核桃壳与柚木锯屑增强木塑泡沫的力学性能及微观结构研究：基于化学发泡与Taguchi设计优化

《SPE Polymers》：Analysis of the Mechanical Properties and Microstructure of Wood-Plastic Foam Using Walnut Shell and Teak Sawdust

　　

木塑复合材料（WPCs）将天然纤维与聚合物结合，形成适用于多种应用的多功能材料。发泡制造的引入改善了其性能，使其轻质且强韧。该研究在既往研究基础上，考察了两种WPCs，即核桃壳与高密度聚乙烯（HDPE）复合材以及柚木与HDPE复合材，二者均采用规定配比和制造条件，通过双螺杆挤出机和塑料注射成型机制备。向样品中加入不同百分比的发泡剂偶氮二甲酰胺（azodicarbonamide，ACA）（1%、1.5%和2%），注射温度设定为185°C、190°C和195°C。纯HDPE亦进行测试以作比较。评估了包括拉伸、弯曲和冲击强度在内的力学性能，并通过扫描电子显微镜（SEM）进行微观结构分析。结果表明，发泡技术显著改善WPCs的力学性能，尤其是弯曲和冲击抗力，具体取决于所用添加剂。柚木复合材获得最高拉伸强度（32.16 MPa）和弯曲强度（51.25 MPa），而HDPE在冲击强度方面表现最优（83.78 kJ/m²）。田口分析（Taguchi analysis）显示，材料类型和温度是影响性能的关键因素。SEM分析显示样品间泡孔密度（cell density）和泡孔尺寸（cell size）存在差异，进一步支持发泡技术在WPC应用中的优势。

该研究由Rasool R. K. Al-Arkawazi、Taher Azdast和Rezgar Hasanzadeh开展。研究背景方面，木塑复合材料（WPCs，wood-plastic composites）是向循环经济过渡的重要组成部分，其可将塑料废物与天然纤维整合，用于生产可持续建筑材料，并具有较高耐候性和优于传统木材的尺寸稳定性。发泡技术可应对WPCs高密度问题，显著降低重量、提高原料效率、改善隔热隔声并提高冲击抗力，为运输和预制建筑领域提供新途径。既有研究已考察制造因素、天然填料和发泡对WPCs及泡沫的影响，但作者既往研究主要集中于固体柚木和核桃壳基HDPE复合材的力学优化与相容性。当前研究将两种经统计方法筛选出的最佳复合材转化为轻质聚合物泡沫，首次考察特定天然填料几何形态（纤维状柚木与颗粒状核桃壳）、发泡剂动力学和注射成型热历程之间的复杂相互作用，并评估这些参数如何控制泡孔密度、泡孔尺寸和膨胀比，以理解结构发泡如何克服高填充WPCs的固有脆性，将其转化为高性能、减重材料。研究采用两种复合材：核桃壳复合材（W_sc）为20%核桃壳、4% MA-PE，粒径1.5–1 mm；柚木锯屑复合材（T_c）为40%柚木、4% MA-PE，粒径0.85–0.6 mm；并加入1%、1.5%、2% ACA，注射温度185°C、190°C、195°C，以纯HDPE作对照。结论表明，发泡技术显著提高弯曲和冲击性能，柚木复合材拉伸和弯曲强度最高，HDPE冲击强度最高，材料类型和温度是主要影响因素；该研究为高性能轻质发泡WPCs的优化提供依据。

关键技术方法不超过250字：研究人员采用Taguchi L9正交设计，三因素三水平为材料类型、ACA质量分数和注射温度；以双螺杆挤出（170–185°C，115 rpm）造粒后注射成型（注射压力120 MPa、速度45 mm/s，模温约25°C，保压40 MPa 5 s、冷却35 s），通过ACA热分解实现化学发泡；按ASTM D638、ASTM D790和ASTM D-256测试拉伸、弯曲和冲击性能，并用SEM与公式定量泡孔密度、泡孔尺寸、泡沫密度和膨胀比。天然填料来源为美国核桃壳和来自工业车间的柚木锯屑；HDPE为Iran Petrochemical Company产品。

研究结果如下。

5.1 拉伸性能
5.1.1 拉伸强度与断裂伸长率：按ASTM D638测试后，非发泡纯HDPE、W_sc、T_c拉伸强度分别为31.5、34.34、27.27 MPa，断裂伸长率分别为30.93%、17.13%、5.01%。发泡后HDPE中L1最高为29.04 MPa，比非发泡降低7.8%；W_sc中L6最高为30.36 MPa，降低11.6%；T_c中L9最高为32.16 MPa，提高15.2%。断裂伸长率在发泡后分别提高9%、7%、45%。原文认为颗粒填料使泡孔成为局部应力集中源并降低有效承载面积，而柚木纵向纤维结构可作为成核基底，促进聚合物基体取向和界面载荷传递。
5.1.2 拉伸强度与断裂伸长率的Taguchi分析：通过信噪比（S/N）“越大越好”主效应分析，材料类型对拉伸强度贡献57.69%、温度28.85%、ACA质量分数13.46%；材料影响最大，1% ACA和185°C较优，温度升高拉伸强度下降。对断裂伸长率，材料贡献85.50%、ACA 10.91%、温度3.61%；HDPE最高，1% ACA较优，温度影响最小。
5.2 冲击性能：按Charpy冲击和ASTM D-256测试，非发泡HDPE、W_sc、T_c冲击强度分别为48.16、31.80、17.50 kJ/m²；发泡后HDPE（L1–L3）最高为83.78 kJ/m²，提高42.5%；W_sc中L6最高为47.61 kJ/m²，提高33.2%；T_c中L7最高为32.81 kJ/m²，提高46.7%。
5.2.1 冲击强度的Taguchi分析：材料贡献86.89%、温度7.34%、ACA 5.79%；HDPE冲击强度最高，加入核桃壳或柚木后降低，核桃壳负影响大于柚木；温度第二，发泡剂第三。
5.3 弯曲性能：非发泡HDPE、W_sc、T_c弯曲强度分别为23.13、29.375、45 MPa；发泡后T_c中L8和L9最高为51.25 MPa；HDPE（L1–L3）最高为31.88 MPa，提高27.4%；W_sc（L4–L6）最高为36.875 MPa，提高20.3%；T_c提高12.2%。
5.3.1 Taguchi分析：材料贡献82.63%、温度14.41%、ACA 2.96%；柚木影响最大，核桃壳次之，HDPE最小；温度第二，发泡剂影响最小。
6 SEM图像分析：通过SEM图像和公式定量，泡孔密度最高为FL6的4.64×10⁷ cells/cm³，最低为FL2的2170.22 cells/cm³；结果段报告泡孔尺寸最大为FL4的100 μm、最小为FL3的12 μm，结论段报告最小为FL6的14.5 μm；泡沫密度最高为FL5的0.998 g/cm³，最低为FL2的0.846 g/cm³；膨胀比最高为FL9的1.331，最低为FL1的1.101。SEM显示核桃壳复合材泡孔更清晰，柚木纵向形状限制视野并促使气泡分离区融合，核桃壳更利于泡孔结构观察和定量。

讨论部分总结：最大膨胀比FL9的1.331与冲击韧性和弯曲强度提高相对应，泡孔结构可作为能量吸收区并阻碍微裂纹扩展；较低泡沫密度降低有效承载面积，使HDPE和核桃壳复合材拉伸强度下降，但柚木中高气体膨胀使HDPE紧密堆积于纵向柚木纤维周围，增强界面粘附和应力传递，解释15.2%的拉伸强度提高；Taguchi L9设计隔离主因素趋势，SEM提供局部二维形态，这些方法建立了高性能发泡复合材的优化阈值。

研究结论翻译：该研究考察了由农业废弃物核桃壳和柚木锯屑制成的木塑复合材料的力学性能，包括拉伸强度、弯曲强度和冲击强度，以及泡孔尺寸、泡孔密度和泡沫膨胀比等形态特征；采用Taguchi方法设计和分析实验，并采用注射成型和化学发泡技术制备样品。拉伸性能方面，柚木锯屑复合材（L9）拉伸强度最高（32.16 MPa），核桃壳复合材（L6）第二（30.36 MPa）；柚木锯屑复合材拉伸强度比非发泡样品高15.2%，而HDPE和核桃壳分别比非发泡样品降低7.8%和11.6%。弯曲性能方面，柚木锯屑复合材弯曲强度最高（51.25 MPa），核桃壳复合材次之（36.88 MPa）；发泡剂使HDPE提高27.4%、核桃壳提高20.3%、柚木复合材提高12.2%。冲击性能方面，HDPE最大冲击强度为83.78 kJ/m²，核桃壳复合材为47.61 kJ/m²，柚木锯屑复合材最低为32.81 kJ/m²；发泡剂使HDPE、核桃壳复合材和柚木锯屑复合材冲击强度分别提高42.5%、33.2%和46.7%。Taguchi分析表明，材料类型对所测力学性能影响最大，柚木锯屑复合材对拉伸和弯曲强度影响最大，核桃壳次之，HDPE最小；温度为第二影响因素，185°C对所有测试性能影响最大。SEM方面，最高泡孔密度为FL6的4.64×10⁷ cells/cm³（核桃壳复合材），最低为FL2的2170.22 cells/cm³（HDPE）；泡孔尺寸最大为FL4的100 μm（核桃壳复合材），最小为FL6的14.5 μm（核桃壳复合材）；泡沫密度最高为FL5的0.998 g/cm³（核桃壳复合材），最低为FL2的0.846 g/cm³（HDPE）；膨胀比最高为FL9的1.331（柚木锯屑复合材），最低为FL1的1.101（HDPE）。