PP-木粉復(fù)合材料的蠕變特性研究-陸曉中

1、PP/木粉復(fù)合材料的蠕變特性研究陸曉中，方慶海，陸慶章，程福強(qiáng)，孫曉民*（北京石油化工學(xué)院 材料科學(xué)與工程系，北京102617）摘要：本文研究了木粉含量和木粉類型對PP/木粉復(fù)合材料物理機(jī)械性能和蠕變特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明：當(dāng)木粉含量增大時，PP木塑復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度等性能指標(biāo)明顯下降，而其彎曲模量、熱變形溫度則有所提高。添加木粉后，材料的蠕變特性得到明顯改善；且當(dāng)許用彎曲極限（即規(guī)定蠕變極限）較小時（如為制品厚度的1.5倍），材料中木粉含量為50%wt時，其耐彎曲蠕變特性最佳。采用的木粉類型不同時，PP木塑復(fù)合材料的性能有較大差異，采用松木粉和水曲柳木粉制備的PP木塑復(fù)

2、合材料的綜合性能最好，而采用黃麻纖維制備的PP木塑復(fù)合材料的沖擊韌性最好。關(guān)鍵詞：聚丙烯，木塑復(fù)合材料，物理機(jī)械性能，蠕變特性1 前言木塑復(fù)合材料（WPC）是一類新型的環(huán)保復(fù)合材料，近年來已得到了世界各國廣泛的重視15，但目前木塑復(fù)合材料也通常存在著沖擊強(qiáng)度低、耐蠕變性差等性能缺陷68，這對該類材料作為結(jié)構(gòu)性材料使用時可能造成某些潛在的安全隱患。蠕變是指在恒溫、恒應(yīng)力作用下，材料形變隨時間推移而逐漸發(fā)展的現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)件往往會因蠕變而提前失穩(wěn)。研究蠕變不僅可以揭示聚合物的粘彈性機(jī)理，還能預(yù)測材料使用中的穩(wěn)定性及長期承載能力。本文旨在研究各種配方因素、加工工藝因素等對木塑復(fù)合材料蠕變特性的影響規(guī)律，

3、以期對提高該類材料的性能、拓展其應(yīng)用領(lǐng)域等提供參考依據(jù)。2 實驗部分2.1 試驗藥品表1 試驗藥品序號配料名稱型號規(guī)格生產(chǎn)廠家1聚丙烯K1003北京燕山石化公司2松木粉80目自制3稻糠粉80目自制4水曲柳木粉80目自制5竹粉80目自制6黃麻纖維自制7其它抗氧劑等市售2.2 試樣制備采用常州蘇研公司生產(chǎn)的S（X）M -1L-KA型密煉機(jī)，將物料按試驗配方準(zhǔn)確計量后加入密煉室，于180下密煉10min左右，待物料充分塑化并混合均勻后，直接壓制成4mm厚的板材，再裁切成標(biāo)準(zhǔn)試樣用于材料性能測試。2.3 性能測試2.3.1 試樣狀態(tài)調(diào)節(jié)參照標(biāo)準(zhǔn)：GB/T2918-1998。采用東莞市科迪儀器有限公司生

4、產(chǎn)的KD-3P-50A型恒溫恒濕試驗箱。將試樣在23、相對濕度50%下（標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境代號：23/50）放置至少24小時后，再進(jìn)行試樣尺寸和其他性能的測定。2.3.2 密度參照標(biāo)準(zhǔn)：GB1033-1986。將潔凈干燥的50ml密度瓶放在23恒溫恒濕箱中保溫至少1小時，稱取其重量計為W1；將密實無氣泡的模壓試樣剪成適當(dāng)大小后（可順利放入密度瓶并取出），稱取其重量計為W2；將試樣表面用新鮮蒸餾水充分潤時后加入密度瓶，再用新鮮蒸餾水加滿密度瓶，插上溢流毛細(xì)管，用柔軟的衛(wèi)生紙將密度瓶表面的水吸干，稱取其重量計為W3。則試樣的密度為：式中：0為蒸餾水在23時的密度。2.3.3 熔體流動速率參照標(biāo)準(zhǔn)：GB/T3

5、682-2000。采用承德市金建檢測儀器有限公司生產(chǎn)的XNR-400型熔體流動速率儀。測試條件：溫度 200，負(fù)荷 2160g，預(yù)熱 4min，切料間隔時間 30s。2.3.4 拉伸性能參照標(biāo)準(zhǔn)：GB/T1040-1992。采用深圳市瑞格爾儀器(制造)有限公司生產(chǎn)的REGER-300型微機(jī)控制電子萬能材料試驗機(jī)。測試條件：試樣尺寸（長度寬度厚度）150104mm，量程 05000N，標(biāo)距 50mm，大變形傳感器，試驗速度 20mm/min。2.3.5 彎曲性能參照標(biāo)準(zhǔn)：GB/T9341-2000。采用深圳市瑞格爾儀器(制造)有限公司生產(chǎn)的REGER-300型微機(jī)控制電子萬能材料試驗機(jī)。測試條件

6、：試樣尺寸（長度寬度厚度）80104mm，量程 05000N，跨度 64mm，絕對位移傳感器，試驗速度 2mm/min。2.3.6 沖擊性能參照標(biāo)準(zhǔn)：GB/T1043-1993。采用承德市金建檢測儀器有限公司生產(chǎn)的XJJ-5簡支梁沖擊試驗機(jī)。測試條件：試樣尺寸（長度寬度厚度）80104mm，A型銑缺口（缺口深度1mm），測試量程 01J，測試溫度 23及-20。2.3.7 熱變形溫度參照標(biāo)準(zhǔn)：GB/T1634.2-2004。采用承德市金建檢測儀器有限公司生產(chǎn)的XRW-300B型熱變形、維卡軟化點測定儀。試樣尺寸（長度寬度高度）120410mm，彎曲應(yīng)力 0.45MPa，升溫速度 12/6min

7、。2.3.8 蠕變特性采用深圳市瑞格爾儀器(制造)有限公司生產(chǎn)的REGER-300型微機(jī)控制電子萬能材料試驗機(jī)。測試條件：試樣尺寸（長度寬度厚度）80104mm，量程 05000N，跨度 64mm，絕對位移傳感器，控制模式：保載，彎曲載荷：按試樣彎曲強(qiáng)度的75%設(shè)定，試驗溫度：60，試驗時間：24h。本試驗通過測定試樣在恒定載荷作用下，達(dá)到一定彎曲應(yīng)變值（試樣厚度的1.5倍或3倍）時所耗用的時間來評價試樣耐蠕變性能的優(yōu)劣。相同條件下，時間愈長，則表示試樣的耐蠕變特性愈好。3 結(jié)果與討論3.1 木粉含量對PP基木塑復(fù)合材料蠕變特性的影響表2木粉含量對PP基木塑復(fù)合材料性能的影響樣號松木粉含量比重

8、拉伸性能彎曲性能簡支梁缺口沖擊強(qiáng)度熱變形溫度彎曲蠕變特性拉伸強(qiáng)度斷裂伸長率彎曲強(qiáng)度彎曲模量23-201.5d保載時間3d保載時間%wt.g/cm3MPa%MPaMPakJ/m2kJ/m2ssWPP-1610 0.912 29.58 50.88 39.49 1408.90 7.853 2.900 118.00 42.55 440.70 WPP-16210 0.936 25.52 5.57 39.78 1567.65 6.284 3.412 109.60 113.20 4368.10 WPP-16320 0.969 26.03 2.65 45.12 2082.83 4.999 2.934 125.

9、70 248.35 9900.00 WPP-16430 0.995 22.46 1.64 39.34 2158.61 3.278 2.468 117.30 1307.68 6730.50 WPP-16540 1.025 17.86 0.67 34.28 2291.57 2.193 1.775 127.50 1284.98 4640.00 WPP-16650 1.075 17.66 0.74 30.26 2549.88 2.079 1.897 134.70 3212.00 5378.00 WPP-16760 1.114 17.49 0.46 27.04 3120.27 1.894 1.411 1

10、34.30 2607.00 2637.00 3.1.1 結(jié)果討論3.1.2 松木粉含量對PP木塑復(fù)合材料密度的影響圖1 松木粉含量對PP木塑復(fù)合材料密度的影響由圖1可見，隨著松木粉含量的提高，PP木塑復(fù)合材料的密度逐步增大。3.1.3 松木粉含量對PP木塑復(fù)合材料拉伸性能的影響 A. 拉伸強(qiáng)度B. 斷裂伸長率圖2 松木粉含量對PP木塑復(fù)合材料拉伸性能的影響由圖2可見，隨著松木粉含量的提高，PP木塑復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度逐步降低。斷裂伸長率則出現(xiàn)急劇下降，當(dāng)在材料中添加少量（10%wt.）松木粉后，復(fù)合材料的斷裂伸長率即會出現(xiàn)急劇的下降，其后隨著松木粉含量的增加，材料的斷裂伸長率逐步下降。圖3 松木

11、粉含量對PP木塑復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀的影響（注：曲線中數(shù)字為PP木塑復(fù)合材料中松木粉的含量，%wt.）由圖3拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線來看，當(dāng)PP木塑復(fù)合材料中松木粉含量達(dá)20%wt.以上時，材料已由韌性變?yōu)榇嘈裕淅鞈?yīng)力-應(yīng)變曲線中已沒有了屈服點。3.1.4 松木粉含量對PP木塑復(fù)合材料彎曲性能的影響 A. 彎曲強(qiáng)度B. 彎曲模量圖4 松木粉含量對PP木塑復(fù)合材料彎曲性能的影響由圖4可見，隨著松木粉含量的提高，PP木塑復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度存在最大值，當(dāng)松木粉含量為20%wt左右時，材料的彎曲強(qiáng)度最大；松木粉含量繼續(xù)增大時，材料的彎曲強(qiáng)度逐步減小。而材料的彎曲模量則隨著材料中松木粉含量的增大不斷

12、增大，即材料的彎曲剛性與材料中木粉的含量成正比。3.1.5 松木粉含量對PP木塑復(fù)合材料沖擊性能的影響 圖5 松木粉含量對PP木塑復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的影響由圖5可見，隨著松木粉含量的提高，PP木塑復(fù)合材料的沖擊韌性逐步降低，其中常溫沖擊強(qiáng)度的下降幅度較大，而低溫沖擊強(qiáng)度的下降幅度較?。划?dāng)松木粉含量超過40%時，材料沖擊強(qiáng)度對溫度的敏感性減弱，即常溫沖擊強(qiáng)度與低溫沖擊強(qiáng)度的數(shù)值越來越接近，這與以往的研究結(jié)果是一致的。3.1.6 松木粉含量對PP木塑復(fù)合材料熱變形溫度的影響 圖6 松木粉含量對PP木塑復(fù)合材料熱變形溫度的影響由圖6可見，隨著松木粉含量的提高，PP木塑復(fù)合材料的熱變形溫度逐步增大。3.

13、1.7 松木粉含量對PP木塑復(fù)合材料彎曲蠕變特性的影響 圖7 松木粉含量對PP木塑復(fù)合材料彎曲蠕變特性的影響由圖7可見，與純PP相比，添加松木粉后，材料的蠕變特性得到明顯改善。且當(dāng)許用彎曲應(yīng)變極限（即規(guī)定蠕變極限）較小時（如為制品厚度的1.5倍），材料中松木粉含量為50%wt時，其耐彎曲蠕變特性最佳；而當(dāng)許用彎曲極限（即規(guī)定蠕變極限）較大時（如為制品厚度的3倍），材料中松木粉含量為20%wt時，其耐彎曲蠕變特性最佳。3.2 木粉類型對PP基木塑復(fù)合材料蠕變特性的影響表3木粉類型對PP基木塑復(fù)合材料性能的影響樣號木粉類型比重拉伸性能彎曲性能簡支梁沖擊強(qiáng)度熱變形溫度蠕變特性拉伸強(qiáng)度斷裂伸長率彎曲強(qiáng)

14、度彎曲模量23-201.5d保載時間g/cm3MPa%MPaMPakJ/m2kJ/m2sWPP-171稻糠粉1.057 15.58 3.13 28.90 2454.43 2.158 1.837 140.90 1190.35 WPP-172松木粉1.092 23.67 3.36 42.58 2799.77 2.546 1.981 146.90 4047.00 WPP-173水曲柳木粉1.079 19.05 3.20 38.08 2379.27 2.275 2.086 141.70 4468.00 WPP-174竹粉1.085 18.76 3.26 33.80 2559.77 2.049 1.69

15、2 143.60 2335.00 WPP-175黃麻纖維1.062 15.68 2.81 37.11 1877.35 11.994 8.875 135.90 354.64 注：各類木粉在PP木塑復(fù)合材料中的用量均為50%。3.2.1 木粉類型對PP木塑復(fù)合材料密度的影響圖8 木粉類型對PP木塑復(fù)合材料密度的影響由圖8可見，木粉類型不同時，PP木塑復(fù)合材料的密度有一定的差異，但差異很小。3.2.2 木粉類型對PP木塑復(fù)合材料拉伸性能的影響圖9 木粉類型對PP木塑復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響圖10 木粉類型對PP木塑復(fù)合材料斷裂伸長率的影響由圖9及圖10可見，采用松木粉制得的PP木塑復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度最

16、大，其次是水曲柳粉和竹粉；而采用稻糠和黃麻纖維制得的PP木塑復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度則較低，其中黃麻纖維可能是由于所采用的加工工藝方法無法保證黃麻纖維分散均勻引起的。另外，由圖9及圖10可見，木粉類型對PP木塑復(fù)合材料斷裂伸長率的影響較小。3.2.3 木粉類型對PP木塑復(fù)合材料彎曲性能的影響圖11 木粉類型對PP木塑復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響圖12 木粉類型對PP木塑復(fù)合材料彎曲模量的影響由圖11及圖12可見，木粉類型不同時，所得PP木塑復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量也有較為明顯的差異，其中采用松木粉制得的PP木塑復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量最大。3.2.4 木粉類型對PP木塑復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的影響圖13

17、 木粉類型對PP木塑復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的影響由圖13可見，采用各種木粉所得的PP木塑復(fù)合材料的沖擊韌性差異不大，而采用黃麻制得的PP木塑復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度則明顯要高得多（為PP/木粉復(fù)合材料的45倍）。由此可見，采用麻類纖維可能是制備高韌性PP木塑復(fù)合材料的一種很好的選擇。3.2.5 木粉類型對PP木塑復(fù)合材料熱變形溫度的影響圖14 木粉類型對PP木塑復(fù)合材料熱變形溫度的影響由圖14可見，木粉類型不同時，PP木塑復(fù)合材料的熱變形溫度有一定的差異，但差異不大。3.2.6 木粉類型對PP木塑復(fù)合材料蠕變特性的影響圖15 木粉類型對PP木塑復(fù)合材料蠕變特性的影響（1.5d保載時間）由圖15可見，木粉類

18、型不同時，PP木塑復(fù)合材料的耐蠕變特性有明顯的差異，其中采用松木粉和水曲柳粉所得的PP木塑復(fù)合材料的耐蠕變特性明顯好于其他材料。另外，由實驗結(jié)果來看，采用黃麻纖維的PP木塑復(fù)合材料的耐蠕變特性很差，達(dá)到相同彎曲蠕變量時，其保載時間僅為松木粉的1/12，這可能也是由于所采用的加工工藝方法無法保證黃麻纖維分散均勻引起的，其彎曲蠕變特性需要在改進(jìn)材料制備工藝后作進(jìn)一步深入的研究。4 結(jié)論1） 當(dāng)木粉含量增大時，PP木塑復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度等性能指標(biāo)明顯下降，而其彎曲模量、熱變形溫度則有所提高。2） 添加木粉后，材料的蠕變特性得到明顯改善。且當(dāng)許用彎曲極限（即規(guī)定蠕變極限）較小（如為

19、制品厚度的1.5倍）時，材料中木粉含量為50%wt時，其耐彎曲蠕變特性最佳；而當(dāng)許用彎曲極限（即規(guī)定蠕變極限）較大（如為制品厚度的3倍）時，材料中木粉含量為20%wt時，其耐彎曲蠕變特性最佳。3） 采用的木粉類型不同時，PP木塑復(fù)合材料的性能有較大差異，采用松木粉和水曲柳木粉制備的PP木塑復(fù)合材料的綜合性能最好，而采用黃麻纖維制備的PP木塑復(fù)合材料的沖擊韌性最好。5 參考文獻(xiàn)1 Michael P. Wolcott, Karl Englund. A technology review of wood-plastic compositesC. 33rd International Partica

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