PP-木粉复合材料的蠕变特性研究 - 陆晓中

1、PP/木粉复合材料的蠕变特性研究陆晓中，方庆海，陆庆章，程福强，孙晓民*（北京石油化工学院 材料科学与工程系，北京102617）摘要：本文研究了木粉含量和木粉类型对PP/木粉复合材料物理机械性能和蠕变特性的影响规律。结果表明：当木粉含量增大时，PP木塑复合材料的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度等性能指标明显下降，而其弯曲模量、热变形温度则有所提高。添加木粉后，材料的蠕变特性得到明显改善；且当许用弯曲极限（即规定蠕变极限）较小时（如为制品厚度的1.5倍），材料中木粉含量为50%wt时，其耐弯曲蠕变特性最佳。采用的木粉类型不同时，PP木塑复合材料的性能有较大差异，采用松木粉和水曲柳木粉制备的PP木塑复

2、合材料的综合性能最好，而采用黄麻纤维制备的PP木塑复合材料的冲击韧性最好。关键词：聚丙烯，木塑复合材料，物理机械性能，蠕变特性1 前言木塑复合材料（WPC）是一类新型的环保复合材料，近年来已得到了世界各国广泛的重视15，但目前木塑复合材料也通常存在着冲击强度低、耐蠕变性差等性能缺陷68，这对该类材料作为结构性材料使用时可能造成某些潜在的安全隐患。蠕变是指在恒温、恒应力作用下，材料形变随时间推移而逐渐发展的现象。结构件往往会因蠕变而提前失稳。研究蠕变不仅可以揭示聚合物的粘弹性机理，还能预测材料使用中的稳定性及长期承载能力。本文旨在研究各种配方因素、加工工艺因素等对木塑复合材料蠕变特性的影响规律，

3、以期对提高该类材料的性能、拓展其应用领域等提供参考依据。2 实验部分2.1 试验药品表1 试验药品序号配料名称型号规格生产厂家1聚丙烯K1003北京燕山石化公司2松木粉80目自制3稻糠粉80目自制4水曲柳木粉80目自制5竹粉80目自制6黄麻纤维自制7其它抗氧剂等市售2.2 试样制备采用常州苏研公司生产的S（X）M -1L-KA型密炼机，将物料按试验配方准确计量后加入密炼室，于180下密炼10min左右，待物料充分塑化并混合均匀后，直接压制成4mm厚的板材，再裁切成标准试样用于材料性能测试。2.3 性能测试2.3.1 试样状态调节参照标准：GB/T2918-1998。采用东莞市科迪仪器有限公司生

4、产的KD-3P-50A型恒温恒湿试验箱。将试样在23、相对湿度50%下（标准环境代号：23/50）放置至少24小时后，再进行试样尺寸和其他性能的测定。2.3.2 密度参照标准：GB1033-1986。将洁净干燥的50ml密度瓶放在23恒温恒湿箱中保温至少1小时，称取其重量计为W1；将密实无气泡的模压试样剪成适当大小后（可顺利放入密度瓶并取出），称取其重量计为W2；将试样表面用新鲜蒸馏水充分润时后加入密度瓶，再用新鲜蒸馏水加满密度瓶，插上溢流毛细管，用柔软的卫生纸将密度瓶表面的水吸干，称取其重量计为W3。则试样的密度为：式中：0为蒸馏水在23时的密度。2.3.3 熔体流动速率参照标准：GB/T3

5、682-2000。采用承德市金建检测仪器有限公司生产的XNR-400型熔体流动速率仪。测试条件：温度 200，负荷 2160g，预热 4min，切料间隔时间 30s。2.3.4 拉伸性能参照标准：GB/T1040-1992。采用深圳市瑞格尔仪器(制造)有限公司生产的REGER-300型微机控制电子万能材料试验机。测试条件：试样尺寸（长度宽度厚度）150104mm，量程 05000N，标距 50mm，大变形传感器，试验速度 20mm/min。2.3.5 弯曲性能参照标准：GB/T9341-2000。采用深圳市瑞格尔仪器(制造)有限公司生产的REGER-300型微机控制电子万能材料试验机。测试条件

6、：试样尺寸（长度宽度厚度）80104mm，量程 05000N，跨度 64mm，绝对位移传感器，试验速度 2mm/min。2.3.6 冲击性能参照标准：GB/T1043-1993。采用承德市金建检测仪器有限公司生产的XJJ-5简支梁冲击试验机。测试条件：试样尺寸（长度宽度厚度）80104mm，A型铣缺口（缺口深度1mm），测试量程 01J，测试温度 23及-20。2.3.7 热变形温度参照标准：GB/T1634.2-2004。采用承德市金建检测仪器有限公司生产的XRW-300B型热变形、维卡软化点测定仪。试样尺寸（长度宽度高度）120410mm，弯曲应力 0.45MPa，升温速度 12/6min

7、。2.3.8 蠕变特性采用深圳市瑞格尔仪器(制造)有限公司生产的REGER-300型微机控制电子万能材料试验机。测试条件：试样尺寸（长度宽度厚度）80104mm，量程 05000N，跨度 64mm，绝对位移传感器，控制模式：保载，弯曲载荷：按试样弯曲强度的75%设定，试验温度：60，试验时间：24h。本试验通过测定试样在恒定载荷作用下，达到一定弯曲应变值（试样厚度的1.5倍或3倍）时所耗用的时间来评价试样耐蠕变性能的优劣。相同条件下，时间愈长，则表示试样的耐蠕变特性愈好。3 结果与讨论3.1 木粉含量对PP基木塑复合材料蠕变特性的影响表2木粉含量对PP基木塑复合材料性能的影响样号松木粉含量比重

8、拉伸性能弯曲性能简支梁缺口冲击强度热变形温度弯曲蠕变特性拉伸强度断裂伸长率弯曲强度弯曲模量23-201.5d保载时间3d保载时间%wt.g/cm3MPa%MPaMPakJ/m2kJ/m2ssWPP-1610 0.912 29.58 50.88 39.49 1408.90 7.853 2.900 118.00 42.55 440.70 WPP-16210 0.936 25.52 5.57 39.78 1567.65 6.284 3.412 109.60 113.20 4368.10 WPP-16320 0.969 26.03 2.65 45.12 2082.83 4.999 2.934 125.

9、70 248.35 9900.00 WPP-16430 0.995 22.46 1.64 39.34 2158.61 3.278 2.468 117.30 1307.68 6730.50 WPP-16540 1.025 17.86 0.67 34.28 2291.57 2.193 1.775 127.50 1284.98 4640.00 WPP-16650 1.075 17.66 0.74 30.26 2549.88 2.079 1.897 134.70 3212.00 5378.00 WPP-16760 1.114 17.49 0.46 27.04 3120.27 1.894 1.411 1

10、34.30 2607.00 2637.00 3.1.1 结果讨论3.1.2 松木粉含量对PP木塑复合材料密度的影响图1 松木粉含量对PP木塑复合材料密度的影响由图1可见，随着松木粉含量的提高，PP木塑复合材料的密度逐步增大。3.1.3 松木粉含量对PP木塑复合材料拉伸性能的影响 A. 拉伸强度B. 断裂伸长率图2 松木粉含量对PP木塑复合材料拉伸性能的影响由图2可见，随着松木粉含量的提高，PP木塑复合材料的拉伸强度逐步降低。断裂伸长率则出现急剧下降，当在材料中添加少量（10%wt.）松木粉后，复合材料的断裂伸长率即会出现急剧的下降，其后随着松木粉含量的增加，材料的断裂伸长率逐步下降。图3 松木

11、粉含量对PP木塑复合材料应力-应变曲线形状的影响（注：曲线中数字为PP木塑复合材料中松木粉的含量，%wt.）由图3拉伸应力-应变曲线来看，当PP木塑复合材料中松木粉含量达20%wt.以上时，材料已由韧性变为脆性，其拉伸应力-应变曲线中已没有了屈服点。3.1.4 松木粉含量对PP木塑复合材料弯曲性能的影响 A. 弯曲强度B. 弯曲模量图4 松木粉含量对PP木塑复合材料弯曲性能的影响由图4可见，随着松木粉含量的提高，PP木塑复合材料的弯曲强度存在最大值，当松木粉含量为20%wt左右时，材料的弯曲强度最大；松木粉含量继续增大时，材料的弯曲强度逐步减小。而材料的弯曲模量则随着材料中松木粉含量的增大不断

12、增大，即材料的弯曲刚性与材料中木粉的含量成正比。3.1.5 松木粉含量对PP木塑复合材料冲击性能的影响 图5 松木粉含量对PP木塑复合材料冲击强度的影响由图5可见，随着松木粉含量的提高，PP木塑复合材料的冲击韧性逐步降低，其中常温冲击强度的下降幅度较大，而低温冲击强度的下降幅度较小；当松木粉含量超过40%时，材料冲击强度对温度的敏感性减弱，即常温冲击强度与低温冲击强度的数值越来越接近，这与以往的研究结果是一致的。3.1.6 松木粉含量对PP木塑复合材料热变形温度的影响 图6 松木粉含量对PP木塑复合材料热变形温度的影响由图6可见，随着松木粉含量的提高，PP木塑复合材料的热变形温度逐步增大。3.

13、1.7 松木粉含量对PP木塑复合材料弯曲蠕变特性的影响 图7 松木粉含量对PP木塑复合材料弯曲蠕变特性的影响由图7可见，与纯PP相比，添加松木粉后，材料的蠕变特性得到明显改善。且当许用弯曲应变极限（即规定蠕变极限）较小时（如为制品厚度的1.5倍），材料中松木粉含量为50%wt时，其耐弯曲蠕变特性最佳；而当许用弯曲极限（即规定蠕变极限）较大时（如为制品厚度的3倍），材料中松木粉含量为20%wt时，其耐弯曲蠕变特性最佳。3.2 木粉类型对PP基木塑复合材料蠕变特性的影响表3木粉类型对PP基木塑复合材料性能的影响样号木粉类型比重拉伸性能弯曲性能简支梁冲击强度热变形温度蠕变特性拉伸强度断裂伸长率弯曲强

14、度弯曲模量23-201.5d保载时间g/cm3MPa%MPaMPakJ/m2kJ/m2sWPP-171稻糠粉1.057 15.58 3.13 28.90 2454.43 2.158 1.837 140.90 1190.35 WPP-172松木粉1.092 23.67 3.36 42.58 2799.77 2.546 1.981 146.90 4047.00 WPP-173水曲柳木粉1.079 19.05 3.20 38.08 2379.27 2.275 2.086 141.70 4468.00 WPP-174竹粉1.085 18.76 3.26 33.80 2559.77 2.049 1.69

15、2 143.60 2335.00 WPP-175黄麻纤维1.062 15.68 2.81 37.11 1877.35 11.994 8.875 135.90 354.64 注：各类木粉在PP木塑复合材料中的用量均为50%。3.2.1 木粉类型对PP木塑复合材料密度的影响图8 木粉类型对PP木塑复合材料密度的影响由图8可见，木粉类型不同时，PP木塑复合材料的密度有一定的差异，但差异很小。3.2.2 木粉类型对PP木塑复合材料拉伸性能的影响图9 木粉类型对PP木塑复合材料拉伸强度的影响图10 木粉类型对PP木塑复合材料断裂伸长率的影响由图9及图10可见，采用松木粉制得的PP木塑复合材料的拉伸强度最

16、大，其次是水曲柳粉和竹粉；而采用稻糠和黄麻纤维制得的PP木塑复合材料的拉伸强度则较低，其中黄麻纤维可能是由于所采用的加工工艺方法无法保证黄麻纤维分散均匀引起的。另外，由图9及图10可见，木粉类型对PP木塑复合材料断裂伸长率的影响较小。3.2.3 木粉类型对PP木塑复合材料弯曲性能的影响图11 木粉类型对PP木塑复合材料弯曲强度的影响图12 木粉类型对PP木塑复合材料弯曲模量的影响由图11及图12可见，木粉类型不同时，所得PP木塑复合材料的弯曲强度和弯曲模量也有较为明显的差异，其中采用松木粉制得的PP木塑复合材料的弯曲强度和弯曲模量最大。3.2.4 木粉类型对PP木塑复合材料冲击强度的影响图13

17、 木粉类型对PP木塑复合材料冲击强度的影响由图13可见，采用各种木粉所得的PP木塑复合材料的冲击韧性差异不大，而采用黄麻制得的PP木塑复合材料的冲击强度则明显要高得多（为PP/木粉复合材料的45倍）。由此可见，采用麻类纤维可能是制备高韧性PP木塑复合材料的一种很好的选择。3.2.5 木粉类型对PP木塑复合材料热变形温度的影响图14 木粉类型对PP木塑复合材料热变形温度的影响由图14可见，木粉类型不同时，PP木塑复合材料的热变形温度有一定的差异，但差异不大。3.2.6 木粉类型对PP木塑复合材料蠕变特性的影响图15 木粉类型对PP木塑复合材料蠕变特性的影响（1.5d保载时间）由图15可见，木粉类

18、型不同时，PP木塑复合材料的耐蠕变特性有明显的差异，其中采用松木粉和水曲柳粉所得的PP木塑复合材料的耐蠕变特性明显好于其他材料。另外，由实验结果来看，采用黄麻纤维的PP木塑复合材料的耐蠕变特性很差，达到相同弯曲蠕变量时，其保载时间仅为松木粉的1/12，这可能也是由于所采用的加工工艺方法无法保证黄麻纤维分散均匀引起的，其弯曲蠕变特性需要在改进材料制备工艺后作进一步深入的研究。4 结论1） 当木粉含量增大时，PP木塑复合材料的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度等性能指标明显下降，而其弯曲模量、热变形温度则有所提高。2） 添加木粉后，材料的蠕变特性得到明显改善。且当许用弯曲极限（即规定蠕变极限）较小（如为

19、制品厚度的1.5倍）时，材料中木粉含量为50%wt时，其耐弯曲蠕变特性最佳；而当许用弯曲极限（即规定蠕变极限）较大（如为制品厚度的3倍）时，材料中木粉含量为20%wt时，其耐弯曲蠕变特性最佳。3） 采用的木粉类型不同时，PP木塑复合材料的性能有较大差异，采用松木粉和水曲柳木粉制备的PP木塑复合材料的综合性能最好，而采用黄麻纤维制备的PP木塑复合材料的冲击韧性最好。5 参考文献1 Michael P. Wolcott, Karl Englund. A technology review of wood-plastic compositesC. 33rd International Partica

20、lboard, Composite Materials Symposium. 103-111;2 R. Rangaprasad, Y. B. Vasadeo. Wood plastic composites: an overviewC.5th International Plastics Exhibition & Conference. PlastiIndia, Feb. 2003, New DeLhi. 93-100;3 黄泽雄. 木塑复合材料的发展趋势J. 国外塑料. 2003, 21(2). 10-13;4 张国立, 苑志伟. 环保新材料木塑制品的技术发展和市场前景J. 再生资源研究.

21、2000, (6). 23-24;5 Craig Clemons. 美国木塑复合材料的历史、现状及展望J. 人造板通讯. 2002, (11). 19-21;6 秦特夫. 改善木塑复合材料界面相容性的途径J. 世界林业研究. 1998, (3). 46-51;7 A. K. Bledzki, O. Faruk. Microcellular wood fiber reinforced PP compositesJ. Munich International Polymer Processing. 2006, 21(3). 256-262;8 秦特夫. 木粉加入量对木塑复合材料性能影响的研究J.

22、木材工业. 2002, 16(5). 17-20.Study on the Creep Characters of Polypropylene/Wood Fiber CompositesLu Xiaozhong, Fang Qinghai, Lu Qingzhang, Chen Fuqiang, Sun Xiaomin(Dept. Mat. Sci. Eng., Beijing Institute of Petro-chemical Technology, Beijing 102617)Abstract The effects of the content and the type of wood powders on the mechanical properties and the creep characters of PP/wood composites were studied in this paper. It was proved that the tensile strength, the bending strength and the impact streng