超低密度生物質復合材料力學性能的研究

■高峰

本研究以沙柳刨花和聚乙烯塑料為原料，采用聚合物發泡技術與人造板熱壓工藝相結合的方法制備超低密度復合材料，并對影響板材性能的主要因素：復合溫度、發泡劑加量、復合時間、木塑比進行分析討論。試驗結果表明：復合溫度170.0C,發泡劑加量3%，復合時間1.2min/mm，木塑比40%時板材性能最好。

生物質復合材料是將木材以刨花、纖維、木粉的形態作為增強材料或填料添加到塑料中，并通過加熱使木材與熔融狀態的塑料進行復合而得到的新型材料。該材料制成的產品不僅充分保留了木質材料與塑料的優點，而且在很大程度上克服了木材的缺點。具有重量輕、吸水吸濕性小、不易變形、體積穩定、抗蟲蛀、耐腐蝕、強度大、強重比小等一系列優良的物理力學性能。特別是這種發泡/木塑材料沒有普通木質人造板的甲醛釋放問題，無污染、可回收，是一種綠色環保型材料，在室內使用尤為適合、放心。

發泡/木塑復合材料和木材一樣，具有良好的加工性能和裝飾性能，可鋸、刨、鉆、釘等機械加工，其表面可進行各種飾面裝飾。而且具有良好的耐侯性，可在室外環境下使用。因此，不僅可以廣泛應用在經常使用木材和木質人造板的室內家具和室內裝飾等行業，而且也可廣泛應用于不適合使用木材和木質人造板的室外工程，如活動板房、包裝材料等，是一種理想的木材和木質人造板的替代品。

發泡/木塑復合材料，其兩大主要原料木材—可廣泛利用森林采伐和木材加工剩余物及沙生灌木平茬枝條；塑料—可利用各種回收廢舊塑料，而且復合材料本身還可回收再用，是一種地道的“環保”、生態材料。具有廣闊的發展和應用前景，是目前木材科學技術領域一個十分重要的研究方向。

本研究以沙柳刨花和聚乙烯塑料為原料，采用聚合物發泡技術與人造板生產技術相結合的工藝，并對其工藝和性能進行分析討論。該產品的開發不僅為沙柳利用開辟了一條新途徑，而且對于環境保護和生態建設具有十分重要的現實意義。

表1 因素水平安排

一、材料與方法

（一）主要原材料與設備

1.試材沙柳：采自位于毛烏素沙地的內蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗境內，屬于干旱、半干旱地區。在沙柳林選擇采集生長發育良好的枝條，在伊金霍洛旗烏蘭集團刨花板廠加工成刨花，干燥后含水率為5%—6%。

2.熱塑性塑料：來自市場購買的聚乙烯塑料農膜，主要成分為聚乙烯（PE）,密度為 0.9g/cm3,熔融溫度為125.0C_1350C。

3.發泡劑：AC發泡劑，由山東淄博日月星化工股份有限公司生產。

4.試驗設備及儀器：主要有電子天平、物理天平、萬能試驗熱壓機、冷壓機、微機控制電子萬能力學試驗機、干燥箱、精密推臺鋸鋸機、木質模具、厚度規等。

（二）試驗方法：

本試驗采用發泡技術與人造板熱壓工藝相結合的技術。采用正交試驗法對試驗結果進行分析。先分別稱取相應重量的刨花和發泡劑，并將其攪拌均勻，將攪拌好的原料盡量均勻的鋪撒在模具中，并鋪裝成板柸。放入熱壓機加熱到一定溫度，使塑料熔融，刨花軟化，并在一定壓力作用下，熱壓成板。再放入冷壓機冷卻定型，將板材在室溫下冷卻24h后，對試件進行裁邊并進行力學性能測試。

試驗中采用L9【34】正交表安排試驗，重點考察4個工藝因素復合溫度、復合時間、發泡劑加入量和木塑比對板材靜曲強度（MOR）、彈性模量(MOE)、2h吸水厚度膨脹率（TS）的影響，并通過極差和方差分析影響板材物理力學性能的因素。各因素的水平安排見表1。正交試驗設計見表2。

表2 正交試驗設計

二、試驗結果分析

（一）試驗結果與計算

1、試驗結果

冷壓后的板材在室溫下放置24h后，參照JIS A5905:2003的要求，對板材進行取樣和性能測試。測試結果見表3

表3 超低密度木塑刨花板力學性能測試結果

2、試驗結果分析

通過試驗分析，探討工藝因素變化對板材性能的影響趨勢，找出制板的最佳工藝條件，實現通過控制工藝因素達到提高板材性能的目的。

根據試驗結果，進行方差分析和顯著性檢驗，其結果見表4

表4 工藝因子水平的方差分析及顯著性檢驗

表5 工藝因子水平指標的極差分析

1、各因素對板材靜曲強度影響的分析

通過表4、表5可以看出，發泡劑加量對板材的靜曲強度有一定影響。發泡劑的加入可以有效提高板材的靜曲強度，而且隨著發泡劑加量的增加，板材的靜曲強度呈先增大后減小的趨勢；復合時間是影響靜曲強度的一個非常顯著的因子，復合時間越長，靜曲強度越大；木塑比越大，板材的靜曲強度越大；復合溫度在第二水平時靜曲強度最大，因此得出影響靜曲強度的較優工藝條件是：木塑比40%、復合溫度1700C、發泡劑加量3%、復合時間1.5min/mm。

2、各因素對板材彈性模量的影響分析

彈性模量代表板材的剛度和彈性。通過表4、表5可以看出：復合溫度是影響彈性模量大小的一個非常顯著的因子，隨著溫度的升高，彈性模量的變化趨勢為先增大后減小，即在1700C達到最大；發泡劑加量對彈性模量有一定影響，在第二水平時，即加入量為3%時彈性模量的值最大；復合時間為1.2min/mm時彈性模量的值最大，時間過短或過長都會導致彈性模量的值降低；木塑比越大，板材的彈性模量也越大。因此得出影響彈性模量的較優工藝條件是：復合時間1.2min/mm、復合溫度1700C、木塑比40%、發泡劑加量3%。

3、各因素對板材2h吸水厚度膨脹率影響的分析

2h吸水厚度膨脹率是反映復合材料在200C/2h浸水條件下的尺寸穩定性，它的值越小，說明板材的穩定性越好。通過表4、表5可以看出：吸水厚度膨脹率隨溫度的升高呈先減小后增加的趨勢，當溫度是1700C時，值達到最小；發泡劑加量為6%時，值最小；復合時間為1.2min/mm時，值最小；木塑比為40%時，板材的吸水厚度膨脹率最小。因此得出影響吸水厚度膨脹率的較優工藝條件為：溫度1700C、復合時間1.2min/mm、發泡劑加量6%、木塑比40%。

三、結論

1.以沙柳刨花和聚乙烯塑料為原料，加入一定量的AC發泡劑，在一定的工藝條件下，采用先熱壓、后冷壓的方法，可以制成合格的超低密度復合刨花板。

2.選定的最優工藝條件是：復合溫度1700C、發泡劑加量3%、復合時間1.2min/mm、木塑比40%。

3.以AC發泡劑可以有效的改善生物質木基復合材料的物理力學性能，其各項力學性能指標都符合JISA 5905:2003標準。

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