木塑復(fù)合材料擠出成型工藝及性能的研究_李思遠(yuǎn)

1、成型加工與設(shè)備木塑復(fù)合材料擠出成型工藝及性能的研究李思遠(yuǎn),楊 偉,楊鳴波(四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院,四川成都610065摘要:研究了木塑復(fù)合材料的擠出成型工藝,以及木粉用量、相容劑對(duì)材料性能的影響。結(jié)果表明:用雙螺桿擠出機(jī)代替單螺桿擠出機(jī)擠出成型,是一種可行的方法;并解決了加料困難、木粉用量增大時(shí)燒焦以及體系分散不均勻等問題,獲得了更好的混合、塑化效果,所得木塑復(fù)合材料具有良好的加工流動(dòng)性;木粉的加入對(duì)加工流動(dòng)性的影響不大;木塑材料的拉伸強(qiáng)度隨木粉用量的增加而基本保持不變。關(guān)鍵詞:木塑復(fù)合材料;擠出成型;流動(dòng)性中圖分類號(hào):TQ325 1+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1005-5770(2

2、00311-0022-03隨著森林資源的減少,木材供應(yīng)量逐漸下降,已不能滿足人們的生產(chǎn)生活需要;同時(shí),塑料制品廢棄物的處理也日益成為一個(gè)亟待解決的環(huán)境問題。一種新型材料 木塑復(fù)合材料成為木材的理想代用品。它是利用木質(zhì)纖維填料(包括木粉、秸桿、稻殼等和塑料(廢舊熱塑性塑料為主要原料,添加加工助劑,經(jīng)過成型加工而制得的復(fù)合材料。國外在木塑復(fù)合材料方面的研究,已經(jīng)取得了巨大的成就,實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn),在人們生產(chǎn)生活中得到了非常廣泛的應(yīng)用1。而國內(nèi)在木塑復(fù)合材料方面的研究尚處在起步階段,工業(yè)化產(chǎn)品不多。國內(nèi)木塑復(fù)合材料的主要成型方法是浸漬法24、浸注法5、模壓法6、單螺桿擠出法7等;這些方法雖可以制得具

3、有一定性能的木塑復(fù)合材料,但是難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、大量的工業(yè)化生產(chǎn)。本實(shí)驗(yàn)在單螺桿擠出木塑復(fù)合材料的基礎(chǔ)上,初步實(shí)現(xiàn)了雙螺桿擠出,并對(duì)成型工藝過程及材料性能進(jìn)行了研究,為工業(yè)化生產(chǎn)奠定了一定的基礎(chǔ)。1 實(shí)驗(yàn)部分1 1 原料HDPE 粉料:5000s,大慶石化,MFR =1 8g/10min;木粉:2080目,自制;硬脂酸、石蠟:工業(yè)級(jí),市售;E VA:7350s,臺(tái)灣塑膠公司;馬來酸酐改性聚乙烯:自制。1 2 儀器設(shè)備單螺桿擠出機(jī):SJ -20A 25,上海輕機(jī)模具廠;雙螺桿擠出機(jī):TSSJ -25,晨光化工研究院塑料機(jī)械研究所;注射機(jī):PS40E5ASE,日精樹脂工業(yè)株式會(huì)社;懸梁臂沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī):U

4、J -40,河北省承德市材料實(shí)驗(yàn)機(jī)廠;缺口制樣機(jī):XQZ -1,承德市金建檢測(cè)儀器制造廠;萬能實(shí)驗(yàn)機(jī):RGT -10,深圳市瑞格爾儀器有限公司;HAAKE 轉(zhuǎn)矩流變儀:SYSTE M40,美國HaakeBuchler 公司;高速混合機(jī):GH -10D 。1 3 工藝流程木塑復(fù)合材料的工藝流程如下如下 :1 4 性能測(cè)試?yán)煨阅?按GB/T 1040-1992在室溫下進(jìn)行測(cè)試,拉伸速度為50mm/min;沖擊性能:試樣缺口半徑為2mm,制得的試樣經(jīng)過24h 的時(shí)效處理后,按GB/T 1043-1993進(jìn)行測(cè)試;加工流變性能:在HAAKE 轉(zhuǎn)矩流變儀上進(jìn)行測(cè)試,溫度180 ,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速30r/min

5、,加料量40g 。2 結(jié)果與討論2 1 木塑復(fù)合材料擠出成型工藝的選擇2 1 1 單螺桿擠出成型單螺桿擠出過程中,由于單螺桿擠出機(jī)的輸送作用主要是靠摩擦,使粉狀物料加料困難;且單螺桿擠出機(jī)排氣效果較差,物料在料筒中停留時(shí)間較長。所以,在擠出過程中,木粉用量較大時(shí),擠出物顏色變深,有木粉燒焦的味道;且熔體強(qiáng)度隨木粉用量增加迅速降低,當(dāng)木粉用量到150份后,難于進(jìn)行擠出。相對(duì)于HDPE,LDPE 的熔體粘度較低,加工流動(dòng)性更好。因此以粉料LDPE 為基體樹脂,添加100份木粉以及少量其它助劑,在單螺桿擠出機(jī)中擠出成22 塑料工業(yè)CHINA PLASTICS INDUSTRY 第31卷第11期200

6、3年11月通訊聯(lián)系人yangscu edu cn作者簡(jiǎn)介:李思遠(yuǎn),男,1978年生,碩士研究生,研究方向?yàn)槟舅軓?fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能。型并切成粒料作為母料;再與HDPE粒料簡(jiǎn)單混合后,在單螺桿擠出機(jī)上塑化熔融擠出,擠出過程中,熔體強(qiáng)度較高,能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)擠出。2 1 2 雙螺桿擠出成型采用HDPE粉料作為木塑復(fù)合材料的基體樹脂。鑒于木塑復(fù)合材料已在單螺桿擠出機(jī)上成功擠出,首先選擇木粉用量分別為30份和50份的體系在未加任何助劑的情況下用雙螺桿擠出機(jī)擠出。木粉以20目篩子過篩后,在100 下干燥處理;再與HDPE粉在室溫下混合5min。結(jié)果表明,木粉用量為30份時(shí)可以順利擠出,木粉在體系中分散較好,

7、沒有發(fā)生木粉燒焦的問題;但木粉用量為50份時(shí),擠出物顏色發(fā)黑,部分木粉被燒焦。這可能是由于雙螺桿擠出機(jī)中兩螺桿互相嚙合,剪切作用強(qiáng),且配方中無潤滑體系,因此木粉用量增大時(shí),出現(xiàn)部分木粉燒焦的現(xiàn)象。在體系中加入潤滑劑和相容劑后,擠出物表觀明顯改善,木粉用量大于50份,未出現(xiàn)木粉燒焦、擠出物變黑的情況,熔體強(qiáng)度也有一定程度的提高,能夠?qū)崿F(xiàn)順利擠出切粒;但木粉用量高達(dá)100份時(shí),在現(xiàn)有的潤滑劑和相容劑用量下,熔體流動(dòng)性明顯變差,擠出困難,木粉有燒焦變黑的現(xiàn)象。雙螺桿擠出機(jī)依靠正位移原理輸送物料,沒有壓力回流,加料容易;排氣效果好,能夠充分地排除木粉中的可揮發(fā)成分;螺桿互相嚙合,強(qiáng)烈的剪切作用使物料的

8、混合、塑化效果更好。木粉用量相對(duì)較低時(shí),物料在雙螺桿中停留時(shí)間短,不會(huì)出現(xiàn)木粉燒焦。因此,在使用粉料生產(chǎn)木塑復(fù)合材料時(shí),采用雙螺桿擠出機(jī)的加料、混合效果良好,是切實(shí)可行的。2 2 木粉用量對(duì)木塑復(fù)合材料性能的影響2 2 1 木粉用量對(duì)木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響表1 木粉用量對(duì)單螺桿擠出木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的影響Tab1 Effect of wood flour content on mechanical properties of extruded composites by single screw extruder木粉用量/份拉伸強(qiáng)度/MPa彈性模量/MPa斷裂伸長率/%沖擊強(qiáng)度/kJ

9、m-2025 07750 05315 621 343018 26923 624 624 845016 39882 23 074 19表1是使用單螺桿擠出機(jī)成型時(shí),以LDPE粉料和木粉制成的母料后與HDPE熔融共混制成的木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能。由表1可以看出,木粉的加入,使復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、沖擊強(qiáng)度迅速降低,拉伸強(qiáng)度的下降趨勢(shì)較小,而斷裂伸長率和沖 擊強(qiáng)度的下降幅度很大;但隨著木粉用量進(jìn)一步的增加,下降趨勢(shì)變緩;復(fù)合材料的彈性模量隨著木粉用量的增加先增大后降低。圖1 木粉用量對(duì)木塑復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和彈性模量的影響Fig1 Effect of wood flour content o

10、n tensile strengthand elastic modulus of composite圖2 木粉用量對(duì)木塑復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度和斷裂伸長率的影響Fig2 Effect of wood flour content on impact strength andelongation at break of composite圖1、2為木粉用量對(duì)雙螺桿擠出木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。由圖1可以看出,隨著木粉用量的增加,復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度變化不大,彈性模量則隨木粉用量的增加而增大。由圖2可看出,材料的沖擊強(qiáng)度、斷裂伸長率隨木粉用量增加而迅速下降;到木粉用量為30份后,下降趨勢(shì)減弱,不再發(fā)生明顯

11、變化。在直接使用木粉作為填料填充聚烯烴塑料時(shí),所制成的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度都會(huì)顯著降低,這是因?yàn)橛H水的木粉與疏水的熱塑性材料的界面之間不能很好的結(jié)合的緣故;此外,由于木材纖維填料具有較多的分子內(nèi)氫鍵存在,在進(jìn)行加熱混合時(shí),不容易打散,使其不能在塑料基體中均勻分散,從而影響復(fù)合材料的性能7。在使用單螺桿擠出機(jī)或壓制等其它方法制備木塑復(fù)合材料時(shí),當(dāng)木粉用量50份以上后,材料的拉伸強(qiáng)度會(huì)明顯降低;而本次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),拉伸強(qiáng)度基本不變化。其原因可能是:一方面,樹脂為粉料,更加容易與木粉混合均勻,在擠出造粒和注塑樣條時(shí),保證了填料分散的均勻性;另一方23第31卷第11期李思遠(yuǎn)等:木塑復(fù)合材料擠出成型

12、工藝及性能的研究面,雙螺桿擠出機(jī)塑化效果更好,剪切作用更強(qiáng),木粉更容易被打散,分散效果更好。但是,木粉的加入改變了樹脂基體的連續(xù)性,不利于能量的傳遞和擴(kuò)散, 使得韌性下降。圖3 木塑復(fù)合材料轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化的曲線Fi g 3 Torq ue of different content of wood flour vs time2 2 2 木粉用量對(duì)木塑復(fù)合材料流變性能的影響由于物料的成型一般都是在熔融流動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行的,所以要求被加工的物料具有適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性。流動(dòng)性過小,不利于充模,造成擠出困難;流動(dòng)性過大,不能形成足夠的擠出壓力,造成制品的強(qiáng)度缺陷,也不利于物料在擠出口模時(shí)的制品定型。木粉的加入一般

13、會(huì)使材料的流動(dòng)性能變差;材料的流動(dòng)性太差,木粉將受到較大的剪切作用力,且增加在擠出機(jī)中停留的時(shí)間,使木粉容易燒焦。而且,在擠出成型過程中,體系的流變特性對(duì)加工過程和最終制品的各種性能都有較大影響。毛細(xì)管流變儀的研究表明,木塑復(fù)合體系屬于假塑性流體8。同毛細(xì)管流變儀相比,轉(zhuǎn)矩流變儀中流變性能的測(cè)試過程更類似于實(shí)際的加工過程;因此本實(shí)驗(yàn)采用轉(zhuǎn)矩流變儀研究木粉用量對(duì)木塑復(fù)合體系流變性能的影響。圖3為其中5個(gè)配方在轉(zhuǎn)矩流變儀上轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間的變化曲線,從圖3可以看出,處于室溫的物料加入塑化室后,被壓縮于轉(zhuǎn)子四周,而混煉器需要經(jīng)過一段時(shí)間才能使物料熔化,這造成轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)困難,需要一個(gè)較大的轉(zhuǎn)矩才能使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起

14、來;開始塑化過程,從而出現(xiàn)一個(gè)加料峰9。經(jīng)過一段時(shí)間后,物料的溫度受傳熱和剪切的作用也趨于平衡,但這幾個(gè)樣的平衡扭矩略有不同。平衡轉(zhuǎn)矩反映了加工條件下物料表觀粘度的大小,間接的反映了物料的流動(dòng)性能;該值越低,表明流動(dòng)性越好。物料在混合器中受到剪切、混煉作用,其工作能量的高低是材料加工性能的直接反映,可以用熱穩(wěn)定性測(cè)試曲線下的積分面積表征整個(gè)加工過程的能耗。表2中列出了試樣的流變性能特征參數(shù)。表2 木粉用量對(duì)木塑復(fù)合材料流變性能的影響Tab 2 Effect of wood flour content on rheologicalproperty of composi te木粉用量/份最大轉(zhuǎn)矩/

15、N m平衡轉(zhuǎn)矩/N m加工能耗E042 259 3397 31032 638 1381 82028 188 7584 330-8 58-4024 59 5887 05030 8810 37101 8表2是木粉用量對(duì)雙螺桿擠出的木塑復(fù)合材料流變性能的影響。從表2可以看出,在加入1030份木粉后,轉(zhuǎn)矩值不僅沒有升高,反而有一定下降;木粉用量增加到40份以后,轉(zhuǎn)矩值才隨著木粉用量增加而升高。加工能耗的變化與平衡轉(zhuǎn)矩所反映的現(xiàn)象基本吻合。在擠出實(shí)驗(yàn)及注塑樣條時(shí)也可以看出,木塑復(fù)合材料的流動(dòng)性變化不是很大,具有良好的成型加工性。3 結(jié)論1用雙螺桿擠出機(jī)代替單螺桿擠出機(jī)擠出成型,塑化效果更好,剪切作用更強(qiáng)

16、,木粉更容易被打散,分散效果更好,是一種可行的方法,解決了加料困難、木粉用量增大時(shí)燒焦以及體系分散不均勻等問題。2樹脂為粉料時(shí)和木粉混合更容易,隨木粉用量的增加,木塑復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度基本保持不變,彈性模量先增加后下降,而韌性有一定的下降。3木塑材料具有良好的加工流動(dòng)性,木粉的用量對(duì)加工流動(dòng)性的影響不是很突出,在木粉用量低于40份時(shí),還出現(xiàn)流動(dòng)性更好的現(xiàn)象。參考文獻(xiàn)1 涂平淘 化學(xué)建材,2001,(7:102 唐輝,徐興偉 中國塑料,1999,13(7:633 任重遠(yuǎn),李邦 復(fù)合材料學(xué)報(bào),1994,11(3:74 岳翠銀 林業(yè)科技,1999,24(4:405 陳文達(dá),周亞光 中國木材,1993

17、,(5:256 楊慶賢 復(fù)合材料學(xué)報(bào),1994,11(4:97 秦特夫 世界林業(yè)研究,1998,3:468 薛平,張明珠,何亞東等 中國塑料,2001,15(8:539 楊偉,楊鳴波,于慶順等 中國塑料,2001,15(10:4310 李忠明,楊鳴波,馮建民等 塑料工業(yè),2000,28(4:9(本文于2003-07-24收到(下轉(zhuǎn)第32頁模后變形很小;同時(shí)由于內(nèi)應(yīng)力很小,在使用時(shí),經(jīng)過波峰焊爐后的二次塑變能控制在滿意的范圍內(nèi)。2 2 入水口設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品變形的影響 對(duì)于玻璃纖維增強(qiáng)的工程塑料,其注塑時(shí)的流動(dòng)方向?qū)⒂绊懫淅w維的排列方向,在順纖維方向上冷卻變形較小,而在垂直于纖維方向上冷卻變形則大很多

18、。在開始的設(shè)計(jì)中,采用了常用的點(diǎn)澆口,由于纖維是發(fā)散分布,在冷卻過程中,產(chǎn)生較大的變形且很難控制;經(jīng)分析后將其改為側(cè)澆口,加大入水面積,使纖維分布向一個(gè)方向,從而減小扭曲變形;再通過調(diào)整模具尺寸,補(bǔ)償垂直于纖維方向上的收縮變形。2 3注塑速度對(duì)產(chǎn)品變形的影響 圖3 模塊電源焊裝于PCB 板上示意圖Fi g 3 Power module on PCB在選定了冷模注塑方式進(jìn)行注塑后,注塑速度對(duì)產(chǎn)品變形的影響也是不可忽視的。由于在塑料進(jìn)入模具的過程中,冷卻也在進(jìn)行中;如果注塑時(shí)間長,將造成成型過程中產(chǎn)品的溫差加大,從而產(chǎn)生不均勻收縮的現(xiàn)象,使得產(chǎn)品變形增加。針對(duì)這個(gè)問題,我們采取了增加入水口面積,同

19、時(shí)在模具上增加排氣的措施,以提高注塑的速度。通過改進(jìn)模具,將點(diǎn)澆口改為側(cè)澆口并加大入水面積(如圖2、4所示,并增加模具的排氣量,產(chǎn)品經(jīng)過波峰焊爐的二次高溫(190 后,依然保持平整,達(dá)到了滿意的效果。圖4 側(cè)澆口成型的電源蓋板示意圖Fig 4 Fan gate3 結(jié)論在使用結(jié)晶性耐高溫玻纖增強(qiáng)熱塑性工程塑料時(shí),盡量不將產(chǎn)品設(shè)計(jì)成較大平面的薄壁形狀;如必須采用這樣的形狀,需在模具設(shè)計(jì)時(shí)考慮選擇較大的入水口,多加排氣孔,在注塑時(shí)應(yīng)采用冷?？焖僮⑺艹尚?以盡量減少內(nèi)應(yīng)力,使其在一次注塑后冷卻過程中不產(chǎn)生變形,而在高溫使用條件下又不出現(xiàn)較大的二次扭曲變形。參考文獻(xiàn)1 羅河勝 塑料材料手冊(cè) 廣州:廣東科

20、技出版社,1988 32 丁聞 實(shí)用塑料成型模具設(shè)計(jì)手冊(cè) 注射模、壓縮模和壓注模 西安:西安交通大學(xué)出版社,1993 123 村上宗雄 最新塑料模具手冊(cè) 注塑成型模具設(shè)計(jì)、加工、處理、應(yīng)用實(shí)例 王旭,黃偉民 上海:上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,1985 11(本文于2003-08-05收到Study of Moulding Technology for Shell of Power ModuleLI Yi,DOU An -ping(College of Machinery and Electronics,Suzhou Universi ty,Suzhou 215006,ChinaAbstract:T

21、he reason for the serious warpage of PBT power module at 190 of wave welding oven was studied Based on the analysis of the reason,molding technology and plastics performance,methods to prevent the module from warpage areobtainedKeywords:PB T;Power Module;Injection Molding Technology;Mould(上接第24頁Research on Extrusion Processing and Property of Wood -plastics C ompositeLI S-i yuan,YANG Wei,YANG Ming -bo(College of Polymer Materials