WPC-LVL共挤出复合材料的抗弯性能

王海刚， 傅海涛， 王清文， 顿梦媛， 刘 天， 陈朝苒

(1.东北林业大学 生物质材料科学与技术教育部重点实验室， 黑龙江 哈尔滨 150040； 2.华南农业大学 材料与能源学院， 广东 广州 510642)

木塑复合材料(wood plastic composite，WPC)作为一种新型环保材料，具有性能优良、无毒无味及防蛀耐腐等优势，且亦可回收重新加工利用，是名副其实的环境友好型绿色材料[1-4]，已被广泛应用于室内外装修、汽车内饰等领域.近年来，王清文等[5]就家具用WPC研发、木塑家具的设计理念和制造技术的发展状况进行了综述和分析探讨；郝建秀等[6]阐述了WPC作为模板用材相对于传统模板用材的独特优势.但是作为聚合物复合材料，其抗蠕变性能差的固有缺点令WPC无法在结构材料中使用.若想让WPC在具有长期大载荷的结构中应用，则必须改善其抗蠕变性能[7].利用抗蠕变性能好的材料与WPC复合形成一种新的复合材料是有效可行的方案.聚合物共挤出技术为这种方案提供了一种有效可行的工艺基础.

共挤出技术是一种使用2台或2台以上挤出机通过1个复合共挤机头连续挤出多层复合材料的技术，可制出表层材料与实体材料为一个整体的产品[8-10].由于共挤出技术能够兼顾多种材料的性能优势，已被广泛应用在建筑、航空航天、光学、农学和医药等领域.

本文利用共挤出技术，制备出具有核壳结构的共挤出复合材料(co-extrusion composite，CTC).CTC的壳层为木粉/高密度聚乙烯(HDPE)基WPC；核层为杨木单板层积材(laminated veneer lumber，LVL).LVL可对整个材料提供强度支撑，并承受大部分剪切应力；WPC利用其防水、防虫、防腐蚀等性能特点，对核层形成保护，防止单板层积材发生吸湿变形、腐蚀及虫害等，增加材料的整体寿命.本文对CTC试件和LVL试件的弯曲性能进行研究，得到其弯曲力学行为及破坏模式，同时考查经过水煮-冷冻-干燥环境处理后，两者弯曲性能的变化情况，进而分析讨论了壳层WPC对材料整体弯曲性能的影响及经过人工环境变化处理后对核层的保护机制.

1 试验

1.1 原材料

杨木粉，188～250μm(60～80目)，自制；高密度聚乙烯(HDPE)，型号为5000S，熔融指数为0.8～1.1g/(10min)，产自中国大庆石油化工总厂；偶联剂采用马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE)，型号为CMG9804，熔融指数为2.0～8.0g/(10min)，接枝率为0.9%(质量分数，文中接枝率、含水量等均为质量分数)，产自上海日之升科技有限公司；润滑剂采用硬脂酸和聚乙烯蜡，其中硬脂酸产自马来西亚天然油脂化学有限公司，聚乙烯蜡产自泰奥化工公司；杨木单板层积材(LVL)，密度为0.59g/cm3，所用胶黏剂为酚醛树脂胶，含水率为9%～10%，截面尺寸为74mm×35mm，购自徐州盛和木业有限公司.

1.2 CTC试件制备

先将杨木粉干燥至含水率低于3%，再将杨木粉，HDPE，MAPE和润滑剂按照质量比60∶34∶4∶2放入高速混合机中混合10min，然后用双螺杆挤出机(南京赛旺科技发展有限公司)造粒，最后通过共挤出设备(见图1，南京赛旺科技发展有限公司)进行CTC试件挤出.造粒及挤出温度设定在145～170℃.CTC试件横截面示意图和实物图如图2所示.

图1 共挤出设备示意图Fig.1 Illustration of co-extrusionequipment[11]

图2 CTC试件横截面示意图和实物图Fig.2 Cross-section image and physical map of CTC specimen(size:mm)

1.3 试件的水煮-冷冻-干燥处理

LVL试件和CTC试件的水煮-冷冻-干燥处理试验参照GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》进行，先沸水浸煮4h，再在-20℃ 下冷冻24h，最后在103℃下干燥6h，按照此顺序循环1次.整个试验过程2种材料均用环氧树脂胶封端处理.水煮-冷冻-干燥处理后的试件简称TLVL和TCTC.

所有弯曲试件处理完成之后，在(25±2) ℃，相对湿度(65±5)%环境下放置7d后进行冲击测试.

1.4 弯曲试验

弯曲试验参照GB/T 17657—2013进行，采用三点弯曲形式，原理图如图3所示.CTC试件尺寸为890mm×80mm×41mm，LVL试件尺寸为760mm×75mm×35mm，跨高比(L/h)均为20.设备采用CMT5504型万能力学试验机(美斯特工业系统有限公司)，加载速率为5mm/min.LVL试件和CTC试件的弯曲试验均重复5次，试验数据取其平均值.

图3 三点弯曲试验原理图Fig.3 Schematic configuration for three-point bending test

2 结果及讨论

2.1 试验现象

2.1.1LVL试件

图4为LVL试件的3个破坏阶段和CTC试件的失效破坏形态.由图4可见：加载开始后，LVL试件的挠度随载荷的增大而增大；当载荷为3kN左右时，发出较大的断裂声，并且底部受拉区有4～5层的单板断裂(见图4(a))；继续施加载荷时，伴随有断续的断裂声，此时加载部位正下方有裂纹从断裂层积材处开始横向扩展(见图4(b))；当载荷达到6kN 左右时，发出巨大爆裂声，超过1/2的单板断裂，并有多处不规则的横向裂纹出现(见图4(c))，此时LVL试件失效.

2.1.2CTC试件

当施加载荷后，CTC试件并未出现类似LVL试件的断裂过程.整个载荷施加过程中，CTC试件的挠度一直平稳增加，在失效之前整个材料外观并未出现破损.当载荷达到7kN左右时，CTC试件突然失效，并伴随较大断裂声，加载部位正下方出现与试件长度方向近似垂直的纵向裂缝，当裂缝扩展至约1/2厚度时，裂缝开始沿斜上方并向两侧扩展，最后形成“Y”型裂纹(见图4(d)).

图4 LVL试件的3个破坏阶段和CTC试件的失效破坏形态Fig.4 Three failure stages of LVL specimen and failure mode of CTC specimen

2.1.3CTC试件内部破坏效果

利用机械方法将出现裂纹处的WPC去掉，CTC试件失效时核层LVL的破坏情况见图5.由图5可见，约1/2核层LVL单板断裂，除在最终失效时产生沿胶层横向脱黏的主裂纹及载荷方向的断裂主裂纹，并无其他不规则的次级裂纹产生.这说明在整个静态弯曲破坏过程中，失效之前壳层WPC会阻碍核层LVL不同位置、不规则次级裂纹的产生，从而防止LVL内部产生应力集中，阻止“应力集中—破坏—更多应力集中—更严重破坏”恶性循环的发生，对核层LVL起到了很好的保护作用.

图5 CTC试件的内部破坏效果图Fig.5 Internal damage effect of CTC specimen

2.2 试验结果

2.2.1WPC层对材料弯曲性能的影响

图6为LVL试件和CTC试件的应力-应变曲线.由图6可见：两者在跨中单点载荷下表现出相似的力学特性；在失效之前，LVL试件表现出近似线弹性的状态，而CTC试件在加载后期的瞬时弹性模量明显变小；在相同应力下，CTC试件的应变明显大于LVL试件.这是由于壳层WPC的基体为HDPE，其玻璃化转变温度低于-70℃，在室温下会保持高弹性状态，大分子链相对来说更容易拉伸和滑移，因此当受到相同应力时，CTC试件相对于LVL试件会产生更大的变形.

图6 LVL试件和CTC试件的应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curves of LVL specimen and CTC specimen

表1为LVL试件和CTC试件的弯曲性能数据.由表1可以看出，虽然CTC试件相对于LVL试件弯曲强度下降了6.6%，弹性模量下降了12.7%，抗弯刚度K(峰值载荷与峰值载荷时挠度的比值)下降16.0%，但失效时间却提高了44.1%.产生这一结果的原因是：WPC与天然木材、木质人造板等材料相比，其弯曲强度和弹性模量均低于天然木材，与木质人造板大致相当[11]，而LVL的性能及强度优于天然木材；在加载方向上，CTC中WPC层的厚度占整个材料厚度的14.6%，使强度和刚度有所降低，韧性有所增加，因此失效时间延长.

2.2.2水煮-冷冻-干燥处理的影响

经水煮-冷冻-干燥处理后的LVL试件和CTC试件(TLVL和TCTC)的弯曲性能数据如表2所示.由表2可见，TCTC试件相对于TLVL试件弯曲强度提高了1.2%，弹性模量下降了3.7%，抗弯刚度下降13.1%，失效时间提高9.1%.相较于未处理之前两者的数据，处理后两者数据差距缩小非常显著.这说明经过处理后LVL的性能损失较CTC更加严重，同时证明壳层WPC在处理过程中对保持CTC的弯曲性能有积极作用.

表1 LVL试件和CTC试件的弯曲性能数据

表2 TLVL和TCTC的弯曲性能数据

对比LVL和CTC处理前后的弯曲性能数据可知：TLVL相对于LVL弯曲强度下降12.3%，弹性模量下降14.5%，抗弯刚度下降10.6%，失效时间提高36.8%；TCTC相对于CTC弯曲强度下降4.9%，弹性模量下降5.7%，抗弯刚度下降7.6%，失效时间提高3.5%；TCTC的弯曲性能损失明显小于TLVL，失效时间显著延长.证明壳层WPC在处理过程中对核层LVL起到了很好的保护作用.

经过4h的沸水浸煮后，LVL外层单板中的半纤维素、木质素、多元酚的衍生物以及水溶性的小分子化合物部分分解并溶解出来[11]，再经过冻融处理，表层单板的细胞结构中“填充物”变少而导致孔隙率增加，受挤压后更加容易塌陷；另外，水煮造成表层单板吸水，致使制造LVL时受到压缩的单板尤其是表层单板厚度会部分回复，再经过冷冻-干燥过程后，水分挥发，LVL表层密度降低[12]，致使其弯曲性能下降.

在壳层WPC体系中，木粉分散在基体中被HDPE所包覆，很好地阻碍了与外界水分的接触，而HDPE具有极强的疏水性，所以WPC具有很好的耐水性能.尽管如此，少数裸露的木粉和WPC中木粉与塑料界面存在的一些微小的缺口和裂缝仍会成为水分进入的主要通道[13].冷冻及高温干燥处理过程是材料由冷冻变干的过程，木粉出现收缩变形，使其周围的塑料基体产生微小的裂纹，木粉之间的距离增大，高温也会使木粉发生各向异性收缩破坏，导致细胞壁结构不稳定，甚至破坏细胞壁[14]，致使其作为增强体的效果变差，水分子的进入还会同时影响木粉和基体之间的界面结合强度，使壳层WPC性能降低.但这种小幅度的性能损失并不会影响WPC的整体性能；同时由于核层LVL受到壳层WPC的保护，处理过程与外界没有任何接触，性能没有任何损失，所以CTC在经过处理后仍然保持很好的弯曲性能.

3 结论

(1)在整个静态弯曲破坏过程中，失效之前壳层WPC会阻碍核层LVL不同位置、不规则次级裂纹的产生，从而防止LVL内部产生应力集中，阻止“应力集中—破坏—更多应力集中—更严重破坏”恶性循环的发生，对核层LVL起到了很好的保护作用.

(2)水煮-冷冻-干燥试验结果表明，壳层的WPC能够很好地保护核层LVL免受外界环境温度和水分剧烈变化带来的侵蚀，使CTC具备了很好的耐环境性能.

(3)采用共挤出工艺制备的具有核壳结构的复合材料，使WPC和LVL达到了很好的组合效应，有望赋予传统木材以及人造板新的功能，同时有望扩展WPC的应用领域和范围.