竹塑复合材料的冲击韧性1)

羡瑜 李海栋 邓健超 王戈 程海涛 任文涵

(国际竹藤中心，北京，100102)

责任编辑:戴芳天。

近年来，植物纤维增强高聚物复合材料成为材料科学领域研究的热点，竹塑复合材料是以竹屑、竹纤维和热塑性聚合物(如HDPE等)为主要原料，再加入各种助剂经熔融挤出制成的一种新型复合材料，其产品应用范围广、使用周期长，是缓解木材资源短缺的重要途径之一［1－2］。研究和开发竹塑复合材料对于竹造纸剩余物竹屑和白泥的综合利用也具有重要意义［3］。

竹屑是竹造纸生产过程产生的竹材边角料，白泥是竹造纸碱回收车间产生的二次污染物，主要成分是碳酸钙。白泥、竹屑和竹浆纤维的加入能有效改善竹塑复合材料的弯曲性能和拉伸性能［4］，但是对竹塑复合材料的冲击韧性影响还未做深入研究。冲击韧性是竹塑复合材料的一项重要的性能指标，如何正确表征这一性能指标，并将其与竹塑复合材料的设计和制造工艺相互关联，是目前竹塑复合材料的重要研究内容。

目前较为成熟的研究聚合物韧性的方法有线弹性断裂研究方法、J积分法、裂纹张开位移法和基本断裂功方法［5］。与其它几种方法相比，基本断裂功(EWF)方法因其制样方便、容易实现等优势在国内外得到快速发展［6－10］，现已广泛应用于韧性聚合物、聚合物共混物、增韧聚合物等弹塑性材料韧性的研究［11］。竹塑复合材料冲击韧性的传统表征方法是对单面缺口或无缺口试样进行能量测定得到冲击强度，但是这种方法并不能完全反应材料本身的韧性［12－14］，数据离散性引起的误差较大;EWF方法是对多个测试点拟合外推后得到的结果，相对误差较小。

笔者在前人研究基础上，将基本断裂功方法应用于竹屑/HDPE、白泥/竹屑/HDPE和竹浆纤维/竹屑/HDPE复合材料，用该方法对上述3种材料的冲击韧性进行了表征，并根据试验结果对断裂过程的塑性形变进行了初步探讨。

1 基本断裂功方法

基本断裂功(EWF)方法最初是用于评价金属延展性材料延性破坏的断裂韧性，后来发展为评价聚合物的断裂韧性［15］。根据EWF理论［16］，冲断一个带双缺口的样条所需总的断裂功分为基本断裂功和非基本断裂功或塑性功，即式中:We是表面能，为试样冲断时内部消耗的能量，即基本断裂功，它与样条厚度(b)和缺口剩余长度(即试样韧带长度l)成正比;Wp是体积能，消耗在外部塑性区的能量，即非基本断裂功或塑性功。它与b和l2成正比。则公式(1)可以写成:

整理后得到

式中:wf为比总断裂功;we为比基本断裂功;wp为比非基本断裂功;β为塑性区形状因子，仅与试样形状有关，对于相同形状的试样，βwp可用于比较材料非基本断裂功的相对大小。已有研究对试样分析，证明We可以用来表征材料的韧性［17－18］。基本断裂功方法不仅可以获得表征材料韧性的参数(we)，还能获得表征材料的塑性变形行为的参数wp或βwp，为准确评价聚合物材料的韧性提供了更多的数据。

2 材料与方法

2．1 材料与设备

竹屑、竹浆纤维(BPF)和白泥(WC)均购自贵州赤天化纸业股份有限公司。高密度聚乙烯(HDPE)型号DGDK－3364，购自广东樟木头塑胶有限公司。马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE)型号CMG9801，购自上海日之升有限公司。聚乙烯蜡(PE－wax)型号LPE－F4，购自北京北化大科益精细化工有限公司。

锥形双螺杆挤出机(SJZ45/90－YF110)、高混机(SHR－10A)、破碎机(ZJ300)、烘箱(DHG9240A)、缺口制样机(XQZ－1)、简支梁冲击试验机(XJJ－5)。

2．2 试样制备

在103℃，将竹屑、竹浆纤维、白泥烘干至含水率低于2%。然后将烘干好的竹屑、竹浆纤维、竹屑/白泥分别与一定量的MAPE在高混机中共混2 min左右，再加入一定量的HDPE和聚乙烯蜡，约1 h高速充分混合后，用锥形双螺杆挤出机进行造粒。然后将粒料通过锥形双螺杆挤出成型，最后水冷后获得复合材料。挤出机1—4段温度分别为160、165、170和175℃，口模温度145℃。竹塑复合材料组分配比见表1。

2．3 测试方法

测试试样尺寸为80 mm×10 mm×8 mm，每组试样用制样机预制不同深度的V型缺口。预制双缺口深度为:2．0、2．5、3．0、3．5 mm，即每组试样的韧带长度分别为3、4、5、6 mm。用简支梁冲击仪测量完全打断双缺口试样的冲击能量。每组试样中，5个相同缺口深度的试样的平均值，为试样在该韧带长度下的总断裂功。根据公式(3)即可求出wf，将wf对l作线性回归图，获得该直线的截距和斜率，即可得到wp和βwp。传统冲击强度测试标准参考GB/T 1451—2005。

表1 竹塑复合材料组分的配比

3 结果与分析

3．1 竹屑质量分数对复合材料冲击韧性的影响

对不同缺口深度的竹屑/HDPE试样的冲击能量进行数据处理，得到比总断裂功wf与韧带长度l的关系。表2是传统测试方法得到的冲击强度以及依据公式(3)得到复合材料试样的wp和βwp。可以看出传统测试方法的冲击强度数据的变异系数较大，说明数据离散性较大。从表3可以看出，随着韧带长度的增加，复合材料的比总断裂功也呈增加的趋势。这3组试样的相关系数R2都在0．94以上。竹屑/HDPE复合材料的比基本断裂功We随着竹屑质量分数的增加逐渐下降，we是反映材料抵抗裂纹扩展能力的，意味着材料内部断裂消耗的功减少，即材料的冲击韧性降低。另外，竹屑质量分数增加，材料的比非基本断裂功βwp变化不大，即3条直线近似平行，说明材料在断裂过程中的塑性变形机理是比较一致的。表4显示了竹屑质量分数对冲击强度和比基本断裂功的影响，随着竹屑质量分数的增加，复合材料抵抗裂纹扩展能力呈下降趋势。竹屑/HDPE复合材料冲击强度下降是由于竹屑质量分数的增加，HDPE就相对减少了，影响了基体的整体性和连续性，使得黏结性能变差，还与竹屑中纤维素分子结构和长度有关;当有外力作用时，具有纤维素大分子链的竹屑添加到基体HDPE后不能靠改变构象来吸收能量，应力集中增加，导致冲击强度下降。

表2 不同配比竹塑复合材料的比基本断裂功和冲击强度

表3 不同竹屑质量分数的比总断裂功随韧带长度的变化

表4 竹屑质量分数对比基本断裂功和冲击强度的影响

3．2 白泥质量分数对复合材料冲击韧性的影响

竹屑质量分数固定为50%，通过添加不同质量分数的白泥得到不同韧带长度的比总断裂功wf和韧带长度l的关系如表5所示，通过线性拟合外推得到比基本断裂功we和比非基本断裂功βwp。从表2可以看出随着白泥质量分数的增加，复合材料的比基本断裂功we和比非基本断裂功βwp都呈下降趋势。这可能是随着白泥质量分数增加，白泥在基体塑料里的分散性变差，传递应力和稳定裂纹的能力降低，使得复合材料的we值明显减少。加入少量的白泥可以提高复合材料的韧性，这可能是在基体形成了粒度分布范围较为合理的白泥微纳米粒子，能够有效引发银纹，还能降低银纹尖端效应，阻止其进一步生长。对于白泥的具体加入量及粒度还需要进一步研究。复合材料的βwp下降是由于白泥和基体塑料之间的相互作用力减弱，致使复合材料塑性变形能力降低。表6是通过传统方法得到的冲击强度和比基本断裂功we，可以看出，由传统方法测试的冲击强度下降幅度要高于we的下降幅度。这说明传统方法中冲击强度的下降主要是由塑性形变功(βwpl)的下降引起的。随着白泥质量分数的增加，传统方法获得的冲击强度显著下降，原因可能是白泥的主要成分是碳酸钙，由于其表面活性较低，在挤出成型过程中容易因剪切而产生相对滑移使得复合材料存在弱界面层，弱界面致使材料的韧性下降。

表5 不同白泥质量分数的比总断裂功随韧带长度的变化

表6 白泥质量分数对比基本断裂功和冲击强度的影响

3．3 竹浆纤维质量分数对复合材料冲击韧性的影响

不同缺口深度的竹塑复合材料试样的比总断裂功wf与韧带长度l的关系见表7。从表7和表2可以看出，这3组试样的相关系数R2都在0．9以上，有着明显的线性关系。数据点分布比较合理，βwp值变化较小，说明复合材料在断裂过程中的塑性变形机理是比较一致的。可以看出，相比于竹屑和白泥，竹浆纤维的加入使得材料的比基本断裂功we明显增加，说明竹浆纤维的加入可大大提高材料抵抗裂纹扩展的能力，也就是在冲击过程中需要消耗更多的能量。竹浆纤维越多，起到传递应力和稳定裂纹的能力越大，因此复合材料的比基本断裂功we明显增加。复合材料的比基本断裂功和传统冲击强度见表8，比基本断裂功增加说明竹浆纤维有效地分散到竹屑和HDPE中，对复合材料的韧性有明显的改善作用;传统冲击强度随着竹浆纤维质量分数的增加而增加，原因是竹浆纤维与HDPE基体结合的较好，竹纤维的长径比较大［19］，在材料中起到骨架作用，并且不影响物料的流动性，能很好地吸收冲击能量［20－21］。

表7 不同竹浆纤维质量分数的比总断裂功随韧带长度的变化

表8 竹浆纤维质量分数对比基本断裂功和冲击强度的影响

4 结论

复合材料的缺口冲击强度主要体现在材料塑性变形的能力，而基本断裂功方法不仅可以定量地得到竹塑复合材料的韧性We，还可以获得表征复合材料断裂过程中的塑性变形能力大小的性能参数βWp。这些结果对于竹塑复合材料的选用和改进都将起到重要作用。

3种竹塑复合材料的冲击韧性表明，随着竹屑和白泥的加入，复合材料的比基本断裂功We逐渐降低，竹浆纤维的加入使得竹塑复合材料的比基本断裂功We明显提高;与加入白泥相比，竹屑和竹浆纤维的加入对比非基本断裂功βWp值影响较小。

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