复合材料生产工艺论文范文

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1性能测试

四点弯曲性能测试：按照标准ASTMD6109-2005进行测试；吸水率测试：按标准GB/T17657-1999中4.6进行测试；落锤冲击性能测试：按标准ASTMD4495-00进行测试，落球重量4.5kg；加工流变性能：在HAAKE转矩流变仪上进行测试，温度170℃，转子转速30r/min，加料量40g；SEM分析测试：制小样条，液氮冷冻萃断，对样条断面进行喷金处理。

2结果与讨论

试验配方中，添加一定比例的木粉、塑料和相容剂，其中润滑剂总添加比例为2.7%。分别采用一步法、两步法、三步法工艺进行试验，其中三步法工艺造粒前润滑剂添加比例为1.35%，造粒后再添加1.35%，按照工业化的生产流程，挤出15×50mm(厚度×宽度)实心型材。

2.1不同生产工艺对加工性能的影响从表1可以看出，在相同的温度参数、主机转速条件下，一步法工艺主机转矩和熔体压力最大，两步法工艺最小，三步法工艺次之；从型材外观上看，两步法工艺和三步法工艺生产出的型材表面光滑，一步法工艺型材表面有细小的横线裂纹；从挤出线速比较，三步法工艺是一步法工艺的1.84倍，是两步法工艺的1.31倍。在相同的主机转速下，主机转矩、熔体压力和挤出线速主要体现物料的流变性能，将一步法工艺的高混料和两步法、三步法工艺的造粒料通过扭矩流变仪进行流变性能的测试，从表2的流变特征参数可以看出，一步法工艺由于混合后的物料没有经过造粒塑化的过程，在型材挤出过程中，需要较长的时间才能将物料塑化熔融，一步法工艺的平衡时间最长，需要3.28min，同时一步法工艺的平衡扭矩也为最大，说明熔融物料的表观粘度很大，流动性差，型材挤出速度慢；两步法工艺，平衡时间适中、平衡扭矩低，说明生产时经过造粒的过程后，物料较易塑化，物料流动性好[3]；三步法平衡时间最短，平衡扭矩适中，这说明了润滑剂分两步添加，造粒后添加的润滑剂损失少，缩短了塑化的时间，起到真正的润滑作用，成型时挤出速度快，而平衡扭矩比两步法工艺略大，可能是因为造粒过程，润滑剂对相容剂的副反应小，使得木粉和塑料基体的结合力增强，熔体压力增加，这是加快挤出线速的同时提高型材物理机械性能的基础。

2.2不同生产工艺对材料性能的影响从表3可以看出，弯曲性能上比较，弯曲强度两步法比一步法高18.4%，三步法比两步法高19.2%，刚性(弯曲模量)也有同样变化趋势。落锤冲击高度方面，两步法比一步法高100mm，三步法比两步法高150mm。从以上数据比较可以看出，三步法性能最好，一步法性能最差，这是因为一步法工艺物料通过高速混合机搅拌后，物料中木粉间的结合水还没能完全排出，物料水份较多，一般在2%以上，木粉和塑料的界面结合力差，高混后物料直接通过锥形挤出机挤出型材，物料与螺杆、机筒的剪切力较小，木粉没能均匀分散在塑料基体中，再加上锥形挤出机低速转动，容易出现木粉聚集成团的质量问题，这也是型材表面出现裂纹的原因，同时型材的物理机械性能差。相比两步法工艺，物料混合后再通过平行双螺杆挤出机造粒，在强的剪切力作用下，将木粉间的结合水大部分排出，破坏木质纤维间的分子间作用力，使木粉均匀分散于塑料中，同时木粉表面羟基(-OH)与MAPE的酯基(-COO-)发生反应，改善了木粉和塑料的界面结合力[4]。所以，当型材受到外力作用下，塑料基体能有效地、均匀地通过两者界面把应力传递给木粉，界面结合力的提高，型材的弯曲强度和韧性也随之提高。三步法工艺将复合润滑剂分两部分添加，混料时添加一定比例润滑剂，造粒后再添加一定比例润滑剂，复合润滑剂中含有一定比例的硬脂酸类外润滑剂，例如硬脂酸锌，在混合过程中水分的存在使MAPE产生MAH，可与硬脂酸锌发生反应，这种反应在热力学上比MAPE与木质纤维的偶合更容易发生，也就使得木粉和塑料的界面结合力变差[5]。在混料时添加一部分润滑剂以满足造粒过程中剪切和分散的需要，防止塑料的降解和木粉的碳化，相比两步法工艺，造粒时润滑剂量少，剪切力也大，水分容易排除，也降低硬脂酸类外润滑剂对MAPE的影响，这样相对两步法提高木粉和塑料的界面结合力，型材的性能明显提高。造粒后再添加润滑剂进行混合以保证型材挤出表面光滑度，提高挤出线速和型材性能稳定性。从图2不同生产工艺的30天吸水率比较可以看出，随着浸泡时间的增加，吸水率都逐渐增加，其中采用三步法工艺生产的型材吸水率最小，30天浸泡的吸水率为1.75%，采用一步法工艺生产的型材吸水率最大，30天浸泡的吸水率为3.60%，是三步法工艺型材吸水率的2.05倍。这是因为木塑复合材料的吸水性主要是由木粉引起的，通常界面结合力差、分散越不均匀的木塑复合材料吸水率越大[4]。木粉有较强的吸水性，易吸水后与水分子之间形成氢键，木粉和塑料是典型的海岛结构，一步法工艺木粉的分散性和界面结合力差，木粉还没被塑料完全包裹，水分子进入两者的间隙易与木粉形成氢键，吸水率增加。三步法工艺提高了木粉的分散性和界面结合力，吸水率较小。

2.3不同工艺生产的木塑复合材料SEM分析通过SEM观察型材断面形貌，可以客观反映木粉和塑料的界面结合。图3是一步法工艺生产的型材断面形貌，可以明显看出，断面分布很不均匀，说明木粉并没能在塑料中很好的分散，且出现一些小空洞，可能是由于木粉没被塑料很好包裹造成，说明木粉和塑料界面结合较差，受到应力作用时，从界面结合处开始发生断裂；图4是两步法工艺生产的型材断面形貌，可以看出两相分布的均匀性有较大改善，出现较多的纤维拉丝现象和小孔洞，说明两步法工艺能使木粉在塑料中分散均匀；图5是三步法工艺的型材断面形貌，可以明显看出断面很粗糙，且出现纤维拉丝现象和深孔洞，说明三步法工艺生产的型材，不仅两相分散均匀，而且能提高两相的界面结合力，受到应力作用发生断裂时，木粉被抽出形成深的孔洞。

3结论

(1)不同的生产工艺会影响型材加工性能，其中三步法工艺塑化时间短，熔体压力适中，挤出线速最快，型材表面光滑，优于一步法工艺和二步法工艺；(2)相比一步法和两步法生产工艺，三步法生产工艺能有效提高木塑复合材料的弯曲性能和落锤冲击强度，吸水率降低。

作者：陈灿成林卓辉单位：卓高泰(广州)包装有限公司