共擠出型芯—表結構木塑復合材料彎曲性能與熱膨脹性能的研究

黃潤州，冒海燕，KIM Brimjune，WU Qinglin

（1.南京林業大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 210037；2.韓國國民大學林業與生物技術系，韓國 首爾 136-702；3.美國路易斯安那州立大學再生資源學院，美國 巴吞魯日 70803）

共擠出型芯—表結構木塑復合材料彎曲性能與熱膨脹性能的研究

黃潤州1,3，冒海燕1，KIM Brimjune2,3，WU Qinglin3

（1.南京林業大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 210037；2.韓國國民大學林業與生物技術系，韓國 首爾 136-702；3.美國路易斯安那州立大學再生資源學院，美國 巴吞魯日 70803）

以改性玻璃纖維（GF）為表層的增強材料，以共擠出技術為加工工藝，制備了芯-表結構的木塑復合材料，分析了其在芯層1和芯層2兩種復合體系下的彎曲和熱膨脹性能。結果表明：當表層GF加入量為0時，即為表層為純高密度聚乙烯（HDPE）時，無論是在芯層1還是芯層2的復合體系，芯—表結構木塑復合材料的線性熱膨脹系數（LTEC）高于芯層材料，其彎曲模量和彎曲強度均小于芯層材料；芯—表結構木塑復合材料（GF增強表層）的彎曲強度、模量隨著表層GF加入量的增加而增加；芯—表結構木塑復合材料的熱膨脹性能是表層和芯層性能共同作用的結果，在表層加入GF后，其表層材料的熱膨脹系數和芯—表結構木塑復合材料同時降低，且降低趨勢相近。

芯—表結構；木塑復合材料；熱膨脹；彎曲

作為新型的綠色環保型材料，以熱塑性樹脂為基體的木塑復合材料經常被作為獨立的功能性材料應用于建筑之中[1~2]。芯—表結構木塑復合材料的廣泛應用可以大大提高材料的使用率和性能[3~4]。此種結構的木塑復合材料，表層由純塑料或者熱塑性樹脂基復合材料構成，表層的性能是影響芯—表結構的木塑復合材料整體性能的主要因素[4]。目前，對如何提高芯—表結構的木塑復合材料表層穩定性研究已有報道，例如Jin和Matuana[5]研究了以高密度聚乙烯（HDPE）-TiO2復合材料為表層的芯—表結構木塑復合材料；姚飛和Qinglin Wu[4]研究了以混合的木纖維和無機礦物為填料改善表層HDPE的性能；Kim等[6]研究了以碳納米管（Carbon Nano-tube）和沉淀碳酸鈣（PCC）為增強材料改性表層性能。有學者認為：以增強材料改性表層性能將是以后芯—表結構的木塑復合材料的一個主要研究方向。通過適當含量（類型）的填料和基體的組合可以使復合材料的各項性能達到較為平衡的狀態，使其重量輕、強度高、剛度高、耐磨性較好、防生物危害性、有較好的熱膨脹特性等。已有研究結果表明經過硅烷處理后的玻璃纖維（GF）對復合材料的改性效果更好，其原因是GF有較大的拉伸模量，長徑比且GF顆粒在造粒前GF被硅烷溶液處理過，硅烷起到了偶聯劑的作用，從而使GF與HDPE基體結合的更好[7]。因此，研究芯—表結構的木塑復合材料這種新型結構復合材料的表層性能對材料整體性能的影響非常有必要。

筆者介紹了制備芯—表結構木塑復合材料的共擠出工藝，并研究了在兩種芯層的復合體系下，加入不同含量的表層增強材料對芯—表結構木塑復合材料線性熱膨脹系數與彎曲性能影響。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

木塑復合材料為芯—表結構，芯層分為芯層1（高密度聚乙烯HDPE）：回收的低密度聚乙烯（R-LDPE）：木纖維（WF）：偶聯劑（MAPE）：潤滑劑（Lub）= 10：30：50：4：6）與芯層2（HDPE：R-LDPE：WF：MAPE：Lub = 30：10：50：6：4）；表層設計厚度為0.8±0.1 mm，GF分別以質量分數0%、10%、20%、30%和40%增強不同厚度表層HDPE，試驗研究表層性能與芯層性能的關系，分析了GF加入量對復合材料彎曲性能和熱膨脹性能的影響。

1.2 實驗原料與儀器

松木纖維（pine fiber）（20目）購自American Wood Fibers Inc；玻璃纖維（GF）顆粒購自美國RTP（Winona MN）公司。GF顆粒由SGF和HDPE構成，其中短玻璃纖維含量為40%。GF纖維直徑0.014 mm，長度為4 mm。GF經過硅溶液處理后造粒；R-LDPE取自美國路易斯安州巴吞魯日；HDPE AD60購自美國Exxon Mobil Chemical休斯頓分公司；偶聯劑MAPE購自美國Eastman Chemical公司；潤滑劑（Lub）TPW 306購自美國Stow公司。

雙螺桿擠出機A：德國Leistritz Corporation公司；雙螺桿擠出機B：德國Brabender公司；萬能力學實驗機：美國Instron公司；原點型數顯千分表：日本Mitutoyo公司。

1.3 試樣制備

圖1 共擠出芯—表結構木塑復合材料工藝流程Figure 1 Schematic diagram of the pilot-scale co-extrusion system

按表1比例將芯層和表層所需原料分別加入雙螺桿擠出機進行塑化造粒，造粒溫度150 ~ 175℃，螺桿轉速40 r/min。試樣制備在中試規模的共擠出系統[8]（圖1）完成。共擠出系統由兩臺雙螺桿擠出機構成。芯層所需原料顆粒加入擠出機A，表層所需原料顆粒加入擠出機B，成型模具（C）的截面尺寸為13 mm×50 mm。減壓真空器（D）尺寸保持為需制備的試樣尺寸，試樣擠出后通過2 m的水霧冷淋槽（E），通過牽引裝置（F），由切割鋸（G）切割獲得試樣。共擠出時，擠出機A溫度控制為155（進料口）、160、165、170、170、170、160、150、140、130和155℃（成型模具）；擠出機 B針對不同的表層配比，將溫度控制在150 ~ 165℃。共擠出時，通過不同的進料比例和擠出速度控制表層的厚度。

1.4 性能測試

圖2 芯—表結構WPC熱膨脹系數測試試樣Figure 2 Samples for LTEC test of co-extrusion WPC

1.4.1 彎曲性能（三點彎曲） 根據ASTM D1037進行三點彎曲測試彎曲性能，試樣尺寸35 cm×5.04 cm×1.25 cm，每組配比共測試5個試樣而后取平均值。

1.4.2 熱膨脹性能 將制備好的試樣切成長度為76±9 mm（沿擠出方向）（圖2），在室溫（25℃）時測量其長度，然后將試樣置于烘箱內6 h（60℃）和冰柜內6 h（－13℃）后，測量其長度，根據ASTM D696計算線性熱膨脹系數（Linear Thermal Expansion Coefficient/LTEC）LTEC。不同的配比測試5個試樣后計算LTEC取平均值。

1.5 數據統計

運用SPSS 20.0對數據進行方差分析（Duncan’s multiple range tests），概值設定為0.05。

2 結果與分析

2.1 芯—表結構木塑復合材料的芯層性能分析

芯層材料的三點彎曲性能和熱膨脹性能見表1。由表1可知，芯層1與芯層2相比，芯層2材料的彎曲模量、彎曲強度均高于芯層 1，線性熱膨脹系數低于芯層 1，這表明芯層2相對于芯層1有更好的彎曲性能和熱膨脹性能。其原因可能是，在芯層1中R-LDPE的含量較高，R-LDPE相對于純的HDPE其彎曲強度（模量）較小而LTEC較大，芯層1由于R-LDPE的含量較高從而導致了聚合物基體本身的性能下降從而使得彎曲性能較差，而較多的R-LDPE導致了芯層1的熱膨脹系數較大達8.0×10－5/℃，比文獻中報道的同樣木粉含量的WPC的LTEC大[9~11]。

表1 芯層材料的三點彎曲性能和熱膨脹性能Table 2 Flexural and thermal expansion properties of tested core in WPC

2.2 芯—表結構木塑復合材料彎曲性能

芯—表結構木塑復合材料的彎曲性能和熱膨脹系數見表2，由表2可知，當表層GF加入量為0時，即為純HDPE時，無論是芯層1還是芯層2，芯—表結構木塑復合材料的彎曲強度和彎曲模量均小于芯層材料。當GF開始增強表層后，以芯層1復合體系的芯—表結構木塑復合材料為例，隨著其含量從0依次增加到40%，其彎曲強度和彎曲模量分別從21.42±23 MPa，1.88±0.1 Gpa增加到36.25±3.3 MPa和3.23±0.4 Gpa，分別增加了69.2%和71.8%，同時，方差分析結果也表明，隨著GF從0增加到40%其彎曲性能呈顯著性提高。其原因是隨著剛性遠大于HDPE的GF的加入，其表層性能逐漸提高[7]，從而帶動了復合材料整體性能的提高。與芯層1復合體系相似，芯層2復合體系的芯—表結構木塑復合材料在表層隨著GF含量的增高，其彎曲模量和彎曲強度也呈現上升趨勢，分別增加了39.3%和32.5%。對比兩種復合體系下復合材料彎曲性能增加的趨勢可知，當芯層性能不佳時，通過增強表層的性能，可以大幅度提高復合材料整體的性能。由于表層材料的彎曲性能隨著GF加入而不斷提高[4]，因此，芯—表結構木塑復合材料的彎曲性能與表層材料彎曲性能的變化趨勢相似[4,6~7]。

表2 芯—表結構木塑復合材料的彎曲性能Table 3 Flexural properties of core-shell structure WPCs with different core quality and GF loading level in shell layer

2.3 芯—表結構木塑復合材料熱膨脹性能

線性熱膨脹系數的數值可以反映材料的熱膨脹性能，其數值大小表示其隨溫度變化而引起的熱膨脹的大小，值越小表示其熱膨脹性能越小[4]。GF增強表層的芯—表結構木塑復合材料的LTEC見圖3。由圖3可知，當表層GF加入量為0時，即為純HDPE時，無論是芯層1還是芯層2，芯—表結構木塑復合材料復合材料的線性熱膨脹系數均大于芯層材料，這表明，此種情況下復合材料的熱膨脹系數較均相結構木塑復合材料的熱膨脹系數要大。其原因是，當表層是純的HDPE時，由于HDPE的熱膨脹系數較大，使得復合材料整體的熱膨脹系數升高，降低了復合材料的熱膨脹性能。

當表層加入GF后，對于芯層1和芯層2兩個復合體系，其熱膨脹系數均呈現下降趨勢（圖 3）。隨 GF含量從0依次增加到40 %，其線性熱膨脹系數呈下降的趨勢。以芯層1為例，在2個溫度區間（25 ～ 60℃，－13 ~ 60℃）內分別從8.1×10－5/℃，7.5×10－5/℃下降到5.5×10－5/℃，3.7×10－5/℃，分別下降了32.1%，50.7%，GF增強表層對芯層2復合體系的熱膨脹系數起同樣的效果。在 GF增強表層后，其表層材料和芯—表結構木塑復合材料的熱膨脹系數同時降低，且降低趨勢相近，它是芯層和表層協同作用的結果[12~15]。

圖3 GF含量對芯—表結構木塑復合材料熱膨脹系數的影響Figure 3 Effect of GF content on LTEC of core-shell structure WPC (GF filled shells)

3 結論

（1）當表層GF加入量為0時，即為純HDPE時，無論是在芯層1還是芯層2的復合體系，芯—表結構木塑復合材料的線性熱膨脹系數（LTEC）高于芯層材料，其彎曲模量和彎曲強度均小于芯層材料。

（2）當GF開始增強表層后，隨著GF從0增加到40%其彎曲性能呈顯著性提高。對比兩種復合體系下復合材料彎曲性能增加的趨勢可知, 當芯層性能不佳時，通過增強表層的性能，可以大幅度提高復合材料整體的性能。由于表層材料的彎曲性能隨著GF加入而不斷提高，因此，芯-表結構木塑復合材料的彎曲性能與表層材料彎曲性能的變化趨勢相似。

（3）當表層加入GF后，對于芯層1和芯層2兩個復合體系，其熱膨脹系數均呈現下降趨勢。隨GF含量從0依次增加到40%，其線性熱膨脹系數呈下降的趨勢。芯—表結構木塑復合材料的熱膨脹性能是芯層和表層協同作用的結果，其表層材料的熱膨脹系數和芯—表結構木塑復合材料同時降低，且降低趨勢相近。

參考文獻：

[1] Saheb D N, Jog J P.Natural fiber polymer composites: A review[J].Adv Polym Technol, 1999（18）：351－363.

[2] Smith P M, Wolcott M P.Opportunities for wood/natural fiber-plastic composites in residential and industrial applications[J].For Prod J, 2006, 56（3）：4－11.

[3] Yao F, Wu QL.Coextruded Polyethylene and Wood-Flour Composite: Effect of Shell Thickness,.Wood Loading, and Core Quality[J].J Appl Polym Sci, 2010（118）：3594－3601.

[4] Huang R Z, Kim B J, Lee S Y, et al.Co-extruded Wood Plastic Composites with talc filled Shells: Morphology, Mechanical and Thermal Expansion Performance[J].BioResources, 2013, 8（2）：2 283－2 299 .

[5] Jin S, Matuana L M.Wood/plastic composites co-extruded with multi-walled carbon nanotube-filled rigid poly (vinyl chloride) cap layer[J].Polym Int, 2010（59）：648－57.

[6] Kim B J, Yao F, Wang Q W, et al.Mechanical and Physical Properties of Core-Shell Structured Wood Plastic Composites: Effect of Shells with Hybrid Mineral and Wood Fillers[J].Compos Part A, 2013, 45（1）：1 040－1 048.

[7] Huang R Z, Xu X W, Lee S Y, et al.High Density Polyethylene Composites Reinforced with Hybrid Inorganic Fillers: Morphology, Mechanical and Thermal Expansion Performance[J].Materials, 2013, 6（9）：4 122－4 138.

[8] Huang R Z, Zhou C J, Zhang Y, et al.Co-extrusion Technology for Functioned Nature Fiber Reinforced Polymer Composites[J].Adv Mater Res, 2013（773）：497－501.

[9] Yang H S, Wolcott M P, Kim H S, et al.Thermal properties of lignocellulosic filler-thermoplastic polymer bio-composites[J].J Therm Anal Calorim, 2005（82）：157－160.

[10] Huang R Z, Zhang Y, Xu X W, et al.Effect of hybrid mineral and bamboo fillers on thermal expansion behavior of bamboo fiber and recycled polypropylene-polyethylene composites[J].BioResources, 2012, 7（4）：4 563－4 574.

[11] Mohanty S, Vermaand S, Nayak S K.Dynamic mechanical and thermal properties of MAPE treated jute/HDPE composites[J].Compos Sci Technol, 2006（66）：538－547.

[12] Singh S, Mohanty A K.Wood fiber reinforced bacterial bioplastic composites: Fabrication and performance evaluation[J].Compos Sci Technol, 2007, 67（9）：1 753－1 763.

[13] Kim B J.The effect of inorganic fillers on the properties of wood plastic composites[D].Baton Rouge: Louisiana State University, 2013

[14] Lee Sun-Young.Thermal and mechanical properties of wood flour/talc-filled polylactic acid composites: Effect of filler content and coupling treatment[J].J Thermoplast Compos Mater, 2008, 21（3）：209－223.

[15] Jin S, Matuana L M.Wood/plastic composites co-extruded with multi-walled carbon nanotube-filled rigid poly (vinyl chloride) cap layer[J].Polym Int, 2010（59）：648－657.

Flexural and Thermal Expansion Properties of Core-shell Structure Wood Polymer Composites

HUANG Run-zhou1,3，MAO Hai-yan1，KIM Brimjune2,3，WU Qing-lin3
（1.College of Materials Science and Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China; 2.Department of Forest Products & Biotechnology, Kookmin University, Seoul 136-702, Korea; 3.School of Renewable Natural Resources, Louisiana State University, Baton Rouge 70803, USA）

Experiments were conducted on different modified glass fiber (GF) content on flexural and thermal expansion performance of core-shell structure wood polymer composite (WPC) with GF-filled shells.The result demonstrated that WPC with pure high-density polyethylene(HDPE) shell had higher linear thermal expansion coefficient(LTEC) than the core’s, but had lower bending modulus and strength.Bending modulus and strength of the composite increased but LTEC values decreased with increase of the GF loading levels in the shell.The experiments resulted that bending modulus/strength of core-shell structure WPC was greatly enhanced with unfilled- and filled HDPE shells.

core-shell structure; wood polymer composites; thermal expansion; flexural

S784

A

1001-3776（2014）06-0040-05

2014-06-02；

2014-09-22

國家自然科學基金（31300482）；江蘇省自然科學基金（BK20130966；BK 20130975）；江蘇省優勢學科基金（PAPD）；南京林業大學高學歷人才基金

黃潤洲（1979－），男，江蘇鎮江人，講師，博士，從事木質與非木質復合材料研究。