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木塑复合材料弯曲振动弹性模量优势因素分析
点击:199 日期:2019/4/18 14:09:12

        摘要: 以木塑复合材料加工实验为先导,利用弯曲振动方法得到不同工艺条件的木塑复合材料动态弹性模量。选取木粉含量、造粒温度、螺杆转速、偶联剂含量作为影响力学性能指标的主要因素,通过灰色关联分析方法分析不同加工因素对材料力学性能的影响程度。结果表明,木粉含量对木塑复合材料料的弹性模量有显著影响,其次是造粒温度。材料的动态弹性模量随木粉含量的增加而增大; 造粒温度在130 ~ 140 ℃范围内,动态弹性模量随温度的升高而增大; 在140~ 150 ℃时,动态弹性模量呈下降趋势。
        灰色关联分析是由我国著名学者邓聚龙教授提出的新兴理论,灰色关联分析方法对发展演变过程中的具有复杂的因子变量进行分析,找到影响系统发展的优势与劣势因素,定量描述系统发展变化态势。通过对已知数据进行灰色生成,寻找系统中蕴含的内在规律来确定系统中未知部分,达到对数据管理和控制的目的。
        木塑复合材料是以木粉和塑料为主要原料,其材料的力学性能受到多种因素影响。材料的复合方式与工艺参数的设定直接决定着材料力学性能的好坏。通过研究加工因素与力学性能之间的关系,可以为木塑复合材料的复合方式和工艺参数的优化提供理论依据[1]。
        本文以实验为先导,选取木粉含量、造粒温度、螺杆转速、偶联剂含量为主要加工因素[2],应用灰色关联分析方法对加工因素进行优势分析,分析了主要加工因素对动态弹性模量的影响规律。
1 实验部分
1. 1 实验材料
        聚乙烯( HDPE) : 5000S,中国石油大庆石化公司;杨木粉,20 ~ 40 目,自制; 马来酸酐接枝聚乙烯( MAPE) : HD900E,广州柏晨公司。
1. 2 实验设备
        单螺杆挤出机: SJ45,南京橡塑机械厂; 双螺杆挤出机: SJSH30,南京橡塑机械厂; 干燥箱: DHG-9140,上海益恒实验仪器有限公司; 低速粉碎机:6L-01,埃文斯粉碎机械制造; 高速混合机: SHR-A,张家港市通河塑机械有限公司。
1. 3 样品制备
        将聚乙烯、脱水木粉、偶联剂按照实验配方经高速混合机均匀混合,然后通过双螺杆挤出机主喂料口加入进行物料塑化挤出粒料,再利用单螺杆挤出机挤出实验板材,用于材料力学性能的测试。
木塑复合材料在成型过程受到加工工艺、配料、温度、压力等诸多因素的影响[3]。在本次试验过程中选取木粉含量、造粒温度、螺杆转速、偶联剂作为工艺参数变量。利用正交试验方法进行设计,如表1所示,按照正交试验方案把试件分成25 组,如表2所示。


1. 4 实验方法


        根据弯曲振动理论,将试件在弯曲振动的节点处进行支撑( 0. 224l) ,用小锤在试件的一端进行敲击,将麦克在另一端接受到的信号通过放大器放大,由傅立叶( FFT) 分析仪对信号进行分析并测出共振频率,如图1 所示。弯曲振动的动态弹性模量可由公式


式中,Ea-弯曲共振法测得的弹性模量; fn-试件固有频率; ρ-试样的密度; l-试件长度; h-试件厚度; m-伯努利方程参数。


2 结果与分析
2. 1 影响动态弹性模量的优势因素分析
        木塑复合材料力学性能指标是由多种因素影响的,各因素之间的联系全然不知,因此可利用灰色关联分析方法来研究加工因素与力学性能指标之间的相互关联度。本文利用灰色关联分析方法对加工因素和所得的弯曲共振动态弹性模量进行分析,旨在分析各加工因素与力学性能之间的关系,使其在满足木塑复合材料力学性能要求的前提下,优化选取和设定适当的工艺参数,最大限度地提高木塑复合材料的力学性能。

本文将动态弹性模量视为参考数据,加工因素视为比较数据。由于原始数据在大小上相差很大,故在计算关联度之前应通过公式( 2) 进行初值化,以防止小数值序列的作用被大数值序列掩盖。


式中,ξ - 分辨系数,在[0,1] 中取值,取0. 5;ξi( k) -第k 个时刻比较曲线xi
对于参考曲线x0的关联系数。
        由 公式( 3) ,根据灰色关联空间所述,关联度的计算如下:


        根据公式( 2) ~ ( 4) 及表2 中的数据,计算出螺杆转速、造粒温度、木粉含量、偶联剂含量与弯曲振动动态弹性模量的灰色关联度计算结果为0. 750 4、0. 818 8、0. 910 4、0. 606 5。由关联系数分析可知,关联度越大,其比较数据与参考数据所构成曲线间的相似度就越大,发展变化态势就越接近,所对应事件影响因素的效果就明显。因此关联度由大到小的顺序就是加工因素对应影响弯曲振动弹性模量从优到劣的顺序,将关联度按照从大到小排序r木粉含量>r造粒温度>r螺杆转速>r偶联剂含量,可得木粉含量对动态弹性模量的影响最大、其次是造粒温度、螺杆转速,影响最小的是偶联剂含量。
2. 2 木粉含量对动态弹性模量的影响
        由灰色关联分析结果可知木粉含量是影响弯曲振动动态弹性模量的最主要加工因素。从结果可看出,1#、9#、12#、20#、23# 配方试件所得到弹性模量最小,所处配方的木粉含量均为30%; 5#、19#、22# 配方所得试件弹性模量最大,所处配方的木粉含量为70%。根据上述实验现象,将正交实验配方按照木粉含量的大小进行分类,共分为5 组,第一组为1#、9#、12#、20#、23#,第二组为2#、10#、13#、16#、24#,第三组为3#、6#、14#、17#、25#,第四组为4#、7#、15#、18#、21#, 第五组为5#、8#、11#、19#、22#。实验结果显示,每一组内的5 个试件的动态弹性模量数值基本接近,而且组与组之间基本成上升趋势,如图2 所示。木塑复合材料的动态弹性模量随木粉含量的升高而增大。


2. 3 造粒温度对动态弹性模量的影响
        造粒温度是影响复合材料力学性能的一个重要因素,准确控制温度对提高产量和质量是非常重要的。按照造粒温度130、135、140、145、150 ℃将配方分成5 组,由于造粒温度对弹性模量的影响小于木粉含量,所以将每一组内5 种方案弹性模量求和并比较各组间数值差异。图3 为造粒温度与木塑复合材料动态弹性模量的关系曲线。


        如图3 所示,可以看出弯曲振动动态弹性模量随造粒温度的升高呈现出先升高后降低的趋势,说明造粒温度可不同程度地影响木塑复合材料的力学性能。在130~140 ℃范围内,木塑复合材料的弹性模量随温度的升高而增大,140 ℃时弹性模量达到最大。当温度进一步升高至140 ~ 150 ℃时,材料的弹性模量呈下降趋势,说明木塑复合材料的力学性能并不是随造粒温度的升高而不断增加的,而应处于合理范围之内。若要达到最佳的改性效果,理想的状态表现为复合体系熔体均匀塑化,有利于复合材料的挤出,且要避免温度过高造成木塑复合材料降解烧焦[4]。
3 结论
        1) 对木塑复合材料弯曲振动弹性模量的影响程度从大到小主要有: 木粉含量、造粒温度、螺杆转速、偶联剂含量。
        2) 木粉含量对木塑复合材料料的弹性模量有显著影响。木粉含量在30%~ 70%之间时,随着木粉含量的增加,材料的弯曲振动动态弹性模量增大。
        3) 造粒温度在130~140 ℃范围内,木塑复合材料的动态弹性模量随温度的升高而增大; 温度在140~150 ℃时,材料的动态弹性模量开始下降。

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