竹粉用量对竹粉/聚丙烯复合材料力学性能和蠕变性能的影响

何文浩

(福建省林业勘察设计院，福州 350001)

木塑复合材料(简称WPC)是问世于1961年的一种新型材料，是利用聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等塑料材料[1]，代替常用的树脂胶粘剂，与木粉等植物纤维按一定比例混合后经热压成型的板材[2]。近些年，随着我国对森林资源的保护，木材的供给越来越少。我国竹子种类、竹林面积、竹材产量均位居世界第一[3]。竹材壁薄中空，同时具有不均匀的组织结构，极易产生虫蛀和霉变等问题[4]，导致其加工利用率很低，严重限制了竹材资源的利用及加工。因此，大力发展竹质复合材料，拓宽其利用空间，对我国竹材工业的可持续发展意义重大[5]。现阶段竹塑复合材料的基体主要有PE、PP、PVC以及ABS等。本文采用聚丙烯(PP)作为基体，通过注塑法制备出不同竹粉含量的竹粉/聚丙烯复合材料[6]，检测其相关力学性能，总结竹粉用量对复合材料力学性能和蠕变性能的影响。

1 试验原料与试验方法

1.1 试验原料和设备

竹粉为生长五年以上的毛竹竹材加工剩余物经粉碎研磨成40～120目；聚丙烯型号K8303，购自中国石化北京燕山分公司；润滑剂采用CH3(CH2)16COOH硬脂酸；硬脂酸钙采用[CH3(CH2)16COOH]2Ca，呈白色粉末状，以提高竹塑复合材料的流动性；偶联剂采用MAPP，以改善竹粉和PP的相容性。试验设备含干燥箱、密炼机、破碎机、成型机等(表1)。

表1 试验设备

1.2 试样的制备

采用注塑法制备注塑复合材料(图1)。称取适量竹粉置于电热恒温鼓风干燥箱中干燥至少8 h，使竹粉的含水率下降到2%以下。设置了3种竹粉/聚丙烯复合材料的原料配比(表2)。竹粉含量分别占复合材料总质量的15%、30%、45%，偶联剂质量为竹粉质量的6%，润滑剂占复合材料总质量的1%。

图1 注塑工艺流程

表2 竹粉/聚丙烯竹塑复合材料的配方

竹粉、聚丙烯经过干燥箱烘干后，将其与硬脂酸、硬脂酸钙、MAPP按比例均匀的放置在托盘中，搅拌均匀，然后倒在密封袋中继续用手揉搓袋子使其混合均匀。打开密炼机，温度设定188 ℃。将经过充分混合的物料分次投入密炼机中密炼，大约20 min后密炼完成。取出褐色的不规则块状黏稠物料，按照不同的竹粉用量分别放入粉碎机粉碎成细小的颗粒后进行注塑。

1.3 竹粉/聚丙烯复合材料的性能测试

弯曲性能测试使用微机控制电子万能试验机进行[7]，试样为长80(±0.2)mm、宽20(±0.1)mm、厚4(±0.1)mm的长条。冲击性能测试使用多功能摆锤冲击试验机进行[8]，试样为无缺口的冲击样条。蠕变性能测试参照塑料弯曲性能试验标准[7]，使用微机控制电子万能试验机进行测试，试样为长60(±0.2)mm、宽20(±0.1)mm、厚4(±0.1)mm的长条。拉伸强度性能测试使用微机控制电子万能试验机进行[9]，试样为长150(±0.2)mm、宽20(±0.1)mm、厚4(±0.1)mm的长条。

2 实验结果与分析

2.1 不同竹粉含量的竹粉/聚丙烯复合材料工艺参数的比较

对于不同竹粉含量的竹塑复合材料，注塑机各段的温度需由170 ℃逐渐提高到180 ℃左右(表3)。通过不同竹粉含量试样对比，15%、30%竹粉含量的试样在密炼和注塑时温度、压力参数变化相对较小且试样形状完整，性能也相对稳定(表4)。45%的竹粉含量较高，所以流动性较差，尤其在注塑时需要较高的温度与较大压力。当竹粉含量为60%的时候，复合材料的流动性变差，无法完成注塑。

表3 注塑机温度设定参数

表4 射出、储料的压力与时间的快速设定

2.2 竹粉含量对试样物理力学性能的影响

2.2.1 竹粉含量对试样密度的影响

注塑法制备的竹粉含量15%、30%、45%的竹粉/聚丙烯复合材的平均密度为0.916 9 g/cm3、0.930 3 g/cm3、1.043 0 g/cm3。由此可见，随着竹粉含量的增加，竹粉/聚丙烯复合材料的密度也随之增大。由于在竹粉/聚丙烯复合体系中竹粉是增强相而聚丙烯是基体相，因此经过压缩密实后竹粉/聚丙烯复合材料的密度也会随着竹粉的含量升高而变大。

2.2.2 竹粉含量对试样弯曲性能的影响

注塑法制备的竹粉含量15%、30%、45%的竹粉/聚丙烯复合材料的弯曲强度分别为49.27 MPa、51.44 MPa、51.68 MPa。在试样尺寸相同的理想条件下，随着竹粉含量的提高，破坏载荷变大，从而弯曲强度变大。其他条件不变的理想条件下，随着竹粉含量的提高，弯曲模量也随之变大。所以，竹粉含量为15%～45%时的竹粉/聚丙烯复合材料弯曲性能随着竹粉的增加逐渐提升。当竹粉含量达到45%的时候，材料的弯曲性能得到较大的提升。

2.2.3 竹粉含量对试样冲击性能的影响

缺口冲击试验得到的15%、30%、45%竹粉含量的复合材料的冲击强度分别为30.55 kJ/m2、27.01 kJ/m2、22.27 kJ/m2。随着竹粉用量的增大，冲击强度逐渐下降，当竹粉加到一定多量的时候，下降趋势逐渐变缓。其主要原因是竹粉是刚性物质，韧性较差，竹粉含量升高造成复合材料的应力集中从而使得复合材料韧性降低。综上所述，竹粉/聚丙烯复合材料的冲击强度随着竹粉用量的升高而降低。

2.2.4 竹粉含量对试样拉伸性能的影响

通过试样拉伸性能测试，得到15%、30%、45%竹粉含量的竹粉/聚丙烯复合材料的拉伸强度分别为29.55 MPa、28.83 MPa、28.44 MPa，断裂伸长率分别为7.95%、5.62%、6.20%。随着竹粉含量的增加，拉伸强度下降，而断裂伸长率先快速下降，而后缓慢上升。

2.2.5 竹粉含量对试样蠕变性能影响的比较

对竹粉含量15%的竹粉/聚丙烯复合材料，分别施加25%、50%、75%的应力，其应变随应力的增大而变大，增大到一定程度后应变基本保持不变，未出现明显的弯曲现象(图2)。竹粉含量30%的复合材料，施加应力之后，在3 600 s内未出现明显的弯曲现象，可见30%竹粉含量的竹粉/聚丙烯复合材料具有良好的蠕变性能(图3)。竹粉含量45%的复合材料，在25%、50%的弯曲强度下材料的应变较小，但是75%应力下材料在1 500 s左右时发生断裂，应变为0.057 1。

图2 竹粉含量15%的复合材料的应力蠕变曲线

图3 竹粉含量30%的复合材料的应力蠕变曲线 图4 竹粉含量45%的复合材料的应力蠕变曲线

3 结论

竹粉添加量为15%、30%、45%时，随着竹粉含量的升高，竹粉/聚丙烯复合材料成型过程所需的注射温度和注射压力增大，而竹粉含量为60%时，复合材料流动性能较差，无法注塑完成。

复合材料的密度增大，弯曲性能升高，当竹粉含量为45%时，复合材料的弯曲强度和弯曲模量分别为51.68 MPa和3 701.08 MPa；而复合材料的拉伸性能和冲击强度随着竹粉含量增高逐渐缓慢下降，当竹粉含量为45%时，复合材料的拉伸强度为28.44 MPa和22.27 kJ/m2。

竹粉含量30%的竹粉/聚丙烯复合材料的蠕变性能最佳，25%、50%和75%应力水平下，经历3 600 s蠕变实验后，复合材料产生的应变仅分别为0.013 8、0.025 6、0.044 6，而45%竹粉/聚丙烯复合材料在75%应力水平下，经历1 500 s就发生断裂，应变为0.057 1。