不同木质纤维原料对PVC木塑复合材料力学性能的影响

徐开蒙 陈太安 吴章康 黄素涌 李凯夫

(1.西南林业大学材料工程学院，云南 昆明 650224；2.华南农业大学木质复合材料中心，广东 广州 510642)



不同木质纤维原料对PVC木塑复合材料力学性能的影响

徐开蒙1陈太安1吴章康1黄素涌1李凯夫2

(1.西南林业大学材料工程学院，云南 昆明 650224；2.华南农业大学木质复合材料中心，广东 广州 510642)

选取6种不同木质纤维制备PVC木塑复合材料，分析木质纤维的基本形态参数及表面接触角，对比研究不同木质纤维制备木塑复合材料的综合力学性能。结果表明：木质纤维长度、长径比及接触角值均较高的材种较适合制备木塑复合材料；在6种不同木质纤维中，纤维长度、长径比和接触角分别为2.66 mm、65.35和90.32°的杉木制备的木塑复合材料综合力学性能最佳，弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度和抗冲击强度分别可达45.63、3 247、29.14 MPa和6.41 kJ/m2。

木塑复合材料；木质纤维；接触角；形态参数；力学性能

随着森林资源的日益紧缺及科技和经济的飞速发展，当前人类已从传统材料的直接选用加工时代逐渐过渡到高新技术复合材料开拓创新的时代，在此背景下，综合性能突出、经济效益显著、符合我国资源节约综合高效利用和发展循环经济要求的木塑复合材料得到了快速的推广及应用[1-2]，同时木塑复合材料的零甲醛排放、优良的装饰性、尺寸稳定性和耐生物侵蚀性相比人造板有巨大优势，且其较实木相对低廉的成本则更易被大众所接受[3-4]。目前，我国的木塑复合材料生产企业已超过300家，年产值超过50亿元[5]。

木塑复合材料发展至今，大部分企业从业者及其相关研究人员总是把木塑复合材料中的“木”质部分认为是一种普通的“填料”，将关注的焦点放在热塑性高分子树脂改性等难题的攻克上面，而忽视了不同木质纤维原料会对相同复合体系的综合性能产生较大影响[6]。

因此，本试验选用尾巨桉(Eucalyptusgrandis×E.urophylla)、枫香(Liquidambarformosana)、白千层(Melaleucaleucadendra)等阔叶树种，马尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)等针叶树种和蓖麻秆(Ricinuscommunis)农作物废弃物共6种不同的木质纤维原料，采用Schultze离析法和动态接触角测试仪分析木质纤维的基本形态参数及其表面接触角，并通过同向平行双螺杆造粒和锥形双螺杆挤出两步法成型法制备木塑复合材料，对比研究不同种类木质纤维制备的PVC木塑复合材料的综合力学性能(弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度和抗冲击强度)，旨在探索木塑复合材料中“木”质部分对其结合性能、力学性能的综合影响，为科学合理地指导PVC木塑复合材料的生产提供参考依据。

1 材料与设备

1.1 试验材料

木质纤维原料：马尾松(7～ 8年生，径级14～19 cm)、杉木(7～ 8年生，径级11～15 cm)、尾巨桉(5.5年生，径级16～20 cm)均由广东威华木业有限公司提供；枫香(15～20年生，径级25～30 cm)由贵州金鸟木业有限公司提供；白千层(11年生，径级20～25 cm)由广东柏高股份有限公司提供；蓖麻秆(径级4～6 cm)由华南农业大学农学院提供。

热塑性树脂原料：聚氯乙烯(PVC)树脂(型号SG-5)，购自天津大沽化工股份有限公司。

助剂及添加剂：复配稳定剂、润滑剂、复合加工助剂，均由广州名山新材料有限公司提供。

1.2 试验设备

BX484长材刨片机，信阳木工机械股份公司；XFB-400型手提式中药粉碎机，湖南中诚制药机械厂；SHR-10A型高速混合机，张家港格兰机械有限公司；SHJ-20型同向双螺杆挤出机，南京杰恩特机电有限公司；LSE-35型锥形双螺杆挤出机，顺德联塑机械制造公司；DFC-295型显微镜，德国莱卡公司；CMT5504型万能力学试验机，深圳三思纵横科技股份有限公司；OCA15型动态接触角测试仪，德国DATAPHYSICS公司。

2 试验方法

2.1 木质纤维基本形态参数测试

首先将木质试样劈成火柴杆大小放入试管中加热煮沸，至试样全部下沉，排除其内部空气；然后采用Schultze法(硝酸和氯酸钾)对试样进行离析、制片；最后采用光学显微镜进行观察和测量。木质纤维的长度、宽度及长径比数据为随机选取20根木质纤维的平均值，并采用Duncan新复极差法进行方差分析，取95%的置信区间。

2.2 木质纤维动态接触角测试

采用OCA15型动态接触角测试仪，基于Washburn方程对不同木质纤维的表面接触角进行测定[7]，每个材种重复3次，并采用Duncan新复极差法进行方差分析，取95%的置信区间。试验前设备先用正己烷进行校正。

2.3 木塑复合材料的制备方法

用推台锯将杉木原木去皮，放入单鼓轮长材刨片机中进行刨切处理，并通过手提式粉碎机将木片进一步粉碎，然后进行过筛和震动分选，选取80～100目的木粉，之后将其干燥至含水率低于3%，密封待用。按表1比例在高速混合机中放入木质纤维、PVC及各种加工助剂，将混合物料用同向双螺杆挤出机和锥形双螺杆挤出机两步成型法进行加工制备，各挤出参数与课题组前期研究一致[8]。

表1 木塑复合材料各组分比例Tab.1 The proportion of main componentof wood plastic composites

2.4 力学性能评价

分别参考GB/T 9341—2000《塑料弯曲性能试验方法》、GB/T 1040—1992《塑料拉伸性能试验方法》和GB/T 1843—2008《塑料悬臂梁冲击强度的测定》对木塑复合材料试样的弯曲、拉伸和抗冲击性能进行测试。

3 结果与分析

3.1 木质纤维基本形态参数分析

不同材种木质纤维基本特性见表2。

从表2中数据和方差分析可知，不同材种所对应的木质纤维特性差异显著。其中马尾松的平均木质纤维长度、纤维直径和长径比值均为最大，分别为3.79、0.046 4 mm和81.738；而蓖麻秆所对应的各项基本形态参数值均为最低，分别为0.80、0.024 0 mm和33.333；其余材种的木质纤维基本形态参数也各有差异，这些差异的存在都将影响木质纤维在木塑复合材料中所起到的作用。

表2 不同材种木质纤维基本特性Tab.2 Density and fiber basic parametersfor different wood species

注：不同小写字母表示0.05水平差异显著。

3.2 动态接触角分析

不同材种的动态接触角测量结果见表3。

表3 不同材种的动态接触角测量参数和结果Tab.3 Results of dynamic contact angle for different wood species

从表3中可知，不同材种的木质纤维表面的接触角不同。根据方差分析可知，杉木与马尾松间接触角差异显著；尾巨桉与枫香以及枫香与蓖麻秆的接触角均差异显著；而马尾松、白千层、尾巨桉间差异不显著。其中，杉木木质纤维表面的接触角最大，为90.32°，说明杉木木质纤维表面的亲水性相对较弱。从相似相容理论分析可知，与亲油性的PVC树脂的结合性能较佳；反之，表面接触角最小的蓖麻秆，其木质纤维表面有较强的亲水性，与树脂间的界面结合能力较差。

3.3 力学性能分析

3.3.1 弯曲强度分析 不同木质纤维制备木塑复合材料的弯曲强度见图1。从图1可见，在同一种配方和工艺下，用杉木木质纤维制备的木塑复合材料的弯曲强度最大，为45.63 MPa；而蓖麻秆木质纤维制备的木塑复合材料弯曲强度仅为29.60 MPa，两者相差16.03 MPa；尾巨桉、白千层、枫香所制备的样品弯曲强度差别不大，这与上述木质纤维基本形态参数和动态接触角的分析相对应，即采用木质纤维长度、长径比及接触角值均相对较高的材种来制备木塑复合材料，其弯曲强度较高，与前人的研究结论相一致[9]，这也再次证明了木塑复合材料中“木”质部分对木塑复合材料力学性能的影响甚大，在实际生产中选择材种时应引起足够重视。

3.3.2 弯曲模量分析 不同木质纤维制备木塑复合材料的弯曲模量见图2。

图2与图1的曲线整体形状趋于一致，木塑复合材料弯曲模量最高和最低值分别为3 247 MPa和2 311 MPa，分别对应杉木木质纤维和蓖麻秆木质纤维。从图2还发现，尾巨桉木质纤维制备样品的弯曲模量略有波动，且其标准差也相对其他材种大，这可能是由于速生尾巨桉心边材纤维特性波动较大所致。

3.3.3 拉伸强度分析 不同木质纤维制备木塑复合材料的拉伸强度见图3。从图3可知，各种木质纤维对应的拉伸强度与上述弯曲强度和模量有所差别，其中，拉伸强度最佳的木塑复合材料对应的是马尾松木质纤维，达32.83 MPa，这是由于在木塑复合材料制备过程中，热塑性树脂熔融复合时长纤维相比短纤维而言更容易沿流动方向取向，故纤维长度的增加提高了木塑复合材料的拉伸强度[10]。6种木质纤维中，马尾松的木质纤维长度最大，为3.79 mm；杉木和枫香次之，依次为2.66 mm和1.57 mm；蓖麻秆木质纤维的平均长度最短，相应其拉伸强度最小。

3.3.4 抗冲击强度分析 不同木质纤维制备木塑复合材料的抗冲击强度见图4。

从图4可知，采用杉木木纤维制备的木塑复合材料的抗冲击强度最佳，为6.41 kJ/m2;其次为尾巨桉>白千层>马尾松>枫香>蓖麻秆。根据先前的分析数据可以推断，影响抗冲击强度的因素之一为木质纤维与树脂间的界面结合能力，这是由于当材料受到冲击力时，界面结合性能的提升驱使外部作用在材料上的应力在整个基体中较好地分散，并转移部分应力到木质纤维上[11]。同时，木质纤维的自身特性也会对冲击强度产生影响，如图4中的白千层和尾巨桉，虽然前者的接触角更大(表3)，但其木质纤维的长径比(表2)比后者差，所以其对应的冲击强度偏低。另外，从图4中也发现，采用马尾松制备的木塑复合材料抗冲击强度偏低，这是由于其内部含有松脂，影响了木粉与树脂间的界面结合。

4 结 论

采用长度长、长径比高和表面接触角高的木质纤维制备的木塑复合材料，其综合力学性能突出。在所选用的6个材种中，杉木制备的木塑复合材料综合力学性能最佳，弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度和抗冲击强度分别为45.63、3 247、29.14 MPa和6.41 kJ/m2。蓖麻秆制备的木塑复合材料综合力学性能最差，各项参数与杉木的差距较大，分别相差16.03、936、12 MPa和2.02 kJ/m2，这再次证明了木塑复合材料中“木”质部分对PVC木塑复合材料综合力学性能的影响甚大，建议在实际生产中应选择较为合适的材种来制备木塑复合材料。

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(责任编辑 曹 龙)

Effect of Six Wood Species on the Mechanical Properties of PVC-Based Wood Plastic Composites

Xu Kaimeng1, Chen Taian1, Wu Zhangkang1, Huang Suyong1, Li Kaifu2

(1.College of Material Engineering, Southwest Forestry University, Kunming Yunnan 650224, China;
2. Center of Wood-Based Composites, South China Agricultural University, Guangzhou Guangdong 510642, China)

The PVC-based wood plastic composites (WPC) were prepared by six different wood fibers. The basic shape parameter and surface contact angle of each wood fiber were estimated, and tested the comprehensive mechanical properties for different WPC including flexural strength, flexural modulus, tensile strength and impact strength. The results showed that the mechanical properties of WPC were better when the values of length, length-diameter ratio and contact angle of wood fiber were higher. The best mechanical strengths were found on the WPC made byCunninghamialanceolata, its values of flexural strength, flexural modulus, tensile strength and impact strength were 45.63 MPa, 3247 MPa, 29.14 MPa and 6.41 kJ/m2.

wood plastic composites; wood fiber; contact angle; basic shape parameter; mechanical properties

2015-01-05

云南省应用基础研究青年项目(201501YC00048)资助；云南省教育厅科学研究基金项目(2015Y292)资助。

10.11929/j.issn.2095-1914.2015.05.016

S784

A

2095-1914(2015)05-0088-04

第1作者：徐开蒙(1986—)，男，博士，实验师。研究方向：木塑复合材料。Email：xukm007@163.com。