文摘

木头聚合物复合材料(WPC)已经证明他们在几个领域的适用性plasturgy部门,由于其美学和低维护成本。然而,plasturgy应用,描述粘弹性行为和形变温度和材料的热物理性质和木材填料是必不可少的内容。因此,聚合物复合材料的加工性能由不同比例的木颗粒需要更好的理解材料行为依照温度和木材颗粒内容。为此,粘弹性的数值分析,机械和热物理性质的高密度聚乙烯(HDPE)组成的复合钢筋与软木粒子进行求值。

1。介绍

现在,由于环境和经济问题,许多研究活动是针对开发新的基于热塑性复合材料矩阵与植物(或其残留物)强化1]。强化复合材料与自然填料矿物填料相比,有几个优点,包括低密度,廉价,nonabrasive。事实上,高纤维素成分的天然填充物使他们容易生物降解和回收再利用。同时,纤维素填料具有晶体结构复合加固中发挥了积极作用。因此许多研究者感兴趣的新提取技术的发展,从生物改性纤维素填料2- - - - - -4]。

此外,纤维素的活性功能可以与耦合剂反应从而提高纤维之间的附着力和矩阵(5]。研究也表明,复合材料的力学性能是高度取决于之间的交互的热塑性矩阵和分布加载填料(6]。虽然这种互动良好,加载力将更有效地从矩阵转移到填料。

另一方面,大多数的建模和模拟的工作这些biocomposites处理假定常数材料的热参数,如密度和导热系数,或他们不考虑特殊的温度依赖性的比热由于熔化过程。这是因为这些材料参数的温度依赖性biocomposites足够到目前为止还不甚了解。由于流变和变形行为与热性能强连通,很显然,这些问题直接影响仿真和建模结果的准确性。

在这方面,这项工作试图调查,对于热成型应用程序,过程能力的复合材料由木头和一个矩阵的六个不同比例的热塑性木材填料。为此,一个粘弹性数值分析,热力学和热物理性质的高密度聚乙烯(HDPE)组成的复合钢筋与软木粒子进行求值。

2。材料和方法

2.1。材料

本研究中使用的锯屑由Tembec锯木厂位于贝阿恩(QC、加拿大)。它由65%的白人云杉(云杉glauca),20%的黑人云杉(云杉马里亚纳),和15%的香脂冷杉(冷杉属balsamea)。锯屑的粒度分析是使用设备上执行5000多个粒子的FQA(纤维质量分析仪,选择设备,Hawkesbury,安大略省)。表1显示了锯末的几何平均。木粉是直径小于700微米(渗Ǿ< 0.7毫米)。聚合物矩阵是一种高密度聚乙烯(Sclair事故),138°C的熔化温度和密度的980公斤/米3。从杜邦偶联剂Fusabond 226,这是一个聚乙烯接枝马来酸酐(熔点120°C,熔体流动指数(MFI) 1.5克/ 10分钟,190°C条件下,2.16公斤)。偶联剂的使用数量是复合的总重量的3%。这是众所周知的数量提高混合物的均匀性保证更好的纤维分布在聚合物基质7,8]。已筛锯末以前干105°C的温度下24小时并存储在聚乙烯袋。木材用于样品制备的残余水分含量估计120°C的第二个干燥24小时。木材湿度量计算从木屑干燥前后的质量被发现wt不到3%。

表1
平均填料的几何尺寸。

2.2。方法

复合样本准备使用双螺杆counter-mixer (Haake Rheometrix与滚柱转子角速度90 rpm在170°C的温度。事实上,这个温度低于木材纤维降解温度(200°C) [9]。准备复合材料,首先,Sclair事故(HDPE聚合物)和Fusabond(偶联剂)混合2分钟,以确保完全融化的材料。然后,木屑添加到混合物,混合5分钟。六种不同的锯屑比例进行了包括0 wt %, 20 wt %, 30 wt %, 40 wt %, 50 wt %, 60 wt %和复合在混合室的总质量是148 g。在下一步中,平片样本由压缩成型用热压机在150°C的温度(高于聚合物的熔点,138°C)与铝模具板。为了确保正确混合物软化,预加载第一次申请两分钟。这种预加载也有利于消除可能的物质积累空气。然后,加载材料持续8 MPa 4分钟给最后一个圆形的样品和20毫米直径4毫米厚度(图1)。

(一)
(一)
(b)
(b)
图1
丸(a) (b)和压缩成型样品的木头聚合物复合材料。

3所示。粘弹性表征Biocomposites

3.1。本构方程

材料的变形机制,发生在plasturgy可以分为两种类型:线性材料响应和非线性大变形。线性属性指的弹性模量、粘度和形变记忆而非线性部分指的是由于大变形阻尼。

积分型粘弹性应力与应变模型与真实的历史。这些模型更适合代表聚合物在半固体或熔融状态。提出模型(10)已经开发了代表粘弹性聚合物的粘弹性变形。例如,它可以用于半固体材料的热成型(1)或注射熔融状态(10]。

处理各向同性热塑性复合材料的行为,我们应用提出的本构模型10]。对于这个模型,柯西应力张量 是相关的,在时间吗 手指变形张量的历史 通过 手指的张量 有关Cauchy-Green变形张量吗 : 是变形梯度张量, 是静水压力, 和 分别代表刚度模和弛豫时间。这些模型对温度的依赖关系是通过使用占WLF函数(11]。

3.2。表征技术

材料常数的确定需要使用不同的表征技术。线性属性可以获得小振幅振荡剪切试验(12,13]。这种技术用于确定的存储和损失模6复合材料(图2)。数据被收集在不同的面粉比例,Sclair事故矩阵,0%,20%,30%,40%,50%,60%。如图所示,取得了良好的叠加。6复合材料动态模曲线有非常不同的形状,但是改变频率。

(一)
(一)
(b)
(b)
图2
动态模量(损耗模量(a)和弹性模量(b))与不同浓度木塑复合材料的填料 °C。

从动态数据离散松弛谱6复合材料测定采用模式搜索方法最小化目标函数, 定义: 在哪里 是数据点的数量, 可以从动态实验, 表示最适合值方程的基础上: 低频行为是由长时间放松和高频响应是由短放松控制的时间。

这个表达式可以描述线性粘弹性行为在一个广泛的时间值的只有几个常量。放松的优势 ,它代表了对刚度的贡献与放松时间 ,表中列出2。

表2
弛豫谱女警官的170°C。

4所示。测量热容和具体体积填料含量和温度的函数

4.1。热容

数据曲线的DSC分析被用来评估biocomposites的热容。在图3我们展示的比热容变化biocomposites不同填料含量作为温度的函数。我们注意到,在融化阶段,该参数的变化 HDPE-wood复合材料降低矩阵相比,聚乙烯估计价值为14.36 J / g·°C和hdpe - 60%木填料等于6.7 J / g·°C,如图3。它可以解释的方式,木材填料作为阻碍分子链移动接近熔化温度。这些结果与在许多天然填充聚合物复合材料的研究报道。Bendahou和合作者研究了填料含量和偶联剂对物理性能的影响的棕榈树纤维聚烯烃复合材料(13]。他们报告的独立熔化温度略有增加的百分比自然填料和也是一个相当大的改善聚合物的结构安排当增援的浓度增加。根据作者的天然纤维聚合物作为成核促进高结晶度的纤维周围的聚合物链。


图3
改变热容HDPE-wood复合作为温度的函数。
4.2。具体的体积

高温度梯度积累biocomposite塑造过程中会导致较高的残余应力。这种残余应力结果一般在几何不稳定的材料。具体体积变化biocomposites可以作为索引,以防止通过处理几何不稳定。复合行为的数值模拟,基于温度,需要一个准确的描述具体体积的变化biocomposite作为温度的函数。在这方面,我们研究具体体积变化的变化作为温度的函数和填充内容。从图可见4具体的体积随温度和减少而木材填料增加。最大的变化发生在聚合物的融化阶段转变温度范围约100到130°C。这主要是由于结晶度的影响。在高的复合材料内容的情况下,木材的密度粒子增加单位体积和木头粒子之间的相互作用的程度也变得重要。


图4
具体体积变化的函数填充内容。
4.3。热物理性质的数学表示

为了处理建模和数值模拟,它是至关重要的数学表达式基于聚合物复合材料的热物理性质。因此,为了分析表征体积热容和特定的温度和木材填料含量的基础上,获得的一些实验数据。在这种情况下,基于回归分析的温度区域被划分为两个不同的地区(内部和外部的过渡区)。表中的方程代表了测量实验数据的最佳估计。列出所需的回归参数的值在表3热容和表4为特定的体积。

表3
线性回归的具体能力根据温度和木材填料。
表4
线性回归的具体体积根据温度和木材填料。

5。结论

木头聚合物复合材料(WPC)已经证明他们在几个领域的适用性plasturgy部门,由于其美学和低维护成本。然而plasturgy应用,聚合物复合材料的加工性能由不同比例的木颗粒需要更好的理解材料行为依照温度和木材颗粒内容。在这方面,我们尝试在这个工作执行描述粘弹性,流变,材料的热物理性质。

我们的研究结果表明,复合材料的流变和热机的性能根据木材填料含量和温度变化。复合材料的行为变得更加弹性比粘性而木颗粒比例增加。

此外,复合材料的热物理性质(比热容和比容)变化是温度的函数和填充内容。最大的变化发生在融化阶段的聚合物。热物理参数的变化的数学表示根据温度和木材填料。这允许我们预测复合材料的热物理的行为在温度和木材填料很难测量实验。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。