DMA在木质复合材料研究中的应用及展望

陈广辉 ，武 轲 ，杨亚峰 ，李江晓 ，杨红旗 ，2

（1. 河南农业大学，河南 郑州 450002；2. 中国林业科学研究院 木材工业研究所，北京 100091）

DMA在木质复合材料研究中的应用及展望

陈广辉1，武 轲1，杨亚峰1，李江晓1，杨红旗1，2

（1. 河南农业大学，河南 郑州 450002；2. 中国林业科学研究院 木材工业研究所，北京 100091）

介绍了动态热机械分析的基本原理，对动态热机械分析（DMA）技术在木质复合材料改性、制造工艺等研究中的应用进行了概括，并对动态热机械分析技术在木质复合材料研究中的发展方向进行了展望。

动态热机械分析；木质复合材料；力学性能

传统的力学测试方法多数是在静态下进行的，但是木质复合材料在许多实际应用中常常受到的是动态交变载荷的作用。木质材料属高分子材料[1]，具有弹性固体和粘性流体的特征。当木质材料或木质复合材料作为结构材料使用时，需要足够弹性保持其形状的稳定性；作为减振或隔音材料使用时，需具有一定的粘性。前者要求材料在使用频率和温度范围内有较高的储能模量，后者要求在使用频率和温度范围内有较高的阻尼。胶粘剂是木质复合材料的灵魂，它的固化性能直接影响到木质复合材料生产的工艺、理化性能等，因此，探讨木质复合材料的动态热机械分析参数具有重要的理论价值和实际意义。

1 动态热机械分析(DMA)的基本原理

动态热机械分析(DMA)，即通过给出随温度或时间变化时材料的模量(弹性模量和黏性模量)或黏度，得到材料黏弹性特征的一系列参数。通过DMA测定当材料受到周期性应力时的机械反应，

从而确定材料的粘弹性及流变性能。在施加交变应力时，DMA可同时考察温度、施力状况和频率对材料性能的影响。通过DMA测试，能对多种工况下材料的短、长期力学性进行评估[2-5]。DMA可以在高分子材料方面的得到广泛的应用[6]。

2 动态热机械分析在木质复合材料研究中的应用

木质复合材料是国内外研究者研究的热点，在复合材料的改性、制造工艺等方面已经取得了突破[7-9]。DMA在程序控制温度下，可测量物质在振动负荷下的动态模量或力学损耗与温度的关系，评价材料的耐热性与耐寒性，以及材料结构总的力学行为，研究共混高聚物的相容性、高分子运动机理等。测试结果能为高分子材料的结构、分子运动及其转变等的研究提供依据，探讨相互之间的关系，以期为制造高质量的木质复合材料和扩大其使用范围提供理论参考[10]。

2.1 玻璃化转变温度(Tg)的测定

玻璃化转变温度Tg是高聚物的一个重要特性参数，是高聚物从玻璃态转变为高弹态的温度。在聚合物使用上，一般为塑料的使用温度的上限，橡胶使用温度的下限，从分子结构上讲是高聚物无定型部分的分子运动，从冻结状态到解放状态的一种松驰现象[11]。当木质复合材料发生玻璃化转变时，即使温度只在几度范围内变化，材料的模量也会改变3、4个数量级，从而材料的力学性能发生急剧变化。在DMA测试中，利用损耗角正切tanδ曲线的峰顶温度，可以确定木质复合材料的Tg，为木质复合材料的使用环境温度提供科学依据[12-13]。如图1所示[14]。

图2所示为毛竹(Phyllostachys pubescens)的2个试件的DMA损耗角正切值tanδ随温度变化的曲线[15]。一个作为对照，未进行软化处理，以tanδ峰值表示Tg，Tg为120℃，；另一个在密闭、温度120℃条件下软化处理30 min，Tg为88℃。利用DMA测定Tg容易、灵敏。

图1 DMA测定的材料玻璃化转变温度Fig.1 Material glass transition temperature of by DMA

图2 软化与未软化竹材tan δ随温度变化的曲线Fig. 2 Changing curves of soften and un-soften bamboo’s tan δ values with temperature change

2.2 木质复合材料耐环境能力的评价

在工程中，经常要对木质复合材料在工作温度区间内耐环境因素 (水、氧、光等)能力做出评价。采用DMA温度谱，可迅速跟踪老化过程中材料刚度和冲击韧性的变化，同时分析引起性能变化的结构和分子运动变化的原因，这种变化常常可能在tanδ-T谱图上反映出来，见表1。

表1 材料老化tanδ-T谱图分析Table 1 Analysis of tanδ-T spectra of materials aging

图3和图4是木塑复合材料经不同处理条件的DMA图[16]。将木塑复合材料在日光下分别暴晒336 h、1 008 h和1 680 h，以未暴晒的作为对照。贮存模量的趋势是较未经暴晒的材料有所提高；而损耗因子的总趋势是有所下降，随着暴晒时间的延长，材料中α松弛内耗峰逐渐地移向了低温区，环境因素的交变作用加速了木塑复合材料界面处以及材料基体中的分子链断裂，从而使得α松弛处的内耗降低。

2.3 木质复合材料中增强相的效果评定

采用DMA通过测定添加和未添加增强相的复合材料的模量和Tg，可为确定复合材料中增强相是否起到增强作用提供依据。图5、6是尼龙-6和竹纤维(纤维15%)增强尼龙-6复合材料的DMA图[17]。竹纤维增强尼龙复合材料的储能模量、损耗模量比基体尼龙-6的储能模量和损耗模量高，可以说竹纤维能增强尼龙复合材料的力学性能。尼龙-6的玻璃化转变温度为32.8℃，改性处理复合材料的玻璃化转变温度为67℃，与基体尼龙-6相比，提高了104%，因此使用竹纤维增强尼龙复合材料制成的构件时，可在从低温的玻璃态区域到高温的高弹态区域较宽的温度范围内工作。

图3 自然气候下木塑复合材料贮存模量的变化Fig.3 Changes of storage modulus of wood plastic composite under outdoor natural climate

图4 自然气候下木塑复合材料损耗因子的变化Fig.4 Changes of tan δ values of wood plastic composite under outdoor natural climate

图5 尼龙-6的DMA曲线Fig.5 DMA curves of nylon-6

图6 竹纤维(纤维15%)增强尼龙-6复合的DMA曲线Fig.6 DMA curves of nylon-6 composite reinforced with bamboo fiber (25%)

2.4 热固性材料的固化过程及工艺参数优化研究

DMA是测试热固性材料动力学性能的有效工具。以研究材料动力学性能的时间依赖性。在实际应用中，主要研究环氧树脂及其复合材料的固化过程，从而得出最佳固化工艺参数。图7为某种配方的环氧树脂，在室温25℃下固化的DMA时间扫描曲线，从图得知，大约固化14 min后，模量和tanδ值几乎不随时间而变，表明体系已接近完全固化，同一配方体系在不同温度下均可得出一组类似的曲线。从而可定出用于指导生产的配方体系最佳温度、时间等最佳工艺参数。

图7 环氧树脂的等温固化DMA曲线Fig.7 DMA curves of epoxy resin curing under isothermal condition

2.5 热固性材料共混相容性研究

共混改性热固性材料适应性能不同要求的木质复合材料，参与共混的两种聚合物的相容性决定共混物的动态力学性能。如果完全相容，则共混物的性质和具有相同组成的无规共聚物几乎相同。如果二者有一定相容性，则二者玻璃化温度将互相靠近。同时，从峰的强度还可判断出共混物中相应组分的含量多少。强度高，相应组分的含量多。如果不相容，则共混物将形成两相，这时动态模量——温度曲线上将出现两个台阶，损耗温度曲线出现两个损耗峰，每个峰均对应其中一种组分的玻璃化温度。

3 研究展望

动态热机械分析（DMA）已成为研究高分子材料和共聚物材料性能的最重要方法，对木质复合材料复合工艺和工程应用具有重要的指导意义。DMA技术在木质复合材料研究中的研究方向为：一是根据DMA的测试结果，分析和确定动态力学参数与木质复合材料应用性能的相关关系，为木质复合材料的广泛使用提供理论依据；二是简化动态力学性能试验方法，并具有较强的重复再现性；三是将DMA技术与木质复合材料的其他测试技术进行联用，实现联用分析，扩大分析范围，为高分子材料的开发与研制提供分析技术。

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Application and development of dynamic mechanical analysis in wood composites researches

CHEN Guang-hui1, WU Ke1, YANG Ya-feng1, LI Jiang-xiao1, YANG Hong-qi1,2
(1. Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, Henna, China;2. Research Institute of Wood Industry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091 , China)

∶ The principle of dynamic mechanical analysis technology was presented and its application on the research of the wood composite such as modification and manufacturing processes was summarized. Development trend of dynamic mechanical analysis technology was prospected.

∶ dynamic mechanical analysis(DMA)；wood composites；mechanical properties

S784

A

1673-923X(2012)06-0177-04

2012-01-17

国家“十一五”科技支撑计划（2006BAD18B06）；河南省科技攻关项目 (102102110124)

陈广辉(1972—)，女，河南信阳人，讲师，硕士，研究方向为林木定向培育；E-mail：cghyqy@163.com

杨红旗(1973—)，男，河南滑县人，副教授，博士，硕士生导师，研究方向为木基复合材料；E-mail:yhq0373342@163.com

[本文编校：罗 列]