1、中国工程院农业学部润滑剂对PE基木塑复合材料机械性能的影响陈玉霞1李大纲2郭勇1刘盛全1(I安徽农业大学，合肥230036；2南京林业大学， 南京21 0037)摘要：以HDPE为塑料基体，以木粉作为填充料，三种不同润滑体系，用微型注塑和挤出成型设备制备了PE基木塑复合材料(WPC)，研究了三种不同润滑体系对木塑力学性能、静态热机械性能的影响。结果表明：加入不同润滑剂对木塑复合材料的拉伸性能有一定的影响：润滑剂的添加有利于一4020c剁牛T WPC的尺寸稳定性，而不利于40“80“C条件下WPC的尺寸稳定性；不同的润滑剂对WPC的玻璃化转变温度影响显著。关键词：润滑剂PE木塑复合材料力学性能热
2、机械性能The Effect of Lubricant on the Mechanical Properties of PEWood Plastic C ompositesCHENYu-xial，LI Dagan92，GUO Yon91，LIU Shenquan2(1Anhui Agriculture University,Hefei 230036；2Nanjing Forest University，Nanjing 210037)Abstract：PE-based wood plastic composites(WPC)were prepared by mini extrusion equi
3、pment with HDPE as a plasticsubstrate and wood flour as a fillerThe effects of three lubricating systems on the mechanical properties and staticthermal performance ofWPC were studiedThe results showed that the types of lubricants had some effect on the tensileproperty of WPCThe lubricants was benefi
4、t to maintaining the dimension thermal stability of WPS when thetemperature condition from-40“C to 20“C，and go against the dimension thermal stability of WPS when the temperaturecondition from 40“C to 80“CThe types of lubricants had significant effect on the glass transition temperature ofWPCKeyword
5、s：Lubricant，PE，wood plastic composites fwPc)，mechanical property，thermo-mechanical property近年来，木塑复合材料发展较为迅速，相关学者在植物纤维用量、粒径，植物纤维改性、偶联剂的选用、几种物料和助剂的混合、材料的机械强度等方面做了大量的研究1】。目前WPC中植物纤维的添加质量分数目前已高达50以上，润滑剂可以提高WPC挤出生产效率，改善制品表面性能，不同的润滑体系的选择会直接影响加工性能和材料的物理力学性能2】。目前的相关研究主要集中在偶联剂的选用以及植物纤维表面接枝方面3】，而在润滑剂的选用方面研究较少
6、。影响木塑复合材料的使用寿命的因素很多，其中一个重要的因素是其在加工及使用过程中的热性能和力学性能。木塑复合材料热性能是木塑复合材料材料与热或温度相关的性能总合。它包括诸多方面，例如热力学关系、热膨胀、玻璃化温度转变等，是木塑复合材料的重要性质之一，对木塑复合材料的生产、加工及应用有着重要的指导作用。因此本文开展不同润滑体系的木塑复合材料的力学性能和热膨胀性能的研究就有着至关重要的意义。1实验部分11主要原料第一作者简介：陈玉霞(1978一)，女，安徽农业大学林学与园林学院，讲师，博士。主要从事家具设计、生物质环境等方面的研究。电子邮箱：sheherose一,163com。118“木(竹)材低
7、碳加工与绿色保障”学术研讨会 2013年11月11日I 3日，福建福州木粉：意杨木粉，中国江苏泗阳木粉厂生产：高密度聚乙烯：回收料，宜兴市华鸿塑料制品厂；硬质酸(HSt)：上海延安油脂厂；乙撑双硬脂酸酰胺(EBS)：南京天鑫化工有限公司：复合脂肪酸盐(脂肪酸酯和脂肪酸盐的混合物)：北京Sunway化学有限公司；马来酸酐接枝聚乙烯：上海日升化学有限公司。12主要仪器与设备微量双螺杆挤出机：HAAKE Minilab II，德国HAAKE公司；微量注塑机：HAAKE MiniJetII，德国HAAKE公司；热机械分析仪：TMA402F1，德国Netzsch公司；电热恒温鼓风干燥箱：DHG9070A
8、，上海精宏实验设备有限公司；游标卡尺：W0579B，哈尔滨量具刃具有限公司；万能力学试验机：AUTOGRAPHAGIC型，日本岛津公司。13试样制备(1)力学性能试样制备将表1配比复合材料样品粒料在微量注塑机中注射成哑铃型，采用ASTM D638 Type V模具，熔融温度170。C，模具温度60。C，注塑压力700bar,注塑时间5s，保压压力650 bar,保压时间5s，哑铃形试样拉伸区厚度318mm，宽度318ram，原始标距115ram，每组配比木塑复合材料样品制取5个样品。表I试样各组分比例Tablel Composition of specimens(2)热机械分析仪(TMA)测试
9、试样制备： 将粒径为0177“0420 rllnl的木粉在105下干燥12 h，使其水分质量分数低于1，然后，按表l配比将木粉、PEHD、相关助剂(增容剂马来酸酐接枝聚乙烯和润滑剂)在微量双螺杆挤出机中进行共混、挤出制得WPC。挤出工艺参数：温度为170。C、螺杆转速为55 rmin、共混时间为5 min。14性能测试141力学性能测试：拉伸性能参照ASTM D638进行，加载速度为2mmmin。力学性能的测试温度为2628“C，相对湿度为4555。哑铃形试样拉伸区厚度318mm，宽度318mm，原始标距115mm，每组配比木塑复合材料样品制取5个样品。142 TMA测试【4】： 将WPC截成
10、15mmX45mmlmm的测试试样，利用热机械分析仪(TMA)测试其热膨胀性能，采用拉伸加载模式，试样从_40C升温至150。C，升温速率5min，记录其形变。每个配比共测试5个试样，按照以下公式求其线型热膨胀系数(CLTE)：A，CLTE=竺L7式中：L为试样原始长度，mm； 址AT为温度每升高1K试样长度的变化率，mnlK。根据TMA曲线，由玻璃化转变(热效应)前、后TMA基线与其切线的交点计算玻璃化转变温度(Tg)的起点和终点，以及玻璃化转变台阶高度。119中国工程院农业学部2结果与讨论21不同润滑剂对WPC力学性能的影响将使用不同润滑剂的WPC测得的拉伸弹性模量、拉伸强度和拉伸断裂应变
11、的变化的结果列于表1中。表1不同润滑剂对木塑复合材料拉伸性能的影响从表中可以看出，使用润滑剂l和润滑剂2的WPC拉伸弹性模量、拉伸强度、拉伸断裂应变相差不显著，但使用润滑剂3的WPC拉伸弹性模量、拉伸强度明显小于前者，拉伸断裂应变明显大于前者。这可能是由于润滑剂3的加入改善了木粉与HDPE基体问的界面润滑，加大了分子间的距离，降低了界面作用力和木粉对基体的束缚作用。22润滑剂对WPC尺寸热稳定性的影响为了研究低温、常温、高温使用环境下木塑复合材料的热稳定性，分别取4020、20-40、4080三个温度段，并计算三个温度段内不同润滑剂的木塑复合材料的线性热膨胀系数，其结果列于表2中。表2不同润滑
12、剂的木塑复合材料热膨胀系数注：表中数据为5个试样热膨胀系数的平均值，括号内为5个试样线性膨胀系数的标准差由表2可见，使用不同润滑剂的WPC，在3个温度段内CLTE均呈现增大趋势，其中-40“-20和20-40两个温度范围相比，CLTE相比较低，并且差异性较小。而在40-一80这个温度阶段与前两个温度阶段相比CLTE显著增大。这说明使用三种润滑剂生产的WPC在低温和常温条件下尺寸稳定性均较好，而高温条件下，尺寸稳定性较差。另外，使用三种润滑剂的WPC相比，使用润滑剂1的WPC在40O范围内CLTE相对较高，而在4080相对较低，这说明，使用润滑剂1的WPC低温和常温状态下使用，尺寸稳定性相对较差
13、，而高温状态下尺度稳定性相对较好。使用润滑剂2和润滑剂3的WPC在40-40范围内CLTE相对较低，而在4080范120。木(竹)材低碳加工与绿色保障”学术研讨会 201 3年11月11日一1 3日，福建福州一_l一围内CLTE相对较高。这说明使用润滑剂2和润滑剂3的WPC低温和常温状态下使用，尺寸稳定性相对较好(使用润滑剂3的WPC低温状态下使用，尺寸稳定性最好)，而在高温状态下使用，尺寸稳定性较差(使用润滑剂2的WPC的尺寸稳定性最差)。个22不同润滑剂对WPC的g的影响利用热膨胀曲线的转折点可计算出不同润滑剂的WPC的玻璃化转变温度，结果如图1和图2所示。由图l可知，使用润滑l的WPC的
14、19起点温度和终点温度均最低，且均低于140。C。使用润滑剂2的WPC的珞起点温度和终点温度均最高，其中珞的终点温度高于140“C。使用润滑剂3的WPC的温度介于前二者之间。因此使用不同润滑剂需要及时调整工艺温度。图1不同润滑剂的WPc对珞的影响 图2不同润滑剂的叩c对玻璃化转变台阶高度的氍晌由图2可知，使用润滑剂2的WPC的玻璃化转变台阶高度最高，而使用润滑剂3的WPC的玻璃化转变台阶高度最低。这说明使用润滑剂2的WPC玻璃化转变需要的额外空间最大，生产过程中WPC产生缺陷或表观质量降低的风险较大。而使用润滑剂3的WPC玻璃化转变需要的额外空间最小，生产过程中产生缺陷或表观质量降低的风险较小
15、。实验中也发现使用润滑剂1和润滑剂3生产的WPC外观质量明显好于使用润滑剂2的WPC。巾23温度低于。F时不同润滑剂对WPC的CLTE的影响热膨胀系数可表征固体材料的几何特性随着温度变化而变化的规律性【5】，由于聚合物或复合材料在玻璃化转变温度以下可以保持其力学性能，而在玻璃化温度以上将失去力学性能，因此，玻璃化转变温度以下的热膨胀系数对于材料的力学性能更有参考价值。121中国工程院农业学部图3玻璃化转变温度之下使用不同润滑剂的WPC的线性热膨胀系数在20。C起点温度范围内，使用不同润滑剂对WPC的CLTE的影响如图3所示。由图3可知，在20“C起点范围内，使用润滑剂1的WPC的CLTE最高，
16、使用润滑剂3的WPC的CLTE最低，这说明使用润滑剂3的WPC在温度以下，尺度稳定性最好，容易保持其力学性能。而使用润滑剂1的WPC，在温度以下，尺寸稳定性较差，不容易保持其力学性能。24温度高于时不同润滑剂对WPC的CLTE的影响图4玻璃化转变温度之上使用不同润滑剂的WPC的线性热膨胀系数在终点温度热分析曲线终点温度的范围内，不同润滑剂对W-PC的CLTE的影响如图4“木(竹)材低碳加工与绿色保障”学术研讨会 201 3年11月11日一1 3日，福建福州所示。由图4可知。在终点温度热分析曲线终点温度范围内，使用润滑剂2的WPC的CLTE最大，而使用润滑剂3的WPC的CLTE最小。这表明润滑剂
17、2的加入，提高加工过程中WPC的流动性，使其易于成型加工t61。在砭终点温度热分析曲线终点温度范围内，使用润滑剂3的WPC的CLTE最大，这表明润滑剂3的加入会降低加工过程中WPC的流动性，不利于其加工成型。3结论(1)润滑剂l(HSt)和润滑剂2(HSt和EBS的混合物)对拉伸模量、拉伸强度、断裂伸长率影响不显著，润滑剂3(复合脂肪酸盐混合物)的加入会降低WPC的拉伸模量和拉伸强度，却提高了其断裂伸长率。(2)润滑剂的添加有利于-4呲0条件下WPC的尺寸稳定性，而不利于40-一80“C条件下WPC的尺寸稳定性：(3)润滑剂2(HSt和EBS的混合物)会提高WPC的玻璃化转变温度，而润滑剂3(
18、复合脂肪酸盐混合物)会降低WPC的玻璃化转变温度；润滑剂3(复合脂肪酸盐混合物)的添加有利于减小WPC的玻璃化转变台阶高度，减小WPC的生产过程中产生缺陷，但会降低生产过程中WPC的流动性，不利于加工成型。参考文献【l】MSainInterface modification and mechanical properties ofnatural fiber-polyolefm composite products【J】JournalofReinforced Plastics and Composites，2005，24：121130【2】V Hristov,JVlachopoulosTherm
19、oplastic SiliconeElastomer Lubricant in Extrusion of Polypropylene Wood FlourComposites【J】AdvPolymTechn01，2007，26(2)：100-108【3】Anatole A Klyosov,A A KiesovWood-plastic Composites【l川Hoboken，New Jersey：Wiley-Interscience,2007【4】郭勇，李大纲，陈玉霞高填充木塑复合材料热性能的研究【J】工程塑料应用，201341(5)：10-12【5】赫玉欣，张丽，朱伸兵核壳聚合物粒子对环氧树脂热膨胀系数的影响【J】热固性树脂，2012，27(1)：5-8【6】陆立明热分析应用基础【l川上海：东华大学出版社，20111
