不同制備工藝對木纖維/聚乳酸復合材料性能影響

劉珊杉 周亞菲 劉巍巖

摘要：? 采用雙螺旋擠出成型、模壓成型和注塑成型3種不同成型工藝制備木纖維/聚乳酸復合材料，通過對比不同制備方法對復合材料密度、靜曲強度、彎曲模量、拉伸強度和沖擊韌性的影響可知：使用擠出成型方法制備的木纖維/聚乳酸復合材料的密度最大，各項物理力學性能也顯著高于使用注塑法和模壓成型制備的復合材料試件。

關鍵詞：? 聚乳酸;? 木纖維;? 制備工藝;? 力學性能

中圖分類號：? ?S 781. 6? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：? ?A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1001 - 9499（2020）01 - 0026 - 03

隨著社會的發展和科技的進步，世界各國政府都認識到保護環境以及可持續發展的重要性[ 1 - 2 ]。經過了漫長的使用期，廢棄塑料（聚乙烯、聚丙烯等）作為白色垃圾已成為現代社會最主要的污染源之一[ 3 - 4 ]。社會各界都在努力探索不可降解塑料的替代材料，聚乳酸是一種可完全降解、無污染無毒無害的環保型材料，還擁有較強的物理力學性能[ 5 - 6 ]，但相對高昂的價格在一定程度上限制了應用和推廣[ 7 - 9 ]，而木纖維的加入，不但能夠保留其環保特性，還能大幅降低原料成本。近年來關于木纖維/聚乳酸復合材料的研究已經比較豐富，但不同制備工藝對木纖維/聚乳酸復合材料的影響研究較少，因此本研究針對不同制備工藝（擠出成型、模壓成型、注塑成型）制作的木纖維/聚乳酸復合材料進行性能對比研究，以期確定更加適合的加工制備工藝。

1 試驗材料與方法

1. 1 試驗材料

木材纖維：楊木纖維，40～80目， 黑龍江省拜泉縣。

聚乳酸：美國NatureWorks公司 3251D型聚乳酸粒料，熔點190 ℃。

1. 2 試驗儀器

電熱式鼓風恒溫干燥箱，DHG-9625A，上海一恒科學儀器有限公司;電子分析天平，SQP，賽多利斯科學儀器（北京）有限公司;高速混合機，SHR-? 10A，張家港市通河橡膠機械有限公司;雙螺桿擠出機，SJSH30，南京橡塑機械廠;注塑機，JPH80，順德市秦川恒利塑機有限公司;塑料模壓成型機SL-6，哈爾濱特種塑料制品有限公司;電子萬能力學試驗機，RGT-20A ，深圳瑞格爾儀器有限公司。

1. 3 試驗方法

木纖維/聚乳酸復合材料的制備 將楊木纖維放入103 ℃烘箱中，烘至木纖維含水率≤3%，然后按楊木纖維∶聚乳酸質量比為4∶6稱重，混合后放入高速混合機，先進行低速混合5 min，再高速混合5 min，然后把混合后的原料加入雙螺桿擠出機進行熔融混合、擠出造粒。將制備好的木纖維/聚乳酸粒料分為三等分，分別使用注塑機、雙螺桿擠出機和塑料模壓成型機制成復合材料。注塑機制備出的試件形狀均為GBT_1449《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》中拉伸試件的尺寸，厚度4 mm，長度15 mm。雙螺桿擠出機擠出的板材厚度為4 mm，寬度為10 mm，將其裁切成符合要求的力學試件。模壓制備的板材厚度為4 mm，長寬均為16 mm，制成與其他力學試件相同的尺寸。

性能測試 使用游標卡尺和電子分析天平測量復合材料的尺寸、體積和質量，計算出不同制備工藝的復合材料密度。參照GBT_1449《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》、GBT_1449《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》、GB/T 1043.1-2008《硬質塑料簡支梁沖擊試驗方法》對復合材料的力學性能（靜曲性能、拉伸性能、彈性模量、沖擊強度）進行測試。每種制備工藝試件6塊，每項性能測試在每塊板材上取1塊試樣。

2 結果與分析

2. 1 不同制備工藝的復合材料密度

由不同制備工藝的木纖維/聚乳酸復合材料的密度（表1）可知：使用模壓成型制備的木纖維/聚乳酸復合材料的密度最低，使用雙螺桿擠出成型的密度最大。這主要是由于使用模壓成型制備時，材料會完全熔化在模具周圍的縫隙中并向外流出，因此材料密度較低;而使用注塑成型和擠出成型，在制備過程中模具腔體內屬于密封狀態，壓力較大，所制備的復合材料密度也相對較大。

表1 不同制備工藝的木纖維/聚乳酸復合材料密度

2. 2 不同制備工藝的復合材料力學性能

由不同制備工藝的木纖維/聚乳酸復合材料的力學性能（表2）可知：不同制備工藝制作出的木纖維/聚乳酸復合材料的物理力學性能差異較大。

表2 不同制備工藝的木纖維/聚乳酸復合材料力學性能

2. 2. 1 不同制備工藝的復合材料靜曲強度

由不同制備工藝的木纖維/聚乳酸復合材料靜曲強度（圖1）可以看出：使用擠出成型制備工藝的復合材料靜曲強度最高，模壓成型的靜曲強度最低。一方面由于加工方式不同，使3種試件的密度不同（表1），材料密度越大，復合材料的相對靜曲強度越高;另一方面，加工方式不同也使復合材料中纖維的定向性呈現較大差異，擠出成型的材料纖維會隨著聚乳酸基質在腔體內定向流動，因此冷卻成型后纖維定向性最好，在垂直于纖維取向的方向上，復合材料能夠承受更大的力。熱壓成型的試件，其纖維會隨著熔融的聚乳酸基質向四周橫向流動，在冷卻定型后，纖維方向多為二維方向排列。注塑成型的材料纖維定向性最差，纖維隨著基質的流動注入腔體，因此纖維的排列隨機性較強，使得材料在特定方向上強度不高。

圖1 不同制備工藝的木纖維/聚乳酸

復合材料靜曲強度

2. 2. 2 不同制備工藝的復合材料彈性模量

由不同制備工藝的木纖維/聚乳酸復合材料彈性模量（圖2）可知：使用擠出成型制備工藝的復合材料試件具有較高的彎曲彈性模量，同樣也因為材料密度和體系中纖維的定向性，使得注塑成型試件和模壓成型試件的彈性模量相對較低。

圖2 不同制備工藝的木纖維/聚乳酸

復合材料彈性模量

2. 2. 3 不同制備工藝的復合材料拉伸強度

由不同制備工藝的纖維/聚乳酸復合材料拉伸強度（圖3）可知：擠出成型的復合材料纖維定向性較好，體系連續性較強，所承受的拉伸強度也就越大;注塑成型和模壓成型的試件，纖維定向性和連續性均不及擠出成型的，因此拉伸強度會受到一定影響。另外擠出成型試件密度較大，試件體系中空隙與缺陷更少，而模壓成型的材料密度較小，體系中空隙和缺陷更多，因此會產生拉伸強度較低的現象。

圖3 不同制備工藝的木纖維/聚乳酸

復合材料拉伸強度

2. 2. 4 不同制備工藝的復合材料的沖擊韌性

由不同制備工藝的木纖維/聚乳酸復合材料沖擊韌性（圖4）可知：擠出成型的材料沖擊韌性最大，這主要是由于材料的密度和纖維方向定向性較好，使材料整體強度較高，因此沖擊強度也較高。模壓成型與注塑成型試件的沖擊強度差異較小，這主要是由于密度較小的模壓成型材料的體系內空隙較多，在受到沖擊后能夠提供一定的緩沖作用，因此強度并未顯著低于密度較大的注塑成型材料。

圖4 不同制備工藝木纖維/聚乳酸

復合材料的沖擊韌性

3 結 論

由上述試驗可以得出，不同制備工藝對木纖維/聚乳酸復合材料的物理力學性能有顯著的影響。擠出成型的木纖維/聚乳酸復合材料密度最大，體系內木纖維的纖維定向性更好，因此也具有更高的物理力學性能。注塑成型的木纖維/聚乳酸復合材料，雖然密度也較高，但是內部纖維定向性較差，強度也略低于擠出成型的材料。模壓成型的木纖維/聚乳酸復合材料密度最低，體系內也會存在較多的空隙和薄弱點，因此整體力學強度較低。

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第1作者簡介：? 劉珊杉（1983-），? 助理研究員，? 主要從事木材及復合材料方向。

收稿日期： 2019 - 12 - 01

（責任編輯：? ?李 丹）

The Effect of Different Preparation on the Properties

of Poplar Wood Fiber/Polylactic Acid Composite

LIU Shanshan

（Heilongjiang Institute of Wood Science，? Harbin 150081）

Abstract In this study， the poplar wood fiber/polylactic acid composite was prepared with extrusion molding， hot press molding and injection molding separately. The effect of different preparation on the properties of poplar wood fiber/polylactic acid composite was investigated include density， bending strength， bending modulus， tensile strength and impact toughness. The result shown that the density and properties of WF/PLA composite prepared by extrusion molding was greater than that of hot press molding and injection molding.

Key words Polylactic acid;? Wood fiber;? Preparation;? Mechanical property