杨木纤维几何形态对木塑复合材料性能的影响1)

高 珣 程万里 王海刚 韩广萍 李 卓

(东北林业大学，哈尔滨，150040) (廊坊光禾木业有限公司)

木塑复合材料(简称WPC)作为一种新型材料，具有成本低、性能好等优点［1］，在环境保护和资源利用等方面有重要意义。随着可利用资源的匮乏和市场竞争的日益激烈，WPC制品在建筑、园林等领域已得到广泛的应用。

在WPC制备过程中，影响其力学性能的因素很多，其中木纤维几何形态包括直径和长径比等，是重要因素之一。国内外有学者就木纤维直径等因素对WPC性能的影响进行了研究，但结果并不一致，对WPC力学性能与纤维形态、尺寸之间关系也有不同解释。王伟宏等［2］认为在WPC中，木纤维直径越大，长径比越大，其力学性能越好，且与塑料熔融复合时长纤维沿着流动方向，与短纤维相比改善了WPC力学性能;Lee等［3］的研究表明增加纤维长度可以提高WPC拉伸强度、弯曲强度和弹性模量;Verhey［4］和 Chen［5］等学者通过实验验证了木纤维直径越大，WPC强度越高的结论。但是Maiti［6］和孔展［7］等通过相关实验得出:随着木纤维直径的增加，WPC弹性模量有所降低。此外，王海刚等［8］也研究了不同形态的针状木纤维对WPC力学性能的影响。笔者在项目前期研究基础之上，考查了木纤维直径和长径比等对WPC各项力学性能的影响。

1 材料与方法

1.1 主要原料

聚乙烯(PE)采购于中国石油大庆石油化工总厂;杨木薄板由哈尔滨市永旭实业人造板公司提供;马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE)采购于广州柏晨有限公司;工业石蜡为市购。

1.2 仪器与设备

60型木纤维粉碎机，徐州富阳能源科技有限公司;SHR－10A高速混合机，张家港市通河橡塑机械有限公司;SJSH30/SJ45型双阶塑料挤出机组，南京橡塑机械厂;RGT－20A电子万能力学试验机，深圳REGER仪器有限公司;XJ－50G组合式冲击试验机，河北承德力学试验机有限公司;GE－5高清数码显微镜，上海长方光学仪器有限公司;G－9625A型电热恒温鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司。

1.3 试样制备

杨木薄板经揉搓碾轧式木纤维粉碎机粉碎加工，筛选出20目＜h(目数)≤40目、40目 ＜h≤60目、60目＜h≤80目、80目＜h≤100目的木纤维，并置于干燥箱中，在(103±2)℃条件下干燥至含水率低于3%。将PE、木纤维、MAPE和石蜡按一定比例放入高速混合机中混合，然后将混合好的物料置于双螺杆及单螺杆挤出机中造粒、挤出成型，并锯成标准测试试件备用。

双螺杆挤出机温度设定:1区160℃、2区165℃、3区170℃、4区170℃、5区185℃、6区170℃，7区165℃。

单螺杆挤出机温度设定:1区145℃、2区155℃、3区165℃、4区165℃、机头165℃。

1.4 工艺流程

WPC的制备工艺流程见图1。

图1 WPC制备工艺流程

1.5 性能测试

弯曲性能参照GB/T 9341—2000测试，拉伸性能参照GB/T 1040—1992测试，冲击强度参考GB/T 1043—1993进行。测试结果为7个试样的算术平均值。

2 结果与分析

2.1 木纤维直径与纤维形态

木纤维是木质材料经过机械破碎加工而成的，由于在粉碎过程中加工原理和木质材料不同位置所承受的力不同，木材原本的微泡结构遭到不同程度破坏，从而导致木纤维直径和长径比大小各异。图2为不同目数木纤维显微图。可以看出:木纤维形态比较规则，绝大部分的木纤维呈通直状态，但也有少量呈弯曲状态。木纤维长径比是指其长度与直径的比值，它是影响WPC物理力学性能的重要因素之一。由表1可以看出20目＜h≤40目、40目＜h≤60日、80目＜h≤100目的木纤维长径比大约为5，而60目＜h≤80目的木纤维长径比相对较大;40目＜h≤60目的木纤维长度、直径及长径比变异系数分别为 0.29、0.29、0.38，相对较大，说明其形态尺寸不太均匀;20目＜h≤40目的木纤维各变异系数都相对较小，尺寸相对均匀。

图2 木纤维显微图像(60×)

表1 木纤维形态

2.2 木纤维直径对复合材料性能的影响

2.2.1 木纤维直径对WPC密度的影响

如图3所示，用直径为0.17 mm的木纤维填充WPC的密度为1.17 g/cm3，而采用直径为0.54 mm的木纤维填充WP的密度为1.12 g/cm3，降幅为4.27%。直径大、粗糙度高的木纤维容易在界面处形成空洞缺陷，同时PE向木纤维渗透只发生在较浅的表面层，而在木纤维中心部分仍然保留了木材原有的蜂窝状微泡结构，导致WPC密度随着木纤维直径增大呈逐渐减小的趋势。因此直径小的木纤维发生这种现象的几率相对较少，密度也相对较大。

图3 木纤维直径对WPC密度的影响

2.2.2 木纤维直径对WPC拉伸强度及断裂伸长率的影响

木纤维直径对WPC拉伸强度影响如图4所示。拉伸强度随着木纤维直径(d)的增大呈先增大后减少趋势。在0.17 mm＜d≤0.29 mm范围内，拉伸强度逐渐增加，在0.29 mm处拉伸强度出现最大值40.55 MPa;在0.29 mm ＜ d≤0.54 mm 的范围内，拉伸强度从40.55 MPa减少到36.46 MPa，下降幅度幅为10.1%。WPC断裂伸长率也随着木纤维直径增大呈现出先增大后减少趋势，并在直径为0.29 mm时出现最大值。

图4 木纤维直径对WPC拉伸强度和断裂伸长率的影响

拉伸强度和断裂伸长率出现该类变化规律与木纤维的直径和长径比有关。直径越小，长径比也越小，只有部分木纤维具有纤维特征，其本身力学强度较低，在基体中承担应力能力也较小。当直径较大时，木纤维表面粗糙度高，结构较疏松，且由于PE和木纤维的相容性较差，PE熔体不易向木纤维中渗透。因此直径较大、粗糙度高的木纤维中容易形成空洞缺陷，材料在承受拉伸力作用时会在这些微小的缺陷处形成应力集中，从而使材料在相对较小的拉力作用下断裂。正是由于上述两方面原因，木纤维的直径过小或者过大时，WPC的拉伸强度和断裂伸长率较低。

2.2.3 木纤维直径对WPC弯曲强度和弹性模量的影响

图5表征了WPC弯曲性能随着木纤维直径的增大呈现出先增大后减少的趋势。木纤维直径在0.17 mm＜d≤0.21 mm范围内，弯曲强度迅速上升，从0.17 mm 时的 61.06 MPa增加到 0.21 mm 时的64.80 MPa，增幅为 6.13%。在 0.21 mm ＜ d≤0.29 mm范围内，弯曲强度随着木纤维直径的增大而下降，在0.29 mm＜d≤0.54 mm范围内弯曲强度呈缓慢上升趋势，但上升幅度较小。WPC弹性模量与弯曲强度的变化趋势大体相同，在木纤维直径0.21 mm时弹性模量达到最大值为3.79 GPa。

图5 木纤维直径对WPC弯曲强度和弹性模量的影响

木纤维的直径和长径比对WPC的弯曲强度和弹性模量都有较大影响。弯曲强度以挠度最大点为中心，向两边逐渐减小，随着木纤维目数的提高，木纤维变短，木纤维末端承受的应力变大，出现脱黏破坏的情况变多，弯曲强度也随之下降。直径较大的木纤维基本保持了木材原有的结构，在WPC中起到良好的骨架支撑作用，而且在弯曲形变过程中受到的外力为压应力，具有较好的力学强度。但是木纤维过长，其与基体树脂进行熔融共混时容易发生机械缠结和团聚现象，使得木纤维和树脂不能充分浸渍、复合，产生空洞等缺陷的几率增大，使WPC的弯曲强度降低。所以木纤维的直径过大或过小时，WPC弯曲性能相对较低。

2.2.4 木纤维直径对WPC冲击强度的影响

冲击强度是评价体系韧性的重要指标(见图6)。木纤维直径在0.17 mm ＜d≤0.21 mm 时，WPC冲击强度随木纤维直径的增加而增大;而在0.21 mm＜d≤0.54 mm时，WPC冲击强度随木纤维直径的增加而减小，复合材料在木纤维直径为0.21 mm时，冲击强度达到最大值12.66 kJ·m－2，与直径为0.54 mm的复合材料相比，提高了约19%。这是因为冲击过程主要是通过裂纹的产生与扩展来吸收能量，20目的木纤维表面粗糙，与PE基体不能形成良好啮合，在界面处易产生空洞，产生的裂纹大而少，因此吸收能量的能力弱;而木纤维直径为0.21 mm时，其长径比较大，粗糙度适中，能较好地浸渍在基体中并产生啮合作用，形成较深的界面扩散和机械互锁;当受到冲击作用时，产生的裂纹多，耗能多，故其冲击性能好。木粉直径为0.17 mm左右时，冲击强度只有10.4 kJ·m－2，原因在于木粉直径大小会对其在基体中的分散产生较大影响。当木粉直径小、表面积大时，同等质量下木粉含有的羟基数目较多，产生的氢键作用较强，使其在基体中较易发生团聚而不易分散均匀，颗粒变大，承受冲击能力变弱，因此冲击强度不升反降。

图6 木纤维直径对WPC冲击强度的影响

3 结论与展望

随着直径增加，WPC拉伸强度、断裂伸长率、弯曲性能、弹性模量及冲击强度均呈先增加后减少的趋势，其中拉伸强度、断裂伸长率在直径为0.29 mm时出现最大值，弯曲性能、弹性模量及冲击强度均在直径为0.21 mm时出现最大值。WPC的密度会随木纤维直径增大略有下降，降幅为4.27%。

当木纤维直径为0.21 mm＜d≤0.29 mm(60目＜h≤80目)、长径比为5～8时可赋予WPC较好的力学性能。

笔者还将在今后一段时间内重点针对不同含水率、不同树种及形态的原料，采用不同加工原理的设备就生物质微细纤维的定向制备进行系统深入研究，以期探讨适合于生物质复合材料用纤维的最佳制备工艺和设备。

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［2］ 王伟宏，宋永明，高华.木塑复合材料［M］.北京:科学出版社，2010:73－74.

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［4］ Verhey Steven A，Laks Peter E.Wood particle size affects the decay resistance of wood fiber//polypropylene composites［J］.Forest Product，2002，52(11/12):78 －81.

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