木塑復合材料力學性能的影響因素探討

張濤　楊雙燕　高曉菊

摘 要：木塑復合材料的加工過程較為復雜，所以材料的力學性能會受到多個因素的影響。而適當的進行加工因素的控制，則能夠確保木塑復合材料的力學性能。因此，基于這種認識，該文首先從加工工藝和加工材料兩個方面對木塑復合材料的加工問題進行了分析，同時也對材料的力學性能測試方法進行了探討。而在此基礎上，該文主要對塑料種類、木粉粒徑與填量、偶聯劑種類與用量以及潤滑劑種類這幾種影響木塑復合材料力學性能的因素進行了分析。

關鍵詞：木塑復合材料 力學性能 影響因素 探討

中圖分類號：TQ325 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（a）-0064-02

木塑復合材料具有較好的穩定性、抗腐蝕性和強度。而該種材料的使用，則能夠為緩解世界森林資源貧乏做出一定的貢獻。所以，在一定程度上，該材料得到了人們的重視。但就目前來看，木塑復合材料的力學性能將受到多種因素的影響，繼而限制了該種材料的應用和發展。而研究木塑復合材料力學性能的影響因素，則可以為木塑復合材料的加工工藝的優化提供一定指導。因此，相關人員有必要進行該問題的研究，以便促進木塑復合材料的應用和發展。

1 木塑復合材料的加工概述

1.1 加工工藝

就目前來看，木塑復合材料的加工工藝主要有三種，即擠出成型工藝、壓制成型工藝和注射成型工藝。其中，擠出成型工藝得到了廣泛的應用，是較為重要的木塑復合材料加工方法。利用該種工藝，可以連續進行性能均一的木塑復合材料的生產，并且方法本身具有消耗低、產出高的優點，可以進行各類板材的生產。具體在進行材料加工時，則需要將木塑混合顆粒加入到機筒，并利用螺桿的連續旋轉摩擦和機筒加熱將顆粒流化，并最終使材料從機頭擠出成型。

壓制成型工藝是較為傳統的聚合物加工工藝，也可以用于進行木塑復合材料的生產。在加工的過程中，需要將一定量的預混料傳送至模具，并利用壓力將物料從固態轉化成粘流態，以便進行木塑制品的壓制。而利用該種工藝進行加工的方式主要有兩種，即冷料熱壓和熱料冷壓[1]。從加工特點上來看，該種工藝操作簡便，并且能夠解決擠出成型的密度小、強度低、剛性差等問題，所以可以用來進行板材的加工。但是，該工藝同時也具有生產周期長和生產效率較低的缺點。

注射成型工藝是較為成熟和經濟的加工工藝，但是只能用于進行結構簡單的制品的生產。在加工的過程中，需要將干燥的木質纖維和改性塑料高速混合，并將原料加熱至固化狀態，繼而通過磨具進行木塑復合材料的加工。而該種工藝雖然操作簡單，但是卻對加工設備有著一定的要求。

1.2 加工材料

就目前來看，木塑復合材料的加工原料主要有四種，即植物纖維、熱塑性塑料、偶聯劑和添加劑。其中，添加劑的使用，將有助于改進木塑復合材料的加工條件，并進行木塑復合材料的性能的提升。就實際情況而言，在加工原料組分不同的情況下，木塑復合材料的力學性能也將不同。在日常的加工生產中，較為常見的植物纖維材料為木粉。而塑性塑料、偶聯劑和添加劑的種類較多，需要根據加工的實際需要來決定[2]。但是，使用不同種類的塑料、偶聯劑和添加劑，則會得到具有不同力學性能的木塑復合材料。而需要注意的是，在進行木塑復合材料加工之前，首先需要對木粉進行處理。具體來講，就是進行木粉的篩選，并完成木粉的干燥。而之所以需要進行木粉的篩選，主要是因為一旦存在木粉粒徑大小不一的現象，將對加工的木塑復合材料的均勻性產生一定的影響，繼而影響到材料的各方面性能。此外，木粉具有較強的親水性，容易在與塑料混合中出現結團，并影響到木塑復合材料的性能。因此，需要預先對木粉進行干燥，以便確保材料的性能。

2 木塑復合材料力學性能測試方法

2.1 拉伸強度測試法

拉伸強度是木塑復合材料的重要力學性能，需要采取相應的方法進行該性能的測試。首先，需要制作一定尺寸的試件，并將試件夾緊在試驗機的活動夾頭中。而在此基礎上，則需要使試件中心通過試驗機活動夾具軸線。此外，則需要進行試驗機加載移動速度的設定，并以等速進行試件的加載[3]。而直至試件破壞，則可以進行最大破壞載荷的記錄，并進行拉伸強度的計算。

2.2 彎曲強度測試

彎曲強度是較為重要的力學性能。在進行材料的彎曲強度測試時，首先需要進行具有統一尺寸的試件的制作。而在此基礎上，則可以利用試驗機對試件加載直至破壞，并進行試件最大破壞載荷的記錄，以便進行材料彎曲強度的計算。

2.3 無損檢測法

在進行木塑復合材料的力學性能檢測時，除了使用破壞性的檢測方法，還可以使用無損檢測法進行材料的彈性模量、靜曲強度等多種力學性能的檢測。就目前來看，常用的木塑復合材料的無損檢測法有超聲波檢測、微波檢測、射線檢測、機械應力檢測和沖擊應力檢測等等[4]。其中，超聲檢測即利用超聲波進行材料密度的檢測，并利用密度和超聲波傳播速度進行材料彈性模量的計算。微波檢測則可以用來進行材料含水率的檢測，而射線檢測則可以進行材料內部連續性的檢測。而在進行機械應力檢測時，則需要在試樣上加載荷來進行測試，以便進行材料彈性模量和靜曲強度的計算。此外，沖擊應力檢測是利用沖擊波進行材料產生的應力波的檢測，并利用被測材料速度和密度進行彈性模量、靜曲強度和內結合強度的計算。

3 木塑復合材料力學性能的影響因素

3.1 塑料種類

在進行木塑復合材料加工時，采用不同的塑料種類加工而成的木塑復合材料的力學性能顯然不同。以低密度聚乙烯、聚丙烯、高密度聚乙烯三種塑料材料為例，采用重量比為塑料基質40份、木粉20份、硅烷2份的配方進行木塑復合材料的加工。對加工出來的材料進行測試可以發現，利用高密度聚乙烯和聚丙烯制成的材料的性能要明顯好于利用低密度聚乙烯制成的材料。一方面，從材料剛性角度來看，采用高密度聚乙烯和采用聚丙烯制成的復合材料剛性沒有明顯差異，但是卻要明顯高于采用低密度聚乙烯制成的材料的剛性。而從抗彎曲破壞能力和內結合強度角度來看，采用高密度聚乙烯制成的木塑復合材料性能顯然較高。所以，綜合來看，相較于其他兩種材料，利用高密度聚乙烯材料進行木塑復合材料的制作，顯然能使材料具有更好的力學性能[5]。而之所以會產生這種現象，主要是因為高密度聚乙烯材料的密度要高于低密度聚乙烯材料，所以強度也相對較高。同時，高密度聚乙烯材料的熔點要稍低于聚丙烯材料。所以，在進行板材熱壓的過程中，該材料能夠得到充分的熔化，繼而具有較高的流動性。而這樣一來，高密度聚乙烯材料將與木粉進行更好的融合，兩相界面的粘合性也將更好，繼而使木塑復合材料具有較好的力學性能。此外，由于聚丙烯材料具有較好的導熱率，所以其在塑料熔化過程的流動性和熔融效果較差，繼而影響了材料的性能。

3.2 木粉粒徑與填量

在進行木塑復合材料加工時，木粉的粒徑與填量顯然會對材料的力學性能產生影響。一方面，隨著木粉粒徑的逐漸變小，木塑復合材料的拉伸強度將呈現出先上升后下降的趨勢。而這是因為，在粒徑較小的情況下，木粉與其它材料將得到更好的融合，材料的拉伸強度也將得到提升。而隨著木粉粒徑的逐漸變小，木粉與其它材料的接觸面積則會逐漸增大。在這種情況下，木粉與基體的結合力會逐漸增大，而大顆粒引起的應力集中和產生缺陷可能性則會變小，繼而使材料的拉伸性能得到改進[6]。但是，在木粉粒徑減小到一定程度后，材料的拉伸強度會逐漸下降。而這一現象的出現，主要是因為木粉的長徑隨著粒徑減小而減小，繼而使木粉顆粒的表面粗糙度減小，繼而不利于材料力學性能的提升。因此，在進行木塑復合材料加工時，應該使木粉粒徑適中。

除了木粉粒徑因素，木粉的添加量也會對木塑復合材料的力學性質產生一定的影響。在木粉填量較少時，由于木粉成呈“海島”狀分布，所以難以產生應力集中。在木粉與木粉距離較大的情況下，受到木粉剛性受阻的問題的影響，復合材料會產生少量伸長和局部微量斷裂現象，繼而使材料拉伸強度下降。而在木粉含量足夠多的情況下，木粉與木粉之間則會出現纏繞，繼而使木塑復合材料拉伸強度提高[7]。但是，在木粉填量持續增加的情況下，木塑復合材料的拉伸強度將逐漸趨于平穩，繼而較少受到木粉填量的影響。

3.3 偶聯劑種類與用量

在進行木塑復合材料加工時，會進行偶聯劑的使用。而偶聯劑的種類與用量，則會對木塑復合材料的力學性能產生一定的影響。在研究偶聯劑種類對木塑復合材料力學性能的影響方面，可以以鋁酸酯、硅烷兩類偶聯劑為例。相較于加入鋁酸酯的木塑復合材料，加入硅烷偶聯劑的木塑復合材料的力學性能明顯較高。因為，鋁酸酯是一種固態的偶聯劑，需要經過加熱融化才能使用。而鋁酸酯在冷卻凝固后會出現塑料團聚的問題，繼而影響到材料熱壓時的流動性，并降低木塑復合材料的力學性能[8]。而硅烷類耦合劑為液態，具有更好的流動性，可以進行木塑復合材料的性能的提升。

在加工木塑復合材料的過程中，同一種偶聯劑的添加量不同，加工制成的木塑復合材料則有著不同的力學性能。首先，相較于不添加偶聯劑的木塑復合材料，添加偶聯劑的材料顯然具有更好的力學性能。在1%到3%的范圍內，硅烷偶聯劑的添加量最高時，復合材料的彎曲強度、沖擊強度和抗拉強度最高。但是，在超出3%的限量后，木塑復合材料的力學性能并沒有隨著偶聯劑使用量的增加而增加。而這是因為，在偶聯劑用量過少的情況下，填料表面不能得到完全包覆，所以木塑復合材料的性能不能得到明顯提高。而一旦偶聯劑使用量過多，則會在填料表面形成多分子層，繼而不利于填料的結合，并影響到木塑復合材料的性能。

3.4 潤滑劑種類

在加工木塑復合材料的過程中，材料的加工會存在兩種摩擦，即內摩擦和外摩擦。其中，內摩擦是由熔融聚合物分子間的摩擦造成的，會影響到聚合物的熔融，并降低材料的流動性，繼而導致木塑復合材料的性能受到影響。而外摩擦則是由聚合物熔體與機械壁間的摩擦造成的，會使聚合物黏貼在附屬設備或其他材料表面，繼而影響材料的性能。所以，在進行木塑復合材料加工時，需要添加內潤滑劑和外潤滑劑這兩種添加劑。一方面，進行內潤滑劑的添加，將使木塑復合材料的彎曲強度、拉伸強度得到明顯提升。而相較于硬脂酸，硬脂酸鋅類的內潤滑劑顯然可以使木塑復合材料具有更好的性能[9]。所以，內潤滑劑的種類的選擇，將對木塑復合材料的力學性能產生一定的影響；另一方面，進行外潤滑劑的添加，將使木塑復合材料的力學性能得到提升。但是，加入石蠟的木塑復合材料的彎曲強度和彈性模量要好于加入PE蠟的木塑復合材料。所以，外潤滑劑的種類的選擇，也將對木塑復合材料的力學性能產生一定的影響。

4 結論

總而言之，影響木塑復合材料力學性能的因素有很多，主要包含了塑料種類、木粉粒徑與填量、偶聯劑種類與用量以及潤滑劑種類這幾種因素。從研究來看，想要使木塑復合材料具有較好的抗彎曲破壞能力和內結合強度，就要使用密度高、熔點低的塑料。想要使材料具有較好的拉伸強度，則要使木粉粒徑大小保持適中，并添加適量的木粉。而想要使材料具有較好的彎曲強度、沖擊強度和抗拉強度，則要合理進行偶聯劑種類的選擇，并控制好偶聯劑用量。此外，為了提升木塑復合材料的彎曲強度和彈性模量，則需要合理進行內外潤滑劑的選擇。

參考文獻

[1] 劉婷，陸紹榮，王一靚，等.堿處理對SF/聚丙烯聚丙烯木塑復合材料力學性能的影響[J].化工新型材料，2010，15（38）：118-120.

[2] 楊偉軍.溫度對聚烯烴木塑復合材料力學與蠕變性能的影響[D].哈爾濱：東北林業大學，2013.

[3] 潘明珠，梅長彤.納米SiO2-A聚丙烯聚丙烯對木塑復合材料界面特性及力學性能的影[J].北京林業大學學報，2013，15（35）：117-122.

[4] 李珊珊，呂群，周文君.A聚丙烯聚丙烯對聚丙烯E基木塑復合材料力學性能的影響[J].塑料，2011，13（40）：26-38.

[5] 王曉欽.聚丙烯基木塑復合材料流變及力學性能的研究[D].哈爾濱：東北林業大學，2013.

[6] 于旻，何春霞，劉軍軍.不同表面處理麥秸稈對木塑復合材料性能的影響[J].農業工程學報，2012，19（28）：171-177.

[7] 宋麗賢，張平，姚妮娜.木粉粒徑和填量對木塑復合材料力學性能影響研究[J].功能材料，2013，17（44）：451-454.

[8] 蔡培鑫.聚丙烯聚丙烯木塑復合材料性能及其影響因素的研究[D].杭州：杭州師范大學，2012.

[9] 岑蘭.腰果酚縮水甘油醚共聚物的合成及其對木塑復合材料結構和性能的影響[D].廣州：廣東工業大學，2014.