木塑复合材料挤出成型工艺及性能的研究_李思远

1、成型加工与设备木塑复合材料挤出成型工艺及性能的研究李思远,杨 伟,杨鸣波(四川大学高分子科学与工程学院,四川成都610065摘要:研究了木塑复合材料的挤出成型工艺,以及木粉用量、相容剂对材料性能的影响。结果表明:用双螺杆挤出机代替单螺杆挤出机挤出成型,是一种可行的方法;并解决了加料困难、木粉用量增大时烧焦以及体系分散不均匀等问题,获得了更好的混合、塑化效果,所得木塑复合材料具有良好的加工流动性;木粉的加入对加工流动性的影响不大;木塑材料的拉伸强度随木粉用量的增加而基本保持不变。关键词:木塑复合材料;挤出成型;流动性中图分类号:TQ325 1+2 文献标识码:B 文章编号:1005-5770(2

2、00311-0022-03随着森林资源的减少,木材供应量逐渐下降,已不能满足人们的生产生活需要;同时,塑料制品废弃物的处理也日益成为一个亟待解决的环境问题。一种新型材料 木塑复合材料成为木材的理想代用品。它是利用木质纤维填料(包括木粉、秸杆、稻壳等和塑料(废旧热塑性塑料为主要原料,添加加工助剂,经过成型加工而制得的复合材料。国外在木塑复合材料方面的研究,已经取得了巨大的成就,实现了工业化生产,在人们生产生活中得到了非常广泛的应用1。而国内在木塑复合材料方面的研究尚处在起步阶段,工业化产品不多。国内木塑复合材料的主要成型方法是浸渍法24、浸注法5、模压法6、单螺杆挤出法7等;这些方法虽可以制得具

3、有一定性能的木塑复合材料,但是难以实现连续、大量的工业化生产。本实验在单螺杆挤出木塑复合材料的基础上,初步实现了双螺杆挤出,并对成型工艺过程及材料性能进行了研究,为工业化生产奠定了一定的基础。1 实验部分1 1 原料HDPE 粉料:5000s,大庆石化,MFR =1 8g/10min;木粉:2080目,自制;硬脂酸、石蜡:工业级,市售;E VA:7350s,台湾塑胶公司;马来酸酐改性聚乙烯:自制。1 2 仪器设备单螺杆挤出机:SJ -20A 25,上海轻机模具厂;双螺杆挤出机:TSSJ -25,晨光化工研究院塑料机械研究所;注射机:PS40E5ASE,日精树脂工业株式会社;悬梁臂冲击实验机:U

4、J -40,河北省承德市材料实验机厂;缺口制样机:XQZ -1,承德市金建检测仪器制造厂;万能实验机:RGT -10,深圳市瑞格尔仪器有限公司;HAAKE 转矩流变仪:SYSTE M40,美国HaakeBuchler 公司;高速混合机:GH -10D 。1 3 工艺流程木塑复合材料的工艺流程如下如下 :1 4 性能测试拉伸性能:按GB/T 1040-1992在室温下进行测试,拉伸速度为50mm/min;冲击性能:试样缺口半径为2mm,制得的试样经过24h 的时效处理后,按GB/T 1043-1993进行测试;加工流变性能:在HAAKE 转矩流变仪上进行测试,温度180 ,转子转速30r/min

5、,加料量40g 。2 结果与讨论2 1 木塑复合材料挤出成型工艺的选择2 1 1 单螺杆挤出成型单螺杆挤出过程中,由于单螺杆挤出机的输送作用主要是靠摩擦,使粉状物料加料困难;且单螺杆挤出机排气效果较差,物料在料筒中停留时间较长。所以,在挤出过程中,木粉用量较大时,挤出物颜色变深,有木粉烧焦的味道;且熔体强度随木粉用量增加迅速降低,当木粉用量到150份后,难于进行挤出。相对于HDPE,LDPE 的熔体粘度较低,加工流动性更好。因此以粉料LDPE 为基体树脂,添加100份木粉以及少量其它助剂,在单螺杆挤出机中挤出成22 塑料工业CHINA PLASTICS INDUSTRY 第31卷第11期200

6、3年11月通讯联系人yangscu edu cn作者简介:李思远,男,1978年生,硕士研究生,研究方向为木塑复合材料的结构和性能。型并切成粒料作为母料;再与HDPE粒料简单混合后,在单螺杆挤出机上塑化熔融挤出,挤出过程中,熔体强度较高,能够实现连续挤出。2 1 2 双螺杆挤出成型采用HDPE粉料作为木塑复合材料的基体树脂。鉴于木塑复合材料已在单螺杆挤出机上成功挤出,首先选择木粉用量分别为30份和50份的体系在未加任何助剂的情况下用双螺杆挤出机挤出。木粉以20目筛子过筛后,在100 下干燥处理;再与HDPE粉在室温下混合5min。结果表明,木粉用量为30份时可以顺利挤出,木粉在体系中分散较好,

7、没有发生木粉烧焦的问题;但木粉用量为50份时,挤出物颜色发黑,部分木粉被烧焦。这可能是由于双螺杆挤出机中两螺杆互相啮合,剪切作用强,且配方中无润滑体系,因此木粉用量增大时,出现部分木粉烧焦的现象。在体系中加入润滑剂和相容剂后,挤出物表观明显改善,木粉用量大于50份,未出现木粉烧焦、挤出物变黑的情况,熔体强度也有一定程度的提高,能够实现顺利挤出切粒;但木粉用量高达100份时,在现有的润滑剂和相容剂用量下,熔体流动性明显变差,挤出困难,木粉有烧焦变黑的现象。双螺杆挤出机依靠正位移原理输送物料,没有压力回流,加料容易;排气效果好,能够充分地排除木粉中的可挥发成分;螺杆互相啮合,强烈的剪切作用使物料的

8、混合、塑化效果更好。木粉用量相对较低时,物料在双螺杆中停留时间短,不会出现木粉烧焦。因此,在使用粉料生产木塑复合材料时,采用双螺杆挤出机的加料、混合效果良好,是切实可行的。2 2 木粉用量对木塑复合材料性能的影响2 2 1 木粉用量对木塑复合材料的力学性能的影响表1 木粉用量对单螺杆挤出木塑复合材料力学性能的影响Tab1 Effect of wood flour content on mechanical properties of extruded composites by single screw extruder木粉用量/份拉伸强度/MPa弹性模量/MPa断裂伸长率/%冲击强度/kJ

9、m-2025 07750 05315 621 343018 26923 624 624 845016 39882 23 074 19表1是使用单螺杆挤出机成型时,以LDPE粉料和木粉制成的母料后与HDPE熔融共混制成的木塑复合材料的力学性能。由表1可以看出,木粉的加入,使复合材料的拉伸强度、断裂伸长率、冲击强度迅速降低,拉伸强度的下降趋势较小,而断裂伸长率和冲 击强度的下降幅度很大;但随着木粉用量进一步的增加,下降趋势变缓;复合材料的弹性模量随着木粉用量的增加先增大后降低。图1 木粉用量对木塑复合材料拉伸强度和弹性模量的影响Fig1 Effect of wood flour content o

10、n tensile strengthand elastic modulus of composite图2 木粉用量对木塑复合材料冲击强度和断裂伸长率的影响Fig2 Effect of wood flour content on impact strength andelongation at break of composite图1、2为木粉用量对双螺杆挤出木塑复合材料力学性能的影响。由图1可以看出,随着木粉用量的增加,复合材料的拉伸强度变化不大,弹性模量则随木粉用量的增加而增大。由图2可看出,材料的冲击强度、断裂伸长率随木粉用量增加而迅速下降;到木粉用量为30份后,下降趋势减弱,不再发生明显

11、变化。在直接使用木粉作为填料填充聚烯烃塑料时,所制成的复合材料的拉伸强度和冲击强度都会显著降低,这是因为亲水的木粉与疏水的热塑性材料的界面之间不能很好的结合的缘故;此外,由于木材纤维填料具有较多的分子内氢键存在,在进行加热混合时,不容易打散,使其不能在塑料基体中均匀分散,从而影响复合材料的性能7。在使用单螺杆挤出机或压制等其它方法制备木塑复合材料时,当木粉用量50份以上后,材料的拉伸强度会明显降低;而本次实验发现,拉伸强度基本不变化。其原因可能是:一方面,树脂为粉料,更加容易与木粉混合均匀,在挤出造粒和注塑样条时,保证了填料分散的均匀性;另一方23第31卷第11期李思远等:木塑复合材料挤出成型

12、工艺及性能的研究面,双螺杆挤出机塑化效果更好,剪切作用更强,木粉更容易被打散,分散效果更好。但是,木粉的加入改变了树脂基体的连续性,不利于能量的传递和扩散, 使得韧性下降。图3 木塑复合材料转矩随时间变化的曲线Fi g 3 Torq ue of different content of wood flour vs time2 2 2 木粉用量对木塑复合材料流变性能的影响由于物料的成型一般都是在熔融流动状态下进行的,所以要求被加工的物料具有适当的流动性。流动性过小,不利于充模,造成挤出困难;流动性过大,不能形成足够的挤出压力,造成制品的强度缺陷,也不利于物料在挤出口模时的制品定型。木粉的加入一般

13、会使材料的流动性能变差;材料的流动性太差,木粉将受到较大的剪切作用力,且增加在挤出机中停留的时间,使木粉容易烧焦。而且,在挤出成型过程中,体系的流变特性对加工过程和最终制品的各种性能都有较大影响。毛细管流变仪的研究表明,木塑复合体系属于假塑性流体8。同毛细管流变仪相比,转矩流变仪中流变性能的测试过程更类似于实际的加工过程;因此本实验采用转矩流变仪研究木粉用量对木塑复合体系流变性能的影响。图3为其中5个配方在转矩流变仪上转矩随时间的变化曲线,从图3可以看出,处于室温的物料加入塑化室后,被压缩于转子四周,而混炼器需要经过一段时间才能使物料熔化,这造成转子转动困难,需要一个较大的转矩才能使转子转动起

14、来;开始塑化过程,从而出现一个加料峰9。经过一段时间后,物料的温度受传热和剪切的作用也趋于平衡,但这几个样的平衡扭矩略有不同。平衡转矩反映了加工条件下物料表观粘度的大小,间接的反映了物料的流动性能;该值越低,表明流动性越好。物料在混合器中受到剪切、混炼作用,其工作能量的高低是材料加工性能的直接反映,可以用热稳定性测试曲线下的积分面积表征整个加工过程的能耗。表2中列出了试样的流变性能特征参数。表2 木粉用量对木塑复合材料流变性能的影响Tab 2 Effect of wood flour content on rheologicalproperty of composi te木粉用量/份最大转矩/

15、N m平衡转矩/N m加工能耗E042 259 3397 31032 638 1381 82028 188 7584 330-8 58-4024 59 5887 05030 8810 37101 8表2是木粉用量对双螺杆挤出的木塑复合材料流变性能的影响。从表2可以看出,在加入1030份木粉后,转矩值不仅没有升高,反而有一定下降;木粉用量增加到40份以后,转矩值才随着木粉用量增加而升高。加工能耗的变化与平衡转矩所反映的现象基本吻合。在挤出实验及注塑样条时也可以看出,木塑复合材料的流动性变化不是很大,具有良好的成型加工性。3 结论1用双螺杆挤出机代替单螺杆挤出机挤出成型,塑化效果更好,剪切作用更强

16、,木粉更容易被打散,分散效果更好,是一种可行的方法,解决了加料困难、木粉用量增大时烧焦以及体系分散不均匀等问题。2树脂为粉料时和木粉混合更容易,随木粉用量的增加,木塑复合材料的拉伸强度基本保持不变,弹性模量先增加后下降,而韧性有一定的下降。3木塑材料具有良好的加工流动性,木粉的用量对加工流动性的影响不是很突出,在木粉用量低于40份时,还出现流动性更好的现象。参考文献1 涂平淘 化学建材,2001,(7:102 唐辉,徐兴伟 中国塑料,1999,13(7:633 任重远,李邦 复合材料学报,1994,11(3:74 岳翠银 林业科技,1999,24(4:405 陈文达,周亚光 中国木材,1993

17、,(5:256 杨庆贤 复合材料学报,1994,11(4:97 秦特夫 世界林业研究,1998,3:468 薛平,张明珠,何亚东等 中国塑料,2001,15(8:539 杨伟,杨鸣波,于庆顺等 中国塑料,2001,15(10:4310 李忠明,杨鸣波,冯建民等 塑料工业,2000,28(4:9(本文于2003-07-24收到(下转第32页模后变形很小;同时由于内应力很小,在使用时,经过波峰焊炉后的二次塑变能控制在满意的范围内。2 2 入水口设计对产品变形的影响 对于玻璃纤维增强的工程塑料,其注塑时的流动方向将影响其纤维的排列方向,在顺纤维方向上冷却变形较小,而在垂直于纤维方向上冷却变形则大很多

18、。在开始的设计中,采用了常用的点浇口,由于纤维是发散分布,在冷却过程中,产生较大的变形且很难控制;经分析后将其改为侧浇口,加大入水面积,使纤维分布向一个方向,从而减小扭曲变形;再通过调整模具尺寸,补偿垂直于纤维方向上的收缩变形。2 3注塑速度对产品变形的影响 图3 模块电源焊装于PCB 板上示意图Fi g 3 Power module on PCB在选定了冷模注塑方式进行注塑后,注塑速度对产品变形的影响也是不可忽视的。由于在塑料进入模具的过程中,冷却也在进行中;如果注塑时间长,将造成成型过程中产品的温差加大,从而产生不均匀收缩的现象,使得产品变形增加。针对这个问题,我们采取了增加入水口面积,同

19、时在模具上增加排气的措施,以提高注塑的速度。通过改进模具,将点浇口改为侧浇口并加大入水面积(如图2、4所示,并增加模具的排气量,产品经过波峰焊炉的二次高温(190 后,依然保持平整,达到了满意的效果。图4 侧浇口成型的电源盖板示意图Fig 4 Fan gate3 结论在使用结晶性耐高温玻纤增强热塑性工程塑料时,尽量不将产品设计成较大平面的薄壁形状;如必须采用这样的形状,需在模具设计时考虑选择较大的入水口,多加排气孔,在注塑时应采用冷模快速注塑成型,以尽量减少内应力,使其在一次注塑后冷却过程中不产生变形,而在高温使用条件下又不出现较大的二次扭曲变形。参考文献1 罗河胜 塑料材料手册 广州:广东科

20、技出版社,1988 32 丁闻 实用塑料成型模具设计手册 注射模、压缩模和压注模 西安:西安交通大学出版社,1993 123 村上宗雄 最新塑料模具手册 注塑成型模具设计、加工、处理、应用实例 王旭,黄伟民 上海:上海科学技术文献出版社,1985 11(本文于2003-08-05收到Study of Moulding Technology for Shell of Power ModuleLI Yi,DOU An -ping(College of Machinery and Electronics,Suzhou Universi ty,Suzhou 215006,ChinaAbstract:T

21、he reason for the serious warpage of PBT power module at 190 of wave welding oven was studied Based on the analysis of the reason,molding technology and plastics performance,methods to prevent the module from warpage areobtainedKeywords:PB T;Power Module;Injection Molding Technology;Mould(上接第24页Research on Extrusion Processing and Property of Wood -plastics C ompositeLI S-i yuan,YANG Wei,YANG Ming -bo(College of Polymer Materials