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木塑复合材料(WPC)具有耐腐蚀、耐老化、美观实用、原料丰富廉价、可回收利用、优异的可加工性能以及尺寸稳定性等优点,是一种可替代木材的绿色环保新材料。应用微发泡技术可在木塑复合材料内部构建连续、均匀分布的微孔结构,制得一种密度小、力学性能好、表面结皮、芯层发泡的WPC制品,从而克服木塑复合材料的延展性和冲击强度不足的缺陷,进一步改善其应用性能。
本文首先研究了木纤维热处理工艺、木塑挤出工艺、木纤维和相容剂含量对木塑复合材料力学性能及微观结构的影响。结果表明,木纤维在160℃下真空热处理12h后,可以达到木纤维易分解组成减量3%以上的技术要求;热重分析显示热处理后的木纤维热稳定性得到改善,能满足木塑复合材料加工过程要求。WPC中木纤维含量的增大,提高了材料的刚性,降低了材料的韧性,增大了复合材料熔体粘度以及剪切敏感性;而添加适量的相容剂改善了复合材料的界面微观结构,增大了材料的结晶度,从而改善了木塑复合材料的力学性能,另外,添加适量的相容剂对高剪切时复合材料的加工流动性也有一定程度的改善。
其次研究了发泡剂用量以及机筒温度、螺杆转速、机头温度、振动条件(振幅与频率)等工艺参数对微发泡WPC泡孔尺寸、泡孔分布以及泡孔密度等微观结构的影响。通过优化试验工艺条件,在振幅为500μm,频率为20Hz时,微发泡WPC体系发泡效果最理想。制品平均泡孔直径为69.8μm,泡孔密度可达1.57×1012个/cm3,且泡孔尺寸分布较均匀。与未引入振动力场时制备的发泡制品相比,泡孔直径减小了20.4%,泡孔密度增大了49.5%,泡孔尺寸分布均匀性明显改善。通过物理建模与数学的推导演算证明,引入振动力场后有效增大了加工流场中的剪切作用,剪切速率随振幅或频率的增大而增大,且固定的振幅(或频率)值越大,相应的剪切速率随频率(或振幅)增大而增大的速度越快。理论计算发现,最理想发泡工艺条件下(A=500μm,f=20Hz)剪切速率的理论计算值要高于部分较低频率(f<20Hz)、较高振幅(A>500μm)条件下的剪切速率。实验结果发现,在剪切速率相对较低的振动条件下制备的样品反而均出现了泡孔密度降低、发泡效果劣化的现象,可见发泡体系稳定与否并不是单纯剪切作用影响的结果,加工过程中大振幅造成的大机械位移作用更容易破坏发泡体系的稳定性,影响发泡质量。因此,加工中应优先考虑通过提高振动频率来优化微发泡WPC的挤出发泡效果。