一種高性能木塑墻板的制備及性能研究

以陶瓷纖維為填料，添加到PE 基木塑材料（WPC）中，制備了高性能木塑墻板。與不添加陶瓷纖維的木塑墻板相比，添加陶瓷纖維 的木塑墻板其沖擊強度增加147.54%，拉伸強度增加43.24%，三點彎曲強度增加76.28%，四點彎曲強度增加79.07%，陶瓷纖維的適宜 添加量為10～14 份，PE 樹脂較佳用量為31～34 份。

目前，木塑（WPC）墻板在室外廣泛使用，這些WPC 墻板大部分以PE 基塑脂為基礎(chǔ)制備，其力學(xué)性能一般， 彎曲強度在20 MPa 左右，且安裝使用過一段時間后，易 出現(xiàn)開裂、破損，甚至斷裂等質(zhì)量問題。目前解決這些問 題的方案主要有兩種：一是通過調(diào)配輔料的用量來提高 墻板的強度；二是增加型材的厚度來提高墻板的強度[1]。 通過調(diào)整輔料的加入量，雖可以增強WPC 墻板的各種 力學(xué)性能，但增加的強度并不足以滿足市場的要求；增 加型材的厚度無疑造成材料使用量增大，使得使用成本 明顯增高。

陶瓷纖維作為一種無機非金屬類材料，具有很高的 強度和化學(xué)穩(wěn)定性，其填充的聚合物基復(fù)合材料顯示出 良好的綜合性能，陶瓷纖維作填充材料以提高聚合物材 料性能的研究也越來越受到人們的關(guān)注[2]。本項目擬通 過在木塑墻板中加入陶瓷纖維，制備高強度PE 木塑墻 板，考查了高強度PE 木塑墻板的綜合力學(xué)性能，以及陶 瓷纖維用量對復(fù)合材料性能的影響。經(jīng)過一系列的實 驗，確定了高強度木塑墻板的較佳配方和相關(guān)生產(chǎn)工 藝。

1 實驗部分

1.1 主要原料

陶瓷纖維（3～6 mm，靈壽縣嘉德礦產(chǎn)加工廠）；木 粉、多組分復(fù)合型樹脂（高密度聚乙烯、中密度聚乙烯和 低密度聚乙烯的復(fù)合樹脂，熔指0.3 g/10 min，安徽國風(fēng) 木塑科技有限公司）；硅烷偶聯(lián)劑（KH- 550，南京曙光硅 烷化工有限公司）；馬來酸酐接枝聚乙烯（SZ11，黃山貝 諾科技有限公司）；潤滑劑（STR530，上海科泰化工科技有限公司）；輕質(zhì)碳酸鈣（D35，廣州福銀化工科技有限公 司）；抗氧劑（B225，上海締睿化工有限公司）；紫外線吸 收劑（UV531，上海締睿化工有限公司）；光穩(wěn)定劑 （UV151，煙臺新秀化學(xué)科技股份有限公司）。

1.2 主要儀器及設(shè)備

SHR- 800/2500 高速混合機（張家港聯(lián)冠科技發(fā)展 有限公司）；65/132 錐形雙螺桿擠出機（上海金緯機械制 造有限公司）；JWE75/40 型同向雙螺桿混煉造粒機（蘇 州大云塑料回收輔助設(shè)備有限公司）；CMT- 4104 力學(xué)試驗機（深圳市新三思計量技術(shù)有限公司）；XJJ- 5 簡支梁沖擊試驗機（承德市金建檢測儀器有限公司）。

1.3 高性能木塑墻板的制備

將陶瓷纖維于馬弗爐340℃～360℃下灼燒15 min，冷卻后浸漬在KH- 550 溶液中，室溫下冷卻干燥。 木粉、處理后陶瓷纖維加入高速混合機中攪拌5～ 6 min，將多組分PE 樹脂、相容劑SZ11、抗氧劑、紫外線 吸收劑等各種助劑加入高速混合機中90℃攪拌20 min。混合后的物料加入平行雙螺桿擠出造粒，機筒溫度 190℃～210℃，螺桿轉(zhuǎn)速80～120 r/min。

將上述造粒料與潤滑劑加入高速混合機中混合10 min，然后加入錐形雙螺桿擠出機擠出成型，擠出條件： 機筒溫度150℃～190℃，螺桿轉(zhuǎn)速7～10 r/min。 本項目所用的基礎(chǔ)配方如表1 所示，配方1# 是安 徽國風(fēng)木塑科技有限公司普通高強度墻板配方，2# 是使 用陶瓷纖維的高強度墻板配方。

1.4 性能測試

塑料拉伸性能試驗按照GB/T 1040.2- 2006 進行，采用1A 型試樣，試驗速度為1 mm/min；簡支梁沖擊強度 按照GB/T 1043.1- 2008（常溫?zé)o缺口）進行，采用1 型試 樣，2 J 擺錘，常溫?zé)o缺口沖擊；三點彎曲按照GB/T 9341- 2000 進行；四點彎曲按照ASTM6109- 05 進行；斷 裂較大力按ASTM6109- 05 進行，取試樣斷裂時壓力數(shù) 值。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能比較

表2 是兩種基礎(chǔ)配方制備的木塑墻板的力學(xué)性能 比較。由于使用了多組分復(fù)合型樹脂，即保證材料的韌 性同時也滿足材料的剛性，所以與市場普通的高強度 PE 木塑墻板相比，1# 樣的力學(xué)性能好，但其力學(xué)性能提 高幅度并不大。2# 樣是使用陶瓷纖維的高強度墻板配 方，相比1# 樣，其拉伸強度增加43.24%，沖擊強度增加 147.54%，三點彎曲強度增加76.28%，四點彎曲強度增 加79.07%，可承受較大力增加53.61%，可見加入陶瓷纖 維后對產(chǎn)品的力學(xué)性能有很大的提升。

陶瓷纖維增強木塑型材的作用機理是：陶瓷纖維在 混合過程中會分散成若干的陶瓷纖維棒，陶瓷纖維棒與 木粉顆粒在加工過程中因摩擦作用，產(chǎn)生大量的木纖維 微絲，木纖維微絲與陶瓷纖維棒相互纏結(jié)；另外，線性聚 乙烯分子鏈與陶瓷纖維棒相互纏繞，形成了一種中空的 三維結(jié)構(gòu)，木粉顆粒、CaCO₃ 填充在空隙中，較大限度地 發(fā)揮陶瓷纖維的增強作用，體現(xiàn)復(fù)合材料的耦合效應(yīng)。 試驗中試用的KH- 550、SZ11 等大大增強了陶瓷纖維、 木質(zhì)纖維與塑料基體的界面相容性，使陶瓷纖維在PE 樹脂中分布均勻，從而顯著提高了木塑型材的各方向上 的力學(xué)性能。

2.2 陶瓷纖維用量對木塑墻板性能的影響

以2# 樣為基礎(chǔ)配方，改變木塑墻板中陶瓷纖維的 用量，研究陶瓷纖維用量對于復(fù)合型材力學(xué)性能的影響，圖1 是不同陶瓷纖維含量的高強度木塑墻板的各項 力學(xué)性能測試結(jié)果。

由圖1 可以看出，隨著陶瓷纖維用量增加，木塑墻 板的拉伸強度、沖擊強度、三點彎曲強度、四點彎曲強度 和可承受較大力都先升后降。這是由于木質(zhì)纖維微絲與 陶瓷纖維相互纏繞，碳酸鈣等其他填料填充在其空隙 中，形成三維框架結(jié)構(gòu)，很大地增強了復(fù)合型材的力學(xué) 性能。隨著陶瓷纖維量的增多，這種三維框架結(jié)構(gòu)持續(xù) 增多，復(fù)合型材的力學(xué)性能持續(xù)上升。但當(dāng)陶瓷纖維的 加入量達到一定時，陶瓷纖維過量，多余的陶瓷纖維會 游離在復(fù)合型材中，這種游離狀的陶瓷纖維與復(fù)合材料 之間的界面結(jié)合力差，導(dǎo)致復(fù)合型材的力學(xué)性能有所下 降。實驗結(jié)果表明，陶瓷纖維用量為10～14 份時，木塑 型材的各項性能相對較好。

2.3 PE 樹脂用量對木塑墻板力學(xué)性能的影響

基于2# 樣配方，保證配方中其他組份加入量不變， 考查改變PE 樹脂用量對木塑墻板力學(xué)性能的影響，所 得木塑墻板力學(xué)性能如圖2。

由圖2 可見，隨著PE 樹脂用量的增加，木塑型材的 力學(xué)性能不斷提高，這是因為隨著樹脂量的增加，復(fù)合 體系中界面（木粉與樹脂界面、陶瓷纖維與樹脂界面等） 減少，木塑材料整體性更強。雖然隨著PE 樹脂添加量的 增大，復(fù)合型材的力學(xué)性能也不斷增強，但也會導(dǎo)致木 塑墻板的成本急劇上升，所以PE 樹脂的較佳添加量應(yīng)綜合考慮木塑墻板的性能和成本。由實驗結(jié)果可見，當(dāng) PE 樹脂的用量在31 份之后，復(fù)合型材力學(xué)性能雖然增 長，但都增加得較緩慢，所以PE 樹脂添加量在31～34 份時為較佳添加量。

3 結(jié)論

（1）采用陶瓷纖維制備的高強度木塑墻板，其拉伸 強度達20.67 MPa，沖擊強度9.58 kJ/m2，三點彎曲強度 41.92 MPa，四點彎曲強度32.86 MPa，可承受較大力 6828 N，產(chǎn)品的各項性能達到相關(guān)企業(yè)標準，且在同行 業(yè)內(nèi)處于先進水平。

（2）與市場上大部分高強度木塑墻板相比，本文所 制備的高強度木塑墻板成本大大降低，是一種符合市場 需求的產(chǎn)品，具有良好的社會效益，有很大的應(yīng)用范圍。