木塑复合材性能

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1、木塑复合材料的性能木纤维和植物纤维最初作为低成本、提高塑料刚性的改性填充材料，WPC可充分利用 资源，而且可回收利用，而材料能否回收利用已成为工业界选材的重要考虑因素，因而前景 看好。WPC与木材相比，它同向性、耐候性和尺寸稳定性好，产品不怕虫蛀、不生真菌、 不易吸水和变形，机械性能好，更耐用，具有坚硬、强韧、耐久、耐磨等优点。加上应用各 种添加剂，又赋予了木塑复合材料各种特殊性能;与塑料相比，它适用于各种木材加工方式， 表面易于装饰，可以印刷、油漆、喷涂、覆膜等处理，环保性能好，可生产各种颜色整体木 纹产品及单色产品。WPC具有使用寿命长、美观、可再生、成木低、防虫、防腐、抗滑、可喷涂、比纯

2、塑 料产品的硬度高。可与木材一样进行加工、粘接和固定等优点戴芳纳，赵伟，由婷，陈国 柱，孙思修.无机阻燃剂的应用进展.精细与专用化学品，2007，15（2）:5 一 1其主要特点可归 结如下：（1）耐用、寿命长，有类似木质外观，比塑料硬度高；（2）具有优良的物性，比木 材尺寸稳定性好，不会产生裂缝、翘曲、无木材节疤、斜纹，加入着色剂、覆膜或复合表层 可制成色彩绚丽的各种制品；（3）具有热塑性塑料的加工性，容易成型，用一般塑料加工设 备或稍加改造后便可进行成型加工，加工设备新投入资金少，便于推广应用；（4）有类似木 材的二次加工性，可切割、粘接，用钉子或螺栓连接固定，可涂漆，产品规格形状可根据用

3、 户要求调整，灵活性大；（5）不怕虫蛀、耐老化、耐腐蚀、吸水性小，不会吸湿变形；（6） 能重复使用和回收再利用，环境友好；（7）维修费用低。缺点是韧性低于塑料母体树脂，加 工设备、下游装置、模具均需作相应调整和改造李大纲，周敏，许小君，木塑复合材料的 产品性能及其应用前景叮）.机电信息，2004，10（5）:47 一 49。1 WPC的基本物理力学性能1.1 WPC的拉伸、压缩强度及模量木塑复合材料的拉伸、压缩强度及模量不是复合材料性能表征所要求的标准参数，也不 在ICC-ES验收标准或其他要求范围内，因此，在此仅对这些性能做简要的介绍。在拉伸测试中，时间段不被夹紧，接着被拉断。选择“狗骨型”

4、试件是为了尽可能减少 试件在夹具（钳口）处或其附近断裂的情况。在ASTM D638 “塑料拉伸性能的测试方法” 中试件的具体形状进行了描述。简言之，通常拉伸测试读出的是试件的拉伸断裂伸长率，代 表试件的伸展或延伸。拉伸断裂伸长率通常用相对于标距拉伸的百分比来表示。标距是狗骨 型试件中间部分两个基准点间的距离。换言之，拉伸断裂伸长率等于拉伸应变乘以100。在 压缩测试中，通常将试件加工成长度是宽度两倍的直立棱柱，然后进行压缩试验。1.2木粉填充量对WPC性能的影响木粉含量与复合材料的力学性能的关系如图1.1，1.2, 1.3, 1.4, 1.5所示。可以看出， 随着木粉含量的增加，弯曲强度，弯曲

5、模量，密度增加；冲击强度，拉伸强度，断裂伸长率 减小。这是因为木粉的主要成分纤维素和木质素是属于刚性大分子，使得材料的刚性增加， 韧性下降。80g(EVA-g-MAH)1.2木粉含量与拉伸强度的关系七、接照*050607080木粉百分比含量1木粉含量与弯曲强度的关系图1.4木粉含量与弯曲模量的关系图1.3木粉含量与冲击强度的关系图木粉百分比含量图1.5木粉含量与密度的关系从上面的图形中可以看出，木粉对树脂具有一定的增强效果，随着木粉含量的增加，弯 曲强度和弯曲模量也随之增大，这说明了木粉对复合材料有一定的增强效果，但是随着木粉 含量的增加，拉伸强度与冲击强度却随之降低，这可能是由于随着木粉含量

6、的增加，木粉团 聚的效果更加明显，木粉与树脂界面更加清晰，当复合材料受到拉伸和冲击之后，在界面处 容易形成应力集中点，所以冲击强度与拉伸强度随着木粉含量的增加而随之降低。伸长率也 随之降低。而密度却随木粉含量增加而增大。1.3木塑复合材料密度对WPC性能的影响就木塑复合材料而言，不能过于看重密度的重要性。这里所说的“密度”并非不同WPC 的绝对密度，而是与相同WPC材料可能的最高密度相比较低的密度，它是由各组分的密度 所决定的。以Trex铺板板材为例，它是由质量分数为50%的聚乙烯（LDPE/LLDPE/或 HDPE）和 50%的木粉组成的，其中LDPE/LLDPE的密度是0.925g/cm3

7、，HDPE的密度是0.96 g/cm3， 木粉的密度是1.30 g/cm3。在自然压实状态下，这两种组分决定了复合材料的密度， LDPE/LLDPE基Trex板材的密度是1.08 g/cm3, HDPE基Trex板材的密度是1.10 g/cm3。据 报道，Trex的实际密度是0.910.95 g/cm3。因此，Trex复合材料14%21%的体积是空洞和 孔隙。（1）密度对弯曲强度和模量的影响密度越低，弯曲强度和弯曲模量就越低。一般来说，密度与弯曲强度和弹性模量有一定 的相关性，对于许多其他材料，这种相关性与孔隙率无关。此外，木塑复合材料中的矿物质 填料增加了最终产品的密度，同时也提高了其弯曲模

8、量。（2）密度对含水率和吸水性的影响密度越高，木塑复合材料板材的含水率显然就越低，板材的吸水率越低，膨胀和翘曲越 小，微生物污染和微生物降解也越少。对于最致密的GeoDeck铺板板材（比重为1.241.25 g/cm3），含水率约为0.4%0.5%（磨 刷的板材。对于密度非常低的GeoDeck板材（比重为1.10 g/cm3），含水率约为1.7%。一般而言，复合材料的吸水率取决于其孔隙率、纤维素纤维的含量及对所吸收水分的利 用性。由于木塑复合材料中的木纤维暴露在空隙中，会增加木塑复合材料的吸水率。（3）密度对收缩率的影响通过对GeoDeck铺板板材、栏杆支柱等制品的收缩率的研究发现，密度越低，

9、收缩率 越高。表1.1列出了一个例子，显示的由GeoDeck复合材料支柱得出的数据。支柱的制备采 用了有排气和无排气的工业挤出机，湿的或干的颗粒料以及各种挤出速度。通过改变条件， 生产出不同密度的支柱。表1.1GeoDeck栏杆支柱的密度（比重）对收缩率的影响。材料生产24h后在烘箱中200F下暴露4h,测量收缩率。比重/（g/cm3）收缩率/%1.030.591.050.361.080.281.160.231.240.20（4）密度对摩擦系数（滑移系数）的影响关于木塑复合材料密度对滑移系数影响没有可用数据。众所周知，密度较低的聚乙烯比 密度较高的聚乙烯具有更好的防滑性。换言之，高密度聚乙烯的

10、特点是摩擦系数低，密度（比 重）越高，静态（以及动态）摩擦系数越低。当聚乙烯密度为0.915 g/cm3时，摩擦系数等 于0.50；密度为0.932 g/cm3时，摩擦系数等于0.30；密度为0.965 g/cm3时，摩擦系数等于 0.10R. B. Bird, R. C. Armstrong, and, O. Hassager. Dynamics of Polymeric Liquids, Vol. 1. 2nd edition, John Wiley & Sons, Inc, New York, 1987, p. 171。控制聚乙烯摩擦系数的主要因素是它的分子特征，主要包括其相对分子量及其

11、分布（数 均、重均和黏均相对分子质量）和结晶度即支化程度。这进而又影响聚合物表面和它接触的 任何物体之间的分子相互作用。一般来说，聚乙烯的摩擦系数随相对分子质量和支化程度的 增加而增加，这也导致密度（比重）下降。通常，低密度聚乙烯具有较低的密度，因此由它制造的复合材料铺板板材比由高密度聚 乙烯制造的复合材料铺板板材具有更高的摩擦系数。看来提高原料塑料的摩擦系数可能是增强木塑复合材料板材摩擦力的最简单方法，以高 密度聚乙烯为例，可将其更换为低密度塑料和更，有弹性的”高密度聚乙烯。不过，这可能会 导致组分在挤出机中的流动性出现问题，影响材料的最终强度，尤其是弯曲模量，更确切地 说会影响挠度、蠕变、

12、以及其他性质。从塑料方面着手始终是权衡各方面利益和优化配方的 重要方法。总的来说，若最终材料已经获得了较高的摩擦系数，其他性能即使基本不变或在 规定的范围内变化，这就可以认为是成功了。2 WPC的蠕变性能木塑复合材料的抗蠕变变形性较差，作为结构材料使用时，受长期载荷作用而产生的蠕 变不容忽视，结构往往因蠕变而提前失稳，承载力下降，甚至破坏，造成现有的木塑复合材 料大多只应用于非结构用材领域。在美国的ASTM标准中，木塑复合材料的蠕变是一项非 常重要的检测项目，而国内还没有建立相关的技术标准董智贤聚丙烯木塑复合材料蠕变 行为的模拟与预测J.高分子材料科学与工程，2010，26(5) : 89-9

13、2.，同时有关木塑复 合材料蠕变方面的研究也相对较少。WPC蠕变性能的影响因素在实际使用过程中，木塑复合材料制品经常要服役于高温、长期载荷等工作环境中， 易受到各种环境因素的影响，诸如热、光、氧、臭氧等，这些环境因素均能降低材料的强度 傅政.高分子材料强度及破坏行为M.北京：化学工业出版社，2004。研究这些情况下 木塑复合材料的蠕变行为，可以改善木塑复合材料的性能，对木塑复合材料的实际使用也具 有指导意义。(1) 温度木塑复合材料多采用热塑性树脂与木粉复合而得，温度是热塑性树脂形变的重要影响因 素之一，随着温度的增加，材料内摩擦减少，分子热运动剧烈，从而导致材料塑性增加。抗 弯性能降低。因此

14、，某些情况下木塑复合材料细微的温度变化就能引起显著的蠕变变形。各 种材料在室温下的蠕变现象很不相同，了解这一系列的差别对实际应用十分重要。(2) 应力和加载方式木塑复合材料常常被制成结构型材在不同的场合和环境中使用，用作承力或次承力结构 时，要求它质量轻，强度和刚度高，具有较高的尺寸稳定性，能够承受一定的载荷。因而 研究不同应力及加载方式对木塑复合材料蠕变性能的影响就极为重要。董智贤董智贤.聚丙烯木塑复合材料蠕变行为的模拟与预测J.高分子材料科学与 工程，2010，26 (5) :89-96通过三点弯曲蠕变试验，研究了聚丙烯木塑复合材在23C左 右的室内环境中、五种应力水平下的短期蠕变行为。此

15、条件下该复合材料的弯曲蠕变行为具 有明显的应力相关性及非线性，蠕变速率随加载应力水平的增加而增加。应力增大与温度升 高对材料蠕变行为的影响类似。在不考虑温度、材料老化和损伤等因素的前提下，依据时间 一温度一应力等效原理，通过四元件模型可以预测该材料在5MPa应力作用下约3年内的弯 曲蠕变变形情况。田先玲等田先玲，李大刚，蒋永涛，等.不同加载方式下木塑复合材料蠕变性能的 研究J.塑料工业，2008， 36(10) :43-46在20C条件下，采用不同的加载方式对木塑 复合材料的蠕变性能进行研究得出，该材料在承受低于30%应力水平时的抗蠕变性能较好； 承受高于30%应力水平时的抗蠕变性能较差，材料

16、极易发生形变，甚至在短时间内断裂。 在试验开始初期，载荷作用的时间很短时，纯蠕变、疲*蠕变交互作用、纯疲劳三种不同 的损伤失效形式对木塑复合材料弯曲形变增长率的影响不大。在试验进行到中后期，疲劳一 蠕变的交互作用开始显现。随着最大应力保持时间的增加，材料产生的应变增长率也在逐渐 增加;纯蠕变产生的应变增长率疲劳-蠕变交互作用40s产生的应变增长率疲劳-蠕变交 互作用20s产生的应变增长率纯疲劳产生的应变增长率。（3）湿度水分在木材内起增塑剂的作用，含水量增加会使蠕变柔量增加，松弛模量减小。水分进 入木材组织后，能破坏组织内的氢键结构，屏蔽大分子间的相互作用力，从而增加了大分子 的柔顺性，使得链段易于运动。实验证实，对于木塑复合材料来说，木材含水量增加，蠕变 速率也将增