截面形状和木粉含量对木塑复合地板弯曲性能的影响

邱飞，王伟宏，王海刚，王清文

（东北林业大学 生物质材料科学与技术教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150040）

截面形状和木粉含量对木塑复合地板弯曲性能的影响

邱飞，王伟宏，王海刚，王清文

（东北林业大学 生物质材料科学与技术教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150040）

基于5种具有代表性的型材截面，对木塑复合地板的抗弯性能进行对比分析，同时研究了木粉含量对不同截面木塑地板弯曲性能的影响。结果表明：开口型地板的抗弯截面系数小于实心型和中空型地板；实心型地板和中空型地板的抗弯性能与刚度均优于开口型地板；木粉含量的增加可以提高木塑地板的抗弯性能。从截面系数、强度方面综合考虑，70%木粉含量的中空型地板性价比较高。

木塑地板；截面形状；木粉含量；抗弯性能

木塑复合材料（WPC）是一种新型的环保材料，具有耐水、耐湿、可降解等优势，主要用作室外地板、栏杆等用途[1]。弯曲强度和弯曲模量是衡量这类材料性能的关键指标。商业化的WPC地板多为异型材，截面形状主要有实心、中空、开口3种形式。国内关于木塑地板截面特征和弯曲性能的研究很少，朱宇宏等[2-3]分析了几种截面的惯性矩计算模型，并研究了跨距对木塑地板弯曲性能的影响。徐朝阳等[4]对市场上常用的4种不同尺寸规格的木塑地板做了分析研究，结果表明木塑复合材料自身的弯曲强度和抗弯弹性模量均小于型材的，说明结构设计很重要，但从截面设计、材料配方的角度对木塑地板弯曲性能进行研究还有待深入。

为此，本研究设计了5种具有代表性的型材截面形式，制作了不同木粉含量的WPC地板，分析其弯曲性能与截面的关系，从产品性能和材料成本方面综合考虑，为实际生产确定性价比较高的产品方案。

1 试验

1.1 主要原材料

高密度聚乙烯（HDPE），5000S，熔融指数为0.8～1.1 g/10 min，中国石油大庆石化公司生产；杨木粉，30～80目，自制；马来酸酐接枝聚乙烯（MAPE），CMG9804，接枝率为0.9%，上海日之升新技术发展有限公司生产；石蜡，上海华灵康复器械厂生产；聚乙烯蜡（PE蜡），山东齐鲁石化公司生产；碳酸钙，海城市八里镇挺进高档碳酸钙厂生产；硬脂酸，马来西亚天然油脂化学品私人有限公司生产。

1.2 木塑材料的制备

先将称好的木粉倒入SRL-Z混合机组（张家港市灵杰塑料机械厂）的高速混合机中，高速搅拌20～25 min，使木粉的含水率降至5%左右，然后依次加入HDPE和助剂，继续混合10 min。将混合好的物料倒入BHMSY-2双螺杆木塑生产机组（南京塞旺科技发展有限公司）的喂料筒中，物料在双螺杆挤出机中混炼塑化后进入单螺杆挤出机，进一步熔融后经挤出成不同截面形状的板材，复合材料的配方见表1，挤出工艺参数见表2，木塑地板的截面形状和尺寸见图1。

1.3 弯曲性能测试

1.3.1 试件测试

采用RGT－20A微机控制电子万能试验机（深圳瑞格尔仪器有限公司），按ASTM D790—2007[5]测试抗弯性能，试件尺寸为80 mm×13 mm×4 mm，每组10个试件。根据标准规定试验跨距与厚度比值为16∶1，加载速度按式（1）计算，此时跨距为64 mm，加载速度R为1.7 mm/s。

式中：Z——外表面形变速率，取0.01 s-1；

h——试样厚度，mm；

L——支撑跨距，mm（L=16h）。

1.3.2 型材测试

型材测试采用中点加载方式，试件长度为450 mm，每组5个试件。使用RGT-20A微机控制电子万能试验机测试抗弯性能，参考ASTM D790—2007确定跨距与加载速度，由于试件厚度为25 mm且Z值相同，此时跨距为400 mm，加载速度为10.7 mm/s。

复合材料地板在弯曲性能方面符合简支梁弯曲，根据材料力学理论，木塑地板的弯曲强度σ和抗弯弹性模量E分别按式（2）、式（3）计算：

式中：Mmax——中间加载简支梁的最大弯矩，N·mm；

y——材料表面离中性轴的距离，mm；

Iz——惯性矩，mm4；

△P——弹性范围内的载荷变化量，N；

△f——弹性范围内的挠度变化量，mm。

5种不同截面的木塑地板如图1所示。

2 结果与分析

2.1 不同截面形式的分析

在型材的结构设计中，需要了解材料在外力作用下产生的应力和变形，并对材料构件的强度、刚度、稳定性等力学性质进行计算，而型材的截面设计尺寸为上述计算提供了非常重要的参数，这些几何参数主要包括面积、形心、惯性矩等。利用AutoCAD软件面域特征的查询功能，计算本研究中各种截面的几何参数[6-7]（见表3）。

由表3可知，实心型板的截面积最大，所消耗的材料最多。由于实心型板和空心型板均为近似上下对称结构，所以它们的形心位置也较对称，偏移较小；而开口型板下半部分有缺口，导致中性轴位置上移，形心向上偏移较大。

抗弯截面系数综合反映了横截面形状和尺寸对弯曲正应力的影响，可根据式（4）计算。从强度方面考虑，应采用最小的截面积得到最大的抗弯截面系数[8]，通常采用比值Wz/A1.5衡量板材截面形状的合理性[9]。从表3可以看出，中空型板材的Wz/A1.5最大，说明该形状在满足抗弯强度要求的同时也节省了材料用量，并且2种中空型板材的各项截面几何参数均非常相近。

式中：Wz——型材的抗弯截面系数，mm3；

ymax——中性轴到临界线的距离，mm。

2.2 不同截面形状木塑复合地板的弯曲性能

表4为不同木粉含量的5种不同截面形状木塑地板的弯曲性能参数。

从表4可以看出，5种不同截面形状地板的最大破坏载荷、地板断裂时中跨处最大变形和最大应变的变化顺序均相同，从大到小依次为实心型＞矩形中空型＞圆形中空型＞圆形开口型＞矩形开口型。实心型板能承受的最大载荷比中空型板略高，无明显优势；是矩形开口型的2.16～2.30倍，是圆形开口型的1.76～1.87倍。但实心型板的最大变形和最大应变却处于不利情况，约为中空型板的1.3倍，是开口型板的1.6倍，容易产生变形。木塑地板受外力作用时，会在板材横截面上产生一个应力，此时板材上部受压应力，下部受拉应力，应力在中性轴处为0，并从中性轴向板的外表面呈线性增加，由此导致板材弯曲变形。相对中性轴对称的材料其最大弯曲压应力等于最大弯曲拉应力。对于实心型板和2种中空型板，虽然由于上表面的凹槽和倒角导致中性轴向下偏移，使压应力略大于拉应力，但中性轴偏移幅度较小，可以近似看作中性轴的对称结构。而开口型板下半部分缺失较多，中性轴向上偏移幅度较大，致使最大拉应力、压应力相差较大，矩形开口型板的最大拉应力是最大压应力的1.71倍；圆形开口板的最大拉应力是最大压应力的1.50倍。最大拉应力的大小顺序依次为：圆形开口型板＞矩形开口型板＞实心型板＞矩形中空型板≈圆形中空型板；最大压应力的大小顺序为：实心型板＞矩形中空型板≈圆形中空型板＞圆形开口型板＞矩形开口型板。

从总体上看，木塑地板在受压力作用时承受最大载荷顺序为：实心型＞中空型＞开口型。5种不同截面形状木塑地板的抗弯弹性模量的大小顺序为：矩形开口型板≈圆形开口型板＞圆形中空型板＞矩形中空型板＞实心型板。

刚度是衡量材料抵抗变形能力的指标，由式（3）可推出型材刚度EIz的计算式（5）：

由式（5）可知，其与惯性矩和抗弯弹性模量均成正比。对于型材来说，抗弯弹性模量高的材料其制品刚度不一定也高，还要考虑制品的截面惯性矩。因此，要增大木塑复合地板的刚度，可以通过配方的改进处理提高弯曲弹性模量，如提高木粉掺量，添加改性剂等，也可以通过设计合理的截面以增大惯性矩。由表4可见，5种不同截面形状木塑复合地板刚度大小的顺序为：圆形中空型板＞矩形中空型板＞实心型板＞圆形开口型板＞矩形开口型板，其中圆形中空截面地板具有较高的抗弯曲变形性能。

2.3 不同木粉含量木塑复合地板的弯曲性能

从表4还可以看出，随着木粉含量的增加，5种不同截面形状的木塑地板的最大载荷、最大弯曲应力、抗弯弹性模量和刚度均呈增大的趋势，而最大变形呈降低趋势。其中，木粉含量从50%增加到70%，实心型板的抗弯弹性模量和刚度增幅为71.51%，其它4种地板的增幅为40%～46%；实心型板的最大变形和最大应变下降幅度为49.11%，圆形中空型板的降幅为33.92%，其它3种板的降幅为40%～42%。实心型板的抗弯性能变化量最大，容易受木粉含量增减的影响。

表5为不同木粉含量木塑复合材料的弯曲性能参数。

综合对比表4与表5可以发现，5种不同截面形状型材的最大载荷和抗弯弹性模量与木粉含量存在对应关系，即木粉的增加使体系的刚性增强，这也是木塑地板随木粉增加而断裂时的最大变形降低的原因。

2.4 不同截面、木粉含量木塑复合地板原料成本分析

以木塑复合材料制成的地板，不仅要满足使用性能要求，还要严格控制成本来提高其市场竞争力。为此，本研究计算了不同截面地板型材的原料成本。首先根据材料的截面面积（见表3）与材料的密度（见表5）算出木塑复合地板的米重（kg/m），再根据材料配方（见表2）和原料的单价（见表6），计算出不同截面、木粉含量的木塑复合地板的原料成本，如表7所示。

由于木粉价格低廉，因此木粉含量的增加必然会降低板材原料成本。实心板用料最多，因此成本也最高。5种截面型材中，矩形开口型板的成本最低。从截面系数、强度、价格方面综合考虑（参考表3、表4、表7），认为截面相同时，70%木粉含量的地板性价比较高；木粉含量相同的情况下，中空型截面地板的性价比较高。

3 结语

（1）开口型木塑复合地板上下结构不对称，形心向上偏移较大，导致抗弯截面系数减小，大约是同等横截面积的中空型材的43%。从抗弯强度方面考虑，中空型截面设计最合理。

（2）通过刚度分析可知，5种不同截面形状的木塑地板抵抗变形能力的优劣顺序为：圆形中空型板＞矩形中空型板＞实心型板＞圆形开口型板＞矩形开口型板。中空型板的抗弯性能优于其它截面形状。

（3）随着木粉含量增加，木塑地板的破坏载荷、最大弯曲应力、弹性模量以及刚度呈增大趋势，而地板断裂时中跨处的最大变形呈下降趋势。

（4）从截面系数、强度、价格方面综合考虑，70%木粉含量的中空型木塑复合地板的性价比较高。

[1]Klyosov A A.木塑复合材料[M].王伟宏，宋永明，高华，译.北京：科学出版社，2010.

[2]朱宇宏，徐朝阳，李大纲，等.耐水木塑复合地板弯曲性能的测试方法[J].木材工业，2009，23（6）：5-7.

[3]朱宇宏，徐朝阳，李大纲，等.耐水木塑复合地板截面结构特征分析[J].木材工业，2009，23（4）：37-39.

[4]徐朝阳，朱宇宏，李大纲，等.木塑型材与木塑复合材料抗弯性能比较研究[J].包装工程，2009，30（3）：28-30.

[5]ASTM D790—2007.Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials[S].West Conshohocken，PA.

[6]高建亮.AutoCAD计算截面几何性质的应用[J].建设科技，2011 （11）：79-80.

[7] 黄永玉，王晓君，张建育.截面几何性质求解的简便方法研究[J].机械制造研究，2009，38（3）：115-116，124.

[8]杨青，赵吉坤.梁截面优化对工程造价的影响分析[J].建筑技术，2010，41（10）：942-945.

[9] 薛福林.再说梁截面形状经济合理性的合理衡量方法[J].力学与实践，2002，24（6）：64-65.

Bending performance of wood-plastic composite decking with different cross-section figure and wood flour content

QIU Fei，WANG Weihong，WANG Haigang，WANG Qingwen
（Key Lab of Bio-based Material Science&Technology of Education Ministry，Northeast Forestry University，Harbin 150040，Heilongjiang，China）

This paper analyzed the bending performance of extruded wood-plastic composite（WPC）decking with five different cross-section figures.The influence of wood flour content on bending performance was also investigated.The results show that section modulus of bending of open-end type floor was less than those of solid and hollow type floor.Solid and hollow type decking was superior to open-end type decking in bending and rigidity performance.Bending performance of WPC decking was improved with the increasing of wood flour content.Comprehensively considering the cross-section figure，strength，and cost，it is concluded that the combination of 70%wood flour content and hollow type presented a higher cost performance for floor lumber.

wood-plastic composite floor，cross-section figure，wood flour content，bending performance

TU532+.62；TQ327

A

1001-702X（2015）06-0025-04

国家“十二五”科技支撑计划项目（2012BAD32B00）

2014-11-26；

2015-01-12

邱飞，男，1989年生，安徽淮南人，硕士研究生，主要从事木塑复合材料产品加工利用研究。