齊 菁， 于洪亮

(遼寧省森林經(jīng)營(yíng)研究所，遼寧 丹東 118000)

研究與設(shè)計(jì)

偶聯(lián)劑對(duì)木纖維/LDPE復(fù)合材料影響的動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析

齊 菁， 于洪亮

(遼寧省森林經(jīng)營(yíng)研究所，遼寧 丹東 118000)

按照木纖維和低密度聚乙烯塑料(LDPE)熔融擠出工藝制造木塑復(fù)合材料。對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析，找出不同含量偶聯(lián)劑(馬來酸酐接枝低密度聚乙烯)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

偶聯(lián)劑；復(fù)合材料；動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析；材料力學(xué)性能

木塑復(fù)合材料(Wood Plastic Composites，簡(jiǎn)稱WPC)是用木纖維、木粉等木質(zhì)材料經(jīng)過預(yù)處理與熱塑性樹脂或其他塑性材料復(fù)合制成的一種新型材料，該材料能夠有效地發(fā)揮材料中各組成材料的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)每一種材料的自身缺陷，從而改善了木制品的物理力學(xué)性能和加工性能，擴(kuò)大了產(chǎn)品的應(yīng)用范圍，提高了產(chǎn)品附加值[1-2]。

動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析 (Dynamic Mechanical Thermal Analysis，DMTA)是一種對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行測(cè)試和表征的方法，能夠用于研究復(fù)合材料的力學(xué)性能。具體的方法是：在溫度不變、頻率變化，或頻率不變、溫度升高的條件下，分析在復(fù)合材料上加載時(shí)荷載隨時(shí)間的變化，即其力學(xué)行為的變化情況。本文所采用的動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)分析和測(cè)試，是在恒定頻率下對(duì)制備的木纖維-LDPE復(fù)合材料加載恒定振幅的正弦交變應(yīng)力，分析材料的應(yīng)變隨溫度、時(shí)間變化而變化的規(guī)律，分析木纖維-LDPE復(fù)合材料組成結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的交互關(guān)系[3-4]。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

(1)木纖維：纖維經(jīng)20～30目網(wǎng)篩過濾，含水率5%以下；

(2)LDPE：高壓法生產(chǎn)的低密度聚乙烯，結(jié)晶度45%～65%；

(3)偶聯(lián)劑：MAH-g-LDPE，馬來酸酐接枝低密度聚乙烯，為淡黃色的透明顆粒，馬來酸酐含量16%～20%；

(4)潤(rùn)滑劑：化學(xué)純硬脂酸鈣。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

(1)SHR-A型高速混合機(jī)，張家港市通河塑機(jī)有限公司生產(chǎn)；

(2)SJSH30/SJ45型雙階塑料擠出機(jī)組，南京橡膠機(jī)械廠生產(chǎn)；

(3)DMA-242型動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析儀，德國NeTZSCH Geratebau GmbH生產(chǎn)。

1.3 試驗(yàn)方法及過程

1.3.1 復(fù)合擠出成型

木纖維和LDPE按4∶6的比例混合，添加0.5%潤(rùn)滑劑和不同比例的偶聯(lián)劑，在混料罐中混合10 min，共制備6組混合料，偶聯(lián)劑的添加比例分別為0%、2%、3%、4%、5%和6%。從SJSH30/SJ45型雙階塑料擠出機(jī)雙螺桿位置的雙喂料口加入混合物料，擠出成型片材。實(shí)驗(yàn)物料配比見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)物料配比

實(shí)驗(yàn)號(hào)木纖維/gLDPE/g潤(rùn)滑劑(硬脂酸鈣)/gMA-LDPE/g總量/g第1組400595501000第2組4005755201000第3組4005655301000第4組4005555401000第5組4005455501000第6組4005355601000

1.3.2 動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析

先將用于動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析的擠出木纖維-LDPE復(fù)合材料試樣加工成矩形試件，具體尺寸為60 mm×10 mm×4 mm。使用德國NeTZSCH Geratebau GmbH公司生產(chǎn)的 DMA -242型動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析儀測(cè)定所制備復(fù)合材料的存儲(chǔ)模量(E′)、損耗模量(E″)和 損耗角正切(tanδ)。在頻率為1 Hz、升溫范圍為-50～150 ℃的條件下，測(cè)出木纖維-LDPE復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)，每個(gè)試樣測(cè)試一次[5]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

木纖維-LDPE復(fù)合材料存儲(chǔ)模量隨溫度變化曲線如圖1所示、損耗角正切隨溫度變化曲線如圖2所示。

圖1 木纖維-LDPE復(fù)合材料存儲(chǔ)模量隨溫度變化曲線(1Hz)

圖2 木纖維-LDPE復(fù)合材料損耗角正切隨溫度變化曲線(1Hz)

圖1是木纖維-LDPE在無添加和分別添加了2%、3%、4%、5%和6%偶聯(lián)劑情況下復(fù)合材料的存儲(chǔ)模量在1 Hz頻率下隨溫度的變化情況(物料配比見表1，下同)。從圖中可以看出，沒有添加偶聯(lián)劑之前復(fù)合材料的存儲(chǔ)模量比較小，添加偶聯(lián)劑后木纖維-LDPE復(fù)合材料的存儲(chǔ)模量有小幅度提高(添加量為4%時(shí)存儲(chǔ)模量反而有所下降，原因有待進(jìn)一步研究)。在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度前復(fù)合材料存儲(chǔ)模量隨溫度的升高均有小幅度下降，這是因?yàn)槟纠w維-LDPE復(fù)合材料表現(xiàn)出玻璃態(tài)，鏈段運(yùn)動(dòng)被凍結(jié)，主要是比鏈段小的運(yùn)動(dòng)單元在作一定幅度的運(yùn)動(dòng)；當(dāng)溫度超過木纖維-LDPE復(fù)合材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度后存儲(chǔ)模量迅速降低，這是由于LDPE的分子間作用力較小導(dǎo)致的。隨著溫度的升高，添加偶聯(lián)劑的復(fù)合材料存儲(chǔ)模量變化曲線的下降坡度變小，這表明添加偶聯(lián)劑使得木纖維-LDPE復(fù)合材料由高彈態(tài)向黏流態(tài)的轉(zhuǎn)變速度變慢了。即添加偶聯(lián)劑在不降低木纖維-LDPE復(fù)合材料存儲(chǔ)模量的同時(shí)，可以改善復(fù)合材料在溫度變化時(shí)出現(xiàn)的力學(xué)性能下降情況。

圖2是木纖維-LDPE在無添加和分別添加了2%、3%、4%、5%和6%偶聯(lián)劑情況下復(fù)合材料的損耗角正切在1 Hz頻率下隨溫度的變化情況。在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域，塑料基質(zhì)分子鏈段有較高的彈性和阻尼性質(zhì)。從圖中可以看出，偶聯(lián)劑含量達(dá)到3%時(shí)峰值最明顯，出現(xiàn)在120 ℃左右，木纖維-LDPE復(fù)合材料的第一個(gè)損耗角正切峰值非常突出，在向第二個(gè)峰過渡。兩個(gè)損耗角正切峰值表明，添加偶聯(lián)劑極大地提高了復(fù)合材料的阻尼性質(zhì)。此外，試驗(yàn)時(shí)，如果擠出機(jī)頭太短或機(jī)頭部分溫度過低，會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的冷卻速度過快，其高分子鏈還沒松弛就凍結(jié)，高彈形變恢復(fù)較少，高分子鏈之間的相對(duì)位置沒有進(jìn)行充分的調(diào)整，這樣也影響復(fù)合材料的損耗角正切圖像變化。偶聯(lián)劑的加入能夠提高木纖維-LDPE復(fù)合材料的阻尼性質(zhì)，因?yàn)樘砑优悸?lián)劑提高了木纖維和LDPE的界面結(jié)合程度，木纖維可有效地抑制高分子鏈段的運(yùn)動(dòng)，從而降低復(fù)合材料的力學(xué)內(nèi)耗。

3 結(jié)論

木纖維-LDPE無添加和分別添加2%、3%、4%、5%和6%偶聯(lián)劑情況下復(fù)合材料存儲(chǔ)模量隨溫度的變化表明，添加偶聯(lián)劑后所得復(fù)合材料的存儲(chǔ)模量普遍比不添加偶聯(lián)劑時(shí)大，添加偶聯(lián)劑能夠在一定程度上提高木纖維-LDPE復(fù)合材料的存儲(chǔ)模量，并且可有效地改善復(fù)合材料由于溫度升高而造成的力學(xué)性能下降等問題。此外，添加偶聯(lián)劑可以有效地提高木纖維-LDPE復(fù)合材料的阻尼性質(zhì)，尤其是在添加3%偶聯(lián)劑時(shí)效果最明顯。合理的偶聯(lián)劑添加量可以保證復(fù)合材料具有較高存儲(chǔ)模量的同時(shí)提高木纖維-LDPE復(fù)合材料的阻尼性質(zhì)，從而提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。

[1] 鮑逸培.擴(kuò)大和充分利用我國木材資源的思路[J].木材加工機(jī)械，1991(1)：5-8.

[2] 李堅(jiān).木材科學(xué)[M].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)出版社，1994.

[3] Manikandan Nair，Sabu Thomas，G.Groeninckx.Thermal and Dynamic mechanical analysis of polystyrene composites reinforced with short sisal fibers[J].Composites Science and Technology，2001(61)：2519-2529.

[4] 建東，汪東杰，黃曉麗.道路石油瀝青動(dòng)態(tài)機(jī)械分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，3 (3)：32-35.

[5] 宋永明.木粉/再生聚苯乙烯復(fù)合材料的增韌改性研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2004.

(責(zé)任編輯 張雅芳)

Dynamic Mechanical Thermal Analysis of the Effect of Coupling Agenton Wood Fiber/LDPE Composites

QI Jing， YU Hong-liang

(Liaoning Forest Management Research Institute，Dandong Liaoning 118000，China)

The wood-plastic composites are produced using the wood fiber and low-density polyethylene plastic (LDPE)melt extrusion process.The dynamic mechanical thermal analysis of the extruded products is carried out to find out the effect of coupling agent (maleic anhydride grafted low-density poly ethylene)with different contents on the mechanical properties of composites.

coupling agent；composite；DMTA；material mechanical properties

2017-02-13

齊 菁(1982-)，女，遼寧本溪人，工程師，學(xué)士，主要從事木材加工利用的研究，E-mail:qinjian1234@sina.com。

TS612

A

2095-2953(2017)05-0029-03