PE 基木塑复合材料力学性能试验分析

陈烨　贾欣欣　张星宇　杜利（东南大学土木工程学院，江苏　南京　210096）



PE 基木塑复合材料力学性能试验分析

陈烨贾欣欣张星宇杜利
（东南大学土木工程学院，江苏南京210096）

摘要：简述了木塑复合材料具有的优点，通过试验分析，研究了该复合材料的力学性能，根据测试，指出木塑复合材料的力学性能较为稳定，可靠性较高，但该材料强度和刚度较低，难以单独应用于建筑结构中。

关键词：木塑复合材料，力学性能，破坏特性，试验分析

木塑复合材料以木屑、竹屑、稻壳、麦秸等木纤维为主要骨料，在高温状态下与聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）等［1］热塑性高分子材料相互渗入，经注塑或挤塑成型的一种新型复合材料，其英文缩写为WPC。木塑复合材料的起源可以追溯到20世纪初期，1907年LeoH Bend博士利用热固性酚醛树脂与木粉复合成了一种新材料，所制得的纤维板应用为房屋等建筑材料［2］。但是由于木粉和塑料的相容性较差，直到最近几十年，有关方面的研究才有所突破，木塑复合材料得以迅速发展。

木塑复合材料集木材和塑料的优点于一身，不仅有像天然木材的雅致外观，而且克服了其不足，具有耐腐蚀、防潮、防霉、防虫蛀、尺寸稳定性高、不开裂、不翘曲、耐火、耐高温等优点；同时又比纯塑料硬度高，有类似木材的加工性，可进行切割、粘结，用钉子或螺栓固定连接，可涂漆等优点。此外，木塑复合材料可以充分利用废旧塑料和木材下脚料等废弃材料，提高废弃木材、塑料的回收利用率，是一种绿色、低碳、环保、可持续的新型建材，符合绿色建筑、可持续发展理念。正因其制作工艺简单，造价低廉，同时具备塑料木材二者的优点，综合性能优良［3］，近十几年来受到了国内外专家学者的广泛研究。

木塑复合材料的力学性能会随着木粉、塑料基含量以及外加偶联剂等不同产生较大差异。本试验旨在研究其材料力学性能，根据测试所得的试验结果，对比Tamrakar等［4］、Alvarez-Valencia等［5］、李思远［6］、冯嘉［7］、徐朝阳等［8］得出的结论以及国内杨木速生材的力学性能，探讨木塑复合材料应用于建筑结构的可能性。

1　材料力学性能试验

1.1试验试件

本试验所测试的试件均由苏州洲联材料科技有限公司提供。试件原料包括稻壳、秸秆、棕榈纤维等植物纤维，与PE基经改性复合而成。试件尺寸选取参考GB/T 1040—2006［9］塑料拉伸性能试验方法和GB/T 29418—2012［10］塑木复合材料产品物理力学性能测试两本规范，具体规格见表1。

表1　试件尺寸及数量

1.2设备仪器

1）电子万能试验机，WDW-50E；2）微机控制电液伺服万能试验机，WAW-600-G；3）静态应变测试仪，DH3816N。

1.3试验方法

本试验所用试验方法参考了美国材料测试协会（ASTM）D7032—10a［11］，D7031—11［12］，D4761—13［13］以及中国国家规范GB/T 1040—2006［9］，GB/T 29418—2012［10］等国内外规范材料。

根据所查阅的国内外规范材料，所有规范均推荐木塑复合材料试验加载速率均以每分钟1%（±10%）的变形为宜；各规范所规定的试件尺寸要求也基本相同，轴压试件的长度与其截面最小尺寸宜在3倍～4.5倍之间，弯曲试件跨度与厚度应满足L =（16h +50）mm±2 mm；国内与国外的规范仅在实验前准备及弯曲试验加载点布置上存在细微区别。综合考虑，本试验最终以国内规范为准。轴向拉伸强度及弹性模量测量按GB/T 1040—2006［9］进行，轴向压缩强度及弹性模量测量按GB/T 29418—2012［10］进行，弯曲强度及弹性模量测量按GB/T 29418—2012［10］进行。

根据GB/T 29418—2012［10］要求，试验前，所有的试件放入温度为（23±2）℃、相对湿度为50%±10%的恒温室中72 h，保持木塑材料质量和内部湿度平衡。试验加载速率均为每分钟1%的变形，弯曲试验按照1/3点加载，四点弯曲方式。

2　试验结果与分析

2.1破坏形态

轴向拉伸试验过程中，构件没有明显伸长。试验力达到最大值前，试验力—位移曲线几乎呈线性增长；破坏前，试件表面并未出现微裂缝。荷载达到最大值时，试件突然发生脆性断裂，断裂声清脆响亮。试件被拉断后，试验力瞬间下降，受拉承载力降为0，一裂就坏，属于脆性破坏。受拉破坏试验力—位移曲线见图1。

试件断裂面呈不规则的锯齿状，破坏面基本垂直于试件表面。其中个别试件断裂面在某些区域出现明显的凹进、凸出，这是由于这些区域边缘挤压相对不密实造成，断裂面易向薄弱部位发展。

相对于轴向拉伸破坏和受弯破坏，轴向压缩试验中，试件塑性变形明显。从开始加载到试件最终受压破坏，试件的轴向变形值很大，压缩量明显。

试验力小于30 kN时，试验力—位移近似呈线性增长；超过30 kN时，试验力—位移曲线开始出现非线性增长，试验力增长速率逐渐小于位移增长速率；试验力接近最大试验力时，试件承载力不再提高，轴向变形进一步加大，材料表现出较好的延性。此时，若控制加压设备以固定的位移变化速率加载，荷载将逐渐下滑；变形到达临界值后，试件表面向四周鼓出，不再平整，并在试件侧表面中间部位出现纵向裂缝，试件承载力急剧下降；最终，试件出现竖向贯通裂缝，试件端部被压溃，试件丧失承载力，发生受压破坏，属于延性破坏。受压破坏试验力—位移曲线见图2。

图1　轴向拉伸试验试验力—位移曲线

图2　轴向压缩试验试验力—位移曲线

弯曲强度试验加载过程中，试件跨中部位下挠并不明显。试验力小于500 N时，试验力—位移近似呈线性增长；大于500 N时，试验力的增长速率逐渐慢于位移增长速率，试验力—位移曲线开始出现非线性增长。试件即将破坏时，跨中挠度值不大，试件底面也并未出现微裂缝。荷载达到最大值时，试件突然发生脆性断裂，断裂声清脆响亮。试件受弯破坏后，试验力瞬间下降，受弯承载力降为0，属于脆性破坏。

试件的断裂面与受拉破坏的断裂面相似。受弯破坏时，下部受拉区先于受压区达到极限拉应变发生破坏。由于木塑材料是由粒状木质纤维材料与塑料基复合热熔挤出成型，其内部没有纤维联结作用，一旦出现裂缝，便迅速发展，发生一裂就断的脆性破坏。受弯破坏时，受压区压应变远小于材料极限压应变。受弯破坏试验力—位移曲线见图3。

2.2试验结果

本次试验共测得木塑复合材料的轴拉、轴压、弯曲强度值及相应弹性模量值各一组，其中每组共5个试件。具体试验结果见图4～图9。

图3　弯曲试验试验力—位移曲线

图4　轴向拉伸强度测量值

图5　轴向压缩强度测量值

图7　拉伸弹性模量测量值

图6　弯曲强度测量值

图8　压缩弹性模量测量值

图9　弯曲弹性模量测量值

2.3结果分析

根据上述试验结果，得到材料轴向拉伸、压缩、弯曲强度及相应弹性模量的平均值，详见表2。此外，表2中还列出了国内外研究学者测得的木塑材料力学性能结果以及国内杨木速生材的力学性能测试结果。

由表2可知，本次试验测得木塑材料的抗拉、抗压和抗弯强度平均值均大于20 MPa，且各强度值较为相近。其中，试件抗压强度相对较大，为25.88 MPa。此外，抗压强度值的离散率也是三类强度试验结果中最低的，变异系数仅为2.00%，材料抗压性能较稳定。拉伸和弯曲强度相对较小、离散率较大。本试验测得各种荷载作用下的弹性模量差异较大。其中，拉伸弹性模量相对较大，为4.63 GPa。此外，拉伸弹性模量离散率也为三类弹性模量试验结果中最低，变异系数仅为1.93%。相对于拉伸弹性模量值，材料的压缩模量值较低，仅为1.51 GPa，且其数据离散率也较大，变异系数高达11.28%。

表2　木塑复合材料及杨木速生材力学性能表

由试验结果可得，木塑复合材料为各向异性材料。实际测得其压缩模量较低，材料在承受轴向压力时，变形较大，试验现象与测试结果相吻合。此外，材料拉伸弹性模量较大，拉伸强度较低，材料的极限拉应变较低，其值远小于极限压应变。故材料在受弯破坏时，受拉区首先达到极限拉应变而破坏，此时受压区还处于弹性变形范围内，压应变远小于极限压应变。实际测得的弯曲强度与拉伸强度十分接近，正验证了这一点。

对比国内外学者得到的相似试验结果，由于试验所用木塑材料、试验方法不同，试验结果存在较大差异。木塑材料组成以及外加剂添加不同对材料力学性能造成较大影响。各试验在测量拉伸强度其弹性模量时，试验方法基本相同，由于操作简单，测试结果的差异主要受材料本身影响。对比发现，木塑材料拉伸强度最大为20.3 MPa，与国内应用较为普遍的杨木速生材的拉伸强度存在较大差距，但是木塑材料变异系数远低于速生材，材料性能相对稳定。相对于拉伸强度，木塑材料的压缩强度达到了速生材压缩强度的63%，变异系数更是远低于速生材。在弯曲强度以及弯曲模量的测量中，各试验所得结果相差较大，除试件材料本身差异外，加载方式的不同以及试件跨高比不同均对结果产生较大影响。表2中木塑复合材料弯曲强度最大为40.1 MPa，达到速生材的68%，弯曲弹性模量最大为3.6 GPa，为速生材的67%，两者的变异系数均小于速生材。尽管木塑材料的力学性能有了很大改进，但受其界面相容性影响，相对于其他结构材料，其强度较低；此外，由于木塑材料本身存在粘弹性，在长期使用过程中会产生较大的蠕变。因此，木塑材料很难单独应用于建筑结构，成为梁、柱等承重构件。虽然近年来在界面改进剂的研究中有重大突破，但是Raj等［15］和Lu等［16］研究表明，单独改善塑料和木材的界面相容性对木塑复合材料强度的提高十分有限，难以产生根本性变化。为显著提高木塑构件的强度和刚度，改善其力学性能，使其能应用于建筑结构，目前较为常用的方法有两种，一是在木塑型材内部复合铝合金材料，在生产制作的过程中与木塑共同挤出，铝合金材料能够有效提高其强度和刚度；另一种办法是在木塑板材外包裹FRP材料，研究表明在木塑板材外包裹FRP材料后，其拉伸强度最高提高3倍，拉伸模量最高提高2倍［4］。

3　结语

1）材料受拉和受弯破坏均为明显的脆性破坏。受压破坏则表现出延性破坏的特征。

2）材料拉伸模量高，拉伸强度低，受拉破坏时，极限拉应变很小；材料压缩模量高，压缩强度相对较大，极限压应变相对较大。

3）材料受弯破坏本质上是受拉区的拉伸破坏，其强度与材料抗拉强度相近。

4）试验测得的数据离散率不大，材料性能较为稳定，但是由于其强度和刚度均较低，不建议单独用作建筑结构，可复合其他材料，改善其力学性能。

参考文献：

［1］王月.PVC基木塑复合材料性能的研究［D］.天津：河北工业大学，2014.

［2］Raj R G，Kokta B V.Reinforcing high density polyethylene with cellulosic fibers.I：The effect of additives on fiber dispersion and mechanical properties［J］.Polymer Engineering & Science，1991，31（18）：1358-1362.

［3］王成云，张伟亚，杨左军，等.环保型塑木材料的生产及性能［J］.新型建筑材料，2004（6）：11-12.

［4］Tamrakar S，Shaler S M，Lopez-Anido R A，et al.Mechanical Property Characterization of Fiber-Reinforced Polymer Wood-Polypropylene Composite Panels Manufactured Using a Double Belt Pressing Technology［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2012，24（9）：1193-1200.

［5］Alvarez-Valencia D，Dagher H J，Davids W G，et al.Structural Performance of Wood Plastic Composite Sheet Piling［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2010，22（12）：1235-1243.

［6］李思远.木塑复合材料的制备、结构与性能［D］.成都：四川大学，2004.

［7］冯嘉.新型木塑复合材料建筑模板的研究［D］.青岛：青岛理工大学，2010.

［8］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（3）：28-30.

［9］GB/T 1040—2006，塑料拉伸性能试验方法［S］.

［10］GB/T 29418—2012，塑木复合材料产品物理力学性能测试［S］.

［11］ASTM D7032—10a，Standard Specification for Establishing Performance Ratings for Wood-Plastic Composite Deck Boards and Guardrail Systems（Guards or Handrails）［S］.

［12］ASTM D7031—11，Standard Guide for Evaluating Mecha-nical and Physical Properties of Wood-Plastic Composite Pro-ducts ［S］.

［13］ASTM D4761—13，Standard Test Methods for Mechanical Properties of Lumber and Wood-Base Structural Material［S］.

［14］岳孔，刘伟庆，卢晓宁.化学改性对速生杨木木材力学性能和天然耐久性的影响［J］.安徽农业大学学报，2011，38 （3）：453-457.

［15］R.G.Raj，B.V.Kokta，G.Grouleau，et al.The Influence of Coupling Agents On Mechanical Properties of Composites Containing Cellulosic Fillers［J］.Polymer-Plastics Technology and Engineering，1990，29（4）：339-353.

［16］Lu J Z，Wu Q，Negulescu I I.Wood-fiber/high-density-polyethylene composites：Coupling agent performance［J］.Journal of Applied Polymer Science，2005，96（1）：93-102.

Test analysis of PE wood-plastic composite mechanical performance

Chen Ye Jia Xinxin Zhang Xingyu Du Li
（School of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

Abstract：The paper indicates the advantages of the wood-plastic composite materials，researches the composite material have more stable performance and higher reliability according to the analysis of its dynamic performance，and points out the material has lower strength and stiffness，so it can’t be used in architectural structures.

Key words：wood-plastic composite material，dynamic performance，damage feature，test analysis

中图分类号：TU502

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）06-0105-03

收稿日期：2015-12-11

作者简介：陈烨（1994-），男，在读本科生；贾欣欣（1993-），男，在读本科生；张星宇（1994-），男，在读本科生；杜利（1994-），女，在读本科生