, 植物纖維作爲增強材料複合而成的一種聚合物基複合材料。作爲木塑複合材料的熱塑性基體塑料主要包括:PP、PE、PVC、PS等, 木粉通常採用楊木粉、桉木粉、竹粉等。現階段木塑複合材料的製備工藝主要是擠出成型和模壓成型, 將木粉與塑料經高速混合機混合均勻後, 加入擠出機中 (通常使用雙螺桿擠出機) , 熔融共混後從特定形狀的出料口擠出成型, 或者直接將物料熔融共混後注入磨具中壓制成型, 最後根據需要可以對成型的木塑複合材料進行加工處理。
木塑複合材料現已應用於包裝、建築、園林庭院、汽車內飾等領域, 但是木塑複合材料的力學性能不高及耐水性能差一直限制其更加廣泛的使用, 科研人員也致力於開發新型的高強木塑複合材料。
本文主要從木粉粒徑、木粉填充量、基體塑料種類、加工工藝和原料前處理展開, 探究木塑複合材料的力學性能特點, 並介紹改性研究的發展現狀。
1 木粉粒徑、填充量對材料力學性能的影響
強度反映了材料抵抗破壞的能力, 往往是複合材料增強改性的研究重點。影響木塑複合材料拉伸強度、彎曲強度等力學性能的主要因素有植物纖維種類、含量、粒徑分佈, 基體塑料的種類, 助劑的使用, 成型工藝等。一般而言, 在一定程度上植物纖維粉末的粒徑越小、分佈越均勻所製得的木塑複合材料強度越高。
宋麗賢等[1]利用桉木粉製備出PVC基的木塑複合材料, 探究了木粉粒徑大小對材料強度的影響。首先用10%的Na OH溶液對桉木粉進行了預處理, 然後將處理後的木粉與PVC經高速混合機混合均勻後, 經熔融、混煉、模壓成型後製備出木塑複合材料。實驗結果發現:複合材料的拉伸強度隨着木粉粒徑的減小呈現出先增大後減小的趨勢, 在粒徑爲70~80目時出現強度峯值。由於木粉粒徑的減小, 大顆粒木粉所造成的應力集中現象消失, 木粉與PVC的混合狀況變好, 木粉在基體塑料中形成連續相, 對材料起到增強作用。但隨着木粉粒徑的繼續降低, 木粉在基體塑料中出現團聚現象, 同時木粉表面的粗糙度隨着粒徑的下降而變小, 對基體塑料的附着力變差, 降低了複合材料混合的均勻性, 易造成應力集中, 使得材料拉伸強度下降。
李蘭傑等[2]研究了木粉粒徑對HDPE基複合材料力學性能的影響。結果表明:粒徑較大的木粉有利於複合材料彎曲強度和衝擊強度的提高, 與粒徑大小爲100μm的木粉相比, 850μm的木粉製得的複合材料彎曲強度、彎曲模量和衝擊強度分別提高10.4%、56.3%和14.6%, 增強效果明顯。
木粉的填充量對木塑複合材料的力學性能也具有一定的影響。在木粉添加量較少時, 粉體在塑料中的呈現不均勻“海島狀”分佈, 易造成應力集中現象, 並且在外力的持續作用下, 分散的木粉顆粒周圍形成銀紋, 應力增大時銀紋擴增, 最終導致材料發生斷裂, 使得複合材料的拉伸強度較差。木粉含量增加到一定程度時, 粉體之間相互接觸, 發生交叉甚至纏繞現象, 在受到應力作用時, 纖維之間相互牽制, 使得材料能夠承受更大的作用力, 起增強作用, 拉伸強度增大。當木粉含量進一步增大時, 材料的拉伸強度趨於平穩, 木粉含量不再是主要的影響因素。
王自瑛等[3]利用擠出成型的方法制備出了HDPE基的木塑複合材料, 探究了木粉添加量對材料靜態力學性能和動態力學性能的'影響。實驗發現:木粉填充量在50%~70%時, 拉伸強度與衝擊強度受木粉添加量的影響較小, 隨着添加量的增加表現出先增大後減小的趨勢, 但變化程度較小, 當木粉填充量超過80%時, 拉伸強度和衝擊強度急劇下降, 這是因爲木粉添加量到一定程度後在基體塑料中發生了團聚, 嚴重影響複合材料的力學性能。動態熱機械分析表明複合材料的儲能模量和損耗模量均隨着木粉添加量的增高而增大。
2 基體塑料種類對材料力學性能的影響
高分子材料的性能往往取決於分子結構的類型和鏈段運動的方式。柔順性好的高分子結構往往賦予聚合物優異的韌性, 高分子結構中存在的剛性基團往往會提供聚合物卓越的剛性;晶體高分子鏈段被凍結在晶體結構中, 即使在受到外力作用下也無法自由移動, 非晶高分子鏈段無規排列, 在受到外力作用時會出現強迫高彈形變。因此, 基體塑料的種類對木塑複合材料的力學性能有着較大的影響。
以LDPE和HDPE基的木塑複合材料爲例, HDPE基的拉伸強度和彎曲強度均要明顯強於LDPE基, 這是因爲HDPE的高分子鏈結構規整, 在熔融加工形成複合材料的過程中, 分子鏈排列緊密, 範德華作用力大大增強, 使得材料的強度提高。以HDPE和PP基的木塑複合材料爲例, HDPE基的彎曲強度較高, 這是因爲HDPE的熔點較低, 在與木粉熔融共混的過程中, 混合體系粘度降低, 使得材料混合均勻, 導致HDPE基木塑複合材料的彎曲強度更高。
孫曉民等[4]探究不同基體塑料, 如PE、PP、PVC, 對木塑複合材料力學性能的影響。實驗得出結論:不同的塑料基體對複合材料的性能會產生不同的影響, PE、PP、PVC基的木塑複合材料拉伸強度和斷裂伸長率並無明顯差距;PVC基的彎曲強度和彎曲模量分別達到了48.29MPa和3.78GPa, 較PE基分別提升了28.37%、50.87%;PE基的韌性最佳, 室溫下, 缺口衝擊強度達到了4.93k J·m-2。
周雷[5]以聚對苯二甲酸乙二醇酯-1, 4-環己二甲醇酯 (PETG) 爲基體塑料採用熱壓成型的方式製備了纖維質量分數爲10%的木塑複合材料, 先用高速混合機將原料混合30min, 在溫度爲190℃, 壓力爲10MPa的條件下熱壓10min使材料成型, 經過力學性能測試後發現, 纖維顆粒尺寸在60~80目時, 複合材料的彎曲強度達到最大值, 爲81.74MPa。PETG基的木塑複合材料從綜合力學性能上來說是優於PE基材料的。
3 加工成型方式對材料力學性能的影響
不同的加工成型方式對木塑複合材料的性能影響是不同的。木塑複合材料的成型工藝可分爲熱壓法一次成型和擠出注塑二次成型, 當採用擠出注塑成型方式時, 擠出溫度、螺桿轉速、擠出壓力等都會影響複合材料的力學性能。
趙忠玉[6]介紹了擠出注塑成型時加工工藝的偏好設定對材料力學性能的影響。物料混合區的溫度較低時, 基體塑料粘度較大, 導致擠出效率下降, 溫度較高時, 可能會導致木粉焦化, 影響複合效果;螺桿轉速較快時, 物料混合不均勻, 導致出現內應力, 降低產品外觀效果和使用性能, 螺桿轉速較慢時會導致出料速率變慢, 影響生產效率;合適的擠出壓力有利於物料混合, 提高力學性能強度, 壓力過高時會導致出料不均勻, 甚至不成型, 壓力過低時擠出物料密度下降, 力學強度降低, 並且導致產品表面出現不均勻紋路。
徐冬梅等[7]採用正交試驗探究了木塑複合材料擠出成型最佳的工藝參數。主機頻率和喂料頻率分別爲10Hz、8Hz, 擠出機七個區段溫度階段遞增, 由150℃升至180℃, 每區段升溫5℃, 機頭溫度設定爲175℃, 此時擠出成型的木塑複合材料品質最佳。
朱嫺等[8]探究了木塑複合材料模壓成型和擠出成型的性能對比, 實驗結果發現, 模壓成型製備的複合材料在拉伸強度、彎曲強度、斷裂伸長率等方面均要優於擠出成型工藝, 這是因爲模壓成型對於木粉和塑料的混合效果更明顯, 相容性更高, 力學性能更強, 而擠出成型的方式存在較大的切應力使得木粉在混合過程中被切斷, 纖維長度減小, 在基體中的取向程度降低, 導致力學性能不高。
4 改性處理對材料力學性能的影響
複合材料由基體相、增強相和介面相組成, 基體材料與增強材料複合使得材料性能顯著提升的根本原因是介面效應所產生的協同作用, 因此提高複合材料的介面相容性往往會大幅度提升材料的力學性能。木塑複合材料提升介面相容性的方法主要是添加偶聯劑和相容劑, 偶聯劑和相容劑都具有兩親結構, 疏水端與非極性基體塑料具有很好的相容性, 親水端能夠與纖維粉末形成氫鍵或發生縮合反應, 最終使得纖維粉末與基體塑料具有較好的相容性, 並提升粉體分散的均勻性。
張文傑[9]探究了硅烷偶聯劑的添加量對聚丙烯基木塑複合材料力學性能的影響, 實驗發現, 隨着硅烷偶聯劑KH550添加量的增多, 複合材料的拉伸強度和衝擊強度均呈現先增後減的趨勢, 7%的KH550添加量時達到峯值, 拉伸強度和衝擊強度分別達到38.8MPa、201.2J·m-2, 較未添加時分別增強了11.9%、45.6%, KH550添加量低於7%時, 偶聯劑的兩親結構提升了聚丙烯和木粉的相容性, 使得力學性能提升, 當添加量高於7%時, 偶聯劑可能在複合體系中聚集或形成弱介面層, 降低了介面相容效果。
曹金星等[10]利用亞臨界流體擠出技術對PP基木塑複合材料進行了介面相容改性處理, 探究了以PP-g-MAH作爲相容劑對複合材料力學性能的增強。實驗發現, 添加PP-gMAH的質量分數達到10%時複合材料的綜合力學性能最佳, 複合體系中PP-g-MAH起到了類似"橋樑"的作用, 提高了木粉與PP的相容性, 進而增加了力學強度, FTIR證實PP-gMAH與木粉上裸露的羥基發生了酯化反應, 在木粉顆粒上鍵接了相容劑分子, 最終與PP基體達到分子水平上的混合, 宏觀上表現出力學性能的提高。
5 小結
木塑複合材料發展至今遭遇了很多問題, 也攻克了很多難關, 其中木塑材料的力學性能的改善更是科研人員研究的重點, 投入了大量的時間和精力去探究影響木塑材料力學強度的微觀因素, 包括纖維粉末粒徑的大小、纖維粉末的填充量、基體塑料的種類、加工工藝和改性處理等。木塑材料的開發已取得了很多卓越的成就, 但仍存在不足之處, 比如密度高、耐熱性和耐老化性差、造價昂貴等, 這些都是未來木塑複合材料發展的主要障礙, 需要我們廣大科研和工程技術人員的不斷努力。
參考文獻
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