張紅 梁盛 吳慶定 袁光明

(中南林業(yè)科技大學(xué)，長(zhǎng)沙，410004)

隨著《綠色制造科技發(fā)展“十二五”專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》的出臺(tái)，綠色制造[1]的概念逐漸被人們所了解，資源的充分利用成為制造業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)。隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料等存在生產(chǎn)加工能源消耗大，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，應(yīng)用領(lǐng)域受限制等缺陷，因此，人們一直積極找尋可利用的新型材料。木質(zhì)剩余物作為可再生資源，通常被用于人造板、造紙等行業(yè)，但由于木材本身存在許多缺點(diǎn)(易燃、易腐、易變形、強(qiáng)度低、易吸水受潮等)，在一定程度上制約了其加工和應(yīng)用的范圍。木質(zhì)粉末溫壓成形原理[2]表明，金屬粉末的添加可以提高木基材料的力學(xué)性能。為進(jìn)一步改善木基復(fù)合粉末溫壓成形的綜合性能，本研究以蘆葦粉末(Reed)為基材，紫銅粉末(Cu)為強(qiáng)韌化因子，聚乙烯(PE)為紫銅粉末分散助劑，制備出高強(qiáng)度、低吸水率的人工復(fù)合材料，綜合運(yùn)用單因素試驗(yàn)與響應(yīng)面試驗(yàn)法、三維立體數(shù)碼顯微鏡與掃描電鏡、電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)與顯微硬度計(jì)等方法和手段研究PE及Cu對(duì)Reed/Cu/PE復(fù)合材料性能的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與制備

原材料:洞庭湖區(qū)蘆葦稈25 kg，市售高密度聚乙烯塑料(PE)顆粒 5 kg，－200目電解紫銅粉(Cu)2 kg。

制備:將蘆葦稈經(jīng)切斷、干燥、粉碎、過(guò)篩制成含水率為12%～15%的－20目粉末(Reed)，裝袋密封備用。取Reed 5 kg、PE 5 kg，經(jīng)混煉、冷卻、粗破、粉碎、過(guò)篩得－20目1∶1木塑復(fù)合粉末，裝袋密封備用。

1.2 試驗(yàn)方法

單因素試驗(yàn)。通過(guò)單因素試驗(yàn)，考察PE質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)Reed/PE及Reed/Cu/PE溫壓成形試件靜曲強(qiáng)度、表觀硬度、吸水率和吸水厚度膨脹率的影響，以及Cu粉的分散效果?；谖墨I(xiàn)分析[3－6]與前期研究成果[7－8]，單因素試驗(yàn)工藝條件定為:模壓成形溫度150℃、成形壓力70 MPa、保溫保壓時(shí)間為30 min。

響應(yīng)面試驗(yàn)?；趩我蛩卦囼?yàn)結(jié)果，以PE、Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)為影響因素，以試件的靜曲強(qiáng)度、吸水率、吸水厚度膨脹率和表面硬度為響應(yīng)指標(biāo)，借助Design Expert軟件進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析，優(yōu)化PE、Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)組合。

1.3 試件性能測(cè)試與分析

采用三維立體顯微鏡觀察粉末顆粒形貌，掃描電鏡觀察材料微觀結(jié)構(gòu)，WDW100型電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)量試件靜曲強(qiáng)度，采用HX－1000TM顯微硬度計(jì)測(cè)量試件表面硬度;按國(guó)標(biāo)GB/T 12626.8—1990規(guī)定的方法測(cè)量試件吸水率;按國(guó)標(biāo)GB/T 11718—2009中密度纖維板吸水厚度膨脹率方法測(cè)定試件吸水厚度膨脹率。

2 結(jié)果與分析

2.1 PE對(duì)粉末性能的影響

2.1.1 粉末的壓縮性

Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的Reed/Cu/PE復(fù)合粉末，在模壓成形溫度150℃、成形壓力70 MPa、保溫保壓時(shí)間30 min的工藝條件下，其壓縮性隨PE質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加(0↑50%)而降低(1.65 g·cm－3↓1.29 g·cm－3)，與 Cu 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì) Reed/Cu/PE 混合粉末的壓縮性的影響趨勢(shì)相反[9]，這主要由于 PE的密度小(＜1 g·cm－3)且自身壓縮性低所致。當(dāng)PE質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于20%時(shí)，PE對(duì)Reed/Cu/PE混合粉末壓縮性的影響不大，密度下降幅度僅為0.1 g·cm－3(約 6%);而當(dāng) PE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于20%時(shí)，混合粉末的壓縮性隨PE質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加顯著降低。

2.1.2 混合粉末的均勻性

采用添加10%PE的Reed/Cu/PE混合粉末與不添加PE的Reed/Cu混合粉末進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)(銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為20%)，試驗(yàn)方法如下:將適量的2種均勻混合粉末各留存2～3 g進(jìn)行混合均勻性顯微觀察，結(jié)果見(jiàn)圖1～圖2。采用溫壓成形法制成高密度試件進(jìn)行斷口形貌觀察，結(jié)果見(jiàn)圖3～圖4。從圖1～圖2可以看出，不添加PE時(shí)，Cu粉顆粒很容易從蘆葦稈粉末顆粒表面滑落造成偏析，嚴(yán)重影響Reed/Cu混合粉末的均勻性;在添加PE的Reed/Cu/PE混合粉末中，Cu顆粒均勻粘附在Reed/Cu混煉復(fù)合粉末顆粒表面，從而實(shí)現(xiàn)Reed/Cu/PE的均勻混合[10]。這可能與混煉工藝實(shí)現(xiàn)從純Reed到Reed/PE復(fù)合粉末顆粒表面潤(rùn)濕性、極性的改善，以及PE的加入導(dǎo)致的Reed/PE粉末顆粒表面產(chǎn)生靜電有關(guān)，有待深入研究。

圖1 Reed/Cu混合粉末照片

圖2 Reed/Cu/PE混合粉末照片

圖3 Reed/Cu溫壓試件斷口形貌(×100)

圖4 Reed/Cu/PE溫壓試件斷口形貌(×100)

圖3～圖4中發(fā)光的亮點(diǎn)為Cu顆粒，可以看出:添加PE的Reed/Cu/PE溫壓試件斷口形貌(圖4)中Cu顆粒的分布均勻性明顯優(yōu)于不添加PE的Reed/Cu溫壓試件的斷口形貌(圖3)，與圖1～圖2的分布規(guī)律一致。

2.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果

PE質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)Reed/PE溫壓試件性能的影響試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn):①Reed/PE溫壓試件的靜曲強(qiáng)度隨PE質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低，且PE質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少時(shí)的靜曲強(qiáng)度的降幅較小;但當(dāng)PE質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)10%時(shí)的降幅明顯增大，這與PE材質(zhì)的低強(qiáng)度等性能相關(guān)，因而當(dāng)PE質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)30%時(shí)，試件性能由PE主導(dǎo)，其靜曲強(qiáng)度降幅變得很小。②Reed/PE溫壓試件的表面硬度先隨PE質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加緩慢降低，當(dāng)PE質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于30%時(shí)急劇下降，此時(shí)的PE加入量足夠包裹全部Reed顆粒，并使試件表面硬度降至接近純PE材料的水平。③PE對(duì)Reed/PE溫壓試件的吸水率和吸水厚度膨脹率改善效果十分明顯，5%的PE加入量可使試件的吸水率和吸水厚度膨脹率分別降低79.5%和68.2%，而10%的PE加入量可使試件的吸水率和吸水厚度膨脹率分別降低84.0%和71.6%;當(dāng)PE的加入量達(dá)到40%時(shí)，試件的吸水率降低到1.18%、吸水厚度膨脹率接近于0。認(rèn)為PE在試件內(nèi)部的均勻滲透形成了天然的“防水墻”，從而有效地隔阻了木質(zhì)元素的吸水作用;同時(shí)，溫壓成形過(guò)程使木質(zhì)材料的互通網(wǎng)絡(luò)多孔結(jié)構(gòu)變得干癟而失去強(qiáng)的吸水性，為試件吸水率和吸水厚度膨脹率的降低打下了良好的基礎(chǔ)。

表1 PE質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)Reed/PE溫壓試件性能的影響

基于上述試驗(yàn)結(jié)果，并綜合考慮其它因素，把7.5%的PE質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為響應(yīng)面試驗(yàn)參考值，記為 A0。

Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)Reed/Cu及Reed/Cu/PE溫壓試件性能的影響試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)Reed/Cu及含PE 7.5%的Reed/Cu/PE溫壓試件的靜曲強(qiáng)度影響不大，隨著Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加都只表現(xiàn)出緩慢的升幅;而含PE成分試件的靜曲強(qiáng)度低于不含PE成分試件，與表1數(shù)據(jù)規(guī)律一致。另外，無(wú)論是Reed/Cu溫壓試件還是含7.5%PE的Reed/Cu/PE溫壓試件的表觀硬度均隨著Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而快速提高，Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于20%時(shí)增幅變緩;雖然Reed/Cu/PE溫壓試件的表觀硬度高于Reed/Cu溫壓試件，但其差距幾乎可忽略不計(jì)，說(shuō)明有限的PE質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)Reed/Cu/PE溫壓試件表觀硬度的影響幅度很小，這與表1結(jié)果基本一致;而對(duì)試件表觀硬度變化規(guī)律起主導(dǎo)作用的因素為Cu的添加量。第三，試件的吸水率和吸水厚度膨脹率隨Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律與試件靜曲強(qiáng)度和表觀硬度的表現(xiàn)明顯不同，無(wú)論是Reed/Cu還是Reed/Cu/PE，其溫壓試件的吸水率在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%Cu處獲得極小值，且Reed/Cu/PE溫壓試件的吸水率明顯低于Reed/Cu溫壓試件;而其吸水厚度膨脹率則表現(xiàn)為Reed/Cu溫壓試件在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%Cu處獲得極小值，Reed/Cu/PE溫壓試件在Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤20%處于同一較低水平(＜9%);當(dāng)Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加時(shí)，Reed/Cu和Reed/Cu/PE溫壓試件的吸水率和吸水厚度膨脹率均迅速增大，說(shuō)明－200目電解 Cu與－20目Reed/PE混煉復(fù)合粉末的最佳配比為20%，如繼續(xù)提高質(zhì)量分?jǐn)?shù)，既不經(jīng)濟(jì)，更會(huì)有損試件的綜合性能。將20%Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)記為B0，供響應(yīng)面試驗(yàn)參考。

表2 Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)Reed/Cu及Reed/Cu/PE溫壓試件性能的影響

2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)綜合優(yōu)化

根據(jù)響應(yīng)面試驗(yàn)法中Box－Benhnken中心組合原理，以單因素試驗(yàn)獲得的 A0、B0值為中心水平點(diǎn)，并根據(jù)響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)最少因素要求，將最為敏感的工藝參數(shù)——成形溫度(150℃)標(biāo)記為C0作為第3因素進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)分析，試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表3，響應(yīng)面三維圖如圖5～圖8所示。

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素及水平

圖5 Reed/Cu/PE溫壓試件靜曲強(qiáng)度的響應(yīng)面

圖6 Reed/Cu/PE溫壓試件表觀硬度的響應(yīng)面

圖7 Reed/Cu/PE溫壓試件吸水率的響應(yīng)面

從圖5～圖8可以看出，三因素間的相互作用明顯。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果(表4)，對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，遵循以下原則:在保證材料低吸水率和吸水厚度膨脹率的前提下獲得盡可能高的靜曲強(qiáng)度和表觀硬度。優(yōu)化參數(shù)設(shè)置及驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表5。獲得的最優(yōu)工藝條件為:PE質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)17.37%、成形溫度152.11℃，為了實(shí)際生產(chǎn)操作方便，將Reed/Cu/PE復(fù)合材料溫壓成形最終工藝條件定為:PE質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)17%、成形溫度150℃。

圖8 Reed/Cu/PE溫壓試件吸水厚度膨脹率的響應(yīng)面

表4 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

從表5可以看出，試件的靜曲強(qiáng)度(49.26 MPa)優(yōu)于人造板相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，試件的表觀硬度(9.267 MPa)達(dá)到了燒結(jié)錫鉛青銅滑動(dòng)軸承材料標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 2688—2012)，吸水率3.32%不到高密度纖維板的20%，吸水厚度膨脹率4.35%遠(yuǎn)低于高密度纖維板國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(≤10%)[11]，認(rèn)為 PE 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 10%、銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)17%為Reed/Cu/PE復(fù)合材料溫壓成形的最佳含量。表5同時(shí)表明，最優(yōu)工藝條件下制備的Reed/Cu/PE溫壓試件的性能與預(yù)測(cè)值基本相符，說(shuō)明響應(yīng)面試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏?zhǔn)確可信。

表5 試驗(yàn)優(yōu)化的參數(shù)設(shè)置及驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

2.4 斷口形貌

圖9和圖10分別為Reed/Cu/PE及Reed/Cu溫壓試件斷口SEM照片?？梢钥闯?，不添加PE的Reed/Cu溫壓試件中的Cu粉顆粒有堆積與結(jié)塊現(xiàn)象，必然會(huì)導(dǎo)致試件材料力學(xué)性能的不穩(wěn)定;而添加PE的Reed/Cu/PE溫壓試件中的Cu粉顆粒分布的均勻性大為改善。另外，兩幅照片均顯示試件材料有明顯的塑化痕跡，為試件材料獲得較高的結(jié)合強(qiáng)度奠定了基礎(chǔ)。

圖9 Reed/Cu/PE溫壓試件斷口

3 結(jié)論

適量添加PE既可改善蘆葦粉末與電解銅粉的混合均勻性，又可降低Reed/Cu/PE溫壓試件的吸水率和吸水厚度膨脹率，但過(guò)量添加PE會(huì)導(dǎo)致Reed/Cu/PE溫壓試件的靜曲強(qiáng)度、表觀硬度等性能的銳減。

圖10 Reed/Cu溫壓試件斷口

應(yīng)用響應(yīng)面法對(duì)影響Reed/Cu/PE溫壓試件性能的兩個(gè)關(guān)鍵因素(PE、Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù))進(jìn)行了優(yōu)化，獲得的最佳PE、Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%、17%。

在溫壓工藝制度(成形壓力70 MPa、成形溫度150℃、保溫保壓時(shí)間30 min)下制備的Reed/Cu/PE試件靜曲強(qiáng)度、表觀硬度(HV)、吸水率和吸水厚度膨脹率分別達(dá)到了 49.26、9.267 MPa、3.32%和4.35%，體現(xiàn)出良好的綜合性能。

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