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一種高性能木塑墻板的制備及性能研究

文章出處:墻板人氣:1091發表時間:2018年10月7日【

以陶瓷纖維為填料,添加到PE 基木塑材料(WPC)中,制備了高性能木塑墻板。與不添加陶瓷纖維的木塑墻板相比,添加陶瓷纖維 的木塑墻板其沖擊強度增加147.54%,拉伸強度增加43.24%,三點彎曲強度增加76.28%,四點彎曲強度增加79.07%,陶瓷纖維的適宜 添加量為10~14 份,PE 樹脂較佳用量為31~34 份。

目前,木塑(WPC)墻板在室外廣泛使用,這些WPC 墻板大部分以PE 基塑脂為基礎制備,其力學性能一般, 彎曲強度在20 MPa 左右,且安裝使用過一段時間后,易 出現開裂、破損,甚至斷裂等質量問題。目前解決這些問 題的方案主要有兩種:一是通過調配輔料的用量來提高 墻板的強度;二是增加型材的厚度來提高墻板的強度[1]。 通過調整輔料的加入量,雖可以增強WPC 墻板的各種 力學性能,但增加的強度并不足以滿足市場的要求;增 加型材的厚度無疑造成材料使用量增大,使得使用成本 明顯增高。

陶瓷纖維作為一種無機非金屬類材料,具有很高的 強度和化學穩定性,其填充的聚合物基復合材料顯示出 良好的綜合性能,陶瓷纖維作填充材料以提高聚合物材 料性能的研究也越來越受到人們的關注[2]。本項目擬通 過在木塑墻板中加入陶瓷纖維,制備高強度PE 木塑墻 板,考查了高強度PE 木塑墻板的綜合力學性能,以及陶 瓷纖維用量對復合材料性能的影響。經過一系列的實 驗,確定了高強度木塑墻板的較佳配方和相關生產工 藝。

1 實驗部分

1.1 主要原料

陶瓷纖維(3~6 mm,靈壽縣嘉德礦產加工廠);木 粉、多組分復合型樹脂(高密度聚乙烯、中密度聚乙烯和 低密度聚乙烯的復合樹脂,熔指0.3 g/10 min,安徽國風 木塑科技有限公司);硅烷偶聯劑(KH- 550,南京曙光硅 烷化工有限公司);馬來酸酐接枝聚乙烯(SZ11,黃山貝 諾科技有限公司);潤滑劑(STR530,上??铺┗た萍加邢薰荆?;輕質碳酸鈣(D35,廣州福銀化工科技有限公 司);抗氧劑(B225,上海締?;び邢薰荆?;紫外線吸 收劑(UV531,上海締?;び邢薰荆?;光穩定劑 (UV151,煙臺新秀化學科技股份有限公司)。

1.2 主要儀器及設備

SHR- 800/2500 高速混合機(張家港聯冠科技發展 有限公司);65/132 錐形雙螺桿擠出機(上海金緯機械制 造有限公司);JWE75/40 型同向雙螺桿混煉造粒機(蘇 州大云塑料回收輔助設備有限公司);CMT- 4104 力學試驗機(深圳市新三思計量技術有限公司);XJJ- 5 簡支梁沖擊試驗機(承德市金建檢測儀器有限公司)。

1.3 高性能木塑墻板的制備

將陶瓷纖維于馬弗爐340℃~360℃下灼燒15 min,冷卻后浸漬在KH- 550 溶液中,室溫下冷卻干燥。 木粉、處理后陶瓷纖維加入高速混合機中攪拌5~ 6 min,將多組分PE 樹脂、相容劑SZ11、抗氧劑、紫外線 吸收劑等各種助劑加入高速混合機中90℃攪拌20 min?;旌虾蟮奈锪霞尤肫叫须p螺桿擠出造粒,機筒溫度 190℃~210℃,螺桿轉速80~120 r/min。

將上述造粒料與潤滑劑加入高速混合機中混合10 min,然后加入錐形雙螺桿擠出機擠出成型,擠出條件: 機筒溫度150℃~190℃,螺桿轉速7~10 r/min。 本項目所用的基礎配方如表1 所示,配方1# 是安 徽國風木塑科技有限公司普通高強度墻板配方,2# 是使 用陶瓷纖維的高強度墻板配方。

1.4 性能測試

塑料拉伸性能試驗按照GB/T 1040.2- 2006 進行,采用1A 型試樣,試驗速度為1 mm/min;簡支梁沖擊強度 按照GB/T 1043.1- 2008(常溫無缺口)進行,采用1 型試 樣,2 J 擺錘,常溫無缺口沖擊;三點彎曲按照GB/T 9341- 2000 進行;四點彎曲按照ASTM6109- 05 進行;斷 裂較大力按ASTM6109- 05 進行,取試樣斷裂時壓力數 值。

表1 高強度木塑墻板礎配方
配方編號 多組份PE 樹脂 木粉 陶瓷纖維 碳酸鈣 PE-MA 抗氧劑 UV531 UV151 潤滑劑
1# 34 40 0 2 2.6 0.2 0.15 0.22 2.6
2# 34 40 10 2 2.6 0.2 0.15 0.22 2.9

 

2 結果與討論

2.1 力學性能比較

表2 是兩種基礎配方制備的木塑墻板的力學性能 比較。由于使用了多組分復合型樹脂,即保證材料的韌 性同時也滿足材料的剛性,所以與市場普通的高強度 PE 木塑墻板相比,1# 樣的力學性能好,但其力學性能提 高幅度并不大。2# 樣是使用陶瓷纖維的高強度墻板配 方,相比1# 樣,其拉伸強度增加43.24%,沖擊強度增加 147.54%,三點彎曲強度增加76.28%,四點彎曲強度增 加79.07%,可承受較大力增加53.61%,可見加入陶瓷纖 維后對產品的力學性能有很大的提升。

表2 幾種基礎配方力學性能測試結果
配方編號
 
拉伸強度(MPa)
 
沖擊強度(kJ/m2)
 
三點彎曲強度(MPa)
 
四點彎曲強度(MPa)
 
斷裂較大力(N)
1# 14.43 3.87 23.78 18.35 4445
2# 20.67 9.58 41.92 32.86 6828

 

陶瓷纖維增強木塑型材的作用機理是:陶瓷纖維在 混合過程中會分散成若干的陶瓷纖維棒,陶瓷纖維棒與 木粉顆粒在加工過程中因摩擦作用,產生大量的木纖維 微絲,木纖維微絲與陶瓷纖維棒相互纏結;另外,線性聚 乙烯分子鏈與陶瓷纖維棒相互纏繞,形成了一種中空的 三維結構,木粉顆粒、CaCO3 填充在空隙中,較大限度地 發揮陶瓷纖維的增強作用,體現復合材料的耦合效應。 試驗中試用的KH- 550、SZ11 等大大增強了陶瓷纖維、 木質纖維與塑料基體的界面相容性,使陶瓷纖維在PE 樹脂中分布均勻,從而顯著提高了木塑型材的各方向上 的力學性能。

2.2 陶瓷纖維用量對木塑墻板性能的影響

以2# 樣為基礎配方,改變木塑墻板中陶瓷纖維的 用量,研究陶瓷纖維用量對于復合型材力學性能的影響,圖1 是不同陶瓷纖維含量的高強度木塑墻板的各項 力學性能測試結果。

由圖1 可以看出,隨著陶瓷纖維用量增加,木塑墻 板的拉伸強度、沖擊強度、三點彎曲強度、四點彎曲強度 和可承受較大力都先升后降。這是由于木質纖維微絲與 陶瓷纖維相互纏繞,碳酸鈣等其他填料填充在其空隙 中,形成三維框架結構,很大地增強了復合型材的力學 性能。隨著陶瓷纖維量的增多,這種三維框架結構持續 增多,復合型材的力學性能持續上升。但當陶瓷纖維的 加入量達到一定時,陶瓷纖維過量,多余的陶瓷纖維會 游離在復合型材中,這種游離狀的陶瓷纖維與復合材料 之間的界面結合力差,導致復合型材的力學性能有所下 降。實驗結果表明,陶瓷纖維用量為10~14 份時,木塑 型材的各項性能相對較好。

2.3 PE 樹脂用量對木塑墻板力學性能的影響

基于2# 樣配方,保證配方中其他組份加入量不變, 考查改變PE 樹脂用量對木塑墻板力學性能的影響,所 得木塑墻板力學性能如圖2。

由圖2 可見,隨著PE 樹脂用量的增加,木塑型材的 力學性能不斷提高,這是因為隨著樹脂量的增加,復合 體系中界面(木粉與樹脂界面、陶瓷纖維與樹脂界面等) 減少,木塑材料整體性更強。雖然隨著PE 樹脂添加量的 增大,復合型材的力學性能也不斷增強,但也會導致木 塑墻板的成本急劇上升,所以PE 樹脂的較佳添加量應綜合考慮木塑墻板的性能和成本。由實驗結果可見,當 PE 樹脂的用量在31 份之后,復合型材力學性能雖然增 長,但都增加得較緩慢,所以PE 樹脂添加量在31~34 份時為較佳添加量。

3 結論

(1)采用陶瓷纖維制備的高強度木塑墻板,其拉伸 強度達20.67 MPa,沖擊強度9.58 kJ/m2,三點彎曲強度 41.92 MPa,四點彎曲強度32.86 MPa,可承受較大力 6828 N,產品的各項性能達到相關企業標準,且在同行 業內處于先進水平。

(2)與市場上大部分高強度木塑墻板相比,本文所 制備的高強度木塑墻板成本大大降低,是一種符合市場 需求的產品,具有良好的社會效益,有很大的應用范圍。

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