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1、温度对稻壳 - HDPE复合材料弯曲蠕变性能的影响-（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑 完整版实用资料，欢迎下载）第11卷第6期2021年12月建筑材料学报J OU RNAL OF BU ILDIN G MA TERIAL S Vol.11,No.6Dec.,2021收稿日期:2021-03-07;修订日期:2021-04-28基金项目:江苏省科技成果转化专项资金项目(苏科计2006448文章编号:1007-9629(202106-0695-04温度对稻壳/H DPE 复合材料弯曲蠕变性能的影响蒋永涛1,李大纲13,吴正元2,丁建生2(1.南京林业大学木材工业学院,江苏南京210037;
2、2.南京聚锋新材料,江苏南京210042摘要:研究了稻壳/HDPE (木塑复合材料在2575下的弯曲性能和短期弯曲蠕变性能,结果表明,该复合材料的弯曲性能和短期弯曲蠕变性能与温度显著相关;利用时温等效原理得到了25时稻壳/HDPE 复合材料的弯曲蠕变柔量主曲线;采用十元件力学模型可以很好拟合该复合材料的弯曲蠕变柔量主曲线.关键词:稻壳/HDPE 复合材料;温度;弯曲蠕变性能;力学模型中图分类号:TU502文献标识码:AE ffect of T emperature on Flexural Creep B ehaviorof Rice H usk/H DPE CompositesJ I A N
3、G Yong 2t ao 1,L I D a 2gang 1,W U Zheng 2y uan 2,D I N G J i an 2s heng2(1.Department of Wood Technology ,Nanjing Forest University ,Nanjing 210037,China ;2.Nanjing J ufeng Advanced Materials Co.,Ltd.,Nanjing 210042,China Abstract :The flexural performance and short 2term flexural creep performance
4、 of rice husk/HDPE (wood and plastic compo sites at 2575were investigated.The result s demonst rate t hat t he flexural and short 2term flexural creep performance are significantly dependent on temperat ure.U sing time 2temperat ure superpo sition principle ,t he flexural creep compliance master cur
5、ve of rice husk/HDPE compo sites at 25are obtained.The ten 2element model is efficient to capt ure t he t rend of flexural creep compliance master curve of rice husk/HDPE composites.K ey w ords :rice husk/HDPE composites ;temperat ure ;flexural creep behavior ;mechanics model 早期木塑复合材料(wood and plast
6、ic composites 是将整块木材浸以其他高分子有机物单体或预聚物,通过物理和化学方法引发聚合而形成的改性材料1.目前,大多数木塑产品主要采用植物纤维与热塑性树脂为原料,并通过挤出设备而制得2.现在木塑复合材料最主要用途之一是代替木材在各个领域中的应用,其中运用最广泛的是在建筑材料方面2.在实际工程中,木塑复合材料经常要服役于高温、长期载荷等工作环境中3,但目前主要研究还是集中在木塑复合材料的生产配方和生产工艺方面4,5,只有少数研究者关注木塑材料的蠕变性能6.本文对稻壳/HDPE (木塑复合材料在各种温度条件下的弯曲性能与弯曲蠕变性能进行探讨,并对其弯曲蠕变柔量主曲线进行了拟合研究.1
7、试验材料与方法采用南京聚锋新材料提供的木塑复合型材,其主要成分为稻壳粉与高密度聚乙烯(HDPE,两者在材料中所占的质量比约为6535.采用挤出设备将其制成厚为16mm的板材.试件尺寸为16mm45mm.以日本岛津公司A G-10TA自动控制电子万能力学试验机进行三点弯曲试验.试验前,先将试件置于岛津恒温箱中12h.试验过程中恒温箱温度浮动范围控制在1.以5M Pa/s的速度对试件进行加载.程序设定从0s开始,每隔2s采集一次数据,采集20次;再每隔10s采集一次数据,采集30次;最后每隔120s采集一次数据,采集50次.2试验结果及分析2.1弯曲性能不同温度下稻壳/HDPE复合材料的弯曲应力-
8、应变关系如图1所示.由图1可见,稻壳/ HDPE复合材料的弯曲性能与温度显著相关,其最大应力随着温度的增加急剧减小,而最大应变则急剧增加.主要原因是:随着温度的增加,稻壳/HDPE复合材料中起粘结作用的塑料(HDPE分子热运动剧烈,内摩擦减小7,从而导致该复合材料的刚性降低,塑性增加.由图1还可见:随着温度的增加,该复合材料产生相同应变所需的应力减少.2.2弯曲蠕变性能不同温度下稻壳/HDPE复合材料的弯曲蠕变曲线见图2,该复合材料在不同温度下的初应变曲线见图3.由图2可见,稻壳/HDPE复合材料的弯曲蠕变明显受到温度的影响.在相同的载荷下,6340s试验结束时,该复合材料在25,75下的蠕变
9、应变分别为0.417%,2.466%,即75下的蠕变应变几乎是25时的6倍.由图3可见,稻壳/HDPE复合材料的初应变同样也受温度的影响,从25时的0.286%上升到75时的0.798%,上升了近2倍 .图1不同温度下稻壳/HDPE复合材料的弯曲应力-应变曲线Fig.1Flexural stress2strain curves of rice husk/HDPE composites at different temperatures图2不同温度下稻壳/HDPE复合材料的弯曲蠕变曲线Fig.2Flexural creep strain curves of rice husk/HDPE comp
10、osites at different temperatures从图2还可看出:该复合材料在各个温度下的弯曲蠕变曲线形状相似,都存在明显的弹性和粘性2种变形;该复合材料具有简单热流变材料的特点,遵从时间-温度等效原理8.不同温度下稻壳/HDPE复合材料弯曲蠕变柔量曲线见图4.以25为参考温度(T s,将图4中其他温度的弯曲蠕变曲线向右水平移动,可以得到25时稻壳/HDPE复合材料的弯曲蠕变柔量主曲线,见图5.在弯曲蠕变曲线的平移过程中,可得到移动因子T,并由此得到移动因子与温度之间的关系图,见图6.696建筑材料学报第11卷 图3不同温度下稻壳/HDPE 复合材料的初应变曲线Fig.3Init
11、ial strain curves of rice husk/HDPE compo 2sites at different temperatures 图4不同温度下稻壳/HDPE 复合材料的弯曲蠕变柔量曲线Fig.4Flexural creep compliance curves of rice husk/HDPE composites at different temperatures图5稻壳/HDPE 复合材料的弯曲蠕变柔量主曲线Fig.5Flexural creep compliance master curves of ricehusk/HDPE composites 图6移动因子(T
12、 与温度的关系Fig.6Relationship between shift factor (T and temperature为得到移动因子与温度的关系,Williams 等提出了WL F 方程,该方程为9:lg T =-C 1(T -T s C 2+T -T s,其中,C 1和C 2为经验常数.将图6数据进行拟合,就可得到C 1和C 2值(13.6,150.55,因此该复合材料的WL F 方程为:lg T =-13.6(T -T s /(150.55+T -T s .目前,高分子聚合物弯曲蠕变柔量主曲线多采用7级Prony 级数1012、四元件力学模型、十元件力学模型等进行拟合.笔者通过分
13、析比较后,采用十元件力学模型进行拟合.十元件力学模型为:D (t =D 0+D 1(1-e -t 1+D 2(1-e -t 2+D 3(1-e -t 3+D 4(1-e -t4+t/5,其中D i 为蠕变柔量,D i =1/E i ,E i 为弹性模量,i =0,1,2,3,4;i 为延迟时间常数;5为粘滞系数.采用origin 软件运算,得到十元件力学模型拟合图以及相关的拟合参数,分别见图7和表 1.图7十元件模型拟合结果Fig.7Ten 2element model fitting result 表1十元件模型拟合参数T able 1T en 2element model fitting
14、p arameters ParameterValue Error D 00.05520.0009Parameter Value Error D 30.11700.0010D 10.01830.00083145546.193013.921251.63929.689D 40.20210.0017D 20.03830.000741942021.140537.426265.701291.6781/57.675210-9 2.363310-10由图7和表1可见:十元件力学模型可很好拟合该复合材料的弯曲蠕变柔量主曲线,R 2值很796第6期蒋永涛,等:温度对稻壳/HDPE 复合材料弯曲蠕变性能的影响896
15、建筑材料学报第11卷高,初始柔量D0值很接近试验值(0.0583.用十元件力学模型模拟参考温度为45的弯曲蠕变柔量主曲线,结果表明十元件力学模型也能很好拟合之,R2为0.99993,D0值为0.0853,接近试验值0.0890.同样,对其他参考温度的弯曲蠕变柔量主曲线,十元件力学模型均能很好地拟合.3结论1.稻壳/HDPE复合材料的力学性能与温度具有明显的相关性.在弯曲试验中,其最大应力随温度的增加急剧降低,而最大应变则急剧增加.2.稻壳/HDPE复合材料的短期弯曲蠕变可分为3个阶段,即:弹性变形、粘弹性变形和塑性变形.可以利用时温等效原理得到其弯曲蠕变柔量曲线,从而预测该复合材料的长期弯曲蠕
16、变.3.利用WL F方程,通过拟合移动因子与温度的关系,可得到该复合材料的C1和C2值.4.采用十元件模型能很好拟合稻壳/HDPE复合材料的弯曲蠕变柔量主曲线.参考文献:1程羽,郭成.木塑复合材料疲劳性能的研究J.复合材料学报,2001,18(4:119-122.CH EN Yu,GUO Cheng.Fatigue properties of wood plastic compositesJ.Journal of Composite Material,2001,18(4:119 -122.(in Chinese2王清文,王伟宏.木塑复合材料与制品M.北京:化学工业出版社,2007.WAN G
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