PP-木粉复合材料的蠕变特性研究-陆晓中

1PP/木粉复合材料的蠕变特性研究陆晓中，方庆海，陆庆章，程福强，孙晓民*（北京石油化工学院材料科学与工程系，北京102617）摘要：本文研究了木粉含量和木粉类型对PP/木粉复合材料物理机械性能和蠕变特性的影响规律。结果表明：当木粉含量增大时，PP木塑复合材料的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度等性能指标明显下降，而其弯曲模量、热变形温度则有所提高。添加木粉后，材料的蠕变特性得到明显改善；且当许用弯曲极限（即规定蠕变极限）较小时（如为制品厚度的1.5倍），材料中木粉含量为50%wt时，其耐弯曲蠕变特性最佳。采用的木粉类型不同时，PP木塑复合材料的性能有较大差异，采用松木粉和水曲柳木粉制备的PP木塑复合材料的综合性能最好，而采用黄麻纤维制备的PP木塑复合材料的冲击韧性最好。关键词：聚丙烯，木塑复合材料，物理机械性能，蠕变特性1前言木塑复合材料（WPC）是一类新型的环保复合材料，近年来已得到了世界各国广泛的重视[1~5]，但目前木塑复合材料也通常存在着冲击强度低、耐蠕变性差等性能缺陷[6~8]，这对该类材料作为结构性材料使用时可能造成某些潜在的安全隐患。蠕变是指在恒温、恒应力作用下，材料形变随时间推移而逐渐发展的现象。结构件往往会因蠕变而提前失稳。研究蠕变不仅可以揭示聚合物的粘弹性机理，还能预测材料使用中的稳定性及长期承载能力。本文旨在研究各种配方因素、加工工艺因素等对木塑复合材料蠕变特性的影响规律，以期对提高该类材料的性能、拓展其应用领域等提供参考依据。2实验部分2.1试验药品表1试验药品序号配料名称型号规格生产厂家1聚丙烯K1003北京燕山石化公司2松木粉80目自制3稻糠粉80目自制4水曲柳木粉80目自制5竹粉80目自制6黄麻纤维自制7其它抗氧剂等市售2.2试样制备采用常州苏研公司生产的S（X）M-1L-KA型密炼机，将物料按试验配方准确计量后加入密炼室，于180℃下密炼10min左右，待物料充分塑化并混合均匀后，直接压制成4mm厚的板材，再裁切成标准试样用于材料性能测试。22.3性能测试2.3.1试样状态调节参照标准：GB/T2918-1998。采用东莞市科迪仪器有限公司生产的KD-3P-50A型恒温恒湿试验箱。将试样在23℃、相对湿度50%下（标准环境代号：23/50）放置至少24小时后，再进行试样尺寸和其他性能的测定。2.3.2密度参照标准：GB1033-1986。将洁净干燥的50ml密度瓶放在23℃恒温恒湿箱中保温至少1小时，称取其重量计为W1；将密实无气泡的模压试样剪成适当大小后（可顺利放入密度瓶并取出），称取其重量计为W2；将试样表面用新鲜蒸馏水充分润时后加入密度瓶，再用新鲜蒸馏水加满密度瓶，插上溢流毛细管，用柔软的卫生纸将密度瓶表面的水吸干，称取其重量计为W3。则试样的密度为：03122式中：ρ0为蒸馏水在23℃时的密度。2.3.3熔体流动速率参照标准：GB/T3682-2000。采用承德市金建检测仪器有限公司生产的XNR-400型熔体流动速率仪。测试条件：温度200℃，负荷2160g，预热4min，切料间隔时间30s。2.3.4拉伸性能参照标准：GB/T1040-1992。采用深圳市瑞格尔仪器(制造)有限公司生产的REGER-300型微机控制电子万能材料试验机。测试条件：试样尺寸（长度×宽度×厚度）150×10×4mm，量程0~5000N，标距50mm，大变形传感器，试验速度20mm/min。2.3.5弯曲性能参照标准：GB/T9341-2000。采用深圳市瑞格尔仪器(制造)有限公司生产的REGER-300型微机控制电子万能材料试验机。测试条件：试样尺寸（长度×宽度×厚度）80×10×4mm，量程0~5000N，跨度64mm，绝对位移传感器，试验速度2mm/min。2.3.6冲击性能参照标准：GB/T1043-1993。采用承德市金建检测仪器有限公司生产的XJJ-5简支梁冲击试验机。测试条件：试样尺寸（长度×宽度×厚度）80×10×4mm，A型铣缺口（缺口深度1mm），测试量程0~1J，测试温度23℃及-20℃。2.3.7热变形温度参照标准：GB/T1634.2-2004。采用承德市金建检测仪器有限公司生产的XRW-300B型热变形、维卡软化点测定仪。试样尺寸（长度×宽度×高度）120×4×10mm，弯曲应力0.45MPa，升温速度12℃/6min。2.3.8蠕变特性采用深圳市瑞格尔仪器(制造)有限公司生产的REGER-300型微机控制电子万能材料试验机。测试条件：试样尺寸（长度×宽度×厚度）80×10×4mm，量程0~5000N，跨度64mm，绝对位移传感器，控制模式：保载，弯曲载荷：按试样弯曲强度的75%设定，试验温度：60℃，试验时间：24h。本试验通过测定试样在恒定载荷作用下，达到一定弯曲应变值（试样厚度的1.5倍或3倍）时所耗用的时间来评价试样耐蠕变性能的优劣。相同条件下，时间愈长，则表示试样的耐蠕变特性愈好。33结果与讨论3.1木粉含量对PP基木塑复合材料蠕变特性的影响表2木粉含量对PP基木塑复合材料性能的影响样号松木粉含量比重拉伸性能弯曲性能简支梁缺口冲击强度热变形温度弯曲蠕变特性拉伸强度断裂伸长率弯曲强度弯曲模量23℃-20℃1.5d保载时间3d保载时间%wt.g/cm3MPa%MPaMPakJ/m2kJ/m2℃ssWPP-16100.91229.5850.8839.491408.907.8532.900118.0042.55440.70WPP-162100.93625.525.5739.781567.656.2843.412109.60113.204368.10WPP-163200.96926.032.6545.122082.834.9992.934125.70248.359900.00WPP-164300.99522.461.6439.342158.613.2782.468117.301307.686730.50WPP-165401.02517.860.6734.282291.572.1931.775127.501284.984640.00WPP-166501.07517.660.7430.262549.882.0791.897134.703212.005378.00WPP-167601.11417.490.4627.043120.271.8941.411134.302607.002637.003.1.1结果讨论3.1.2松木粉含量对PP木塑复合材料密度的影响0.00.20.40.60.81.01.20102030405060ContentofWoodPowder,%wt.SpecificGravity,g/cm3图1松木粉含量对PP木塑复合材料密度的影响由图1可见，随着松木粉含量的提高，PP木塑复合材料的密度逐步增大。3.1.3松木粉含量对PP木塑复合材料拉伸性能的影响0.05.010.015.020.025.030.035.00102030405060ContentofWoodPowder,%wt.TensileStrength,MPa0.010.020.030.040.050.060.00102030405060ContentofWoodPowder,%wt.ElongationatBreakPoint,%A.拉伸强度B.断裂伸长率图2松木粉含量对PP木塑复合材料拉伸性能的影响由图2可见，随着松木粉含量的提高，PP木塑复合材料的拉伸强度逐步降低。断裂伸长率则出现急剧下降，当在材料中添加少量（10%wt.）松木粉后，复合材料的断裂伸长率即会出现急剧的下降，其后随着松木粉含量的增加，材料的断裂伸长率逐步下降。4图3松木粉含量对PP木塑复合材料应力-应变曲线形状的影响（注：曲线中数字为PP木塑复合材料中松木粉的含量，%wt.）由图3拉伸应力-应变曲线来看，当PP木塑复合材料中松木粉含量达20%wt.以上时，材料已由韧性变为脆性，其拉伸应力-应变曲线中已没有了屈服点。3.1.4松木粉含量对PP木塑复合材料弯曲性能的影响0.010.020.030.040.050.00102030405060ContentofWoodPowder,%wt.BendingStrength,MPa0.0500.01000.01500.02000.02500.03000.03500.00102030405060ContentofWoodPowder,%wt.BendingModulus,MPaA.弯曲强度B.弯曲模量图4松木粉含量对PP木塑复合材料弯曲性能的影响由图4可见，随着松木粉含量的提高，PP木塑复合材料的弯曲强度存在最大值，当松木粉含量为20%wt左右时，材料的弯曲强度最大；松木粉含量继续增大时，材料的弯曲强度逐步减小。而材料的弯曲模量则随着材料中松木粉含量的增大不断增大，即材料的弯曲刚性与材料中木粉的含量成正比。3.1.5松木粉含量对PP木塑复合材料冲击性能的影响0.02.04.06.08.010.00102030405060ContentofWoodPowder,%wt.ImpactStrength,kJ/m223℃-20℃图5松木粉含量对PP木塑复合材料冲击强度的影响5由图5可见，随着松木粉含量的提高，PP木塑复合材料的冲击韧性逐步降低，其中常温冲击强度的下降幅度较大，而低温冲击强度的下降幅度较小；当松木粉含量超过40%时，材料冲击强度对温度的敏感性减弱，即常温冲击强度与低温冲击强度的数值越来越接近，这与以往的研究结果是一致的。3.1.6松木粉含量对PP木塑复合材料热变形温度的影响0.030.060.090.0120.0150.00102030405060ContentofWoodPowder,%wt.DistortionTemperature,℃图6松木粉含量对PP木塑复合材料热变形温度的影响由图6可见，随着松木粉含量的提高，PP木塑复合材料的热变形温度逐步增大。3.1.7松木粉含量对PP木塑复合材料弯曲蠕变特性的影响0.02000.04000.06000.08000.010000.00102030405060ContentofWoodPowder,%wt.BendingCreepTime,s1.5d3.0d图7松木粉含量对PP木塑复合材料弯曲蠕变特性的影响由图7可见，与纯PP相比，添加松木粉后，材料的蠕变特性得到明显改善。且当许用弯曲应变极限（即规定蠕变极限）较小时（如为制品厚度的1.5倍），材料中松木粉含量为50%wt时，其耐弯曲蠕变特性最佳；而当许用弯曲极限（即规定蠕变极限）较大时（如为制品厚度的3倍），材料中松木粉含量为20%wt时，其耐弯曲蠕变特性最佳。3.2木粉类型对PP基木塑复合材料蠕变特性的影响表3木粉类型对PP基木塑复合材料性能的影响样号木粉类型比重拉伸性能弯曲性能简支梁冲击强度热变形温度蠕变特性拉伸强度断裂伸长率弯曲强度弯曲模量23℃-20℃1.5d保载时间g/cm3MPa%MPaMPakJ/m2kJ/m2℃sWPP-171稻糠粉1.05715.583.1328.902454.432.1581.837140.901190.35WPP-172松木粉1.09223.673.3642.582799.772.5461.981146.904047.00WPP-173水曲柳木粉1.07919.053.2038.082379.272.2752.086141.704468.00WPP-174竹粉1.08518.763.2633.802559.772.0491.692143.602335.00WPP-175黄麻纤维1.06215.682.8137.111877.3511.9948.875135.90354.64注：各类木粉在PP木塑复合材料中的用量均为50%。63.2.1木粉类型对PP木塑复合材料密度的影响JutefiberBamboopod.Ashtreepod.Pinepod.Ricechaffpod.0.00.20.40.60.81.01.2TypeofWoodP