木塑复合材料力学性能的影响因素探讨

摘 要：木塑复合材料的加工过程较为复杂，所以材料的力学性能会受到多个因素的影响。而适当的进行加工因素的控制，则能够确保木塑复合材料的力学性能。因此，基于这种认识，该文首先从加工工艺和加工材料两个方面对木塑复合材料的加工问题进行了分析，同时也对材料的力学性能测试方法进行了探讨。而在此基础上，该文主要对塑料种类、木粉粒径与填量、偶联剂种类与用量以及剂种类这几种影响木塑复合材料力学性能的因素进行了分析。

关键词：木塑复合材料 力学性能 影响因素 探讨

中图分类号：TQ325 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（a）-0064-02

木塑复合材料具有较好的稳定性、抗腐蚀性和强度。而该种材料的使用，则能够为缓解世界森林资源贫乏做出一定的贡献。所以，在一定程度上，该材料得到了人们的重视。但就目前来看，木塑复合材料的力学性能将受到多种因素的影响，继而限制了该种材料的应用和发展。而研究木塑复合材料力学性能的影响因素，则可以为木塑复合材料的加工工艺的优化提供一定指导。因此，相关人员有必要进行该问题的研究，以便促进木塑复合材料的应用和发展。

1 木塑复合材料的加工概述

1.1 加工工艺

就目前来看，木塑复合材料的加工工艺主要有三种，即挤出成型工艺、压制成型工艺和注射成型工艺。其中，挤出成型工艺得到了广泛的应用，是较为重要的木塑复合材料加工方法。利用该种工艺，可以连续进行性能均一的木塑复合材料的生产，并且方法本身具有消耗低、产出高的优点，可以进行各类板材的生产。具体在进行材料加工时，则需要将木塑混合颗粒加入到机筒，并利用螺杆的连续旋转摩擦和机筒加热将颗粒流化，并最终使材料从机头挤出成型。

压制成型工艺是较为传统的聚合物加工工艺，也可以用于进行木塑复合材料的生产。在加工的过程中，需要将一定量的预混料传送至模具，并利用压力将物料从固态转化成粘流态，以便进行木塑制品的压制。而利用该种工艺进行加工的方式主要有两种，即冷料热压和热料冷压[1]。从加工特点上来看，该种工艺操作简便，并且能够解决挤出成型的密度小、强度低、刚性差等问题，所以可以用来进行板材的加工。但是，该工艺同时也具有生产周期长和生产效率较低的缺点。

注射成型工艺是较为成熟和经济的加工工艺，但是只能用于进行结构简单的制品的生产。在加工的过程中，需要将干燥的木质纤维和改性塑料高速混合，并将原料加热至固化状态，继而通过磨具进行木塑复合材料的加工。而该种工艺虽然操作简单，但是却对加工设备有着一定的要求。

1.2 加工材料

就目前来看，木塑复合材料的加工原料主要有四种，即植物纤维、热塑性塑料、偶联剂和添加剂。其中，添加剂的使用，将有助于改进木塑复合材料的加工条件，并进行木塑复合材料的性能的提升。就实际情况而言，在加工原料组分不同的情况下，木塑复合材料的力学性能也将不同。在日常的加工生产中，较为常见的植物纤维材料为木粉。而塑性塑料、偶联剂和添加剂的种类较多，需要根据加工的实际需要来决定[2]。但是，使用不同种类的塑料、偶联剂和添加剂，则会得到具有不同力学性能的木塑复合材料。而需要注意的是，在进行木塑复合材料加工之前，首先需要对木粉进行处理。具体来讲，就是进行木粉的筛选，并完成木粉的干燥。而之所以需要进行木粉的筛选，主要是因为一旦存在木粉粒径大小不一的现象，将对加工的木塑复合材料的均匀性产生一定的影响，继而影响到材料的各方面性能。此外，木粉具有较强的亲水性，容易在与塑料混合中出现结团，并影响到木塑复合材料的性能。因此，需要预先对木粉进行干燥，以便确保材料的性能。

2 木塑复合材料力学性能测试方法

2.1 拉伸强度测试法

拉伸强度是木塑复合材料的重要力学性能，需要采取相应的方法进行该性能的测试。首先，需要制作一定尺寸的试件，并将试件夹紧在试验机的活动夹头中。而在此基础上，则需要使试件中心通过试验机活动夹具轴线。此外，则需要进行试验机加载移动速度的设定，并以等速进行试件的加载[3]。而直至试件破坏，则可以进行最大破坏载荷的记录，并进行拉伸强度的计算。

2.2 弯曲强度测试

弯曲强度是较为重要的力学性能。在进行材料的弯曲强度测试时，首先需要进行具有统一尺寸的试件的制作。而在此基础上，则可以利用试验机对试件加载直至破坏，并进行试件最大破坏载荷的记录，以便进行材料弯曲强度的计算。

2.3 无损检测法

在进行木塑复合材料的力学性能检测时，除了使用破坏性的检测方法，还可以使用无损检测法进行材料的弹性模量、静曲强度等多种力学性能的检测。就目前来看，常用的木塑复合材料的无损检测法有超声波检测、微波检测、射线检测、机械应力检测和冲击应力检测等等[4]。其中，超声检测即利用超声波进行材料密度的检测，并利用密度和超声波传播速度进行材料弹性模量的计算。微波检测则可以用来进行材料含水率的检测，而射线检测则可以进行材料内部连续性的检测。而在进行机械应力检测时，则需要在试样上加载荷来进行测试，以便进行材料弹性模量和静曲强度的计算。此外，冲击应力检测是利用冲击波进行材料产生的应力波的检测，并利用被测材料速度和密度进行弹性模量、静曲强度和内结合强度的计算。

3 木塑复合材料力学性能的影响因素

3.1 塑料种类

在进行木塑复合材料加工时，采用不同的塑料种类加工而成的木塑复合材料的力学性能显然不同。以低密度聚乙烯、聚丙烯、高密度聚乙烯三种塑料材料为例，采用重量比为塑料基质40份、木粉20份、硅烷2份的配方进行木塑复合材料的加工。对加工出来的材料进行测试可以发现，利用高密度聚乙烯和聚丙烯制成的材料的性能要明显好于利用低密度聚乙烯制成的材料。一方面，从材料刚性角度来看，采用高密度聚乙烯和采用聚丙烯制成的复合材料刚性没有明显差异，但是却要明显高于采用低密度聚乙烯制成的材料的刚性。而从抗弯曲破坏能力和内结合强度角度来看，采用高密度聚乙烯制成的木塑复合材料性能显然较高。所以，综合来看，相较于其他两种材料，利用高密度聚乙烯材料进行木塑复合材料的制作，显然能使材料具有更好的力学性能[5]。而之所以会产生这种现象，主要是因为高密度聚乙烯材料的密度要高于低密度聚乙烯材料，所以强度也相对较高。同时，高密度聚乙烯材料的熔点要稍低于聚丙烯材料。所以，在进行板材热压的过程中，该材料能够得到充分的熔化，继而具有较高的流动性。而这样一来，高密度聚乙烯材料将与木粉进行更好的融合，两相界面的粘合性也将更好，继而使木塑复合材料具有较好的力学性能。此外，由于聚丙烯材料具有较好的导热率，所以其在塑料熔化过程的流动性和熔融效果较差，继而影响了材料的性能。

3.2 木粉粒径与填量

在进行木塑复合材料加工时，木粉的粒径与填量显然会对材料的力学性能产生影响。一方面，随着木粉粒径的逐渐变小，木塑复合材料的拉伸强度将呈现出先上升后下降的趋势。而这是因为，在粒径较小的情况下，木粉与其它材料将得到更好的融合，材料的拉伸强度也将得到提升。而随着木粉粒径的逐渐变小，木粉与其它材料的接触面积则会逐渐增大。在这种情况下，木粉与基体的结合力会逐渐增大，而大颗粒引起的应力集中和产生缺陷可能性则会变小，继而使材料的拉伸性能得到改进[6]。但是，在木粉粒径减小到一定程度后，材料的拉伸强度会逐渐下降。而这一现象的出现，主要是因为木粉的长径随着粒径减小而减小，继而使木粉颗粒的表面粗糙度减小，继而不利于材料力学性能的提升。因此，在进行木塑复合材料加工时，应该使木粉粒径适中。

除了木粉粒径因素，木粉的添加量也会对木塑复合材料的力学性质产生一定的影响。在木粉填量较少时，由于木粉成呈“海岛”状分布，所以难以产生应力集中。在木粉与木粉距离较大的情况下，受到木粉刚性受阻的问题的影响，复合材料会产生少量伸长和局部微量断裂现象，继而使材料拉伸强度下降。而在木粉含量足够多的情况下，木粉与木粉之间则会出现缠绕，继而使木塑复合材料拉伸强度提高[7]。但是，在木粉填量持续增加的情况下，木塑复合材料的拉伸强度将逐渐趋于平稳，继而较少受到木粉填量的影响。

3.3 偶联剂种类与用量

在进行木塑复合材料加工时，会进行偶联剂的使用。而偶联剂的种类与用量，则会对木塑复合材料的力学性能产生一定的影响。在研究偶联剂种类对木塑复合材料力学性能的影响方面，可以以铝酸酯、硅烷两类偶联剂为例。相较于加入铝酸酯的木塑复合材料，加入硅烷偶联剂的木塑复合材料的力学性能明显较高。因为，铝酸酯是一种固态的偶联剂，需要经过加热融化才能使用。而铝酸酯在冷却凝固后会出现塑料团聚的问题，继而影响到材料热压时的流动性，并降低木塑复合材料的力学性能[8]。而硅烷类耦合剂为液态，具有更好的流动性，可以进行木塑复合材料的性能的提升。

在加工木塑复合材料的过程中，同一种偶联剂的添加量不同，加工制成的木塑复合材料则有着不同的力学性能。首先，相较于不添加偶联剂的木塑复合材料，添加偶联剂的材料显然具有更好的力学性能。在1%到3%的范围内，硅烷偶联剂的添加量最高时，复合材料的弯曲强度、冲击强度和抗拉强度最高。但是，在超出3%的限量后，木塑复合材料的力学性能并没有随着偶联剂使用量的增加而增加。而这是因为，在偶联剂用量过少的情况下，填料表面不能得到完全包覆，所以木塑复合材料的性能不能得到明显提高。而一旦偶联剂使用量过多，则会在填料表面形成多分子层，继而不利于填料的结合，并影响到木塑复合材料的性能。

3.4 剂种类

在加工木塑复合材料的过程中，材料的加工会存在两种摩擦，即内摩擦和外摩擦。其中，内摩擦是由熔融聚合物分子间的摩擦造成的，会影响到聚合物的熔融，并降低材料的流动性，继而导致木塑复合材料的性能受到影响。而外摩擦则是由聚合物熔体与机械壁间的摩擦造成的，会使聚合物黏贴在附属设备或其他材料表面，继而影响材料的性能。所以，在进行木塑复合材料加工时，需要添加内剂和外剂这两种添加剂。一方面，进行内剂的添加，将使木塑复合材料的弯曲强度、拉伸强度得到明显提升。而相较于硬脂酸，硬脂酸锌类的内剂显然可以使木塑复合材料具有更好的性能[9]。所以，内剂的种类的选择，将对木塑复合材料的力学性能产生一定的影响；另一方面，进行外剂的添加，将使木塑复合材料的力学性能得到提升。但是，加入石蜡的木塑复合材料的弯曲强度和弹性模量要好于加入PE蜡的木塑复合材料。所以，外剂的种类的选择，也将对木塑复合材料的力学性能产生一定的影响。

4 结论

总而言之，影响木塑复合材料力学性能的因素有很多，主要包含了塑料种类、木粉粒径与填量、偶联剂种类与用量以及剂种类这几种因素。从研究来看，想要使木塑复合材料具有较好的抗弯曲破坏能力和内结合强度，就要使用密度高、熔点低的塑料。想要使材料具有较好的拉伸强度，则要使木粉粒径大小保持适中，并添加适量的木粉。而想要使材料具有较好的弯曲强度、冲击强度和抗拉强度，则要合理进行偶联剂种类的选择，并控制好偶联剂用量。此外，为了提升木塑复合材料的弯曲强度和弹性模量，则需要合理进行内外剂的选择。

参考文献

[1] 刘婷，陆绍荣，王一靓，等.碱处理对SF/聚丙烯聚丙烯木塑复合材料力学性能的影响[J].化工新型材料，2010，15（38）：118-120.

[2] 杨伟军.温度对聚烯烃木塑复合材料力学与蠕变性能的影响[D].哈尔滨：东北林业大学，2013.

[3] 潘明珠，梅长彤.纳米SiO2-A聚丙烯聚丙烯对木塑复合材料界面特性及力学性能的影[J].北京林业大学学报，2013，15（35）：117-122.

[4] 李珊珊，吕群，周文君.A聚丙烯聚丙烯对聚丙烯E基木塑复合材料力学性能的影响[J].塑料，2011，13（40）：26-38.

[5] 王晓钦.聚丙烯基木塑复合材料流变及力学性能的研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2013.

[6] 于F，何春霞，刘军军.不同表面处理麦秸秆对木塑复合材料性能的影响[J].农业工程学报，2012，19（28）：171-177.

[7] 宋丽贤，张平，姚妮娜.木粉粒径和填量对木塑复合材料力学性能影响研究[J].功能材料，2013，17（44）：451-454.

[8] 蔡培鑫.聚丙烯聚丙烯木塑复合材料性能及其影响因素的研究[D].杭州：杭州师范大学，2012.

[9] 岑兰.腰果酚缩水甘油醚共聚物的合成及其对木塑复合材料结构和性能的影响[D].广州：广东工业大学，2014.