劉珊杉 周亞菲 劉巍巖

摘要：? 采用雙螺旋擠出成型、模壓成型和注塑成型3種不同成型工藝制備木纖維/聚乳酸復(fù)合材料，通過對比不同制備方法對復(fù)合材料密度、靜曲強(qiáng)度、彎曲模量、拉伸強(qiáng)度和沖擊韌性的影響可知：使用擠出成型方法制備的木纖維/聚乳酸復(fù)合材料的密度最大，各項物理力學(xué)性能也顯著高于使用注塑法和模壓成型制備的復(fù)合材料試件。

關(guān)鍵詞：? 聚乳酸;? 木纖維;? 制備工藝;? 力學(xué)性能

中圖分類號：? ?S 781. 6? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：? ?A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1001 - 9499（2020）01 - 0026 - 03

隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，世界各國政府都認(rèn)識到保護(hù)環(huán)境以及可持續(xù)發(fā)展的重要性[ 1 - 2 ]。經(jīng)過了漫長的使用期，廢棄塑料（聚乙烯、聚丙烯等）作為白色垃圾已成為現(xiàn)代社會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，聚乳酸是一種可完全降解、無污染無毒無害的環(huán)保型材料，還擁有較強(qiáng)的物理力學(xué)性能[ 5 - 6 ]，但相對高昂的價格在一定程度上限制了應(yīng)用和推廣[ 7 - 9 ]，而木纖維的加入，不但能夠保留其環(huán)保特性，還能大幅降低原料成本。近年來關(guān)于木纖維/聚乳酸復(fù)合材料的研究已經(jīng)比較豐富，但不同制備工藝對木纖維/聚乳酸復(fù)合材料的影響研究較少，因此本研究針對不同制備工藝（擠出成型、模壓成型、注塑成型）制作的木纖維/聚乳酸復(fù)合材料進(jìn)行性能對比研究，以期確定更加適合的加工制備工藝。

1 試驗材料與方法

1. 1 試驗材料

木材纖維：楊木纖維，40～80目， 黑龍江省拜泉縣。

聚乳酸：美國NatureWorks公司 3251D型聚乳酸粒料，熔點190 ℃。

1. 2 試驗儀器

電熱式鼓風(fēng)恒溫干燥箱，DHG-9625A，上海一恒科學(xué)儀器有限公司;電子分析天平，SQP，賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司;高速混合機(jī)，SHR-? 10A，張家港市通河橡膠機(jī)械有限公司;雙螺桿擠出機(jī)，SJSH30，南京橡塑機(jī)械廠;注塑機(jī)，JPH80，順德市秦川恒利塑機(jī)有限公司;塑料模壓成型機(jī)SL-6，哈爾濱特種塑料制品有限公司;電子萬能力學(xué)試驗機(jī)，RGT-20A ，深圳瑞格爾儀器有限公司。

1. 3 試驗方法

木纖維/聚乳酸復(fù)合材料的制備 將楊木纖維放入103 ℃烘箱中，烘至木纖維含水率≤3%，然后按楊木纖維∶聚乳酸質(zhì)量比為4∶6稱重，混合后放入高速混合機(jī)，先進(jìn)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雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行熔融混合、擠出造粒。將制備好的木纖維/聚乳酸粒料分為三等分，分別使用注塑機(jī)、雙螺桿擠出機(jī)和塑料模壓成型機(jī)制成復(fù)合材料。注塑機(jī)制備出的試件形狀均為GBT_1449《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗方法》中拉伸試件的尺寸，厚度4 mm，長度15 mm。雙螺桿擠出機(jī)擠出的板材厚度為4 mm，寬度為10 mm，將其裁切成符合要求的力學(xué)試件。模壓制備的板材厚度為4 mm，長寬均為16 mm，制成與其他力學(xué)試件相同的尺寸。

性能測試 使用游標(biāo)卡尺和電子分析天平測量復(fù)合材料的尺寸、體積和質(zhì)量，計算出不同制備工藝的復(fù)合材料密度。參照GBT_1449《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗方法》、GBT_1449《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗方法》、GB/T 1043.1-2008《硬質(zhì)塑料簡支梁沖擊試驗方法》對復(fù)合材料的力學(xué)性能（靜曲性能、拉伸性能、彈性模量、沖擊強(qiáng)度）進(jìn)行測試。每種制備工藝試件6塊，每項性能測試在每塊板材上取1塊試樣。

2 結(jié)果與分析

2. 1 不同制備工藝的復(fù)合材料密度

由不同制備工藝的木纖維/聚乳酸復(fù)合材料的密度（表1）可知：使用模壓成型制備的木纖維/聚乳酸復(fù)合材料的密度最低，使用雙螺桿擠出成型的密度最大。這主要是由于使用模壓成型制備時，材料會完全熔化在模具周圍的縫隙中并向外流出，因此材料密度較低;而使用注塑成型和擠出成型，在制備過程中模具腔體內(nèi)屬于密封狀態(tài)，壓力較大，所制備的復(fù)合材料密度也相對較大。

表1 不同制備工藝的木纖維/聚乳酸復(fù)合材料密度

2. 2 不同制備工藝的復(fù)合材料力學(xué)性能

由不同制備工藝的木纖維/聚乳酸復(fù)合材料的力學(xué)性能（表2）可知：不同制備工藝制作出的木纖維/聚乳酸復(fù)合材料的物理力學(xué)性能差異較大。

表2 不同制備工藝的木纖維/聚乳酸復(fù)合材料力學(xué)性能

2. 2. 1 不同制備工藝的復(fù)合材料靜曲強(qiáng)度

由不同制備工藝的木纖維/聚乳酸復(fù)合材料靜曲強(qiáng)度（圖1）可以看出：使用擠出成型制備工藝的復(fù)合材料靜曲強(qiáng)度最高，模壓成型的靜曲強(qiáng)度最低。一方面由于加工方式不同，使3種試件的密度不同（表1），材料密度越大，復(fù)合材料的相對靜曲強(qiáng)度越高;另一方面，加工方式不同也使復(fù)合材料中纖維的定向性呈現(xiàn)較大差異，擠出成型的材料纖維會隨著聚乳酸基質(zhì)在腔體內(nèi)定向流動，因此冷卻成型后纖維定向性最好，在垂直于纖維取向的方向上，復(fù)合材料能夠承受更大的力。熱壓成型的試件，其纖維會隨著熔融的聚乳酸基質(zhì)向四周橫向流動，在冷卻定型后，纖維方向多為二維方向排列。注塑成型的材料纖維定向性最差，纖維隨著基質(zhì)的流動注入腔體，因此纖維的排列隨機(jī)性較強(qiáng)，使得材料在特定方向上強(qiáng)度不高。

圖1 不同制備工藝的木纖維/聚乳酸

復(fù)合材料靜曲強(qiáng)度

2. 2. 2 不同制備工藝的復(fù)合材料彈性模量

由不同制備工藝的木纖維/聚乳酸復(fù)合材料彈性模量（圖2）可知：使用擠出成型制備工藝的復(fù)合材料試件具有較高的彎曲彈性模量，同樣也因為材料密度和體系中纖維的定向性，使得注塑成型試件和模壓成型試件的彈性模量相對較低。

圖2 不同制備工藝的木纖維/聚乳酸

復(fù)合材料彈性模量

2. 2. 3 不同制備工藝的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度

由不同制備工藝的纖維/聚乳酸復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度（圖3）可知：擠出成型的復(fù)合材料纖維定向性較好，體系連續(xù)性較強(qiáng)，所承受的拉伸強(qiáng)度也就越大;注塑成型和模壓成型的試件，纖維定向性和連續(xù)性均不及擠出成型的，因此拉伸強(qiáng)度會受到一定影響。另外擠出成型試件密度較大，試件體系中空隙與缺陷更少，而模壓成型的材料密度較小，體系中空隙和缺陷更多，因此會產(chǎn)生拉伸強(qiáng)度較低的現(xiàn)象。

圖3 不同制備工藝的木纖維/聚乳酸

復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度

2. 2. 4 不同制備工藝的復(fù)合材料的沖擊韌性

由不同制備工藝的木纖維/聚乳酸復(fù)合材料沖擊韌性（圖4）可知：擠出成型的材料沖擊韌性最大，這主要是由于材料的密度和纖維方向定向性較好，使材料整體強(qiáng)度較高，因此沖擊強(qiáng)度也較高。模壓成型與注塑成型試件的沖擊強(qiáng)度差異較小，這主要是由于密度較小的模壓成型材料的體系內(nèi)空隙較多，在受到?jīng)_擊后能夠提供一定的緩沖作用，因此強(qiáng)度并未顯著低于密度較大的注塑成型材料。

圖4 不同制備工藝木纖維/聚乳酸

復(fù)合材料的沖擊韌性

3 結(jié) 論

由上述試驗可以得出，不同制備工藝對木纖維/聚乳酸復(fù)合材料的物理力學(xué)性能有顯著的影響。擠出成型的木纖維/聚乳酸復(fù)合材料密度最大，體系內(nèi)木纖維的纖維定向性更好，因此也具有更高的物理力學(xué)性能。注塑成型的木纖維/聚乳酸復(fù)合材料，雖然密度也較高，但是內(nèi)部纖維定向性較差，強(qiáng)度也略低于擠出成型的材料。模壓成型的木纖維/聚乳酸復(fù)合材料密度最低，體系內(nèi)也會存在較多的空隙和薄弱點，因此整體力學(xué)強(qiáng)度較低。

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第1作者簡介：? 劉珊杉（1983-），? 助理研究員，? 主要從事木材及復(fù)合材料方向。

收稿日期： 2019 - 12 - 01

（責(zé)任編輯：? ?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