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PVC木塑复合材料配方优化PVC wood-plastic composite material formula optimization班级 高分子加工091学生姓名 邓亚运 学号 930209007指导教师 徐冬梅 职称 高级工程师导师单位 徐州工业职业技术学院PVC 木塑复合材料配方优化摘要：近些年随着塑料成型技术的发展与成熟，一些新的塑料产品不断问世，木塑复合材料便是其中之一，它以优越的性能和无可替代的作用，占据着塑料行业的一席之地。然而有很多因素制约着它的发展，本次研究的方向主要是从复合材料的配方中得出最优配方，从而达到最佳性能。实验部分主要是以木粉、CPE、BaSt、CaCO3为变量因子数，采用正交实验来研究它们对木塑复合材料性能的影响。关键词： 木塑复合材料 力学性能 PVC 配方 PCV wood-plastic composite material formula optimizationAbstract：In recent years, with the development of plastic shaping technology and mature, some new plastic products continue to come out, wood-plastic composite material is one of them, with its superior performance and irreplaceable role, occupy a space for one person in the plastics industry. However there are many factors that restrict its development, the research direction is mainly from the composite formula for optimal formula, so as to achieve the best performance. Part of the experiment is mainly by wood powder, CPE, BaSt, CaCO3 as the variable factor number, using the orthogonal experiment to study their effects on the properties of wood-plastic compositeKey words： Wood plastic composite material Mechanical properties PVC Formula第一章 绪论1.1 概述木塑复合材料，简称木塑复合材（wood-plastic composites 其缩写为WPC），美国材料实验协会标准（ASTM）中给出的定义是“一种主要由木材或者纤维素为基材与塑料制成的复合材料”1。由于复合材料中含有木粉和塑料，因此复合材料兼具了木材和塑料的优点：良好的加工性能。木塑复合材料内含塑料和纤维，因此，具有同木材相类似的加工性能，可锯、可钉、可刨，使用木工器具即可完成，且握钉力明显优于其他合成材料。机械性能优于木质材料。握钉力一般是木材的3倍，是刨花板的5倍。良好的强度性能。木塑复合材料内含塑料，因而具有较好的弹性模量。此外，由于内含纤维并经与塑料充分混合，因而具有与硬木相当的抗压、抗弯曲等物理机械性能，并且其耐用性明显优于普通木质材料。表面硬度高，一般是木材的25倍。具有耐水、耐腐性能，使用寿命长。木塑材料及其产品与木材相比，可抗强酸碱、耐水、耐腐蚀，并且不繁殖细菌，不易被虫蛀、不长真菌。使用寿命长，可达50年以上。优良的可调整性能。通过助剂，塑料可以发生聚合、发泡、固化、改性等改变，从而改变木塑材料的密度、强度等特性，还可以达到抗老化、防静电、阻燃等特殊要求。1.2木塑复合材料的应用由于木塑复合材料有着如此之多的性能，就决定着它将被广泛使用。建筑业。用木纤维复合材料做成的地板比目前中低度木质纤维板性能上优越的多，不胀缩、防水、表面美观。符合材料若用于多层共挤型材，内层采用回收料，外层采用新料，制成的制品各项力学性能可以与硬木产品相媲美。汽车行业的应用。近年来，木塑板材以其合理的价位、优越的性能，在汽车装饰材料方面应用增多，如汽车的门板、后放物箱、行李箱侧围、座椅板等。2其他行业。除了传统的产业外，复合材料的应用领域不断扩大，目前已经开始应用的如托盘、花盆、工具手柄、办公用品、攻速公路路牌、吸声板及音箱等工程组件。1.3 木塑符合材料的前景木塑复合材料在基础研究、生产技术、应用等方面还有很大的发展空间。复合材料的专用生产线的研制高效的助剂研制与应用 复合材料制品标准的制定提高木纤维的含量增加木纤维和塑料的相容性等。第二章 实验2.1 树脂和助剂的选用2.1.1树脂的选用作为树脂合成的原料石油，近几年价格一长再长，随之而来的是树脂价格的飞长。作为木塑复合材料的基体树脂，有很多PE、PP、PVC等，从价格上考虑PVC是最低的，PVC为木塑复合材料的发展提供了价格优势。PVC树脂是线型聚合物，具有热塑性。由于分子链上每隔一个碳原子就由一个带负电性较强的Cl原子，因而分子链具有较强的极性，大分子链之间的相互作用力大，阻碍了分子链之间的相对滑移。因此PVC树脂宏观上表现出一定的刚性和硬度，饼具有良好的耐化学腐蚀性3。木塑制品多为硬质品，选用PVC树脂的型号为：SG4SG7，综合考虑（加工性、实用性），最适合的树脂型号为：SG5。2.1.2 助剂的选用由于PVC是热敏性塑料，加工的范围非常窄，在加工的过程中极易发生降解，因此需要加入热稳定剂。稳定剂的种类很多，主热稳定剂、辅助热稳定剂和复合热稳定剂，在主热稳定剂中又有铅盐类、有机锡类、金属藻类、稀土类。其中铅盐类稳定剂稳定效果最佳，因此选择铅盐类中的三碱式硫酸铅（俗称三盐）、二碱式亚磷酸铅（俗称二盐）。另外选择了金属藻类稳定剂BaSt作为变量。木塑复合材料在使用的过程中随时会遭受到各种冲击，因此复合材料的冲击性能也要满足使用要求，作为基体树脂的PVC的抗冲击性能是远远不能达到使用要求的，所以也要对复合材料进行抗冲击改性。在众多的抗冲击改性剂中，CPE（氯化聚乙烯）对PVC的改性最好。从结构上看CPE和PVC都有极性氯原子，根据相似相容原理，它们的相容性最好，因此性能也是最佳的。复合材料的成型是靠设备进行的，在成型的过程中不可会避免的和设备想接触，会产生摩擦。除此之外，由于树脂中加入了木纤维，导致熔体的流动性变差，为了改善以上效果，需要在配方中加入不可缺少的助剂-润滑剂。润滑的作用分为内润滑和外润滑，为了降低助剂对复合材料的性能的影响，只要加入一种内外兼备的润滑剂HSt就满足润滑要求了。降低成本是每个企业追求的事，为了使研究的成果有现实意义，降低成本也要考虑。在配方中加入适量的CaCO3来降低成本。2.2 木粉的选用和处理2.2.1木粉的选择木粉是由木材经过精细研磨制备而成，具有粉末状外观。通常用于复合材料的木粉为40目，约为400um。但实际上木粉粒径等级分为50-100um、100-200um、200-450um和250-700um.增大木粉的粒径可以使熔融复合材料具有更好的流动性、更低的成型收缩率和更高的弯曲模量。木粉的堆积密度通常为0.1-0.3g/cm3左右。木粉的长径比（纤维的长度和直径之比）通常在（3：1）-（5：1）之间4。通过分析选择木粉为40目。2.2.2木粉的处理木质填料的主要成分是纤维素,半纤维素, 木素等含有大量羟基、酚羟基的高分子化合物,大量的单糖、果胶质、脂肪、蜡及不可皂化物等小分子化合物。羟基、酚羟基使得木质填料具有很强的极性和亲水性,较高表面能,而聚合物基体大多是非极性、亲油性的表面能较低的物质。这使得两者的界面间不能很好的粘合,材料的性能较差。此外,由于羟基和酚羟基的存在,木材纤维填料在进行加热混和时它们会聚集在一起,易成团,使其不能在塑料基材中均匀分散,从而影响复合材料的复合性能5。因此需要对木粉进行干燥处理。2.3 正交实验的设计正交设计法是一种应用数学统计学原理科学的安排与分析多因素变量的实验方法。其优点是在众多实验中存在较多变量因素是可以大幅度减少实验的次数，并且在众多的实验中优选出具有代表行的试验，得到最佳配方6。经过综合考虑本次研究将采用正交表L9（34）。正交表如下：1111122213332123223123123132321333212.4 实验设备设备名称厂家名称HC-TP-10药物天平AGT型案秤DZF-6210真空干燥箱SK160开放式炼塑机QLB-25D/Q平板硫化机TW2Y-24万能制样机GT-7045-MDL冲击试验机上海精科上海宝山衡器五分厂上海贺德实验设备有限公司无锡市第一橡塑机械有限公司无锡市第一橡塑机械有限公司吉林省泰和试验有限公司高铁检测仪器有限公司 2.5 实验原料及配方原材料产地PVC （SG-5） 型三盐二盐BaStHStCPECaCO3（轻质）木粉济宁金威煤电有限公司淄博塑化实业有限公司淄博塑化实业有限公司蚌埠制革出品市售市售徐州大黄山市售将PVC（SG5）、三盐、二盐、HSt质量份数为定值，分别为100份、3份、1.5份、3份。木粉、CPE、BaSt、CaCO3为因子，每个因子的水平为3，由此可得到下表：水平因子木粉（40目） CPE CaCO3 BaSt12330 10 10 240 15 15 650 20 20 10根据情况实际情况确定实验次数为九次，具体见下表： 因子序号木粉CPECaCO3BaSt11（30份）112（40份）223（50份）331（10份）2（15份）3（20份）1231231（10份）2（15份）3（20份）2313121（2份）2（6份）3（10份）312213234567892.6 工艺条件2.6.1干燥木粉工艺条件 温度：800C 干燥时间：8h2.6.2 塑练工艺条件 温度：前辊1450C、后辊1450C 塑练时间：3-4min2.6.3 模压工艺条件 温度：上模板1900C 下模板1900C 排气次数:2次 模压时间：5min 2.7 试验步骤2.7.1物料的称取及混合 根据配方的比例称取所需的物料，称取的量为配方份数的三倍，将称好的物理放在一起，搅拌均匀。2.7.2 物料的塑练 设置开练机的前辊温度为1450C ，后辊温度也为1450C，待开练机的温度上升至设置的温度后，恒温10min。开启开练机，将混合好的物料倒入开练机的两辊筒间，混炼3-4min，将物料取下，放置到试验台上进行冷却。2.7.3 模压对平板硫化机进行加热，设置上模版的温度为1900C ，下模版的温度为1900C，待温度上升至设置的温度，恒温10min，将模具放置到两模板之间进行预热。此时把塑练好的物料称取300g左右，把预热好的模具去下并打开，把称取好的物料放入模具的型腔内，盖上模具将其放到平板硫化机的模板内进行预热10min。进行第一次排气，排气后加热、加压2min，进行第二次排气，再次加热、加压3min，进行冷却，待温度下降至900C，泄压，取出模具，并打开，把压制成的板取出，放到实验台上进行冷却。第三章 性能测试不同的方法、不同的实验条件下测得的测的数据难以比较，因此根据塑料的用途和使用条件，分别制定了一套标准的测试方法，测试时必须严格按照标准规定的试样，实验条件、试验步骤进行，以获得符合客观标准的技术性能指标。所有的试样表面应平整，无气泡、裂纹、分层、明显的杂质和加工损伤等缺陷。各项异性的材料应沿纵横方向分别取样7。31 拉伸性能测试此次拉伸样条制备主要是根据GB/T 1040.3-2006薄膜和薄片实验条件的标准4型拉伸样条。拉伸试验速度按照GB/T 1040.2-2006 的标准执行，有关尺寸的使用按照GB/T 1040.2-2006的标准中4型试样尺寸规定执行。实验条件：拉伸速度选择为50mm/min。3.2 冲击性能测试本次冲击试验选用简支梁冲击实验方法，采用GB/T 1043.1-2008的标准方法进行。采用试样为1型B类型缺口。每组试验至少测试10个试样，试验前试样应在温度230C和相对湿度50%的条件下调节16小时以上8。试验条件：摆锤的能量2J，冲击速度2.9m/s试验环境：温度为2320C3.3 硬度测试本次硬度的测定主要采用邵氏硬度试验，使用D型硬度计。按照GB/T 2411-2008标准方法进行。试样的厚度规定至少为4mm，还要有足够大的尺寸，保证离任一边缘至少9mm进行测量，每一试样应按规定间距测量5点，然后取平均值，表示该试样的硬度。第四章 试验结果与讨论4.1 正交实验结果试验实验结果 因子序号木粉（A）CPE（B）CaCO3（C）BaSt（D）硬度冲击强度/KJ/m2拉伸强度/MPa11（30份）112（40份）223（50份）331（10份）2（15份）3（20份）1231231（10份）2（15份）3（20份）2313121（2份）2（6份）3（10份）31221375.524.93854.630273.925.26946.071377.206.23346.192482.844.90158.226580.544.78951.967680.685.34453.168781.104.99854.311879.804.33662.259981.045.49160.3324.2 结果分析4.2.1木粉对复合材料性能的影响 结果名称 对应平均值 硬度冲击强度/KJ/m2拉伸强度/MPa一水平三次平均值82.1581.3580.655.485.014.9448.9654.4548.97二水平三次平均值三水平三次平均值分析：有表格可以看出，随着木粉量的增加复合材料的硬度逐渐减小;冲击强度也是减小；而拉伸强度是先增大后减小。4.2.2 CPE对复合材料性能的影响结果名称对应平均值硬度冲击强度/KJ/m2拉伸强度/MPa一水平三次平均值79.8278.0979.644.9464.7985.3455.72253.43253.231二水平三次平均值三水平三次平均值分析：CPE的量对复合材料的硬度无明显影响;CPE对冲击强度影响比较明显，随着CPE量的增加冲击性能逐渐增加;CPE对拉伸强度的影响，随着其量的增加拉伸强度逐渐降低。4.2.3 CaCO3对复合材料性能的影响结果名称对应平均值硬度冲击强度/KJ/m2拉伸强度/MPa一水平三次平均值79.0378.5779.684.8835.1045.15757.72953.43255.559二水平三次平均值三水平三次平均值分析：随着CaCO3量的增加，复合材料的硬度和冲击强度都是增加，而拉伸强度却是减小的。4.2.4 BaSt对复合材料性能的影响结果名称对应平均值硬度冲击强度/KJ/m2拉伸强度/MPa一水平三次平均值78.67790079.614.87352205.34055.64351.18350.823二水平三次平均值三水平三次平均值分析：随着BaSt量的增加，复合材料的硬度和冲击强度都会增加，而拉伸强度却下降。4.3最佳配方通过以上的分析可得到下表木粉CPECaCO3BaSt硬度最大值冲击强度最大值拉伸强度最大值30份30份40份10份20份10份20份20份10份10份10份2份根据表中木粉用量在木塑复合材料中性能测试出现的最优几率，木粉的份数应选择30份。以同样的方法，CPE的份数应选择10份，CaCO3的份数为20份，BaSt的份数为10份。因此便可以得到最佳配方，配方见下表原料质量份数PVC（SG-5）三盐二盐HSt木粉CP