全 文 ：第 wu卷 第 tu期
u s s y年 tu 月
林 业 科 学
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⁄¨ ¦qou s s y
针状木纤维Π‹⁄°∞复合材料的力学性能 3
王海刚 宋永明 王清文 张征明
k东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室 哈尔滨 txsswsl
摘 要 } 采用一步法连续挤出技术将杨木针状纤维与高密度聚乙烯k‹⁄°∞l进行熔融复合制备木塑复合材料k‘ƒp
• °≤l ∀用正交试验法分析纤维尺寸 !纤维添加量 !偶联剂含量和润滑剂含量 w个因子对 ‘ƒp• °≤ 力学性能影响的
显著性 ~用扫描电子显微镜观察分析 ‘ƒp• °≤ 中木纤维与 ‹⁄°∞的界面结合状况 ~提出优化的工艺配方并与相同
木材含量的木粉Π‹⁄°∞复合材料进行对比研究 ∀结果表明 }针状木纤维的含量对 ‘ƒp• °≤ 冲击强度影响显著 o对弯
曲性能和拉伸性能的影响高度显著 ~偶联剂马来酸酐接枝聚乙烯k „°∞l的添加量对 ‘ƒp• °≤ 的拉伸强度 !断裂伸
长率和冲击强度影响显著 ~在本文的试验范围内 o木纤维尺寸和润滑剂石蜡的含量对 ‘ƒp• °≤ 力学性能的影响不
显著 ∀确定的优化工艺配方为 }木纤维长度为 v ∗ w °° !长径比为 { ∗ tt o木纤维含量 ys h o „°∞含量 w h o石蜡含
量 s1v h ~采用优化工艺制备的 ‘ƒp• °≤ 的弯曲强度 !弯曲模量 !拉伸强度 !拉伸模量和冲击强度分别为 x{1z °¤!
v1s Š°¤!v|1y °¤!w1s Š°¤和 tu1z ®#°pu ∀除冲击韧性略低外 o用优化工艺配方制备的 ‘ƒp• °≤ 其他力学性能均高
于用同比例木粉制备的木塑复合材料 ∀
关键词 } 木纤维 ~高密度聚乙烯 ~木塑复合材料 ~正交试验
中图分类号 }×±vxt 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kussyltu p sts{ p sy
收稿日期 }ussy p sy p tu ∀
基金项目 }国家/ {yv0项目kussu„„uwxtwtl !/ |w{0项目kusst p st p ul和国家农业科技成果转化资金项目kussyŠ…uvysswxsl ∀
3 王清文为通讯作者 ∀
Μεχηανιχαλ Προπερτιεσ οφ ΝεεδλεpΣηαπεδ ΩοοδpΦιβερΠΗ∆ΠΕ Χοµ ποσιτεσ
• ¤±ª ‹¤¬ª¤±ª ≥²±ª ≠²±ª°¬±ª • ¤±ª±¬±ªº¨ ± «¤±ª«¨ ±ª°¬±ª
k ΚεψΛαβορατορψοφ ΒιοpΒασεδ ΜατεριαλΣχιενχε ανδ Τεχηνολογψοφ Μινιστρψοφ Εδυχατιον o Νορτηεαστ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Ηαρβιν txsswsl
Αβστραχτ } „ ±¨ º·¼³¨ ²©º²²§p³¯¤¶·¬¦¦²°³²¶¬·¨ k‘ƒp• °≤l º¤¶³µ¨³¤µ¨§¥¼ ²±¨ p¶·¨³ ¬¨·µ∏¶¬²± ²©±¨ §¨¯ p¨¶«¤³¨§º²²§p©¬¥¨µ
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Κεψ ωορδσ} º²²§p©¬¥¨µ~³²¯¼¨ ·«¼¯ ±¨¨ ~º²²§³¯¤¶·¬¦¦²°³²¶¬·¨¶~²µ·«²ª²±¤¯ ¬¨³¨µ¬°¨ ±·
木塑复合材料kº²²§p³¯¤¶·¬¦¦²°³²¶¬·¨¶o缩写为 • °≤¶l近年来引起人们的广泛关注 o上世纪 |s年代 o这种
复合材料在美国和欧洲市场上迅速发展 o占据了一定的地位k≤¯ °¨²±¶oussul ∀木纤维和非木材植物纤维是生
产木塑复合材料重要的增强材料 o国内外多位学者针对纤维形态对复合材料的力学性能的影响从不同方面
作了研究 ∀ ¨¨等kusstl研究了辐射松k Πινυσ ραδιαταl和桉树k Ευχαλψπτυσ ρεγνανl热机械浆以及剑麻k Αγαϖε
σισαλαναl的纤维长度对纤维增强聚丙烯复合材料k热压成型l力学性能的影响后指出 }当纤维含量一定时 o增
加纤维长度可以提高复合材料的拉伸强度 !弯曲强度和弹性模量 ∀刘娟华等kussul研究了木纤维形态对开
炼机混炼 p注射成型木纤维聚丙烯复合材料性能的影响 o结果表明 }长度在 s1tx °° !长径比在 ts左右的木
纤维对聚丙烯的增强效果最好 ∀ Ž²®·¤kusssl研究了混炼方式 !模塑成型方法以及纤维长度对木塑复合材料
性能的影响 o结果指出 o当纤维的长度达到临界长度ks1v °°以下l时 o再增加纤维长度对复合材料的力学性
能无影响 ∀美国林产品实验室比较了木纤维和木粉对聚丙烯的增强效果 o结果显示 o在含量为 ws h时 o木纤
维的增强效果明显好于木粉kƒ²µ¨¶·°µ²§∏¦·¶¤¥²µ¤·²µ¼ot|||l ∀可见 o木纤维的形态对木塑复合材料的力学性
能有一定影响 ∀上述研究采用的木纤维都是采用热磨方法制备的 o柔软 !蓬松 !流动性极差 o需要采用开炼机
或高速混合机等方法将纤维与塑料混炼 o然后采用注塑或模压法成型 o不适于直接挤出成型工艺 ∀
挤出成型是制造木塑复合材料效率较高而成本较低的先进工艺 o但是采用木纤维作原料必须解决喂料
难题 ∀本文采用常温机械法自制木纤维k针状木纤维l o其形态介于热磨木纤维和木粉之间 o有木材的本色 o
类似木粉的较好流动性和较大的长径比 ∀利用双阶挤出机组和一步法连续挤出工艺 o将针状木纤维与高密
度聚乙烯k‹⁄°∞l进行熔融复合 o制备针状木纤维Π‹⁄°∞复合材料k‘ƒp• °≤l o研究纤维形态 !含量 !偶联剂含
量和润滑剂含量等因素对 ‘ƒp• °≤力学性能的影响 o对这种新型木塑复合材料的力学性能做出评价 ∀
t 材料与方法
111 材料
选用杨木加工剩余物 o首先将其锯解成不同厚度的小木块 o然后用专用设备加工成针状纤维 o再依次用
x !ts !us !vs和 ws目的分样筛分选出 x个不同的规格 ∀将制备所得的针状纤维干燥至含水率 v h ∀
图 t 杨木纤维的形态
ƒ¬ªqt ׫¨ ¶«¤³¨ ²© º²²§©¬¥¨µ
x种规格的纤维编号依次为¤∗ ¨o编号¤的纤维形态见
图 t o其余规格纤维形状与 ¤类似 ∀用体式显微镜对纤维进
行拍照 o测量纤维的尺寸规格 ∀x种形态纤维的尺寸规格分
别为 }¤长度 w1x ∗ x °° o长径比 x ∗ z ~¥长度 w ∗ w1x °° o长
径比 y ∗ | ~¦长度 v ∗ w °° o长径比 { ∗ tt ~§长度 t1x ∗ u
°° o长径比 y ∗ | ~¨长度 s1x ∗ t1x °° o长径比 z ∗ | ∀另外
选用杨木木粉做对比 o含水率为 v h o粒度为全部通过 {s目
标准筛 ∀选用杨木一是因为原料来源广泛 o二是因为杨木
的总表面自由能较高 o容易与塑料形成界面相容性较好的
复合材料k王正等 oussvl ∀
高密度聚乙烯k‹⁄°∞l的型号为 uusso由中国石油大
庆石化公司提供 ∀偶联剂采用马来酸酐接枝高密度聚乙烯k„°∞l o由广州柏晨有限公司提供 o将其研磨成
通过 ws目标准筛的粉末 ∀润滑剂采用市售块状石蜡 o粉碎成直径为 s1x ∗ t °°的粉末 ∀
表 1 正交试验因素水平表
Ταβ .1 Ορτηογοναλ εξπεριµεντ φαχτορ λεϖελσ
水平
¨√¨ ¯
纤维尺寸k因素 „l
ƒ¬¥¨µ§¬° ±¨¶¬²±
k©¤¦·²µ„l
纤维含量k因素 …l
ƒ¬¥¨µ¦²±·¨±·
k©¤¦·²µ…lΠh
 „°∞含量k因素 ≤l
 „°∞ ¦²±·¨±·
k©¤¦·²µ≤lΠh
石蜡含量k因素 ⁄l
°¤µ¤©©¬± ¦²±·¨±·
k©¤¦·²µ⁄lΠh
t ¤ vs u s1t
u ¥ ws w s1u
v ¦ xs y s1v
w § ys { s1w
x ¨ zs ts s1x
112 设备及仪器
≥≥‹vsΠ≥wx型双阶塑料挤出机组k南京橡塑机械厂l ~≠ p tu哑铃型制样机k承德市金建检测仪器有限
公司l ~ • Š× p us„电子万能力学试验机k深圳 • ∞Š∞• 仪器有限公司l ~ ÷p xsŠ组合式冲击试验机k河北承
德力学试验机有限公司l ~⁄‹Š p |yux„型电热恒温鼓风干燥箱k上海一恒科学仪器有限公司l ~≥‹• p ts„
高速混合机k张家港市通河橡塑机械有限公司l ~ƒ∞Œ ±˜„‘ׄuss型环境扫描电子显微镜k≥∞l ∀
113 ΝΦ−ΩΠΧ的制备
借鉴宋永明等kussxl的试样制备方法 o并根据单因子试验结果确定因子的取值范围 o本文挤出工艺配方
的确定采用正交试验设计 ∀针对复
合材料各项力学性能指标 o考查纤
维规格 !纤维含量 !偶联剂含量和润
滑剂含量 w个因素 o每个因素考查
x个水平 o各因素及其水平设计如
表 t 所示 o选用的正交表为 ux
kxyl ∀
按照正交表 uxkxyl进行配料 o
|st 第 tu期 王海刚等 }针状木纤维Π‹⁄°∞复合材料的力学性能
w个因素 „ !… !≤ !⁄分别占用表中的前 w列 o后 u列为空列 ∀将原料分别称重 o用高速混合机混合均匀 ∀混合
机的工作温度为 yx ε o以便于使石蜡熔融 ∀然后将混合好的原料加入挤出机的进料仓 o经过双螺杆挤出机
充分混合塑化 o由单螺杆挤出机直接挤出片材 ∀为降低木质成分热降解而又能够使熔体充分塑化 o挤出机的
温度设在 tvs ∗ t{s ε 之间 ∀具体挤出工艺参数如表 u所示 ∀
表 2 挤出工艺参数
Ταβ .2 Εξτρυδινγ παραµετερσ
温度 × °¨³¨µ¤·∏µ¨Πε
t区 ƒ¬µ¶· u区 ≥ ¦¨²±§ v区 ׫¬µ§ w区 ƒ²µ·« x区 ƒ¬©·«¶ y区 ≥¬¬·« z区 ≥ √¨ ±¨·« {区 ∞¬ª«·« 机头 ‹ ¤¨§
压力
°µ¨¶¶∏µ¨Π°¤
挤出速度 ∞¬·µ∏§¬±ª
√¨ ²¯¦¬·¼Πk°#°¬±ptl
tvs tws txs tys tzs t{s t{s txs tv{ v ∗ v1x t
114 ΝΦ−ΩΠΧ力学性能测试
挤出所得的 ‘ƒp• °≤ 片材和对照组木粉Π‹⁄°∞复合材料按照硬质塑料国家标准制样 o并进行力学性能
测试 ∀其中拉伸性能测试方法采用标准 Š…Π× tsws p t||u o弯曲性能测试方法采用标准 Š…Π× |vwt p usss o冲
击性能做简支梁无缺口冲击 o测试方法采用标准 Š…Π× tswv p t||v ∀每组平行测试 x个试样 ∀
115 ΝΦ−ΩΠΧ的 ΣΕΜ观察
将 ‘ƒp• °≤ 置于液氮中 o待完全冷透 o取出脆断 ∀取其断面 o喷金制成电镜观察试样 o然后用 ƒ∞Œ
±˜„‘ׄuss型环境扫描电子显微镜观察其断面形态 o分析界面结合情况 ∀
u 结果与讨论
211 ΝΦ−ΩΠΧ的弯曲性能
目前 o木塑复合材料主要应用于建筑 !运输 !基础构造k甬路 !码头等l !工业托盘等k¤µ®¤µ¬¤±oussul ∀这
些场合中 o木塑复合材料受横向弯曲的外力最大 ∀因此 o木塑复合材的弯曲性能是力学性能研究的重点 ∀
表 3 弯曲性能方差分析表 ≠
Ταβ . 3 ς αριανχε αναλψσισ οφ φλεξυραλ προπερτιεσ
弯曲强度 ƒ¯ ¬¨∏µ¤¯ ¶·µ¨±ª·« 弯曲模量 ƒ¯ ¬¨∏µ¤¯ °²§∏¯∏¶
Θ φ Σ Φ ≥¬ªq Θ φ Σ Φ ≥¬ªq
„ tvu1uv w vv1sy t1us s1xw w s1tw s1{y
… t t|x1z| w u|{1|x ts1|s 33 tz1vz w w1vw uz1zz 33
≤ uzz1uz w y|1vu u1xv s1wu w s1tt s1yz
⁄ uuz1uz w xy1{u u1sz t1uv w s1vt t1|y
Θ¨ ut|1wz { uz1wv t1ux { s1ty
Θ× u sxu1sw uw us1{u uw
≠ Φs1sxkw o{l € v1{w ~ Φs1stkw o{l € z1st ~ Θ}偏差平方和 ׫¨ ¶∏° ²©¶´∏¤µ¨ §¨√¬¤·¬²±~ φ }自由度 ⁄¨ ªµ¨¨²©
©µ¨ §¨²° ~ Σ }均方和 ׫¨ ¶¤° ²© °¨ ¤± ¶´∏¤µ¨ ~ Θ¨ }误差 ∞µµ²µ~ Θ× }总和 ײ·¤¯ ¶∏° ~≥¬ªq}显著性 ≥¬ª±¬©¬¦¤±¦¨ ∀下
同 ׫¨ ¶¤°¨¥¨ ²¯º q
表 v是 ‘ƒp• °≤ 弯曲
强度和弯曲模量的方差分
析结果 ∀在 w个因素中 o
只有纤维含量对弯曲性能
影响程度较大 o而且对弯
曲强度和弯曲模量 u项指
标的影响都呈高度显著 ∀
通过极差分析可以得出如
图 u所示的木纤维含量对
‘ƒp• °≤弯曲性能的影响
图 u 木纤维添加量对 ‘ƒp• °≤弯曲性能的影响
ƒ¬ªqu ∞©©¨¦·²© º²²§2©¬¥¨µ¦²±·¨±·²± ©¯ ¬¨∏µ¤¯
³µ²³¨µ·¬¨¶²©¦²°³²¶¬·¨¶
状况 ∀从图中可以看出 o随着木纤维含量的增加 o弯曲强
度呈先缓 p后急 p再缓的趋势增加 o弯曲模量在木纤维
含量达到 ws h以上时呈线性增加 ∀
在受到横向弯曲外力时 o由于内部应力的作用 o材料
的一侧受到压缩 o另一侧受到拉伸 ou个表面受到的作用
力最大 ∀在木塑复合材料中 o拉伸强度的好坏取决于 v
个方面 }塑料的拉伸强度 !木材的拉伸强度和二者之间界
面的结合强度 ∀经测试 o所用原料中 o杨木的拉伸强度很
高 o可达 {s °¤以上 o‹⁄°∞的拉伸强度较低k约为 uv
°¤l ∀加入偶联剂 „°∞o可以使极性的木材和非极性的
‹⁄°∞两相之间产生化学结合k秦特夫 oussul ~此外 o
‹⁄°∞在充分高温熔融条件下渗入到多孔性的木材中k图
vl o然后低温固化 o形成机械互锁 o这与其他木材形态的
有关研究结果类似k王正 ousstl ∀这 u种结合方式的协同效应对木塑复合材料力学性能的改善起到重要的
stt 林 业 科 学 wu卷
图 v 聚乙烯注入木材纹孔电镜照片
ƒ¬ªqv ≥∞ °¬¦µ²ªµ¤³«²©·«¨ ³¬·¶
¬±­¨¦·¨§º¬·«°∞
作用k秦特夫 oussul ∀因此 o在受到外力作用时 o塑料相
‹⁄°∞就成了相对较弱的破坏点 ∀随着木纤维含量的增加 o
在横截面上 o塑料所占的面积减少 o破坏点减少 o材料的力
学强度增加 ∀
本文所用的木材原料是针状木纤维 o具有一定的长径
比 o而且尺寸较大 ∀在挤出成型过程中 o适当的模具流道设
计使木纤维在剪切力的作用下产生一定取向 o排列方向趋
同 o其长度方向与挤出方向趋于平行 o木纤维之间大致形成
同向排列k图 wl ∀针状木纤维在 ‘ƒp• °≤ 中的这种排列方
式 o加之木材与塑料之间较强的界面结合 o有效地提高了复
合材料的弯曲强度 ∀木纤维含量越大 o这种结合就越多 o弯
曲强度越高 ∀
图 w ‘ƒp• °≤ 的扫描图片
ƒ¬ªqw ׫¨ ¶¦¤±±¬±ªªµ¤³«²©‘ƒp• °≤
212 ΝΦ−ΩΠΧ的拉伸性能
‘ƒp• °≤的拉伸强度 !拉伸模量和断裂伸长率方差分析
和极差分析结果见表 w !x ∀
从表 w可知 }木纤维含量对所考察的 v个拉伸性能指
标的影响都达到了高度显著 ~ „°∞对拉伸强度和断裂伸
长率影响显著 o对拉伸模量影响不显著 ~纤维规格和润滑
剂含量对拉伸性能影响不显著 ∀
表 x显示 }随着木纤维含量增加 o拉伸强度呈增大趋
势 o拉伸模量增大 o断裂伸长率一直在下降 ∀这表明木纤维
的加入使 ‹⁄°∞的刚性增加 !韧性降低 ~ „°∞含量增加 o断裂伸长率增大 o拉伸强度变化较为复杂 ∀
表 4 拉伸性能方差分析
Ταβ . 4 ς αριανχε αναλψσισ οφ τενσιλε προπερτιεσ
拉伸强度 × ±¨¶¬¯¨ ¶·µ¨±ª·« 拉伸模量 × ±¨¶¬¯¨ °²§∏¯∏¶ 断裂伸长率 ∞¬·¨±¶¬¥¬¯¬·¼
Θ φ Σ Φ ≥¬ªq Θ φ Σ Φ ≥¬ªq Θ φ Σ Φ ≥¬ªq
„ w{1|| w tu1ux t1yw s1xu w s1tv s1yx t1xy w s1v| t1vs
… wuu1vw w tsx1x{ tw1tw 33 uy1wz w y1yu vu1{x 33 tw1xs w v1yu tu1tu 33
≤ tty1st w u|1ss v1{{ 3 s1ww w s1tt s1xx x1z{ w t1ww w1{v 3
⁄ tsu1sz w ux1xu v1wu u1uw w s1xy u1z{ s1{w w s1ut s1zs
Θ¨ x|1zw { z1wz t1yt { s1us u1v| { s1vs
Θ× zw|1tx uw vt1u{ uw ux1sz uw
表 5 拉伸性能极差分析 ≠
Ταβ . 5 Ρανγε αναλψσισ οφ τενσιλε προπερτιεσ
拉伸强度 × ±¨¶¬¯¨ ¶·µ¨±ª·«Π°¤ 拉伸模量 × ±¨¶¬¯¨ °²§∏¯∏¶ΠŠ°¤ 断裂伸长率 ∞¬·¨±¶¬¥¬¯¬·¼Πh
„ … ≤ ⁄ „ … ≤ ⁄ „ … ≤ ⁄
κt vv1yx u|1wy vt1t| vx1sv v1vy u1us v1yt v1wy u1vw v1{v t1|u u1xv
κu vw1su vt1xw vy1|{ vu1ww v1wy u1zt v1{s v1uz u1vv u1|s u1wy u1x{
κv vx1tx vy1vx vw1{{ v{1xs v1zv v1xy v1wy w1sy u1wu u1wt u1u{ u1ws
κw vz1xy ws1s{ vy1xx vy1tt v1zv w1ws v1xz v1zy u1z{ u1sw u1{t u1|s
κx vx1{w v{1z| vy1yv vw1tx v1xz w1|{ v1wv v1vt u1|w t1yv v1vv u1ws
Ρ v1|u ts1yu x1z| y1sx s1vz u1z{ s1t{ s1z| s1yt u1ut t1wt s1xs
≠ κι表示第 ι水平所对应的试验结果的平均值 ~ Ρ为极差 ∀ κι }„√ µ¨¤ª¨ ²©·«¨ ¬¨³¨µ¬° ±¨·¤¯ µ¨¶∏¯·¶¦²µµ¨¶³²±§¬±ª·²¯¨ √¨ ¯ ι o Ρ }µ¤±ª¨ q
当木纤维含量达到 zs h时 o‘ƒp• °≤的拉伸强度有所下降 ∀可能是因为木纤维含量过多 o会产生局部聚
集现象 o连续相中断 o没有达到很好的界面结合 o形成局部弱界面 o从而造成整个复合材料的强度下降 ∀
213 ΝΦ−ΩΠΧ的冲击性能
对 ‘ƒp• °≤冲击强度的方差分析见表 y ∀可以看出 o在 w个因素中 o纤维和 „°∞含量对冲击性能影响
显著 o纤维规格和润滑剂添加量对冲击强度影响不显著 ∀
ttt 第 tu期 王海刚等 }针状木纤维Π‹⁄°∞复合材料的力学性能
图 x 纤维含量和  „°∞含量对冲击强度的影响
ƒ¬ªqx ∞©©¨¦·²©©¬¥¨µ¦²±·¨±·¤±§ „°∞
¦²±·¨±·²±¬°³¤¦·³µ²³¨µ·¼
表 6 冲击性能方差分析
Ταβ . 6 ς αριανχε αναλψσισ οφιµ παχτ προπερτψ
Θ φ Σ Φ ≥¬ªq
„ tw1x{ w v1yw t1t|
… xw1vx w tv1x| w1ww 3
≤ x{1ss w tw1xs w1zw 3
⁄ tu1|t w v1uv t1sx
Θ¨ uw1w{ { v1sy
Θ× tyw1vt uw
进一步通过极差分析 o对分析结果进行做图 o可以得到如
图 x所示的 ‘ƒp• °≤复合材料冲击强度随纤维含量和 „°∞
含量的变化情况 ∀图中显示 o随着纤维含量从 vs h 增加到
zs h o冲击强度迅速下降 o下降幅度达到 vx h以上 ∀这是因
为刚性较高的木纤维加入到基体 ‹⁄°∞中束缚了基体韧性的
发挥 o纤维含量越高 o这种束缚作用越大 o从而使材料的脆性
增加k刘娟华等 oussul ∀
 „°∞含量对冲击强度的影响与纤维含量的影响相反 ∀
不加 „°∞o或者  „°∞添加量较少 o木纤维和 ‹⁄°∞之间结
合不够紧密 o电镜图片图 y ¤中可以清晰地观察到木纤维与
‹⁄°∞之间的缝隙k ´处l和在脆断过程中木纤维从塑料中拔
出留下的空穴k µ处l ∀在受到外力冲击时 o木纤维受到的作
用力不能及时地向 ‹⁄°∞转移 o造成了应力集中 o材料就会很
容易被冲断 ∀随着  „°∞添加量的增加 o界面结合趋于紧密 o
这从图 y ¥中 ¶处可以观察到 ∀这种情况下 o木纤维可以将
冲击作用及时地传递给 ‹⁄°∞o并通过 ‹⁄°∞的韧性将作用力
化解 o从而提高了材料的抗冲击能力 ∀
214 ΝΦ−ΩΠΧ优化挤出工艺配方的确定与验证
u1w1t 优化配方的确定 木纤维的规格对力学性能有一定
的影响 o并且要具有一定的长度和长径比才能更好的增强复
合材料k¨¨ ετ αλqousst ~刘娟华等 oussul ~当木纤维长度达
图 y 木纤维Π‹⁄°∞复合材料断面电镜照片
ƒ¬ªqy ≥∞ °¬¦µ²ªµ¤³«²© º²²§2©¬¥¨µΠ‹⁄°∞ ¦²°³²¶¬·¨¶©µ¤¦·∏µ¨ ¶∏µ©¤¦¨
¤不含  „°∞ •¬·«²∏·„°∞~ ¥ „°∞含量 w h  „°∞ w h q
到一定值时 o再增加长度则不再影响复合材料的性能kŽ²®·¤ousssl ∀本文结果表明 o木纤维规格对 ‘ƒp• °≤
材料力学性能的影响在统计学上不显著 o支持了 Ž²®·¤kusssl的研究结果 o这可能与木纤维的长度均超过
Ž²®·¤研究中的临界长度 s1v °°有关 ∀鉴于针状木纤维的流动性好 o同时兼顾复合材料外观好与加工能耗
低 o本文选择规格 ¦o即长度为 v ∗ w °° !长径比为 { ∗ tt的针状木纤维 ∀
木纤维含量选择 ys h ∀虽然 zs h的木纤维含量可以使 ‘ƒp• °≤的拉伸性能和弯曲性能达到最高 o但是
相对于 ys h o‘ƒp• °≤的断裂伸长率和冲击强度下降幅度较大 ~而且对于挤出加工工艺 o木纤维含量过高还
会降低熔体的流动性 o降低加工性能 o综合考虑这些因素 o木纤维含量 ys h是较好的选择 ∀
偶联剂 „°∞的添加量高于 w h时 o随着含量的再增加 o‘ƒp• °≤ 的弯曲强度和拉伸强度升高幅度不显
著 o而断裂伸长率k表 xl和冲击强度k图 xl增加比较明显 ∀考虑到偶联剂对木塑复合材料的成本影响很大 o
utt 林 业 科 学 wu卷
„°∞含量的选择可以根据不同的情况来定 o如果复合材料的使用需要弯曲强度或拉伸强度较高 o而对韧性
没有太高的要求 o可以选择 w h的  „°∞含量 ~如果对于韧性有较高的要求 o可以选择高一些的  „°∞含量 ∀
本文选择  „°∞的含量为 w h ∀
润滑剂石蜡的含量在 s1t h ∗ s1x h范围内对于 ‘ƒp• °≤ 的力学性能影响不显著 ∀但在成型加工过程
中 o石蜡的含量对 ‘ƒp• °≤的挤出成型有很大的影响 ∀木塑复合熔融体系属于假塑性流体 o粘度较低k薛平
等 ousstl ∀在木纤维含量高的情况下 o熔体粘度进一步降低 o石蜡含量太少不仅挤出困难 o而且材料的表面
粗糙 o边部容易起毛刺 ∀当石蜡添加量达到 s1v h时 o上述情况就会避免 ∀因此选择石蜡含量为 s1v h ∀
最终选择的优化配方组合为 „v …w ≤u ⁄v ∀
u1w1u 优化配方的验证 按照上述优化配方制备 ‘ƒp• °≤复合材料k重复 v次l o并与在相同条件下制备的
木粉Π‹⁄°∞复合材料作性能对比 o试验结果见表 z ∀可以看出 o‘ƒp• °≤ 复合材料的弯曲强度 !弯曲模量 !拉
伸强度和拉伸模量均高于木粉Π‹⁄°∞复合材料 o但断裂伸长率和冲击强度略低 ∀与木粉Π‹⁄°∞复合材料相
比 o‘ƒp• °≤的刚性和强度好 o但韧性稍差 o这可能是由于所用的针状纤维不同于通常所用的热磨木纤维 o横
截面尺寸较大 !柔韧性较差而刚性较强所致 ∀
表 7 2 种复合材料力学性能对比 ≠
Ταβ . 7 Μεχηανιχαλ προπερτιεσ χοντραστ οφ τωο χοµ ποσιτεσ
弯曲强度
ƒ¯ ¬¨∏µ¤¯ ¶·µ¨±ª·«Π
°¤o ς3
弯曲模量
ƒ¯ ¬¨∏µ¤¯ °²§∏¯∏¶Π
Š°¤o ς
拉伸强度
× ±¨¶¬¯¨ ¶·µ¨±ª·«Π
°¤o ς
拉伸模量
× ±¨¶¬¯¨ °²§∏¯∏¶Π
Š°¤o ς
断裂伸长率
∞¬·¨±¶¬¥¬¯¬·¼Π
h o ς
冲击强度
Œ°³¤¦·¶·µ¨±ª·«Π
k®#°pul oς
‘ƒp• °≤复合材料
‘ƒp• °≤ ¦²°³²¶¬·¨ x{1zs os1sw u1|y os1sy v|1x{ os1sw w1st os1sx u1uu os1sx tu1zw os1sv
木粉Π‹⁄°∞复合材料
• ²²§2©¯²∏µΠ‹⁄°∞ ¦²°³²¶¬·¨ xx1su os1su u1wu os1sv vy1{t os1sy v1v| os1tv u1|w os1t| tv1yt os1sy
≠ 3 } ς是每组 x个试样测试结果的变异系数 ∀ ς¬¶·«¨ ¦²¨©©¬¦¬¨±·²©√¤µ¬¤·¬²± ²©·«¨ x ¶³¨¦¬° ±¨¶¬± ¤¨¦«ªµ²∏³q
v 结论
针状木纤维的含量对 ‘ƒp• °≤复合材料各项力学性能指标都有影响 o除对冲击强度的影响程度为显著
外 o对其他各项力学性能的影响都高度显著 ∀随着木纤维含量的增加 o‘ƒp• °≤ 复合材料的弯曲强度 !弯曲
模量 !拉伸强度和拉伸模量都呈增大的趋势 o而断裂伸长率和冲击强度呈下降的趋势 ∀
偶联剂 „°∞的含量对 ‘ƒp• °≤ 复合材料的拉伸强度 !断裂伸长率和冲击强度影响显著 ∀随着  „°∞
含量增大 o拉伸强度 !断裂伸长率和冲击强度都增大 ∀
‘ƒp• °≤复合材料一步法挤出成型工艺的优化配方为 }针状木纤维长度为 v ∗ w °° !长径比为 { ∗ tt o纤
维含量 ys h o„°∞含量 w h o石蜡含量 s1v h ∀其中 o„°∞的含量可以根据复合材料韧性的需要适当增加 ∀
除韧性略低外 o采用针状木纤维制备的 ‘ƒp• °≤复合材料的其他各项力学性能 o都高于用相同挤出工艺
条件下制备的木粉Π‹⁄°∞复合材料 ∀
参 考 文 献
刘娟华 o翟英杰 o郭宝华 qussu q木纤维增强聚丙烯复合材料性能的研究 q中国塑料 otyk{l }xv p xy
秦特夫 qussu q木粉加入量对木塑复合材料性能影响的研究 q木材工业 otykxl }tz p us
宋永明 o王清文 o郭垂根 o等 qussx q∞°⁄ p  „对木粉Π聚丙烯复合材料性能的影响 q林业科学 owtkyl }tv{ p twv
王 正 qusst1 木塑复合材料界面特性及其影响因子的研究 q中国林业科学研究院博士学位论文
王 正 o鲍甫成 o郭文静 qussv q木塑复合工艺因子对复合材料性能的影响 q林业科学 ov|kxl }{z p |w
薛 平 o张明珠 o何亚东 o等 qusst q木塑复合材料及挤出成型特性的研究 q中国塑料 otxk{l }xv p x|
肖泽芳 o赵林波 o谢延军 o等 qussv q木材 p热塑性塑料复合材料的进展 q东北林业大学学报 ovtktl }v| p ws
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k责任编辑 石红青l
vtt 第 tu期 王海刚等 }针状木纤维Π‹⁄°∞复合材料的力学性能