邱飛，王偉宏，王海剛，王清文

（東北林業(yè)大學(xué) 生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150040）

截面形狀和木粉含量對(duì)木塑復(fù)合地板彎曲性能的影響

邱飛，王偉宏，王海剛，王清文

（東北林業(yè)大學(xué) 生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150040）

基于5種具有代表性的型材截面，對(duì)木塑復(fù)合地板的抗彎性能進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)研究了木粉含量對(duì)不同截面木塑地板彎曲性能的影響。結(jié)果表明：開口型地板的抗彎截面系數(shù)小于實(shí)心型和中空型地板；實(shí)心型地板和中空型地板的抗彎性能與剛度均優(yōu)于開口型地板；木粉含量的增加可以提高木塑地板的抗彎性能。從截面系數(shù)、強(qiáng)度方面綜合考慮，70%木粉含量的中空型地板性價(jià)比較高。

木塑地板；截面形狀；木粉含量；抗彎性能

木塑復(fù)合材料（WPC）是一種新型的環(huán)保材料，具有耐水、耐濕、可降解等優(yōu)勢(shì)，主要用作室外地板、欄桿等用途[1]。彎曲強(qiáng)度和彎曲模量是衡量這類材料性能的關(guān)鍵指標(biāo)。商業(yè)化的WPC地板多為異型材，截面形狀主要有實(shí)心、中空、開口3種形式。國(guó)內(nèi)關(guān)于木塑地板截面特征和彎曲性能的研究很少，朱宇宏等[2-3]分析了幾種截面的慣性矩計(jì)算模型，并研究了跨距對(duì)木塑地板彎曲性能的影響。徐朝陽等[4]對(duì)市場(chǎng)上常用的4種不同尺寸規(guī)格的木塑地板做了分析研究，結(jié)果表明木塑復(fù)合材料自身的彎曲強(qiáng)度和抗彎彈性模量均小于型材的，說明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很重要，但從截面設(shè)計(jì)、材料配方的角度對(duì)木塑地板彎曲性能進(jìn)行研究還有待深入。

為此，本研究設(shè)計(jì)了5種具有代表性的型材截面形式，制作了不同木粉含量的WPC地板，分析其彎曲性能與截面的關(guān)系，從產(chǎn)品性能和材料成本方面綜合考慮，為實(shí)際生產(chǎn)確定性價(jià)比較高的產(chǎn)品方案。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原材料

高密度聚乙烯（HDPE），5000S，熔融指數(shù)為0.8～1.1 g/10 min，中國(guó)石油大慶石化公司生產(chǎn)；楊木粉，30～80目，自制；馬來酸酐接枝聚乙烯（MAPE），CMG9804，接枝率為0.9%，上海日之升新技術(shù)發(fā)展有限公司生產(chǎn)；石蠟，上海華靈康復(fù)器械廠生產(chǎn)；聚乙烯蠟（PE蠟），山東齊魯石化公司生產(chǎn)；碳酸鈣，海城市八里鎮(zhèn)挺進(jìn)高檔碳酸鈣廠生產(chǎn)；硬脂酸，馬來西亞天然油脂化學(xué)品私人有限公司生產(chǎn)。

1.2 木塑材料的制備

先將稱好的木粉倒入SRL-Z混合機(jī)組（張家港市靈杰塑料機(jī)械廠）的高速混合機(jī)中，高速攪拌20～25 min，使木粉的含水率降至5%左右，然后依次加入HDPE和助劑，繼續(xù)混合10 min。將混合好的物料倒入BHMSY-2雙螺桿木塑生產(chǎn)機(jī)組（南京塞旺科技發(fā)展有限公司）的喂料筒中，物料在雙螺桿擠出機(jī)中混煉塑化后進(jìn)入單螺桿擠出機(jī)，進(jìn)一步熔融后經(jīng)擠出成不同截面形狀的板材，復(fù)合材料的配方見表1，擠出工藝參數(shù)見表2，木塑地板的截面形狀和尺寸見圖1。

1.3 彎曲性能測(cè)試

1.3.1 試件測(cè)試

采用RGT－20A微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)（深圳瑞格爾儀器有限公司），按ASTM D790—2007[5]測(cè)試抗彎性能，試件尺寸為80 mm×13 mm×4 mm，每組10個(gè)試件。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試驗(yàn)跨距與厚度比值為16∶1，加載速度按式（1）計(jì)算，此時(shí)跨距為64 mm，加載速度R為1.7 mm/s。

式中：Z——外表面形變速率，取0.01 s-1；

h——試樣厚度，mm；

L——支撐跨距，mm（L=16h）。

1.3.2 型材測(cè)試

型材測(cè)試采用中點(diǎn)加載方式，試件長(zhǎng)度為450 mm，每組5個(gè)試件。使用RGT-20A微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試抗彎性能，參考ASTM D790—2007確定跨距與加載速度，由于試件厚度為25 mm且Z值相同，此時(shí)跨距為400 mm，加載速度為10.7 mm/s。

復(fù)合材料地板在彎曲性能方面符合簡(jiǎn)支梁彎曲，根據(jù)材料力學(xué)理論，木塑地板的彎曲強(qiáng)度σ和抗彎彈性模量E分別按式（2）、式（3）計(jì)算：

式中：Mmax——中間加載簡(jiǎn)支梁的最大彎矩，N·mm；

y——材料表面離中性軸的距離，mm；

Iz——慣性矩，mm4；

△P——彈性范圍內(nèi)的載荷變化量，N；

△f——彈性范圍內(nèi)的撓度變化量，mm。

5種不同截面的木塑地板如圖1所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同截面形式的分析

在型材的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要了解材料在外力作用下產(chǎn)生的應(yīng)力和變形，并對(duì)材料構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算，而型材的截面設(shè)計(jì)尺寸為上述計(jì)算提供了非常重要的參數(shù)，這些幾何參數(shù)主要包括面積、形心、慣性矩等。利用AutoCAD軟件面域特征的查詢功能，計(jì)算本研究中各種截面的幾何參數(shù)[6-7]（見表3）。

由表3可知，實(shí)心型板的截面積最大，所消耗的材料最多。由于實(shí)心型板和空心型板均為近似上下對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以它們的形心位置也較對(duì)稱，偏移較小；而開口型板下半部分有缺口，導(dǎo)致中性軸位置上移，形心向上偏移較大。

抗彎截面系數(shù)綜合反映了橫截面形狀和尺寸對(duì)彎曲正應(yīng)力的影響，可根據(jù)式（4）計(jì)算。從強(qiáng)度方面考慮，應(yīng)采用最小的截面積得到最大的抗彎截面系數(shù)[8]，通常采用比值Wz/A1.5衡量板材截面形狀的合理性[9]。從表3可以看出，中空型板材的Wz/A1.5最大，說明該形狀在滿足抗彎強(qiáng)度要求的同時(shí)也節(jié)省了材料用量，并且2種中空型板材的各項(xiàng)截面幾何參數(shù)均非常相近。

式中：Wz——型材的抗彎截面系數(shù)，mm3；

ymax——中性軸到臨界線的距離，mm。

2.2 不同截面形狀木塑復(fù)合地板的彎曲性能

表4為不同木粉含量的5種不同截面形狀木塑地板的彎曲性能參數(shù)。

從表4可以看出，5種不同截面形狀地板的最大破壞載荷、地板斷裂時(shí)中跨處最大變形和最大應(yīng)變的變化順序均相同，從大到小依次為實(shí)心型＞矩形中空型＞圓形中空型＞圓形開口型＞矩形開口型。實(shí)心型板能承受的最大載荷比中空型板略高，無明顯優(yōu)勢(shì)；是矩形開口型的2.16～2.30倍，是圓形開口型的1.76～1.87倍。但實(shí)心型板的最大變形和最大應(yīng)變卻處于不利情況，約為中空型板的1.3倍，是開口型板的1.6倍，容易產(chǎn)生變形。木塑地板受外力作用時(shí)，會(huì)在板材橫截面上產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力，此時(shí)板材上部受壓應(yīng)力，下部受拉應(yīng)力，應(yīng)力在中性軸處為0，并從中性軸向板的外表面呈線性增加，由此導(dǎo)致板材彎曲變形。相對(duì)中性軸對(duì)稱的材料其最大彎曲壓應(yīng)力等于最大彎曲拉應(yīng)力。對(duì)于實(shí)心型板和2種中空型板，雖然由于上表面的凹槽和倒角導(dǎo)致中性軸向下偏移，使壓應(yīng)力略大于拉應(yīng)力，但中性軸偏移幅度較小，可以近似看作中性軸的對(duì)稱結(jié)構(gòu)。而開口型板下半部分缺失較多，中性軸向上偏移幅度較大，致使最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力相差較大，矩形開口型板的最大拉應(yīng)力是最大壓應(yīng)力的1.71倍；圓形開口板的最大拉應(yīng)力是最大壓應(yīng)力的1.50倍。最大拉應(yīng)力的大小順序依次為：圓形開口型板＞矩形開口型板＞實(shí)心型板＞矩形中空型板≈圓形中空型板；最大壓應(yīng)力的大小順序?yàn)椋簩?shí)心型板＞矩形中空型板≈圓形中空型板＞圓形開口型板＞矩形開口型板。

從總體上看，木塑地板在受壓力作用時(shí)承受最大載荷順序?yàn)椋簩?shí)心型＞中空型＞開口型。5種不同截面形狀木塑地板的抗彎彈性模量的大小順序?yàn)椋壕匦伍_口型板≈圓形開口型板＞圓形中空型板＞矩形中空型板＞實(shí)心型板。

剛度是衡量材料抵抗變形能力的指標(biāo)，由式（3）可推出型材剛度EIz的計(jì)算式（5）：

由式（5）可知，其與慣性矩和抗彎彈性模量均成正比。對(duì)于型材來說，抗彎彈性模量高的材料其制品剛度不一定也高，還要考慮制品的截面慣性矩。因此，要增大木塑復(fù)合地板的剛度，可以通過配方的改進(jìn)處理提高彎曲彈性模量，如提高木粉摻量，添加改性劑等，也可以通過設(shè)計(jì)合理的截面以增大慣性矩。由表4可見，5種不同截面形狀木塑復(fù)合地板剛度大小的順序?yàn)椋簣A形中空型板＞矩形中空型板＞實(shí)心型板＞圓形開口型板＞矩形開口型板，其中圓形中空截面地板具有較高的抗彎曲變形性能。

2.3 不同木粉含量木塑復(fù)合地板的彎曲性能

從表4還可以看出，隨著木粉含量的增加，5種不同截面形狀的木塑地板的最大載荷、最大彎曲應(yīng)力、抗彎彈性模量和剛度均呈增大的趨勢(shì)，而最大變形呈降低趨勢(shì)。其中，木粉含量從50%增加到70%，實(shí)心型板的抗彎彈性模量和剛度增幅為71.51%，其它4種地板的增幅為40%～46%；實(shí)心型板的最大變形和最大應(yīng)變下降幅度為49.11%，圓形中空型板的降幅為33.92%，其它3種板的降幅為40%～42%。實(shí)心型板的抗彎性能變化量最大，容易受木粉含量增減的影響。

表5為不同木粉含量木塑復(fù)合材料的彎曲性能參數(shù)。

綜合對(duì)比表4與表5可以發(fā)現(xiàn)，5種不同截面形狀型材的最大載荷和抗彎彈性模量與木粉含量存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，即木粉的增加使體系的剛性增強(qiáng)，這也是木塑地板隨木粉增加而斷裂時(shí)的最大變形降低的原因。

2.4 不同截面、木粉含量木塑復(fù)合地板原料成本分析

以木塑復(fù)合材料制成的地板，不僅要滿足使用性能要求，還要嚴(yán)格控制成本來提高其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。為此，本研究計(jì)算了不同截面地板型材的原料成本。首先根據(jù)材料的截面面積（見表3）與材料的密度（見表5）算出木塑復(fù)合地板的米重（kg/m），再根據(jù)材料配方（見表2）和原料的單價(jià)（見表6），計(jì)算出不同截面、木粉含量的木塑復(fù)合地板的原料成本，如表7所示。

由于木粉價(jià)格低廉，因此木粉含量的增加必然會(huì)降低板材原料成本。實(shí)心板用料最多，因此成本也最高。5種截面型材中，矩形開口型板的成本最低。從截面系數(shù)、強(qiáng)度、價(jià)格方面綜合考慮（參考表3、表4、表7），認(rèn)為截面相同時(shí)，70%木粉含量的地板性價(jià)比較高；木粉含量相同的情況下，中空型截面地板的性價(jià)比較高。

3 結(jié)語

（1）開口型木塑復(fù)合地板上下結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，形心向上偏移較大，導(dǎo)致抗彎截面系數(shù)減小，大約是同等橫截面積的中空型材的43%。從抗彎強(qiáng)度方面考慮，中空型截面設(shè)計(jì)最合理。

（2）通過剛度分析可知，5種不同截面形狀的木塑地板抵抗變形能力的優(yōu)劣順序?yàn)椋簣A形中空型板＞矩形中空型板＞實(shí)心型板＞圓形開口型板＞矩形開口型板。中空型板的抗彎性能優(yōu)于其它截面形狀。

（3）隨著木粉含量增加，木塑地板的破壞載荷、最大彎曲應(yīng)力、彈性模量以及剛度呈增大趨勢(shì)，而地板斷裂時(shí)中跨處的最大變形呈下降趨勢(shì)。

（4）從截面系數(shù)、強(qiáng)度、價(jià)格方面綜合考慮，70%木粉含量的中空型木塑復(fù)合地板的性價(jià)比較高。

[1]Klyosov A A.木塑復(fù)合材料[M].王偉宏，宋永明，高華，譯.北京：科學(xué)出版社，2010.

[2]朱宇宏，徐朝陽，李大綱，等.耐水木塑復(fù)合地板彎曲性能的測(cè)試方法[J].木材工業(yè)，2009，23（6）：5-7.

[3]朱宇宏，徐朝陽，李大綱，等.耐水木塑復(fù)合地板截面結(jié)構(gòu)特征分析[J].木材工業(yè)，2009，23（4）：37-39.

[4]徐朝陽，朱宇宏，李大綱，等.木塑型材與木塑復(fù)合材料抗彎性能比較研究[J].包裝工程，2009，30（3）：28-30.

[5]ASTM D790—2007.Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials[S].West Conshohocken，PA.

[6]高建亮.AutoCAD計(jì)算截面幾何性質(zhì)的應(yīng)用[J].建設(shè)科技，2011 （11）：79-80.

[7] 黃永玉，王曉君，張建育.截面幾何性質(zhì)求解的簡(jiǎn)便方法研究[J].機(jī)械制造研究，2009，38（3）：115-116，124.

[8]楊青，趙吉坤.梁截面優(yōu)化對(duì)工程造價(jià)的影響分析[J].建筑技術(shù)，2010，41（10）：942-945.

[9] 薛福林.再說梁截面形狀經(jīng)濟(jì)合理性的合理衡量方法[J].力學(xué)與實(shí)踐，2002，24（6）：64-65.

Bending performance of wood-plastic composite decking with different cross-section figure and wood flour content

QIU Fei，WANG Weihong，WANG Haigang，WANG Qingwen
（Key Lab of Bio-based Material Science&Technology of Education Ministry，Northeast Forestry University，Harbin 150040，Heilongjiang，China）

This paper analyzed the bending performance of extruded wood-plastic composite（WPC）decking with five different cross-section figures.The influence of wood flour content on bending performance was also investigated.The results show that section modulus of bending of open-end type floor was less than those of solid and hollow type floor.Solid and hollow type decking was superior to open-end type decking in bending and rigidity performance.Bending performance of WPC decking was improved with the increasing of wood flour content.Comprehensively considering the cross-section figure，strength，and cost，it is concluded that the combination of 70%wood flour content and hollow type presented a higher cost performance for floor lumber.

wood-plastic composite floor，cross-section figure，wood flour content，bending performance

TU532+.62；TQ327

A

1001-702X（2015）06-0025-04

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAD32B00）

2014-11-26；

2015-01-12

邱飛，男，1989年生，安徽淮南人，碩士研究生，主要從事木塑復(fù)合材料產(chǎn)品加工利用研究。