第３１卷第６期
西南林業大學學報
２０１１年ｌ２月
木塑複合材料熱膨脹效能與彎曲效能研究
黃潤州張洋
（１．南京林業大學木材工業學院，江蘇南京２１００３７；２．美國路斯安那州立大學再生資源學院，巴吞魯日７０８０３）
摘要：以高密度聚乙烯（ｈｄｐｅ）為基體，松木粉為增強項，ｍａｐｅ為偶聯劑，採用注塑法製備ｗｐｃ，
研究其熱膨脹效能與彎曲效能，結果表明：木塑複合材料的彎曲強度和彎曲模量較單純的ｈｄｐｅ有
所提高，且隨著木粉含量增加而增加；線性熱膨脹係數隨著木粉含量增加而降低；隨著木粉的加入，
對ｗｐｃ長度方向上的熱膨脹的限制較寬度方向上更大。關鍵詞：木塑複合材料；熱膨脹特性；彎曲效能；木纖維含量中圖分類號：￥７８４
文獻標誌碼：ａ
文章編號
木塑複合材料（ｗｐｃ）是指以塑料為基體，木粉
為增強材料的一種綠色環保的生物質複合材料，已廣泛的應用於建築、裝飾、家具等方面。木塑複合材料的出現不但緩解了目前木材資源緊缺和植物纖維及塑料廢棄物**利用困難的難題…，還在保留了木材在加工效能方面優勢的基礎上，克服了木材不耐用的缺陷 ｊ。在製備木塑複合材料的過程中，偶聯劑已被廣泛使用。
木塑偶聯劑可以改善木粉與聚合物之間的介面狀況，同時還可以提高基體與增強材料之間的相容性。目前，使用最廣泛的偶
收稿日期：２０１１一ｏ８—１７
聯劑是相對易於得到且較便宜的馬來酸酐（ｍａ）以
及改性的聚丙烯（ｍａｐｐ）、聚乙烯（ｍａｐｅ）和聚苯乙烯（ｍａｐｓ）
。熱膨脹現象經常出現在機械和熱力學效能研究中，其數值是工程材料設計的乙個重要指標，指
的是隨著溫度的公升高，材料內部的自由體積增加，從而產生熱能，出現熱膨脹現象。高聚物在受熱時，每個分子周圍產生自由的空間，從而使膨脹產生。因此，加入填料可以抑制熱膨脹現象的發生，其原因是增強材料受熱時，會發生類似高聚物的變
**專案：美國農業部、能源部生物質啟動研究專案資助；江蘇省優勢學科建設工程優秀研究生學位**培養計畫
資助。第１作者：黃潤州（１９７９一），男，博士生。研究方向：木質與非木質複合材料通訊作者一），教授，博士生導師。研究方向：木質與非木質複合材料
西南林業大學學報第３ｌ卷
化，但程度較有機聚合物輕很多ｊ。線性膨脹係數（ｌｔｅｃ）是乙個重要的工程設計引數，可以用來測量材料隨溫度公升高後的尺寸變化，對材料的使用和開發均具有至關重要的作用，在工程材料組裝時顯得尤為重要。
當前，人們對木塑複合材料力學效能研究較多，對熱膨脹效能少有研究，本文以高密度聚乙烯
為基體，松木粉為增強材
料，ｍａｐｅ為偶聯劑，採用注塑法製備ｗｐｃ，測定不
同配比木塑複合材料的彎曲效能和線性熱膨脹係數，分析研究其關係，以期為以後的研究提供一定的基礎資料。
１材料與方法
１．１試驗材料
松木粉取自美國路易斯安那州立大學農業中心（２８目購自美
國公司．１．２主要試驗儀器
雙螺桿擠出機，德國ｂｒａｂｅｎｄｅｒ公司；ｐｌｕｓ３５型
注入成型機，德國ｂａｔｅｎｆｅｌｄ公司；熱機械分析儀
美國ｔａ公司；萬能力學試驗機，美國
ｉｎｓｔｒｏｎ公司。
１．３試樣製備
松木粉試樣在製備前於８０％條件下乾燥１２ｈ，按表１所示比例稱取一定量的ｈｄｐｅ ６７０６和ｍａｐｅ，加人雙螺桿擠出機中，以轉速４０ ｒ／ｍｉｎ、溫
度１５０ｏｃ到１７５ｏｃ進行塑化造粒。製成的基體顆粒在１００￣ｃ條件下乾燥１２ ｈ後，加入ｐｌｕｓ３５型注入成
型機制樣，注射溫度為１９０ｏｃ，成型溫度６８ ｃ【＝。未
新增任何助劑的ｈｄｐｅ ６７０６試樣注射溫度為１８０ｑｃ，成型溫度５４℃。所有試樣製備完成後在室溫下冷卻７２ ｈ。
表１試樣各組分比例
１．４效能測試
１）將製備好的試樣切成
３ｍｍ，根據ａｓｔｍｄ７９０進行３點彎曲效能測試，每個配比共測試５個試樣後取平均值。２個支點的跨距為５０ｍｍ，壓塊載入速度為
２）將試樣切成
利用熱機械分析儀（ｔｍａ）測試其熱膨脹效能，測試
時試樣應在底座與探棒之間，測試經過３個變溫階
段一３０℃和一３０—２０℃），如圖２所示，變溫速度
贈圖１溫度隨時間的變化趨勢
分別測量試樣長度及寬度方向的線性熱膨脹
係數，使用分析軟體計算線性熱膨脹係數（ｌｔｅｃ），每個配比共測試６個試樣後取平均值。線性熱膨脹係數計算公式為：
ｌｔｅｃ＝
式中：ｌ為試樣的線性長度；為每攝氏度線性長度
的變化率。
２結果與分析
２．１木粉加入量對ｗｐｃ彎曲效能的影響
木塑複合材料的彎曲效能隨木粉加人量的數值變化而變化，其結果見表２。
表２試樣彎曲效能
由表２可知，隨著ｗｐｃ木粉含量從０增加到
３５％，其彎曲強度和彎曲模量也分別從增加到４４．４２ｍｐａ和２．３６ｇｐａ，分別增加
了１２４．８％和２２３．３％，其彎曲效能隨木粉含量的增
加而增加。其原因是木纖維的結構保持纖維束狀，
有一定的長徑比和較高的強度。當木粉的新增量
從０到３５％時，木粉在此含量區間內，在塑料基體內分布較均勻，不會團聚，起到了增強材料的作用。而作為增強材料的木粉本身的剛性和強度決定了複合材料的彎曲強度，隨著木粉含量的不斷增加，
第６期黃潤州等：木塑複合材料熱膨脹效能與彎曲效能研究
ｗｐｃ的剛性和抗形變能力不斷增強，從而使得其彎
曲強度和彎曲模量不斷增強。
２．２木粉加入量對ｗｐｃ熱膨脹效能的影響
線性熱膨脹係數反映材料的熱膨脹效能，其
在此含量區間內，在塑料基體內分布較均勻，不會
團聚，且木粉本身的剛性和強度決定了複合材料的
彎曲強度。因此，隨著木粉的含量不斷增加，ｗｐｃ的剛性和抗形變能力不斷增強，從而使得其彎曲強度和彎曲模量不斷增強。其彎曲強度和彎曲模量也分別從１９．７６ ｍｐａ和０．７３ ｇｐａ增加到４４．４２ ｍｐａ
和２．３６ ｇｐａ。
數值越小表示熱膨脹越小，材料的效能越好。
ｗｐｃ長度和寬度方向上的線性熱膨脹係數分別見
表３～４。
表３長度方向上熱膨脹係數ｔｍａ測試結果
２）隨著木粉含量從０增加到３５％，塑料基體
與纖維相互纏繞，同時塑料基體流動的阻力增大，編號木粉含量
垡竺墊！．：：：：
／％２０～６０ｏｃ
６０～一３０ｏｃ
一３０～２０ｏｃ
表４寬度方向上熱膨脹係數ｔｍａ測試結果
由表３—４可知，隨著木粉含量從０增加到
３５％，其長度方向上的線性熱膨脹係數呈下降趨勢。在３個溫度區間一３ｏ℃和一３０～
２ｏ℃）內長度方向上的熱膨脹係數分別從２００．７０×
１０－６／℃，
和下降至０７８．５０×１０一一／￣ｃ和６８．７９×
１０ ／℃，分別下降了和６６．ｏ％；寬度方向上線性熱膨脹係數分別從
和下降至一一／ｃｃ和９９．９６×
１０ ／℃，下降了和２５．５％，其線性
熱膨脹係數與木粉的含量呈現反比關係。其原因可能是隨著木粉的加人，塑料與木粉介面的相互作用增強，木粉起到增強項的作用，同時塑料基體流
動的阻力增大，分子鏈發生形變被進一步限制，從
而起到了限制熱膨脹的作用。比較表３—４中資料
可知，隨著木粉的加入，對ｗｐｃ長度方向上的熱膨脹限制較寬度方向上大。
３小結１）隨著ｗｐｃ木粉含量從０增加到３５％，木粉
分子鏈發生形變被進一步限制，在３個溫度區間一一３０℃和一３０—２０℃）內其長度方向上的線性熱膨脹係數呈下降趨勢，分別下降了和６６．０％，寬度方向上的熱膨脹係數分別下降了和２５．５％，其線性熱膨脹係數隨著木粉含量的增加而降低。
３）木粉的加入起到了限制熱膨脹的作用，對
ｗｐｃ長度方向上的熱膨脹的限制較寬度方向上
更大。［參考文
獻］［１］李光哲．木塑複合材料的研究熱點及發展趨勢［ｊ］．木
材加工機械
［２］劉濤，何慧，洪浩群，等．木塑複合材料研究進展［ｊ］．
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