木纤维含量对木塑复合材料蠕变特性的影响
2022-12-15
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第18卷第2期 2015年4月 建筑材料学报 Vo1.18.NO.2 JOURNAL OF BUILDING MATERIALS Apr.t2015 文章编号:1007—9629(2015)02—0333—07 木纤维含量对木塑复合材料蠕变特性的影响 杜虎虎 王伟宏, 王海刚 王清文 (东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室,黑龙江哈尔滨150040) 摘要:测试了不同木纤维含量(质量分数)的木塑复合材料的24 h蠕变应变和24 h回复应变,分析 了木纤维含量对木塑复合材料蠕变特性的影响,并采用十元件广义Kelvin模型和Findley幂律模 型对木塑复合材料24 h蠕变曲线进行了拟合.测试分析了温度对木塑复合材料蠕变特性的影响. 结果表明:在各测试条件下增加木纤维含量都有助于提高木塑复合材料的抗蠕变应变能力.当木 纤维含量由5O 增加到7O 时,木塑复合材料的弯曲强度和弹性模量显著升高,24 h蠕变应变减 小了58 左右;"3木纤维含量由5O%增加到70%时,木塑复合材料回复应变差别没有蠕变应变差 -别那么显著.在10 和2O%加栽应力水平下,5O 与6O 木纤维含量的木塑复合材料24 h蠕变回 复率接近,而在3O 加载水平下,6O 和7O 木纤维含量的木塑复合材料24 h蠕变回复率接近. 十元件广义Kelvin模型和Findley幂律模型均可较好地拟合木塑复合材料的24 h蠕变曲线.温度 升高使木塑复合材料的蠕变应变增大;在一定温度范围内增加木纤维含量有利于抑制木塑复合材 料的蠕变应变. 关键词:高密度聚乙烯;木纤维;木塑复合材料;蠕变;模型 中图分类号:TU50 文献标志码:A doi:10.3969/j.issn.1007—9629.2015.02.026 Influence of Wood Fiber Content on the Creep Behavior of Wood Fiber。Plastic Composite DUHuhu,WANG Weihong,WANG Haigang,WANG Qingwen (Key Lab of Bio—based Material Science&Technology,Ministry of Education, Northeast Forestry University,Harbin 15OO40,China) Abstract:24 h creep strains and recovery strains of wood fiber—plastic composites with different wood fiber contents(by mass)were measured.The effects of wood fiber contents on the creep behaviors of wood fi— ber-plastic composite were discussed.24 h creep curves of wood fiber-plastic composite were fitted by ten element general Kelvin model and Findley’S power law mode1.The effects of temperature on the creep be— haviors of wood fiber—plastic composite were tested.The results show that the resistances for creep strains of wood fiber—plastic composite are improved by increasing wood fiber contents at various testing condi— tions.When the wood fiber content increases from 50 to 70%,the bending strength and elastic modulus of wood fiber—plastic composites are markedly elevated and creep strain in 24 h is reduced by about 58 , and the difference of recovery strain is not as obviously as the difference of creep strain.At lO%and 20% loading stress level,the 24 h creep recovery efficient of wood fiber—plastic composite with 50 wood fiber is similar to that with 60 wood fiber;while,at 30 loading stress leve1,the 24 h creep recovery effi— cient of wood fiber—plastic composite with 60 wood fiber is similar to that with 70%wood fiber.Both 收稿日期:2013—10—10;修订日期:2013一Io一29 基金项目:国家林业公益性行业专项项目(201204802);国家自然科学基金资助项目(31070506) 第一作者:杜虎虎(1986一),男,陕西太原人,东北林业大学硕士.E-mail:duhuhu521@126.com 通信作者t q: ̄(1968--),女,黑龙江富裕人,东北林业大学教授,博士生导师,博士.E-mail:weihongwang2001@aliyuncom .334 建筑材料学报 第18卷 ten—element general Kelvin model and Findley’S power law model fit 24 h creep curves of wood fiber—plastic composites wel1.The creep strain of wood fiber—plastic composite increases with increasing temperature; however。the creep stain of wood fiber—plastic composite could be restrained by increasing wood fiber con— tent in a certain temperature range. Key words:high density polyethylene(HDPE);wood fiber;wood fiber—plastic composite;creep;model 木塑复合材料(WPC)是由木纤维填充改性热 塑性塑料的一种新型复合材料,具有可回收利用的 优势.木纤维作为木塑复合材料的增强相,其含量对 木塑复合材料的性能有很大的影响.已有研究口_3_发 在不同受力和环境温度条件下,木塑复合材料 蠕变特性随木纤维含量变化的规律还有待探索,同 时广义Kelvin模型和Findley幂律模型对不同纤维 含量木塑复合材料蠕变曲线所能达到的拟合效果尚 现,木纤维含量增多,木塑复合材料的密度、弯曲强 度和弹性模量上升,耐水性和冲击强度下降.木塑复 合材料主要用作楼梯踏板、栏杆、户外地板、建筑模 板等 ],在使用过程中易发生蠕变行为.当木塑复合 材料蠕变达到一定程度时其会发生突然的脆性断 裂,给人们日常生活造成严重的安全隐患.因此,木 塑复合材料的蠕变问题应当引起重视,许多学者已 开始就此进行了研究 。引. 工程材料研究领域中应用力学模型对工程材料 蠕变进行分析是非常普遍的,但木塑复合材料研究 领域对该材料蠕变的关注刚刚兴起,力学模型的运 用与修正并不成熟.一些研究人员认为四参数的 Burger模型和两参数的Findley幂律模型可以较好 地拟合木塑复合材料的蠕变曲线[6,9-10,12-13].Burger 模型方程为: 一 +苦[1-exp(一暑)]+ ㈩ 式中:£( )为t时刻材料总应变; 为作用在材料上 的恒定应力;E。为材料普弹形变时的弹性模量;E 为材料黏弹性形变时的弹性模量 为松弛时间;7/o 为材料的黏度系数.然而Burgers模型只有1个松 弛时间,仍然不能完全反映木塑复合材料黏弹性行 为,因此,可以采用广义Kelvin模型来表征木塑复 合材料黏弹性行为.广义Kelvin模型由1个弹簧、 ( 一1)个Kelvin单元和1个黏度黏壶串联而成.广 义Kelvin模型方程为: )一番+ [1-exp( Ti 1]+旦7]0 (2) 式中:E为Kelvin模型单元黏弹性形变时的弹性模 量;t为各个Kelvin单元的松弛时间. Findley幂律模型方程为: £(£)一at。+£0 (3) 式中.Eo为材料瞬时弹性变形;a和b为材料常数. 不清楚.本文对此进行了重点研究. 1 试验 1.1试验材料 高密度聚乙烯(HDPE)塑料,型号5o00S,熔融 流动指数为o.8~1.1 g/min,中国石油大庆石化公 司产品;木纤维,0.613~0.178 mm(30~8O目);马 来酸酐接枝聚乙烯(MAPE),型号CMG9804,接枝 率为0.9 ,熔融指数为0.3O~0.90 g/min,上海日 之升新技术发展有限公司产品;添加剂石蜡、聚乙烯 蜡、碳酸钙、硬脂酸,均为市购.木塑复合材料的配合 比见表1. 表1木魍复合材料的配合比 Table 1 Mix proportions of wood fiber-plastic composite 1.2木塑复合材料的制备 先将称量好的木纤维倒人高速混合机中进行搅 拌,降低其含水率,然后依次加入一定量的HDPE 塑料、MAPE和添加剂(石蜡、聚乙烯蜡、碳酸钙和 硬脂酸),继续混合至均匀.将混合好的物料加入双 螺杆/单螺杆串联挤出机组的进口.物料经双螺杆混 炼塑化后再排入单螺杆挤出机,然后由单螺杆挤出 机挤出成40 ram(宽)×4 mm(厚)的矩形截面型材. 1.3性能测试 1.3.1弯曲性能测试 将木塑复合材料型材加工成8O nlm(长)× 13 mm(宽)×4 ram(厚)的试件.按照AsTM D 790 标准_1 测试试件的弯曲性能,测试时抗弯支撑跨距 为64 mm,压头速度为2 mm/s.每组测试lO个试 第2期 杜虎虎,等:木纤维含量对木塑复合材料蠕变特性的影响 蠕变回复率基本呈上升趋势.在1O 和2O 应力水 平下,5O 与6O 木纤维含量的木塑复合材料24 h 蠕变回复率相差不大,而含有7O%木纤维的木塑复 合材料24 h蠕变回复率明显提高,木纤维的刚性优 势得到体现.但当应力水平增大到3O 时,木纤维 含量为6O 和7O 的木塑复合材料的24 h蠕变回 变差,在大载荷作用下HDPE较快产生滑移,破坏 了HDPE与木纤维之间的结合,因此木塑复合材料 可回复能力遭到破坏. 2.3模型拟合木塑复合材料蠕变曲线 采用十元件广义Kelvin模型( 一4)和Findley 幂律模型拟合木塑复合材料的24 h蠕变曲线.利用 Origin 8.0软件的非线性拟合功能,编制蠕变曲线 的拟合程序,通过非线性循环反演求得上述2种模 型各参数,分别列于表3和表4. 复率基本相同,且均较5O 木纤维含量的木塑复合 材料有所减小.木塑复合材料中木纤维含量增多时, HDPE基质相应地减少,对木纤维的包覆效果逐渐 裹3不同加载应力水平下木塑复合材料+元件广义Kelvin模型拟合参数 Table 3 Fitting parameters of ten element general Kelvin model for wood fiber-plastic composites at different loading stress levels 5OWPC 6OWPC 70WPC 2 81O 5 572 8 023 5 587 11 837 12 353 11 385 9 0l3 10 670 11 841 11 864 31 307 1 395 9 015 1 631 13 744 1O 441 25 912 148 535 16l 21 425 31 2O1 31 604 10 11 9 6.39 10.30 11.80 0.999 8 0.997 0 0.999 7 裹4不同加载应力水平下木塑复合材料Findley幂律模型拟合参数 Table 4 Fitting parameters of indlFey’s power law model for wood iber-plfastic composites at different loading stress levels 性形变等状态,且拟合结果比较精确,R。基本都达 到了0.999以上;Findley幂律模型拟合参数较少, 计算简单,但其拟合结果的精确度比十元件广义 Kelvin模型的略低. 由表3还可知:(1)当木纤维含量从5O 增加 到6O 时,木塑复合材料的黏度增幅较大.这是因 为木纤维的增加使得木塑复合材料刚性增强,从而 令聚乙烯分子的链段伸展和相对滑移变得困难,因 50WPC 20 60WPC 0.338 37 0.083 74 0.188 36 0.999 64 0.122 46 0.071 33 0.181 76 0.992 26 此木塑复合材料的黏度升高.(2)随着加载应力水平 的增加,木塑复合材料的普弹形变弹性模量(E0)和 黏度基本呈下降趋势,表现出明显的应力依赖性. 2.4温度对木塑复合材料蠕变特性的影响 70WPC 0.121 84 0.036 82 O.193 85 0.99913 温度对木塑复合材料蠕变特性的影响见图4. 由图4可以看出,在60℃条件下,木塑复合材料出 现加速蠕变过程并最终发生断裂,这表明温度起到 加速蠕变应变的作用.这主要是因为聚乙烯分子运 由表3和表4可以看出,2种模型均可较好地 动对温度有依赖性,温度升高分子热运动加剧,同时 木塑复合材料体积发生膨胀,材料分子间距离增大, 分子间摩擦力减小,使得木塑复合材料蠕变速度加 快,蠕变应变增大.当温度从2O℃升到6O℃时,木 拟合木塑复合材料的24 h蠕变曲线.十元件广义 Kelvin模型虽然拟合参数较多,但其可以详细反映 木塑复合材料的瞬时弹性形变、延滞弹性形变和黏 第2期 杜虎虎,等:木纤维含量对木塑复合材料蠕变特性的影响 339 Creep behavior and manufacturing parameters of wood fiber filled polypropylene composites[J].Composite Structures, 2004。65(3):459—469. 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