Die Auswirkung der Verstärkung auf die mechanischen Eigenschaften von furnierten Holzfaser-/Polypropylen-Verbundwerkstoffen, die mit chloriertem Polypropylen zusammengesetzt sind

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 14007 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Holzfaser-Polypropylen-Verbundwerkstoffe (WF/PP) sind umweltfreundliche Materialien mit hoher Dimensionsstabilität und mechanischen Eigenschaften. Allerdings sind die Einsatzmöglichkeiten von WF/PP-Verbundwerkstoffen durch eine unschöne Oberflächentextur begrenzt. In dieser Studie wurden die WF/PP-Verbundwerkstoffe mit Pappelholzfurnier unter Verwendung von chloriertem Polypropylen (CPP) als Schmelzklebstoff dekoriert, die Klebefestigkeit liegt bei über 1,18 MPa. Zur Analyse der Qualität der CPP-Bindungsschicht wurden Oberflächenbindungsfestigkeitstests und Rasterelektronenmikroskopie (REM) durchgeführt. Die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der furnierten WF/PP-Platten und der unfurnierten Kontrollen wurden untersucht, um die Auswirkungen der Verstärkung zu bestimmen. Das Ergebnis zeigt, dass nach dem Furnieren die Zugfestigkeit und der Modul der gesamten Verbundplatte um über 30 % bzw. 10 % erhöht waren; die Biegefestigkeit und der Modul wurden um über 10 % bzw. 20 % erhöht. Zur Bestimmung der Schlagfestigkeitseigenschaften der Verbundwerkstoffe wurden Niedergeschwindigkeits-Schlagtests durchgeführt. Höhere Holzfaseranteile im WF/PP-Verbundwerkstoff führten zu einer höheren Oberflächenbindungsfestigkeit, was in den REM-Bildern deutlich wurde. Die Verzierung mit Holzfurnier erhöhte die mechanische Festigkeit der gesamten Verbundplatte. Eine stärkere Bindung entlang der CPP-Schicht würde die mechanischen Eigenschaften des furnierten Verbundwerkstoffs zusätzlich verstärken.

Holzfaser-Polypropylen-Verbundwerkstoffe (WF/PP) sind einer von mehreren Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen (WPCs). Der WF/PP-Verbundwerkstoff verfügt über hohe physikalische und mechanische Eigenschaften, selbst wenn das PP in der Matrix recycelt ist1. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe werden durch die Kombination von trockenem Pflanzenmaterial (typischerweise Holz, Bambus, Hanf und Stroh) mit einer Polymermatrix mit einer kleinen Anzahl zusätzlicher Zusatzstoffe wie Bindungsverbesserern wie mit Maleinsäureanhydrid gebundenem Polypropylen (MAPP) hergestellt, das sich mit beiden Hölzern verbindet Fasern und PP. Die Zugabe solcher Additive verbessert die Qualität der WP/PP-Verbunde. Thermoplaste sind die häufigste Art von Polymermatrix. Thermoplastische WPCs werden üblicherweise durch Extrusion, Formenpressen und Spritzgießen zu Produkten geformt, wobei sich diese Methoden nicht wesentlich von den Methoden unterscheiden, mit denen ungefüllte Thermoplaste zu Produkten geformt werden2,3. Zur Herstellung von WPCs können viele verschiedene Thermoplaste verwendet werden, darunter auch recycelte Kunststoffe4,5,6.

Ein großer Vorteil thermoplastischer WPCs besteht darin, dass normalerweise keine Klebstoffe, Harze oder andere flüchtige chemische Reagenzien erforderlich sind. Thermoplastische WPCs sind ein vergleichsweise ungiftiges und umweltfreundliches Material7. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe vereinen viele der besten Eigenschaften von Kunststoff und Holz. Ein typisches WPC weist höhere mechanische Festigkeitseigenschaften und eine bessere Dimensionsstabilität auf als ein ungefüllter Thermoplast des gleichen Typs, der für die Matrix verwendet wird. Darüber hinaus ist ein typisches WPC widerstandsfähiger gegen Feuchtigkeit und Fäulnis als das Pflanzenmaterial, das dem Thermoplast zugesetzt wird. Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe lassen sich viel einfacher verarbeiten und formen als Holz8,9,10. In den letzten Jahren wurden WPCs in vielen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in Außenanlagen, Fahrzeugverkleidungen und Außenwandverkleidungen11,12,13,14,15. Aktuelle Verarbeitungstechniken führen jedoch dazu, dass die Oberflächenstruktur von WPCs für jeden Zweck, bei dem das WPC einer genauen visuellen Aufmerksamkeit ausgesetzt ist, wie beispielsweise sichtbare Innenflächen, ästhetisch unbefriedigend ist. Gelingt es, die Oberfläche eines WPC zuverlässig und dauerhaft mit einem Holzfurnier zu verbinden, erweitern sich die Einsatzmöglichkeiten erheblich. Viele der neuen WPC-Produkte sowie hochwertige Produkte werden durch Furnieren ermöglicht.

Beim Extrudieren und Heißpressen bildet sich auf den meisten Bereichen der WPC-Oberfläche eine dünne Schicht ungefüllter Kunststoffmatrix16,17. Diese Oberfläche aus vergleichsweise reinem Kunststoff verschwindet nach dem Abkühlen und Formen nicht. Diese Kunststoffoberfläche ist glatt, ohne Poren und lässt sich schlecht mit den Raumtemperaturklebstoffen verbinden, die bei herkömmlichen Furnierverfahren verwendet werden18. Das wesentliche Problem besteht darin, dass die meisten Kunststoffarten chemisch inert und extrem unpolar sind und bei Raumtemperatur starke Bindungen mit herkömmlichen Klebstoffen eingehen. Es ist wahrscheinlich, dass sich zwischen dem Kunststoff und dem Klebstoff weder kovalente noch polare (Wasserstoff-)Bindungen bilden, es sei denn, es wird etwas unternommen, um diese Art der Bindung zu fördern.

Um die Verbindung zwischen Kunststoff und Klebstoff bei Raumtemperatur zu verbessern, werden Kunststoffe häufig mit unterschiedlichem Erfolg an der Oberfläche modifiziert. Es gibt mehrere gängige Oberflächenmodifikationstechniken für Kunststoffe, um die Klebebindung zu verbessern. Zur Behandlung der Oberfläche von Verbundwerkstoffen können stark oxidierende Säuren oder andere Oxidationsmittel eingesetzt werden, um einen gewissen Ätzeffekt auf der Oberfläche zu erzeugen und polare Gruppen zu erzeugen, die die Verträglichkeit des Kunststoffs mit polaren Gruppen an den Klebstoffmolekülen erhöhen. Durch Oberflächenmodifizierung mit einer Plasmaentladung können Oberflächenrauheit und polare Gruppen erzeugt werden19,20. Ein chemischer Haftvermittler kann auch verwendet werden, um eine kovalent gebundene chemische Brücke zwischen den Kunststoffmolekülen und den Klebstoffmolekülen zu bilden. Schließlich gibt es noch die mechanische Aufrauung, bei der die vom Klebstoff benetzte Fläche vergrößert und die Klebelinie auf mikroskopischer Ebene verlängert wird. Obwohl solche Methoden die Klebewirkung von Klebstoffen auf der Oberfläche von Kunststoffen und WPCs erhöhen können, sind damit viele Probleme und Schwierigkeiten verbunden, wie z. B. schlechte Umweltauswirkungen, komplizierte Behandlungsprozesse und hohe Kosten.

Für die Verbindung von Thermoplasten mit anderen Thermoplasten besteht die einfachste Methode darin, Raumtemperaturkleber und Oberflächenmodifikationen zu verwenden und die Teile mit geschmolzenem Thermoplast chemisch verträglicher Natur zusammenzuschweißen. Dieser Vorgang ähnelt dem Schweißen, Hartlöten oder Weichlöten von Metallen.

Geschmolzene Thermoplaste mit Zusatzstoffen zur Verbesserung der Haftung an Naturfasern können zum Verbinden von Holzstücken und anderen Zellulosematerialien wie Pappe in industriellen Prozessen wie der Herstellung von Schachteln verwendet werden, bei denen die schnelle Abkühlung und Aushärtung des Thermoplasten gewährleistet ist Die Produktion schreitet zügig voran. In diesen Anwendungen wird der geschmolzene Thermoplast als Schmelzklebstoff bezeichnet, um ihn von Raumtemperaturklebstoffen zu unterscheiden.

Darüber hinaus ist es möglich, Holzfurnier mit Schmelzklebstoffen erfolgreich auf einem Kunststoffsubstrat zu verkleben. Beispielsweise kann Holzfurnier mit MAPP als Schmelzklebstoff erfolgreich mit ungefülltem PP und mit WF/PP, dem Gegenstand dieser Studie, verklebt werden. Obwohl Thermoplaste bei niedrigeren Temperaturen schmelzen als die meisten Metalle, ist die Temperatur des Schmelzklebstoffs leider in den meisten Fällen immer noch extrem hoch, was zu Schäden an der Furnieroberfläche führt. Die Schmelztemperatur von MAPP beträgt 170 °C. Dieser Wert ist immer noch hoch genug, um die Farbe von Holzoberflächen zu verändern und allgemein die Leistung eines Holzfurniers zu beeinträchtigen.

Für die Zwecke dieser Studie wurde chloriertes Polypropylen (CPP) als Schmelzklebstoff zum Verbinden von Holzfurnier mit WF/PP ausgewählt. Chloriertes Polypropylen hat einen deutlich niedrigeren Schmelzpunkt als MAPP. Chloriertes Polypropylen hat einen anfänglichen Schmelzpunkt von 90 °C und wird bei 110 °C ausreichend flüssig für die Heißschmelzverarbeitung. Bei 110 °C bleiben die ursprüngliche Farbe und Eigenschaften des Oberflächenfurniers erhalten. Darüber hinaus besteht ein geringeres Risiko von Dimensionsänderungen im darunter liegenden WF/PP-Material. Die Verwendung von CPP für diesen Zweck wurde bereits von Liu et al.21 berichtet. In dieser Studie wurden die mechanischen Eigenschaften von CPP-gebundenen Furnierlaminaten auf WF/PP für Innen- und Außenmöbelanwendungen untersucht. Darüber hinaus ist es bei Bodenbelägen wichtig, dass das furnierte Produkt über ausreichende Biege-, Zug- und Schlagfestigkeitseigenschaften verfügt. Diese Parameter ändern sich tendenziell mit der Temperatur und wurden daher in einem Temperaturbereich untersucht.

Pappelholzfurniere (Dicke 1,5 ± 0,1 mm) identischer Güteklasse wurden von der Jinan Yuanfang Wood Trading Company (Jinan, China) bezogen. Ein Teil dieser Furniere wurde zufällig ausgewählt, um als Furniere für dieses Experiment verwendet zu werden, andere Holzfurniere wurden zu Holzfasern gemahlen, die mit 40-Mesh-Filtergaze gefiltert wurden, um in die WF/PP-Verbundwerkstoffe eingearbeitet zu werden. Das PP (T300; Sinopec Daqing Petrochemical Co., Daqing, China) hatte einen Schmelzpunkt von 168 °C, eine Dichte von 0,91 g/L und eine Schmelzflussrate (MFR) von 0,25 bis 0,35 g/min bei 180 ° C. Die MAPP (Shanghai Sunny New Technology Development Co., Shanghai, China) hatte einen Pfropfanteil von 1 % bis 1,2 %. Das CPP (Shenzhen Jitian Chemical Products Limited Co., Shenzhen, China) wurde als Pellets mit einem Chlorierungsverhältnis von 32 %, einem MFR von 1,66 g/min bis 2,01 g/min bei 110 °C und einem Schmelzpunkt von 90 ° erhalten C und eine Dichte von 0,93 g/L.

Die WFs wurden mit einem Impulszyklon-Trocknungsbehandlungsgerät (MQD-50, Jianda Drying Equipment Co., Changzhou, China) wie von Chen et al.22 beschrieben bei 120 °C getrocknet, bis der Feuchtigkeitsgehalt unter 3 % lag. Anschließend wurden PP, WF und MAPP in unterschiedlichen Massenanteilverhältnissen (Tabelle 1) mit einem Hochgeschwindigkeitsmischer (SHR-10A; Zhangjiagang Tonghe Plastic Machinery Co., Zhangjiagang, China) gemischt. Die Mischungen wurden mit einem gleichläufigen Doppelschneckenextruder (JSH30; Nanjing Rubber and Plastics Machinery, Nanjing, China) pelletiert und mit einem Pulverisierer in kleine Körnchen geschnitten. Das Granulat wurde mit einem anderen Einschneckenextruder (SJ45; Nanjing Rubber and Plastics Machinery, Nanjing, China) zu WF/PP-Verbundplatten mit einer Dicke von 4 mm und einer Breite von 100 mm extrudiert. Wie in Tabelle 1 gezeigt, wurden drei WF-zu-PP-Verhältnisse entworfen.

Die Herstellung der CPP-Folien ist in Abb. 1 dargestellt. Die CPP-Pellets wurden gleichmäßig in einer quadratischen Form mit einer Innenlänge von 160 mm und einer Dicke von 0,1 mm verteilt. Anschließend wurde die Form 3 Minuten lang bei 110 °C und einem Druck von 2 MPa heißgepresst. Nach dem Heißpressen wurde die Form 5 Minuten lang kaltgepresst, um auf Raumtemperatur (20 ± 3 °C) abzukühlen. Die Form wurde entfernt und das CPP zu einer quadratischen Folie mit einer Länge von 160 ± 1 mm und einer Dicke von 0,1 ± 0,02 mm geformt.

Vorbereitung der furnierten WF/PP-Platte mit CPP-Folie.

Die CPP-Folie wurde auf die Oberfläche der WF/PP-Verbundplatte gelegt und darauf das Pappelfurnier, wie in Abb. 1 dargestellt. Die resultierende Sandwichstruktur wurde dann 5 Minuten lang bei 110 °C und 5 MPa gepresst Anschließend ließ man es an der Luft abkühlen. Anschließend wurden die furnierten WF/PP-Platten vor der Prüfung 7 Tage lang bei 20 °C und 65 % relativer Luftfeuchtigkeit konditioniert.

Die Oberflächenhaftfestigkeit der furnierten WF/PP-Platte wurde gemäß der vertikalen Ziehmethode getestet, wie in Abb. 2 dargestellt. Die Proben hatten Abmessungen von 50 mm × 50 mm × 6 mm (Länge × Breite × Dicke). In der Mitte jeder Probenoberfläche wurde durch Durchschneiden des Furniers und der Verbindungsschicht ein Kreis mit einer Fläche von 1000 mm2 isoliert. Das isolierte kreisförmige Holzfurnier wurde mit Polyurethan-Schmelzklebstoff 3731 (Minnesota Mining and Manufacturing Corporation (3 M), Shanghai, China) an den nach oben gerichteten Fixierkopf geklebt. Dann wurde der Rest der Probe an den Rändern festgehalten. Es gab 12 Proben in jeder Gruppe und die Belastungsgeschwindigkeit betrug 2 mm/s. Das Versuchsgerät war eine universelle mechanische Prüfmaschine (RGT-20A; Shenzhen Reger Instrument Co., Shenzhen, China).

Der Haftfestigkeitstest des verblendeten WF/PP-Verbundwerkstoffs wurde gemessen.

Die Oberflächenrauheit der WF/PP-Basisplatte wurde mit einem Kontakt-Oberflächenrauheitsmessgerät (SJ-210, Mitutoyo Japan Corporation, Kawasaki, Japan) erfasst. Die maximale Höhe des Profils (Rz), die arithmetische mittlere Konturabweichung (Ra), die quadratische Mittelwerthöhe des Oberflächenprofils (Rq) und die Oberflächenkonturkurve werden gemäß „ISO 4287:1997 Geometrische Produktspezifikationen (GPS)“ gemessen und berechnet. „Oberflächentextur: Profilmethode – Begriffe, Definitionen und Oberflächentexturparameter“. Die Prüflänge beträgt 5 mm; Die Sonde besteht aus Adamas und die Bewegungsgeschwindigkeit beträgt 0,5 mm/s. der Druck der Sonde beträgt 4 mN; der Filter ist GAUSS; Die Anzahl der Datenerfassungen beträgt 8000.

Die Proben wurden in die in Abb. 3 gezeigte Form geschnitten und zwischen zwei Klemmen fixiert. Die Abschnittsbreite wurde mit „b“ und die Griffbreite mit „b1“ gekennzeichnet. Die Belastungsgeschwindigkeit betrug 2 mm/min, der Abstand zwischen den Klemmen betrug 120 mm und die Probendicke betrug 6 mm. Die Proben wurden mit der universellen mechanischen Prüfmaschine RGT-20A (Shenzhen, China) getestet.

Die Prüfprobe für die Spannungseigenschaften.

Wie in Abb. 4 dargestellt, betrug der Abstand (l1) zwischen den beiden Stützköpfen das 20-fache der Probendicke (l), der Durchmesser der Stützköpfe (d2) betrug 15 mm, die Probenbreite betrug 50 ± 1 mm Die Probenlänge (l2) entsprach l1 plus 50 mm, die Belastungsgeschwindigkeit betrug 10 mm/min und der Durchmesser des Belastungskopfes (d1) betrug 30 mm.

Der Biegeeigenschaftentest.

Zur Prüfung der Niedergeschwindigkeits-Schlagfestigkeit wurde ein vollständig digitales Niedergeschwindigkeits-Schlagfestigkeitsgerät Instron 9250HV (Norwood, MA, USA) verwendet, wie in Abb. 5 dargestellt. Die Probe wurde in den Probenständer gelegt, um sie zu immobilisieren. Der Strahl wurde dann so eingestellt, dass er den Hammer nach unten bewegte, bis er die Probenoberfläche leicht berührte. Der Hammerkopf war eine Stahlhalbkugel mit einem Durchmesser von 22 mm. Der Hammer wog 5,375 kg. Jede Probengruppe wurde mit einer anfänglichen Aufprallenergie von 100 J getestet, um zu bestätigen, dass das Gerät in der Lage war, sie bis zur Zerstörung zu testen. Bei diesem ersten Versuch waren alle Platten durchbrochen und zeigten auch sonst bleibende plastische Verformungen.

Das Niedergeschwindigkeits-Aufprallprüfgerät.

Die anfängliche Aufprallgeschwindigkeit betrug 2,156 m/s. Die kinetische Energie des Aufpralls wurde durch Gleichung bestimmt. (1),

Dabei ist m die Masse des Hammers (kg), v0 die momentane Aufprallgeschwindigkeit beim Hammeraufschlag (m/s) und U die von der Platte absorbierte Aufprallenergie (J). Die von der Platte absorbierte Aufprallenergie wurde nach Gl. berechnet. (2),

wobei \({v}_{t}^{2}\) die maximale momentane Rückprallgeschwindigkeit des Fallhammers (m/s) ist und \(\left(\frac{1}{2}\right)m{ v}_{t}^{2}\) ist die kinetische Energie des Fallhammers, die durch die Freisetzung der elastischen Verformungsenergie der Platte (J) verursacht wurde. Die Stoßbelastung wurde nach Gl. berechnet. (3),

wobei a(t) die momentane Beschleunigung (m2/s) und V(t) die momentane Geschwindigkeit während des Experimentiervorgangs (m/s) ist. Die Verschiebung während des Aufprallvorgangs wurde nach Gl. berechnet. (4),

wobei D(t) die Verschiebung während des Aufprallvorgangs (m)23,24 ist.

Die Verbindungsschicht zwischen der WF/PP-Verbundplatte und dem Pappelfurnier wurde unter einem Rasterelektronenmikroskop (JSM7500F; JEOL, Tokio, Japan) beobachtet. Die Schnittscheiben wurden durch Mikrotomie hergestellt (unten beschrieben). Die Proben wurden mit Gold beschichtet und anschließend mit einer Beschleunigungsspannung von 5 kV untersucht. Der Querschnitt der dekorierten WF/PP-Verbundwerkstoffe wurde mittels REM untersucht.

Tabelle 2 zeigt das arithmetische Mittel der Oberflächenhaftfestigkeit der mit Pappelfurnier dekorierten WF/PP-Verbundwerkstoffe mit unterschiedlichen Holzfasergehalten. Die Oberflächenhaftfestigkeit der dekorierten Platte mit CPP als Zwischenschicht betrug mehr als 1,2 MPa. Mit zunehmendem Holzfaseranteil im WF/PP-Verbundsubstrat erhöhte sich auch die Oberflächenhaftfestigkeit des Furniers (Abb. 6). Dies liegt daran, dass ein höherer Holzfasergehalt die Oberflächenrauheit des Substrats erhöht, was wiederum die mikroskopische Oberfläche vergrößert und dadurch die Bindung verbessert.

Die Oberflächenhaftfestigkeit der holzfurnierten WF/PP-Verbundwerkstoffe.

Die REM-Querschnittsbilder der WF/PP-Verbundwerkstoffe sind in Abb. 7 dargestellt. Die drei Schichten aus WF/PP, CPP und Pappelfurnier waren deutlich zu erkennen. Es gab eine kleine Lücke zwischen dem CPP- und dem WF/PP-Basismaterial, wenn das Verhältnis von WF zu PP 6/4 betrug (Abb. 7a). Der Spalt wurde mit zunehmendem Holzfasergehalt dünner, wie in Abb. 7b, c zu sehen ist.

Die Querschnitts-REM-Bilder der Grenzflächen zwischen Holzfurnier, CPP und WF/PP (a) WF/PP = 6/4, (b) WF/PP = 7/3 und (c) WF/PP = 8/2 Verbundplatten.

Die Oberflächenrauheit ist einer der Faktoren, die die Bindungsstärke beeinflussen25,26. In Abb. 8 ist zu erkennen, dass die Schwankungsbreite der Oberflächenkonturhöhe mit zunehmendem Holzfasergehalt im WF/PP-Verbundwerkstoff zunimmt. Diese Dellen könnten eine spezifischere Oberfläche und einen besseren Einbettungspunkt für das geschmolzene CPP bieten. Parameter der Oberflächenrauheit werden auf der Grundlage von ISO 4287:1997 berechnet und in Tabelle 3 aufgeführt. Ra und Rq stellen die Oberflächenrauheit bzw. den höheren Wert dar, was die größere Rauheit bedeutet. Rz bezeichnet die maximale Höhe vom tiefsten zum höchsten Punkt. Die Parameter Ra, Rq und Rz nehmen alle mit zunehmendem Holzfasergehalt zu. Kombiniert man die Aussage zur Oberflächenhaftfestigkeit, ist diese Oberflächenrauheit auf die freiliegenden Holzfasern zurückzuführen. Diese freiliegenden Holzfasern konnten keine glatte Oberfläche wie PP bilden. Die Oberflächenrauheit hängt von der Haftfestigkeit der furnierten WF/PP-Verbundplatte ab.

Oberflächenkontur des WF/PP-Verbundwerkstoffs.

Wie in Abb. 9 und Tabelle 4 dargestellt, nahm die Zugfestigkeit der Kontrollgruppe und der Gruppe mit furniertem WF/PP-Verbundwerkstoff mit zunehmendem Holzfasergehalt ab. Dies liegt daran, dass Holzfasern bei hohen Holzfaserbeladungen die Kontinuität des WF/PP-Verbundsystems stören. Die PP-Matrix war nicht in der Lage, die Holzfasern in den Verbundwerkstoffen mit hohem Holzfasergehalt vollständig zu bedecken und sich mit ihnen zu verbinden, was die Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffs verringerte. Durch das Hinzufügen von Veneers wurde die Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffs erhöht.

Die Zugfestigkeitseigenschaften der WF/PP-Verbundwerkstoffe.

Der Spannungsmodul folgte jedoch dem gegenteiligen Trend (Abb. 10). Der Zugverformungswiderstand der WF/PP-Verbundwerkstoffe nahm mit zunehmendem Holzfasergehalt zu, was darauf hindeutet, dass die Holzfasern im Verbundwerkstoff den Spannungsmodul des Verbundwerkstoffs erhöhten. Der durchschnittliche Spannungsmodulwert der verblendeten Verbundwerkstoffe liegt bei über 2,5 GPa. Das Holzfurnier erhöhte den Spannungsmodul und schien der Hauptfaktor gewesen zu sein, der den Spannungsmodul in allen furnierten Proben bestimmte, da alle WF/PP-Verhältnisse nach dem Furnieren innerhalb der Fehlertoleranz einen ähnlichen Spannungsmodul ergaben.

Die Spannungsmoduleigenschaften der WF/PP-Verbundwerkstoffe.

Die Ergebnisse der Biegefestigkeit sind in Abb. 11 und Tabelle 5 dargestellt. In der Kontrollgruppe ähnelt die Biegefestigkeit den Daten im Bericht von Chattopadhyay27. Die Biegefestigkeit der Kontrollgruppe nahm mit zunehmendem Holzfasergehalt ab. Wie bei den berichteten Spannungstestergebnissen ist zu erwarten, dass die Zugabe von Holzfasern die Biegefestigkeit verringert. Allerdings führten die Veneers zu einer bemerkenswerten Steigerung der Biegefestigkeit, die wiederum die Ergebnisse dominierte. Dies war zu erwarten, da die Biegefestigkeit einer Probe beim Biegen von den mechanischen Eigenschaften der Schicht dominiert wird, die am weitesten von ihrer Biegemittellinie entfernt ist. Die Biegefestigkeit nahm mit zunehmendem Holzfaseranteil in den WF/PP-Verbundwerkstoffen ab. Der völlig entgegengesetzte Trend der Biegefestigkeit zwischen der Kontrollgruppe und der dekorierten Gruppe wurde auf die Festigkeit der Holzfurniere und die Wirksamkeit ihrer Bindung an den WF/PP-Verbundwerkstoff über die CPP-Schnittstelle zurückgeführt. Dies wurde umso effektiver, je höher der Holzfaseranteil in den WF/PP-Verbundwerkstoffen war, wie in Abb. 6 dargestellt.

Die Biegefestigkeitseigenschaften der WF/PP-Verbundwerkstoffe.

Die in Abb. 12 dargestellte Biegespannungs-Biege-Dehnungskurve verdeutlicht die Bindungsleistung zwischen dem WF/PP-Verbundwerkstoff und dem CPP und ihre Auswirkung auf die Biegefestigkeit. Die Biegespannung nahm mit zunehmender Biegespannung zu, die Kurven zeigten jedoch in der Nähe des Versagenspunkts eine andere Form. Die Proben mit WF/PP = 6/4 und WF/PP = 7/3 wiesen eine Spannungsrelaxation auf, die darauf hindeutete, dass das Versagen dieser beiden verblendeten Verbundwerkstoffe Schicht für Schicht erfolgte. Wenn die Spannung zunimmt, würde die Spannung zwischen den einzelnen Schichten die interlaminare Scherung erhöhen und die Bindung zwischen dem CPP und dem WF/PP könnte brechen. In einem solchen Fall wird das Versagen in der Biegespannungs-Biege-Dehnungs-Kurve als Lastabfall angezeigt. Die Kurve des WF/PP = 8/2-Komposits zeigte keine Stufenphase, sondern nur einen abrupten Lastverlust. Dies deutete darauf hin, dass die Grenzfläche zwischen WF/PP und CPP fest war und das Versagen daher eher als Zugbruch als als interlaminares Scherversagen auftrat.

Die Biegespannung im Vergleich zur Biegespannung der verblendeten WF/PP-Verbundwerkstoffe.

Der Biegemodul der Kontrollgruppe und des furnierten Verbundwerkstoffs stiegen beide mit zunehmendem Holzfasergehalt (Abb. 13). Mit zunehmendem Holzfaseranteil nahm auch der Zugmodul zu, da die Holzfasern einen höheren Zugmodul als das PP aufweisen. Darüber hinaus werden die Holzfasern beim Komprimieren im WF/PP-Verbund in Extrusionsrichtung gerichtet ausgerichtet. Die Biegesteifigkeit des furnierten WF/PP-Verbundwerkstoffs wurde durch die Holzfasern im Inneren des Grundmaterials und durch das Furnier außerhalb des WF/PP-Verbundwerkstoffs erhöht.

Der Biegemodul der WF/PP-Verbundwerkstoffe.

Abbildung 14a zeigt die perforierte Unterseite des WF/PP = 6/4-Komposits der unverblendeten Kontrollgruppe nach dem Aufprall des Fallhammers bei 100 J. Wie das Diagramm zeigt, war das Loch auf der Aufprallseite ungefähr kreisförmig und es gab Anzeichen dafür eines vollständig ausgefahrenen Splitterkegels auf der Unterseite. Abbildung 14b und c zeigen die perforierten Unterseiten des furnierten WF/PP-Verbundwerkstoffs nach dem Aufprall mit niedriger Geschwindigkeit bei 100 J. Die Aufprallfläche dieser Proben wies ein kleines, sauberes Loch auf, wie das des Kontroll-WF/PP in Abb. 14a . Allerdings zeigte die Unterseite des verblendeten Komposits unterschiedliche Zerstörungsmuster mit unterschiedlichen WF/PP-Verhältnissen. Das untere Holzfurnier des WF/PP = 6/4-Verbundmaterials wurde vom WF/PP-Verbundgrundmaterial abgespalten. Dies bestätigte, dass, nachdem der Fallhammerkopf den WF/PP-Verbundstoff perforiert hatte, der Hammerkopf das Holzfurnier vom WF/PP-Verbundstoff trennte, bevor er in einer separaten und sekundären Aktion in das Holzfurnier eindrang. Die Zerstörung der Unterseite des WF/PP = 8/2-Komposits zeigte einen sauberen Rand, ein Muster, das sich stark von dem der WF/PP = 6/4-Probe unterschied. Das Ergebnis in Abb. 14c zeigt, dass das Holzfurnier und der WF/PP-Verbundstoff während des gesamten Aufpralls als ganze Platte fest zusammenhingen, wobei das Furnier und der WF/PP-Verbund miteinander verbunden blieben.

Bilder der typischen Perforationsformen der Verbundplatten (a) WF/PP = 6/4 (Kontrolle), (b) WF/PP = 6/4 und (c) WF/PP = 8/2 nach der Low- Geschwindigkeitsaufprallprüfung.

Die Ergebnisse der Stoßbelastungszeit für drei Zusammensetzungen sind in den Abbildungen dargestellt. 15, 16 und 17. In der Anfangsphase des Tests (ungefähr 2 s Dauer) stieg die Belastung linear mit der Zeit schnell an. Sowohl die Kontroll- als auch die furnierten Proben zeigten diesen Zusammenhang bei allen drei Zusammensetzungen. Sobald das Holzfurnier durchbrochen war, was nach ca. 2 s geschah, zeigte die Belastung einen leichten Rückgang. Bald darauf erhöhte sich der Widerstand durch den Kontakt mit dem WF/PP-Verbundkern. Die furnierten Proben verhielten sich in dieser Testphase ähnlich wie die Kontrollen. Die Kontrollgruppe und die Furniergruppe erreichten den Höhepunkt der Stoßbelastung fast zur gleichen Zeit und bei fast genau der gleichen angewandten Kraft mit der Probe mit WF/PP = 6/4. Wenn die Grenzflächenquerschnittsmorphologie von Abb. 7 und die Grenzflächenbindungsfestigkeit des dekorierten Verbundwerkstoffs in Abb. 6 gemeinsam betrachtet werden, scheint es, dass das Holzfurnier den Durchdringungswiderstand der Verbundplatte mit WF/PP = 6/ nicht erhöhen konnte. 4 aufgrund der schwachen Haftfestigkeit zwischen der Oberfläche der Grundplatte und dem Holzfurnier. Allerdings war die Spitzenkraft der dekorierten Verbundwerkstoff-Stoßbelastung höher als die der Kontrollgruppe mit den Proben WF/PP = 7/3 und WF/PP = 8/2. Dies wurde auf die Grenzflächenbindungsfestigkeit zwischen dem WF/PP-Kern und dem Holzfurnier zurückgeführt, die ausreichte, damit sich die furnierte Platte für diesen Test wie eine ganze Platte verhielt. Dies deutet darauf hin, dass die Verbesserungswirkung von Holzfurnieren hinsichtlich der Penetration stark von der Verbindungsfestigkeit der Grenzfläche abhängt.

Die Aufprall-Zeit-Kurve bei niedriger Geschwindigkeit der WF/PP = 6/4-Proben.

Die Aufprall-Zeit-Kurve bei niedriger Geschwindigkeit der WF/PP = 7/3-Proben.

Die Aufprall-Zeit-Kurve bei niedriger Geschwindigkeit der WF/PP = 8/2-Proben.

Wie in den Abb. gezeigt. 18, 19 und 20 spielt die elastische Arbeit eine entscheidende Rolle im Anfangsstadium der Energieaufnahme. Plastische Verformungsarbeit und Rissausbreitung absorbieren geringfügig weitere Energie, bevor das Material massiv zu brechen beginnt. Wenn die Aufprallrisse wachsen, bricht das Material im Aufprallbereich schließlich sofort. In diesem Moment steigt die Energie schnell an. Wenn der Schlagkopf die gesamte Verbundplatte durchdringt, flacht die Energiekurve tendenziell ab.

Die Energie-Zeit-Kurve der Fallhammerdehnung der Probe mit WF/PP = 6/4.

Die Energie-Zeit-Kurve der Fallhammerdehnung der Probe mit WF/PP = 7/3.

Die Energie-Zeit-Kurve der Fallhammerdehnung der Probe mit WF/PP = 8/2.

Die Dehnungsenergie zum Durchbrechen der dekorierten WF/PP-Verbundplatte war höher als bei der Kontrollgruppe. Dies liegt daran, dass das Holzfurnier weicher war als die WF/PP-Verbundplatte, sodass ein Teil der Dehnungsenergie vom Holzfurnier absorbiert wurde. Die elastische Klebeschicht würde auch einen Teil der Dehnungsenergie absorbieren. Andererseits verstärkte das Holzfurnier die gesamte Verbundplatte, was zu einer höheren Energieabsorption führte. Die mit WF/PP = 8/2 furnierte Probe hatte die höchste Grenzflächenhaftfestigkeit und die mit WF/PP = 6/4 furnierte Probe die niedrigste. Allerdings schienen sowohl die mit WF/PP = 7/3 als auch die mit WF/PP = 8/2 verblendeten Verbundwerkstoffe in diesem Test ein Joule mehr Energie zu absorbieren als das mit WF/PP = 6/4 verblendete Verbundwerkstoff.

Die Oberflächenhaftfestigkeit von furnierten WF/PP-Verbundwerkstoffen mit CPP als Haftschicht überstieg 1,2 MPa. Mit zunehmendem Holzfaseranteil im WF/PP nahm auch die Verbundfestigkeit zwischen dem Holzfurnier und dem WF/PP-Verbund zu. Auch die Schnittstelle zwischen CPP und WF/PP neigte dazu, sich zu schließen.

Das Holzfurnier erhöhte die Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffs. Das Holzfurnier außerhalb des Verbundwerkstoffs erhöhte auch den Spannungsmodul.

Sowohl die Biegefestigkeit als auch der Elastizitätsmodul wurden durch das Holzfurnier verbessert. Die Biegeeigenschaften wurden auch durch die Festigkeit der Grenzfläche zwischen dem Holzfurnier, der CPP-Schicht und dem WF/PP-Verbundkern beeinflusst.

Die Ergebnisse des Niedergeschwindigkeits-Aufpralltests und des progressiven Penetrationstests zeigten, dass ein höherer Holzfasergehalt der WF/PP-Grundplatte und eine höhere Oberflächenbindungsfestigkeit jeweils zu einer höheren Schlagfestigkeit und Energieabsorption führen.

Die holzfurnierten WF/PP-Verbundplatten mit CPP als Klebstoff verfügen über hohe mechanische Eigenschaften und ein elegantes Aussehen, was sich als Bodenbelag im Innenbereich und für andere Möbelmaterialien im Innenbereich eignet.

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Diese Forschung wurde von der National Natural Science Foundation of China (Grant No. 31901243) finanziert.

Schule für Kunst und Design, Universität Taizhou, Taizhou, 318000, Volksrepublik China

Yinan Liu, Feng Chen, Xiaohui Ni und Xinghua Xia

Fakultät für kreative Technologie und Kulturerbe, Universität Malaysia Kelantan, 16100, Kelantan, Malaysia

Xinghua Xia

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YL und FC haben Experimente entworfen; YL, FC und XN führten Experimente durch; YL analysierte experimentelle Ergebnisse. FC analysierte Sequenzierungsdaten und entwickelte Analysetools. XN unterstützte bei der Prüfung der mechanischen Eigenschaften. YL, FC, XN haben das Manuskript geschrieben. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Feng Chen.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die Originalautor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Liu, Y., Chen, F., Ni, X. et al. Die Auswirkung der Verstärkung auf die mechanischen Eigenschaften von furnierten Holzfaser-/Polypropylen-Verbundwerkstoffen, die mit chloriertem Polypropylen zusammengesetzt sind. Sci Rep 12, 14007 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17777-w

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Eingegangen: 24. April 2022

Angenommen: 30. Juli 2022

Veröffentlicht: 17. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17777-w

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