木塑复合材料的加工：影响木材粒度，微观结构和机械性能的因素外文翻译资料

 2022-08-07 11:12:44

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外文翻译（一）

木塑复合材料的加工：影响木材粒度，微观结构和机械性能的因素

  1. Hietala ，J.Niinimauml;ki ，K. Oksman

摘要：以木屑为原料并使用两种不同的混合方法来制造木材含量为50 wt％的木塑复合材料。通过使用干燥和未干燥的木屑来研究木材含水量对木材粒度的影响并研究干燥过程是否可以在同一步骤中进行。采用光纤分析法测量了木材的颗粒特性；显微分析法检查木材颗粒的微观结构。此外，对制备的复合材料的力学性能进行了研究。在两种加工方法中，挤压过程中木片的粒径均显着减小。与挤出后的干燥木片相比，未干燥木片具有更高的纵横比。尽管纵横比更高，但使用未干燥木屑制造的复合材料的机械性能并不比使用干燥木屑制造的复合材料的机械性能更好。

关键词：木塑复合材料 挤压 木材粒度 力学性能

1.简介

木塑复合材料(WPC)是具有木质外观但可以像塑料材料一样进行加工的材料。与实木相比，WPC具有更好的耐用性和更低的维护要求。与传统上用于聚合物复合材料的无机填料和合成填料相比，木材还被认为是一种低成本和可再生的材料。当前WPC的最大市场是户外建材，但汽车零件和家具也是可以由WPC制成[1]。

木塑复合材料是由木料颗粒与热塑性基体复合而成。WPC的最典型的加工方法是挤出复合，然后进行型材挤出或注塑。基质聚合物通常是加工温度低于木材降解温度的低成本聚合物。WPC中最常见的基质聚合物是聚乙烯，聚丙烯（PP）和聚氯乙烯[2]。

在商业化生产的木塑复合材料中，使用最广泛的木制品原料是木粉。木粉是由各种木材加工厂的废料经不同的粉碎机粉碎后制成，经筛分后进行粒度分级[3]。商用木粉的粒度通常小于425mu;m ，长径比（长径比）在1至5之间[4]。低长径比限制了木粉的增强潜力[5]，研究表明，长径比越高的木纤维增强能力越好。[6,7]尤其是当纤维与基体之间存在良好的粘合力时，纤维能更好地向纤维传递应力。5但是，由于低体积密度纤维的进料和计量困难，而且它们比木材昂贵，所以很少用于制造商用WPC[2,5]。木材纤维在复合材料中的分散性差的问题也有报道[8,9]。

由于亲水性木材与疏水性热塑性树脂基体的不相容性，使得大量的WPC研究集中在增强其与基体的界面结合上。特别是，不同偶联剂和纤维表面处理的应用已经得到了广泛的研究[10-15]，而以木材特性和加工条件对WPC性能的影响为重点的研究活动却很少有报道。木材颗粒尺寸对复合材料性能的影响已被研究[7,16-19]，但对于较大的木材颗粒用于制备WPCs的研究较少[17,20].尽管双螺杆挤出是木塑复合材料生产中使用的主要加工方法之一，，但挤出复合对木材粒度和纤维长度的影响的研究较少[21,22]。

在Bledzki和Faruk [17]研究中，比较了PP与不同类型木纤维和木屑制成的复合材料的物理力学性能。结果表明，当添加5％偶联剂时，木片-PP复合材料表现出比其他木屑-PP复合材料更好的拉伸和弯曲性能。Balasuriya等人[20]在研究木片分布和润湿对WPC的结构特性关系的影响中，使用了使用大小为（1-4）mmbull;（0.1-2）mm的木片作为木材高密度聚乙烯复合材料，他们注意到复合后木片的长度减少了。

其他研究也表明，木材的粒度和纤维长度会在混合过程中降低[21-24]。通常，这种降低对于混合而言被认为是不利的，但挤出过程中的剪切力也可用于减小较大木材颗粒的粒径。如果能找到一种最佳的螺杆结构和加工方法，就可以从木材颗粒中分离出高长径比的纤维。因此，木材原料不需要像通常使用的木粉一样需要很多的预处理，就可以在挤出机中与塑料复合。当然，如果更大的未干燥木料颗粒能被用作木塑复合材料的原料，那么廉价木料残渣就是可能的选择。

本研究以木屑为原料，探讨木屑在木塑复合材料中的应用。利用同向旋转双螺杆挤出机中的高剪切力将木屑研磨成更小的颗粒，甚至可能是单个纤维，然后在相同的加工步骤中与聚合物基体复合。采用两种不同的挤压加工方法，分别采用干燥木片和未干燥木片，研究在同一工艺步骤中进行木材干燥加工的可能性。此外，还研究了挤压过程中木材含水率对木材粒径的影响。分析了挤压后木材的长径比、粒径分布等力学性能，并对所制备的复合材料的力学性能进行了研究。

2.实验

2.1原料

云杉针屑用作木材原料（图l）。木屑颗粒大小是通过手动测量100个颗粒的长度和宽度来确定的。根据手动测量，平均颗粒长度为16bull;2 mm，平均颗粒宽度为3-3 mm。木屑的初始水分含量为基于总重量的40％。木片既干燥又未干燥。将干燥的木屑在加工前在105 0 C下保持24小时，以使水分含量低于1 wt％（基于干重）。原样原料为未干燥的木屑。

使用北欧化工聚烯烃公司（奥地利）提供的粉末状聚丙烯（熔体流动指数= 32 g / 10分钟，230 0 C / 2bull;16 kg和16 g / 10 min，200 0 C / 2bull;16 kg）聚合物。使用马来酸酐接枝的PP（MAPP，Epolene E-43；美国伊士曼化学公司），润滑剂（TPW 113；Struktol，美国）和抗氧化剂作为添加剂。

图.1：研究中使用的木片

2.2木塑制品的加工

2.2.1挤出复合

使用带有双螺杆侧进料器的同向旋转双螺杆挤出机，Coperion Wamp;P ZSK-18 MEGALab（德国斯图加特），配备了K-Tron重力进料器（瑞士尼德伦茨），两个大气压通风口和一个真空通风口来复合复合材料。在挤出之前，将PP和添加剂预混合。重量进料器用于将PP进料到挤出机中，而木屑则手动进料到挤出机中，因为对于这种材料无法使用重量进料器系统。

在复合材料的制造中使用了两种不同的处理方法（方法I和方法II）。这些方法在原料的进料顺序，螺杆配置和温度曲线方面彼此不同。在方法I中，首先进料PP和添加剂，然后使用侧面进料器进料木屑。在方法II中，首先进料木屑，并使用侧进料器进料PP和添加剂。图2和图3示出了方法I和II的挤出装置。图4示出了方法I中使用的螺钉构造（首先进给PP），图5中示出了方法II中使用的螺钉构造（首先进给木屑）。

图.2：加工方法I的挤出装置

图3：加工方法II的挤出装置

图.4：方法I中使用的螺钉配置

图.5：方法II中使用的螺钉配置

将复合的复合材料成型为横截面为5 x 20 mm的矩形轮廓。使用两种不同的加工方法和两种木片共制造了四种类型的WPC：

(1)PP-DWC：用方法I和干木屑制成的复合材料

(2)PP-UWC：用方法I和未干燥的木屑制成的复合材料

(3)DWC-PP：用方法II和干木屑制成的复合材料

(4)UWC-PP：用方法II和未干燥的木屑制成的复合材料。

由于木屑的人工进料，根据PP的进料速率（kg h ml）和用于收集复合材料的采样时间来计算复合材料的木材含量。最初的目标是制备木材含量为50 wt％的复合材料。然而，实际的木材含量有所不同。

2.3木材颗粒的表征

2.3.1提取基质聚合物

为了测量混合后的木材粒度和形状，从复合材料中提取了PP基体。提取前，将每种复合材料的挤压片通过热压机（LPC-300；Fontine Grotnes，荷兰）压制成薄片，方法是先将材料预热2分钟，然后在200 0 C 压制30 s 。每种5克压制的物料置于沸腾的二甲苯中直至基质完全溶解（15-35小时）。将溶液过滤并用热二甲苯洗涤。之后，将样品用乙醇洗涤以除去二甲苯并过滤。最后，将样品用水洗涤以除去乙醇，并再次过滤。

2.3.2分馏

为了更好地了解每个样品的粒度分布，使用管流分馏方法（美卓自动化公司，Kajaani，芬兰）将提取的由木材颗粒和纤维组成的样品分为四个不同的尺寸类别（馏分）。分馏后，通过过滤确定每个馏分的质量分数。

管流分馏是一种将样品（在水悬浮液中）注入连续的水塞流中的方法，然后水进入长的塑料管中。当样品在试管中流动时，它会按大小进行分馏。分馏设备配备了CCD摄像机，该摄像机在分析过程中记录了大约600张样品的图像。保存每个样品记录的图像，并将其用于图像分析。管流量分馏方法在Laitinen和Krogerus等人[25,26]的出版物中有更详细的描述。

2.3.3图像分析

为了测量木材颗粒和纤维的尺寸，使用了由美卓自动化为研究目的而开发的图像分析软件，对由管流分离装置采集的图像进行了分析。在图像分析期间，将捕获的图像分割为可能具有一个或多个对象的区域，然后根据几何标准解释一个区域中的细微纤维。为了测量每个对象的属性，执行了几种图像分析算法。这些算法的基础是光与各种物体相互作用的模型。这使得可以使用所谓的子像素算法来提高分辨率。对于每个对象，确定投影区域。然后根据对象的形状确定其他参数，例如长度和宽度。然后将这些参数用于计算木材颗粒的纵横比。表1列出了图像分析中使用的设置。

参数

值

最小纤维宽度，mu;m

1

最大纤维宽度，mu;m

500

最小纤维长度，mm

0.01

最大纤维长度，mm

7.6

表.1：图像分析中使用的参数

2.3.4显微镜检查

为了研究木材颗粒的形态，从分级样品中拍摄了显微图像。使用Leica MZ LIII立体显微镜（瑞士Leica Microsystems Ltd）拍摄木材颗粒级分FRI，FR2和FR3的图像。由于馏分FR4中的木材颗粒较小，因此使用场发射SEM（Zeiss ULTRA Plus； Carl Zeiss SMT AG，德国）拍摄了图像。将所有显微镜样品冷冻干燥，并在观察之前将场发射SEM样品溅射镀铂。

2.3.5压缩成型

用传统的压模机（Fjellman Press AB，Mariestad，瑞典）模制用于机械测试的试样。模具温度为50 0 C，施加在样品上的压力为N 70 MPa。成型前，挤出将型材（34 g批重）在热风炉中于200-210 0 C 加热30分钟。以未干燥的木片为原料的复合材料样品在模压成型之前另外在75 0 C 干燥12-34 h，以去除复合材料中可能残留的水分。

2.3.6密度

使用比重瓶（AccuPyc 1330；基于气体置换技术的Micro）测量压缩成型的复合材料样品的密度。样品的平均尺寸为30 x 10 x 5 mm。每种材料进行了3次重复测试。

2.3.7机械性能

根据ASTM D790标准（三点弯曲）对木片-PP复合材料进行了弯曲测试。使用具有1 kN称重传感器的Shimadiu Autograph AG-X通用电视机（Shimadzu Corp.，日本京都）进行测试。每种材料至少要测试五个样品。

2.3.8微观结构

用Jeol JSM-6460 SEM（Jeol Ltd，东京，日本）研究了复合材料的断裂表面。弯曲测试的样品首先使用液氮冷冻，然后破碎以形成断裂的表面。在观察之前，将样品表面溅射镀金。观察中使用了15 kV的加速电压。

3.结果与讨论

3.1木塑制品的加工

表2显示了所制造的复合材料的材料组成。由于手动送入木片，复合材料之间的木材含量有所不同。水泥沙浆相比，那些未干燥木材用干木屑网站有较高的木材含量。具有干燥木片的复合材料的可加工性比未干燥的复合材料的加工性好，这是因为存在于木片中的水分在挤出过程中会蒸发。在

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