不同制备工艺对木纤维/聚乳酸复合材料性能影响

刘珊杉 周亚菲 刘巍岩

摘要：  采用双螺旋挤出成型、模压成型和注塑成型3种不同成型工艺制备木纤维/聚乳酸复合材料，通过对比不同制备方法对复合材料密度、静曲强度、弯曲模量、拉伸强度和冲击韧性的影响可知：使用挤出成型方法制备的木纤维/聚乳酸复合材料的密度最大，各项物理力学性能也显著高于使用注塑法和模压成型制备的复合材料试件。

关键词：  聚乳酸;  木纤维;  制备工艺;  力学性能

中图分类号：   S 781. 6               文献标识码：   A                文章编号：1001 - 9499（2020）01 - 0026 - 03

随着社会的发展和科技的进步，世界各国政府都认识到保护环境以及可持续发展的重要性[ 1 - 2 ]。经过了漫长的使用期，废弃塑料（聚乙烯、聚丙烯等）作为白色垃圾已成为现代社会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，聚乳酸是一种可完全降解、无污染无毒无害的环保型材料，还拥有较强的物理力学性能[ 5 - 6 ]，但相对高昂的价格在一定程度上限制了应用和推广[ 7 - 9 ]，而木纤维的加入，不但能够保留其环保特性，还能大幅降低原料成本。近年来关于木纤维/聚乳酸复合材料的研究已经比较丰富，但不同制备工艺对木纤维/聚乳酸复合材料的影响研究较少，因此本研究针对不同制备工艺（挤出成型、模压成型、注塑成型）制作的木纤维/聚乳酸复合材料进行性能对比研究，以期确定更加适合的加工制备工艺。

1 试验材料与方法

1. 1 试验材料

木材纤维：杨木纤维，40～80目， 黑龙江省拜泉县。

聚乳酸：美国NatureWorks公司 3251D型聚乳酸粒料，熔点190 ℃。

1. 2 试验仪器

电热式鼓风恒温干燥箱，DHG-9625A，上海一恒科学仪器有限公司;电子分析天平，SQP，赛多利斯科学仪器（北京）有限公司;高速混合机，SHR-  10A，张家港市通河橡胶机械有限公司;双螺杆挤出机，SJSH30，南京橡塑机械厂;注塑机，JPH80，顺德市秦川恒利塑机有限公司;塑料模压成型机SL-6，哈尔滨特种塑料制品有限公司;电子万能力学试验机，RGT-20A ，深圳瑞格尔仪器有限公司。

1. 3 试验方法

木纤维/聚乳酸复合材料的制备 将杨木纤维放入103 ℃烘箱中，烘至木纤维含水率≤3%，然后按杨木纤维∶聚乳酸质量比为4∶6称重，混合后放入高速混合机，先进行低速混合5 min，再高速混合5 min，然后把混合后的原料加入双螺杆挤出机进行熔融混合、挤出造粒。将制备好的木纤维/聚乳酸粒料分为三等分，分别使用注塑机、双螺杆挤出机和塑料模压成型机制成复合材料。注塑机制备出的试件形状均为GBT_1449《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》中拉伸试件的尺寸，厚度4 mm，长度15 mm。双螺杆挤出机挤出的板材厚度为4 mm，宽度为10 mm，将其裁切成符合要求的力学试件。模压制备的板材厚度为4 mm，长宽均为16 mm，制成与其他力学试件相同的尺寸。

性能测试 使用游标卡尺和电子分析天平测量复合材料的尺寸、体积和质量，计算出不同制备工艺的复合材料密度。参照GBT_1449《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》、GBT_1449《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》、GB/T 1043.1-2008《硬质塑料简支梁冲击试验方法》对复合材料的力学性能（静曲性能、拉伸性能、弹性模量、冲击强度）进行测试。每种制备工艺试件6块，每项性能测试在每块板材上取1块试样。

2 结果与分析

2. 1 不同制备工艺的复合材料密度

由不同制备工艺的木纤维/聚乳酸复合材料的密度（表1）可知：使用模压成型制备的木纤维/聚乳酸复合材料的密度最低，使用双螺杆挤出成型的密度最大。这主要是由于使用模压成型制备时，材料会完全熔化在模具周围的缝隙中并向外流出，因此材料密度较低;而使用注塑成型和挤出成型，在制备过程中模具腔体内属于密封状态，压力较大，所制备的复合材料密度也相对较大。

表1 不同制备工艺的木纤维/聚乳酸复合材料密度

2. 2 不同制备工艺的复合材料力学性能

由不同制备工艺的木纤维/聚乳酸复合材料的力学性能（表2）可知：不同制备工艺制作出的木纤维/聚乳酸复合材料的物理力学性能差异较大。

表2 不同制备工艺的木纤维/聚乳酸复合材料力学性能

2. 2. 1 不同制备工艺的复合材料静曲强度

由不同制备工艺的木纤维/聚乳酸复合材料静曲强度（图1）可以看出：使用挤出成型制备工艺的复合材料静曲强度最高，模压成型的静曲强度最低。一方面由于加工方式不同，使3种试件的密度不同（表1），材料密度越大，复合材料的相对静曲强度越高;另一方面，加工方式不同也使复合材料中纤维的定向性呈现较大差异，挤出成型的材料纤维会随着聚乳酸基质在腔体内定向流动，因此冷却成型后纤维定向性最好，在垂直于纤维取向的方向上，复合材料能够承受更大的力。热压成型的试件，其纤维会随着熔融的聚乳酸基质向四周横向流动，在冷却定型后，纤维方向多为二维方向排列。注塑成型的材料纤维定向性最差，纤维随着基质的流动注入腔体，因此纤维的排列随机性较强，使得材料在特定方向上强度不高。

图1 不同制备工艺的木纤维/聚乳酸

复合材料静曲强度

2. 2. 2 不同制备工艺的复合材料弹性模量

由不同制备工艺的木纤维/聚乳酸复合材料弹性模量（图2）可知：使用挤出成型制备工艺的复合材料试件具有较高的弯曲弹性模量，同样也因为材料密度和体系中纤维的定向性，使得注塑成型试件和模压成型试件的弹性模量相对较低。

图2 不同制备工艺的木纤维/聚乳酸

复合材料弹性模量

2. 2. 3 不同制备工艺的复合材料拉伸强度

由不同制备工艺的纤维/聚乳酸复合材料拉伸强度（图3）可知：挤出成型的复合材料纤维定向性较好，体系连续性较强，所承受的拉伸强度也就越大;注塑成型和模压成型的试件，纤维定向性和连续性均不及挤出成型的，因此拉伸强度会受到一定影响。另外挤出成型试件密度较大，试件体系中空隙与缺陷更少，而模压成型的材料密度较小，体系中空隙和缺陷更多，因此会产生拉伸强度较低的现象。

图3 不同制备工艺的木纤维/聚乳酸

复合材料拉伸强度

2. 2. 4 不同制备工艺的复合材料的冲击韧性

由不同制备工艺的木纤维/聚乳酸复合材料冲击韧性（图4）可知：挤出成型的材料冲击韧性最大，这主要是由于材料的密度和纤维方向定向性较好，使材料整体强度较高，因此冲击强度也较高。模压成型与注塑成型试件的冲击强度差异较小，这主要是由于密度较小的模压成型材料的体系内空隙较多，在受到冲击后能够提供一定的缓冲作用，因此强度并未显著低于密度较大的注塑成型材料。

图4 不同制备工艺木纤维/聚乳酸

复合材料的冲击韧性

3 结 论

由上述试验可以得出，不同制备工艺对木纤维/聚乳酸复合材料的物理力学性能有显著的影响。挤出成型的木纤维/聚乳酸复合材料密度最大，体系内木纤维的纤维定向性更好，因此也具有更高的物理力学性能。注塑成型的木纤维/聚乳酸复合材料，虽然密度也较高，但是内部纤维定向性较差，强度也略低于挤出成型的材料。模压成型的木纤维/聚乳酸复合材料密度最低，体系内也会存在较多的空隙和薄弱点，因此整体力学强度较低。

参考文献

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第1作者简介：  刘珊杉（1983-），  助理研究员，  主要从事木材及复合材料方向。

收稿日期： 2019 - 12 - 01

（责任编辑：   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