PE 基木塑復合材料力學性能試驗分析

陳燁　賈欣欣　張星宇　杜利（東南大學土木工程學院，江蘇　南京　210096）

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PE 基木塑復合材料力學性能試驗分析

陳燁賈欣欣張星宇杜利
（東南大學土木工程學院，江蘇南京210096）

摘要：簡述了木塑復合材料具有的優(yōu)點，通過試驗分析，研究了該復合材料的力學性能，根據(jù)測試，指出木塑復合材料的力學性能較為穩(wěn)定，可靠性較高，但該材料強度和剛度較低，難以單獨應用于建筑結(jié)構(gòu)中。

關(guān)鍵詞：木塑復合材料，力學性能，破壞特性，試驗分析

木塑復合材料以木屑、竹屑、稻殼、麥秸等木纖維為主要骨料，在高溫狀態(tài)下與聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）等［1］熱塑性高分子材料相互滲入，經(jīng)注塑或擠塑成型的一種新型復合材料，其英文縮寫為WPC。木塑復合材料的起源可以追溯到20世紀初期，1907年LeoH Bend博士利用熱固性酚醛樹脂與木粉復合成了一種新材料，所制得的纖維板應用為房屋等建筑材料［2］。但是由于木粉和塑料的相容性較差，直到最近幾十年，有關(guān)方面的研究才有所突破，木塑復合材料得以迅速發(fā)展。

木塑復合材料集木材和塑料的優(yōu)點于一身，不僅有像天然木材的雅致外觀，而且克服了其不足，具有耐腐蝕、防潮、防霉、防蟲蛀、尺寸穩(wěn)定性高、不開裂、不翹曲、耐火、耐高溫等優(yōu)點；同時又比純塑料硬度高，有類似木材的加工性，可進行切割、粘結(jié)，用釘子或螺栓固定連接，可涂漆等優(yōu)點。此外，木塑復合材料可以充分利用廢舊塑料和木材下腳料等廢棄材料，提高廢棄木材、塑料的回收利用率，是一種綠色、低碳、環(huán)保、可持續(xù)的新型建材，符合綠色建筑、可持續(xù)發(fā)展理念。正因其制作工藝簡單，造價低廉，同時具備塑料木材二者的優(yōu)點，綜合性能優(yōu)良［3］，近十幾年來受到了國內(nèi)外專家學者的廣泛研究。

木塑復合材料的力學性能會隨著木粉、塑料基含量以及外加偶聯(lián)劑等不同產(chǎn)生較大差異。本試驗旨在研究其材料力學性能，根據(jù)測試所得的試驗結(jié)果，對比Tamrakar等［4］、Alvarez-Valencia等［5］、李思遠［6］、馮嘉［7］、徐朝陽等［8］得出的結(jié)論以及國內(nèi)楊木速生材的力學性能，探討木塑復合材料應用于建筑結(jié)構(gòu)的可能性。

1　材料力學性能試驗

1.1試驗試件

本試驗所測試的試件均由蘇州洲聯(lián)材料科技有限公司提供。試件原料包括稻殼、秸稈、棕櫚纖維等植物纖維，與PE基經(jīng)改性復合而成。試件尺寸選取參考GB/T 1040—2006［9］塑料拉伸性能試驗方法和GB/T 29418—2012［10］塑木復合材料產(chǎn)品物理力學性能測試兩本規(guī)范，具體規(guī)格見表1。

表1　試件尺寸及數(shù)量

1.2設備儀器

1）電子萬能試驗機，WDW-50E；2）微機控制電液伺服萬能試驗機，WAW-600-G；3）靜態(tài)應變測試儀，DH3816N。

1.3試驗方法

本試驗所用試驗方法參考了美國材料測試協(xié)會（ASTM）D7032—10a［11］，D7031—11［12］，D4761—13［13］以及中國國家規(guī)范GB/T 1040—2006［9］，GB/T 29418—2012［10］等國內(nèi)外規(guī)范材料。

根據(jù)所查閱的國內(nèi)外規(guī)范材料，所有規(guī)范均推薦木塑復合材料試驗加載速率均以每分鐘1%（±10%）的變形為宜；各規(guī)范所規(guī)定的試件尺寸要求也基本相同，軸壓試件的長度與其截面最小尺寸宜在3倍～4.5倍之間，彎曲試件跨度與厚度應滿足L =（16h +50）mm±2 mm；國內(nèi)與國外的規(guī)范僅在實驗前準備及彎曲試驗加載點布置上存在細微區(qū)別。綜合考慮，本試驗最終以國內(nèi)規(guī)范為準。軸向拉伸強度及彈性模量測量按GB/T 1040—2006［9］進行，軸向壓縮強度及彈性模量測量按GB/T 29418—2012［10］進行，彎曲強度及彈性模量測量按GB/T 29418—2012［10］進行。

根據(jù)GB/T 29418—2012［10］要求，試驗前，所有的試件放入溫度為（23±2）℃、相對濕度為50%±10%的恒溫室中72 h，保持木塑材料質(zhì)量和內(nèi)部濕度平衡。試驗加載速率均為每分鐘1%的變形，彎曲試驗按照1/3點加載，四點彎曲方式。

2　試驗結(jié)果與分析

2.1破壞形態(tài)

軸向拉伸試驗過程中，構(gòu)件沒有明顯伸長。試驗力達到最大值前，試驗力—位移曲線幾乎呈線性增長；破壞前，試件表面并未出現(xiàn)微裂縫。荷載達到最大值時，試件突然發(fā)生脆性斷裂，斷裂聲清脆響亮。試件被拉斷后，試驗力瞬間下降，受拉承載力降為0，一裂就壞，屬于脆性破壞。受拉破壞試驗力—位移曲線見圖1。

試件斷裂面呈不規(guī)則的鋸齒狀，破壞面基本垂直于試件表面。其中個別試件斷裂面在某些區(qū)域出現(xiàn)明顯的凹進、凸出，這是由于這些區(qū)域邊緣擠壓相對不密實造成，斷裂面易向薄弱部位發(fā)展。

相對于軸向拉伸破壞和受彎破壞，軸向壓縮試驗中，試件塑性變形明顯。從開始加載到試件最終受壓破壞，試件的軸向變形值很大，壓縮量明顯。

試驗力小于30 kN時，試驗力—位移近似呈線性增長；超過30 kN時，試驗力—位移曲線開始出現(xiàn)非線性增長，試驗力增長速率逐漸小于位移增長速率；試驗力接近最大試驗力時，試件承載力不再提高，軸向變形進一步加大，材料表現(xiàn)出較好的延性。此時，若控制加壓設備以固定的位移變化速率加載，荷載將逐漸下滑；變形到達臨界值后，試件表面向四周鼓出，不再平整，并在試件側(cè)表面中間部位出現(xiàn)縱向裂縫，試件承載力急劇下降；最終，試件出現(xiàn)豎向貫通裂縫，試件端部被壓潰，試件喪失承載力，發(fā)生受壓破壞，屬于延性破壞。受壓破壞試驗力—位移曲線見圖2。

圖1　軸向拉伸試驗試驗力—位移曲線

圖2　軸向壓縮試驗試驗力—位移曲線

彎曲強度試驗加載過程中，試件跨中部位下?lián)喜⒉幻黠@。試驗力小于500 N時，試驗力—位移近似呈線性增長；大于500 N時，試驗力的增長速率逐漸慢于位移增長速率，試驗力—位移曲線開始出現(xiàn)非線性增長。試件即將破壞時，跨中撓度值不大，試件底面也并未出現(xiàn)微裂縫。荷載達到最大值時，試件突然發(fā)生脆性斷裂，斷裂聲清脆響亮。試件受彎破壞后，試驗力瞬間下降，受彎承載力降為0，屬于脆性破壞。

試件的斷裂面與受拉破壞的斷裂面相似。受彎破壞時，下部受拉區(qū)先于受壓區(qū)達到極限拉應變發(fā)生破壞。由于木塑材料是由粒狀木質(zhì)纖維材料與塑料基復合熱熔擠出成型，其內(nèi)部沒有纖維聯(lián)結(jié)作用，一旦出現(xiàn)裂縫，便迅速發(fā)展，發(fā)生一裂就斷的脆性破壞。受彎破壞時，受壓區(qū)壓應變遠小于材料極限壓應變。受彎破壞試驗力—位移曲線見圖3。

2.2試驗結(jié)果

本次試驗共測得木塑復合材料的軸拉、軸壓、彎曲強度值及相應彈性模量值各一組，其中每組共5個試件。具體試驗結(jié)果見圖4～圖9。

圖3　彎曲試驗試驗力—位移曲線

圖4　軸向拉伸強度測量值

圖5　軸向壓縮強度測量值

圖7　拉伸彈性模量測量值

圖6　彎曲強度測量值

圖8　壓縮彈性模量測量值

圖9　彎曲彈性模量測量值

2.3結(jié)果分析

根據(jù)上述試驗結(jié)果，得到材料軸向拉伸、壓縮、彎曲強度及相應彈性模量的平均值，詳見表2。此外，表2中還列出了國內(nèi)外研究學者測得的木塑材料力學性能結(jié)果以及國內(nèi)楊木速生材的力學性能測試結(jié)果。

由表2可知，本次試驗測得木塑材料的抗拉、抗壓和抗彎強度平均值均大于20 MPa，且各強度值較為相近。其中，試件抗壓強度相對較大，為25.88 MPa。此外，抗壓強度值的離散率也是三類強度試驗結(jié)果中最低的，變異系數(shù)僅為2.00%，材料抗壓性能較穩(wěn)定。拉伸和彎曲強度相對較小、離散率較大。本試驗測得各種荷載作用下的彈性模量差異較大。其中，拉伸彈性模量相對較大，為4.63 GPa。此外，拉伸彈性模量離散率也為三類彈性模量試驗結(jié)果中最低，變異系數(shù)僅為1.93%。相對于拉伸彈性模量值，材料的壓縮模量值較低，僅為1.51 GPa，且其數(shù)據(jù)離散率也較大，變異系數(shù)高達11.28%。

表2　木塑復合材料及楊木速生材力學性能表

由試驗結(jié)果可得，木塑復合材料為各向異性材料。實際測得其壓縮模量較低，材料在承受軸向壓力時，變形較大，試驗現(xiàn)象與測試結(jié)果相吻合。此外，材料拉伸彈性模量較大，拉伸強度較低，材料的極限拉應變較低，其值遠小于極限壓應變。故材料在受彎破壞時，受拉區(qū)首先達到極限拉應變而破壞，此時受壓區(qū)還處于彈性變形范圍內(nèi)，壓應變遠小于極限壓應變。實際測得的彎曲強度與拉伸強度十分接近，正驗證了這一點。

對比國內(nèi)外學者得到的相似試驗結(jié)果，由于試驗所用木塑材料、試驗方法不同，試驗結(jié)果存在較大差異。木塑材料組成以及外加劑添加不同對材料力學性能造成較大影響。各試驗在測量拉伸強度其彈性模量時，試驗方法基本相同，由于操作簡單，測試結(jié)果的差異主要受材料本身影響。對比發(fā)現(xiàn)，木塑材料拉伸強度最大為20.3 MPa，與國內(nèi)應用較為普遍的楊木速生材的拉伸強度存在較大差距，但是木塑材料變異系數(shù)遠低于速生材，材料性能相對穩(wěn)定。相對于拉伸強度，木塑材料的壓縮強度達到了速生材壓縮強度的63%，變異系數(shù)更是遠低于速生材。在彎曲強度以及彎曲模量的測量中，各試驗所得結(jié)果相差較大，除試件材料本身差異外，加載方式的不同以及試件跨高比不同均對結(jié)果產(chǎn)生較大影響。表2中木塑復合材料彎曲強度最大為40.1 MPa，達到速生材的68%，彎曲彈性模量最大為3.6 GPa，為速生材的67%，兩者的變異系數(shù)均小于速生材。盡管木塑材料的力學性能有了很大改進，但受其界面相容性影響，相對于其他結(jié)構(gòu)材料，其強度較低；此外，由于木塑材料本身存在粘彈性，在長期使用過程中會產(chǎn)生較大的蠕變。因此，木塑材料很難單獨應用于建筑結(jié)構(gòu)，成為梁、柱等承重構(gòu)件。雖然近年來在界面改進劑的研究中有重大突破，但是Raj等［15］和Lu等［16］研究表明，單獨改善塑料和木材的界面相容性對木塑復合材料強度的提高十分有限，難以產(chǎn)生根本性變化。為顯著提高木塑構(gòu)件的強度和剛度，改善其力學性能，使其能應用于建筑結(jié)構(gòu)，目前較為常用的方法有兩種，一是在木塑型材內(nèi)部復合鋁合金材料，在生產(chǎn)制作的過程中與木塑共同擠出，鋁合金材料能夠有效提高其強度和剛度；另一種辦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，其拉伸強度最高提高3倍，拉伸模量最高提高2倍［4］。

3　結(jié)語

1）材料受拉和受彎破壞均為明顯的脆性破壞。受壓破壞則表現(xiàn)出延性破壞的特征。

2）材料拉伸模量高，拉伸強度低，受拉破壞時，極限拉應變很小；材料壓縮模量高，壓縮強度相對較大，極限壓應變相對較大。

3）材料受彎破壞本質(zhì)上是受拉區(qū)的拉伸破壞，其強度與材料抗拉強度相近。

4）試驗測得的數(shù)據(jù)離散率不大，材料性能較為穩(wěn)定，但是由于其強度和剛度均較低，不建議單獨用作建筑結(jié)構(gòu)，可復合其他材料，改善其力學性能。

參考文獻：

［1］王月.PVC基木塑復合材料性能的研究［D］.天津：河北工業(yè)大學，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，張偉亞，楊左軍，等.環(huán)保型塑木材料的生產(chǎn)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］李思遠.木塑復合材料的制備、結(jié)構(gòu)與性能［D］.成都：四川大學，2004.

［7］馮嘉.新型木塑復合材料建筑模板的研究［D］.青島：青島理工大學，2010.

［8］徐朝陽，朱宇宏，李大綱，等.木塑型材與木塑復合材料抗彎性能比較研究［J］.包裝工程，2009（3）：28-30.

［9］GB/T 1040—2006，塑料拉伸性能試驗方法［S］.

［10］GB/T 29418—2012，塑木復合材料產(chǎn)品物理力學性能測試［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，劉偉慶，盧曉寧.化學改性對速生楊木木材力學性能和天然耐久性的影響［J］.安徽農(nóng)業(yè)大學學報，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

中圖分類號：TU502

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）06-0105-03

收稿日期：2015-12-11

作者簡介：陳燁（1994-），男，在讀本科生；賈欣欣（1993-），男，在讀本科生；張星宇（1994-），男，在讀本科生；杜利（1994-），女，在讀本科生