为了充分降低成本,增加环境友好性并获得良好的木质感,以杨木纤维和毛竹纤维为原料,通过挤出成型制备超高填充聚丙烯基木塑复合材料(UH-WPCs)。基于聚丙烯基体含量的大幅降低,对比分析了填充量和木质纤维种类对UH-WPCs高低温力学性能、高低温蠕变性能、热膨胀性能、尺寸稳定性及吸水性能的影响。结果表明,随着填充量从75wt%增加到90wt%,其线性热膨胀系数大幅降低,蠕变应变逐渐减小而在90wt%时增大;拉伸模量和弯曲模量随填充量的增加先升高而后在90wt%时下降;拉伸强度、弯曲强度和冲击强度随着填充量的增加逐渐降低;在低温−30℃时UH-WPCs的拉伸和弯曲性能较高,高温60℃时冲击韧性较好。温度、湿度及含水率变化均导致UH-WPCs尺寸变化,其中厚度方向尺寸变化率最大,其次为宽度方向,长度方向最小,表现出明显的各向异性;湿度对UH-WPCs的尺寸稳定性的影响远大于温度的作用。杨木基UH-WPCs综合性能优于毛竹基UH-WPCs,这与杨木纤维具有更大的长径比及良好的界面结合有关。UH-WPCs的研究为降低WPCs生产成本和拓宽其应用领域提供了理论依据。
木塑复合材料(WPCs)已广泛应用于建筑外墙板、户外铺板、室内装饰、园林景观、汽车内饰等非承重结构材料领域,但由于线型或支链型热塑性聚合物固有的粘弹特性决定了WPCs在受到长期力载荷时易发生蠕变变形,严重影响其作为承重结构材使用。因此抗蠕变是木塑产业界面临的重大技术瓶颈,也是学术界关注的核心科学问题。为更好地了解并改善WPCs的蠕变现象,本文综述了WPCs蠕变行为的研究进展,讨论了原材料、结构和环境条件等因素对其抗蠕变性能的影响,并对WPCs抗蠕变的改进方法进行了总结和分析。WPCs长期蠕变行为测试是评价其耐久性和安全性的必要手段,但传统的长期蠕变测试方法耗时且成本高昂。通过蠕变与时间、温度和外界应力等因素存在的经验关系,可以实现蠕变的加速测试。最后讨论了玻耳兹曼叠加原理、时间-温度-应力叠加原理、分步等温度法和分步等应力法等加速测试方法在WPCs长期蠕变预测中的应用。
塑料/木塑/木材多元共挤出复合材料中次表层WPCs与核层实木表面极性相差较大,难以形成有效界面结合,导致复合材料使用过程中出现界面剥离,耐久性差,尺寸稳定性降低等问题,严重影响其使用寿命。针对上述问题,本文采用聚氨酯热熔胶膜(TPU)和乙烯-丙烯酸共聚物胶膜(EAA)包覆单板层积材(LVL)与塑料/木塑共挤出制备了高界面结合强度的多元共挤出木塑复合材料(Co-WPCs-LVL),旨在解决WPCs层与LVL界面难以形成有效结合的问题,提升界面结合强度和使用性能等。
先通过熔融共混造粒得到表层塑料和WPCs颗粒,将得到的表层塑料、WPCs颗粒与包覆不同熔点TPU、EAA的LVL采用共挤出的方式制备Co-WPCs-LVL。通过界面结合强度测试、界面剪切强度测试、浸渍剥离性能测试以及人工加速老化测试分析不同胶膜熔点和类型对WPCs与LVL界面结合性能的影响,并采用ATR-FTIR、SEM分析界面的化学特性以及形貌,进而阐述二者的界面结合机理。
相比于未处理组试件,引入TPU和EAA胶膜后,WPCs与LVL的界面结合强度和界面抗剪切强度大幅度提升。界面结合强度呈现随着胶膜熔点的增加而逐渐降低趋势,其中熔点为80℃的TPU(TPU-80)和熔点为95℃的EAA(EAA-95)对应制备的试件界面结合强度分别为1.12 MPa、2.29 MPa,相比未处理组分别提高了27 倍、56 倍。SEM观察发现TPU与EAA均能渗入LVL表面的导管并与LVL的基团发生化学反应形成紧密的界面结合,渗入LVL表面的深度随着熔点的增加而降低。未处理试件的WPCs与LVL完全剥离,TPU对WPCs与LVL的在高温高湿出现剥离的现象具有一定的抑制作用, EAA组所有试件均未出现剥离现象,Ⅱ类浸渍剥离实验测试后的剥离长度均为0,其中熔点为135的EAA(EAA-135)试件Ⅰ类浸渍剥离长度也为0。经过人工加速老化,TPU包覆LVL制备的试件的界面结合强度大幅度下降,其中TPU-80试件表现最差,界面结合强度剩余率为9.10%,TPU-140试件表现最好为27.27%,其中EAA-135的界面结合强度剩余率达到97.25%。引入TPU和EAA的试件界面结合强度剩余率均呈现随着熔点的增大而增大。
采用TPU和EAA包覆LVL成功制备了高界面结合强度、耐久性优良的Co-WPCs-LVL。(1)引入TPU与EAA均能提高WPCs与LVL的界面结合性能,其中低熔点的胶膜具有更好的界面结合性能,其界面结合机理为TPU和EAA在共挤出时,一方面能渗入LVL表面并与其发生反应。另一方面,TPU和EAA能与熔融的塑料基质互融、扩散。(2)在相同的共挤出条件下,相比于高熔点胶膜,低熔点胶膜的反应活性更大、渗入LVL表面导管的深度更深、与塑料基质互融扩散性更好。(3)TPU在抵抗WPCs与LVL由于高温高湿环境下产生的形变所带来的剪切力方面存在一定的局限性,因而无法对Co-WPCs-LVL试件剥离现象产生完全的抑制作用;EAA则是具有优异的耐水性和耐久性,相比低熔点胶膜,高熔点胶膜在实验过程中不会软化,表现更优异的耐水性、耐久性。
针对新型多元共挤出复合材料存在的次表层木塑复合材料(WPCs)与核层实木界面结合强度低,使用过程中易发生界面剥离导致复合材料力学性能和使用寿命降低的问题,本文采用聚氨酯热熔胶胶膜(TPU)和乙烯-丙烯酸共聚物胶膜(EAA)包覆单板层积材(LVL)与塑料/木塑制备了高界面结合强度的多元共挤出复合材料(Co-WPCs-LVL)。研究结果表明:TPU和EAA均能有效提高WPCs层与核层LVL的界面结合强度,界面结合强度随着胶膜熔点的增加而逐渐降低,其中引入TPU (熔点80℃)和EAA (熔点95℃)的WPCs与LVL界面结合强度相对于未处理组分别提高了27倍、56倍。EAA可以显著提升WPCs与LVL的界面耐水性能,Ⅱ类浸渍实验后界面未发生剥离。证明胶膜在高温的挤出作用下能够渗入LVL表面与羟基(—OH)发生反应,同时能与聚乙烯分子链混合扩散形成牢固的界面结合。经过人工加速老化后,胶膜处理组的WPCs与LVL仍具有较高的界面结合强度,界面结合强度剩余率随着熔点的增大而增大,其中EAA (熔点135℃)实验组表现出最好的界面耐久性,界面结合强度剩余率达到97.25%。
针对新型多元共挤出复合材料存在的次表层木塑复合材料(WPCs)与核层实木界面结合强度低,使用过程中易发生界面剥离导致复合材料力学性能和使用寿命降低的问题,本文采用聚氨酯热熔胶胶膜(TPU)和乙烯-丙烯酸共聚物胶膜(EAA)包覆单板层积材(LVL)与塑料/木塑制备了高界面结合强度的多元共挤出复合材料(Co-WPCs-LVL)。研究结果表明:TPU和EAA均能有效提高WPCs层与核层LVL的界面结合强度,界面结合强度随着胶膜熔点的增加而逐渐降低,其中引入TPU (熔点80℃)和EAA (熔点95℃)的WPCs与LVL界面结合强度相对于未处理组分别提高了27倍、56倍。EAA可以显著提升WPCs与LVL的界面耐水性能,Ⅱ类浸渍实验后界面未发生剥离。证明胶膜在高温的挤出作用下能够渗入LVL表面与羟基(—OH)发生反应,同时能与聚乙烯分子链混合扩散形成牢固的界面结合。经过人工加速老化后,胶膜处理组的WPCs与LVL仍具有较高的界面结合强度,界面结合强度剩余率随着熔点的增大而增大,其中EAA (熔点135℃)实验组表现出最好的界面耐久性,界面结合强度剩余率达到97.25%。