陳廣輝 ，武 軻 ，楊亞峰 ，李江曉 ，楊紅旗 ，2

（1. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450002；2. 中國林業(yè)科學(xué)研究院 木材工業(yè)研究所，北京 100091）

DMA在木質(zhì)復(fù)合材料研究中的應(yīng)用及展望

陳廣輝1，武 軻1，楊亞峰1，李江曉1，楊紅旗1，2

（1. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450002；2. 中國林業(yè)科學(xué)研究院 木材工業(yè)研究所，北京 100091）

介紹了動態(tài)熱機械分析的基本原理，對動態(tài)熱機械分析（DMA）技術(shù)在木質(zhì)復(fù)合材料改性、制造工藝等研究中的應(yīng)用進行了概括，并對動態(tài)熱機械分析技術(shù)在木質(zhì)復(fù)合材料研究中的發(fā)展方向進行了展望。

動態(tài)熱機械分析；木質(zhì)復(fù)合材料；力學(xué)性能

傳統(tǒng)的力學(xué)測試方法多數(shù)是在靜態(tài)下進行的，但是木質(zhì)復(fù)合材料在許多實際應(yīng)用中常常受到的是動態(tài)交變載荷的作用。木質(zhì)材料屬高分子材料[1]，具有彈性固體和粘性流體的特征。當木質(zhì)材料或木質(zhì)復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)材料使用時，需要足夠彈性保持其形狀的穩(wěn)定性；作為減振或隔音材料使用時，需具有一定的粘性。前者要求材料在使用頻率和溫度范圍內(nèi)有較高的儲能模量，后者要求在使用頻率和溫度范圍內(nèi)有較高的阻尼。膠粘劑是木質(zhì)復(fù)合材料的靈魂，它的固化性能直接影響到木質(zhì)復(fù)合材料生產(chǎn)的工藝、理化性能等，因此，探討木質(zhì)復(fù)合材料的動態(tài)熱機械分析參數(shù)具有重要的理論價值和實際意義。

1 動態(tài)熱機械分析(DMA)的基本原理

動態(tài)熱機械分析(DMA)，即通過給出隨溫度或時間變化時材料的模量(彈性模量和黏性模量)或黏度，得到材料黏彈性特征的一系列參數(shù)。通過DMA測定當材料受到周期性應(yīng)力時的機械反應(yīng)，

從而確定材料的粘彈性及流變性能。在施加交變應(yīng)力時，DMA可同時考察溫度、施力狀況和頻率對材料性能的影響。通過DMA測試，能對多種工況下材料的短、長期力學(xué)性進行評估[2-5]。DMA可以在高分子材料方面的得到廣泛的應(yīng)用[6]。

2 動態(tài)熱機械分析在木質(zhì)復(fù)合材料研究中的應(yīng)用

木質(zhì)復(fù)合材料是國內(nèi)外研究者研究的熱點，在復(fù)合材料的改性、制造工藝等方面已經(jīng)取得了突破[7-9]。DMA在程序控制溫度下，可測量物質(zhì)在振動負荷下的動態(tài)模量或力學(xué)損耗與溫度的關(guān)系，評價材料的耐熱性與耐寒性，以及材料結(jié)構(gòu)總的力學(xué)行為，研究共混高聚物的相容性、高分子運動機理等。測試結(jié)果能為高分子材料的結(jié)構(gòu)、分子運動及其轉(zhuǎn)變等的研究提供依據(jù)，探討相互之間的關(guān)系，以期為制造高質(zhì)量的木質(zhì)復(fù)合材料和擴大其使用范圍提供理論參考[10]。

2.1 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的測定

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg是高聚物的一個重要特性參數(shù)，是高聚物從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)的溫度。在聚合物使用上，一般為塑料的使用溫度的上限，橡膠使用溫度的下限，從分子結(jié)構(gòu)上講是高聚物無定型部分的分子運動，從凍結(jié)狀態(tài)到解放狀態(tài)的一種松馳現(xiàn)象[11]。當木質(zhì)復(fù)合材料發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變時，即使溫度只在幾度范圍內(nèi)變化，材料的模量也會改變3、4個數(shù)量級，從而材料的力學(xué)性能發(fā)生急劇變化。在DMA測試中，利用損耗角正切tanδ曲線的峰頂溫度，可以確定木質(zhì)復(fù)合材料的Tg，為木質(zhì)復(fù)合材料的使用環(huán)境溫度提供科學(xué)依據(jù)[12-13]。如圖1所示[14]。

圖2所示為毛竹(Phyllostachys pubescens)的2個試件的DMA損耗角正切值tanδ隨溫度變化的曲線[15]。一個作為對照，未進行軟化處理，以tanδ峰值表示Tg，Tg為120℃，；另一個在密閉、溫度120℃條件下軟化處理30 min，Tg為88℃。利用DMA測定Tg容易、靈敏。

圖1 DMA測定的材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Fig.1 Material glass transition temperature of by DMA

圖2 軟化與未軟化竹材tan δ隨溫度變化的曲線Fig. 2 Changing curves of soften and un-soften bamboo’s tan δ values with temperature change

2.2 木質(zhì)復(fù)合材料耐環(huán)境能力的評價

在工程中，經(jīng)常要對木質(zhì)復(fù)合材料在工作溫度區(qū)間內(nèi)耐環(huán)境因素 (水、氧、光等)能力做出評價。采用DMA溫度譜，可迅速跟蹤老化過程中材料剛度和沖擊韌性的變化，同時分析引起性能變化的結(jié)構(gòu)和分子運動變化的原因，這種變化常?？赡茉趖anδ-T譜圖上反映出來，見表1。

表1 材料老化tanδ-T譜圖分析Table 1 Analysis of tanδ-T spectra of materials aging

圖3和圖4是木塑復(fù)合材料經(jīng)不同處理條件的DMA圖[16]。將木塑復(fù)合材料在日光下分別暴曬336 h、1 008 h和1 680 h，以未暴曬的作為對照。貯存模量的趨勢是較未經(jīng)暴曬的材料有所提高；而損耗因子的總趨勢是有所下降，隨著暴曬時間的延長，材料中α松弛內(nèi)耗峰逐漸地移向了低溫區(qū)，環(huán)境因素的交變作用加速了木塑復(fù)合材料界面處以及材料基體中的分子鏈斷裂，從而使得α松弛處的內(nèi)耗降低。

2.3 木質(zhì)復(fù)合材料中增強相的效果評定

采用DMA通過測定添加和未添加增強相的復(fù)合材料的模量和Tg，可為確定復(fù)合材料中增強相是否起到增強作用提供依據(jù)。圖5、6是尼龍-6和竹纖維(纖維15%)增強尼龍-6復(fù)合材料的DMA圖[17]。竹纖維增強尼龍復(fù)合材料的儲能模量、損耗模量比基體尼龍-6的儲能模量和損耗模量高，可以說竹纖維能增強尼龍復(fù)合材料的力學(xué)性能。尼龍-6的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為32.8℃，改性處理復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為67℃，與基體尼龍-6相比，提高了104%，因此使用竹纖維增強尼龍復(fù)合材料制成的構(gòu)件時，可在從低溫的玻璃態(tài)區(qū)域到高溫的高彈態(tài)區(qū)域較寬的溫度范圍內(nèi)工作。

圖3 自然氣候下木塑復(fù)合材料貯存模量的變化Fig.3 Changes of storage modulus of wood plastic composite under outdoor natural climate

圖4 自然氣候下木塑復(fù)合材料損耗因子的變化Fig.4 Changes of tan δ values of wood plastic composite under outdoor natural climate

圖5 尼龍-6的DMA曲線Fig.5 DMA curves of nylon-6

圖6 竹纖維(纖維15%)增強尼龍-6復(fù)合的DMA曲線Fig.6 DMA curves of nylon-6 composite reinforced with bamboo fiber (25%)

2.4 熱固性材料的固化過程及工藝參數(shù)優(yōu)化研究

DMA是測試熱固性材料動力學(xué)性能的有效工具。以研究材料動力學(xué)性能的時間依賴性。在實際應(yīng)用中，主要研究環(huán)氧樹脂及其復(fù)合材料的固化過程，從而得出最佳固化工藝參數(shù)。圖7為某種配方的環(huán)氧樹脂，在室溫25℃下固化的DMA時間掃描曲線，從圖得知，大約固化14 min后，模量和tanδ值幾乎不隨時間而變，表明體系已接近完全固化，同一配方體系在不同溫度下均可得出一組類似的曲線。從而可定出用于指導(dǎo)生產(chǎn)的配方體系最佳溫度、時間等最佳工藝參數(shù)。

圖7 環(huán)氧樹脂的等溫固化DMA曲線Fig.7 DMA curves of epoxy resin curing under isothermal condition

2.5 熱固性材料共混相容性研究

共混改性熱固性材料適應(yīng)性能不同要求的木質(zhì)復(fù)合材料，參與共混的兩種聚合物的相容性決定共混物的動態(tài)力學(xué)性能。如果完全相容，則共混物的性質(zhì)和具有相同組成的無規(guī)共聚物幾乎相同。如果二者有一定相容性，則二者玻璃化溫度將互相靠近。同時，從峰的強度還可判斷出共混物中相應(yīng)組分的含量多少。強度高，相應(yīng)組分的含量多。如果不相容，則共混物將形成兩相，這時動態(tài)模量——溫度曲線上將出現(xiàn)兩個臺階，損耗溫度曲線出現(xiàn)兩個損耗峰，每個峰均對應(yīng)其中一種組分的玻璃化溫度。

3 研究展望

動態(tài)熱機械分析（DMA）已成為研究高分子材料和共聚物材料性能的最重要方法，對木質(zhì)復(fù)合材料復(fù)合工藝和工程應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。DMA技術(shù)在木質(zhì)復(fù)合材料研究中的研究方向為：一是根據(jù)DMA的測試結(jié)果，分析和確定動態(tài)力學(xué)參數(shù)與木質(zhì)復(fù)合材料應(yīng)用性能的相關(guān)關(guān)系，為木質(zhì)復(fù)合材料的廣泛使用提供理論依據(jù)；二是簡化動態(tài)力學(xué)性能試驗方法，并具有較強的重復(fù)再現(xiàn)性；三是將DMA技術(shù)與木質(zhì)復(fù)合材料的其他測試技術(shù)進行聯(lián)用，實現(xiàn)聯(lián)用分析，擴大分析范圍，為高分子材料的開發(fā)與研制提供分析技術(shù)。

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Application and development of dynamic mechanical analysis in wood composites researches

CHEN Guang-hui1, WU Ke1, YANG Ya-feng1, LI Jiang-xiao1, YANG Hong-qi1,2
(1. Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, Henna, China;2. Research Institute of Wood Industry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091 , China)

∶ The principle of dynamic mechanical analysis technology was presented and its application on the research of the wood composite such as modification and manufacturing processes was summarized. Development trend of dynamic mechanical analysis technology was prospected.

∶ dynamic mechanical analysis(DMA)；wood composites；mechanical properties

S784

A

1673-923X(2012)06-0177-04

2012-01-17

國家“十一五”科技支撐計劃（2006BAD18B06）；河南省科技攻關(guān)項目 (102102110124)

陳廣輝(1972—)，女，河南信陽人，講師，碩士，研究方向為林木定向培育；E-mail：cghyqy@163.com

楊紅旗(1973—)，男，河南滑縣人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向為木基復(fù)合材料；E-mail:yhq0373342@163.com

[本文編校：羅 列]