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2023年4月20日发(作者：学习英语)微观结构对木塑复合材料磨损性能的影响

摘要
木塑复合材料、松木和聚丙烯的摩擦系数、磨损率和磨损微观机理之间有差
异。木塑复合材料的摩擦系数和现在的木材的摩擦系数非常相似，而聚丙烯的摩
擦系数具有最高的数值。然而，木塑复合材料的磨损率明显小于其他两种材料。
在接触区，木塑复合材料更高的刚度和屈服应力的减少是因为纯聚丙烯固有的可
塑性，这在一个较低的摩擦系数和磨损率时产生的。而木材标本的广义微裂纹分
层可以在磨损表面上观察，木材纤维嵌入在木塑复合材料上产生较少的磨屑，这
可能是由于崩溃的约束变形的木纤维填充多孔结构。因此，聚合物和木材与木塑
复合材料整齐的成分相比具有更好的耐磨性能。
关键词：聚合物基体复合材料；木材；磨损；摩擦
1. 引言
热塑性树脂基复合材料提供了一个在不同的行业如汽车、工业、建筑、电器
和家庭/城市家具的应用的扩展的方案。在过去的几年中的对木塑复合材料的发
展中证明了许多的利害关系。木材纤维是一个新兴的低成本，重量轻，环保（生
物降解和可以再生）的玻璃纤维和其他无机增强材料的替代品。此外，木纤
[ 1 ]
维表现出几个有吸引力的机械特性用作于热塑性塑料。包括高强度、高硬度
[ 2 ]
和低硬度，这些特性是最大限度地减少设备在加工过程中磨损。因此木塑复合材
料有木材的低密度，低成本和对环境的影响低的优势，而热塑性成分流动过程中
的熔融过程作为阻挡层，以阻止水分的侵入和生物攻击。
对木塑复合材料的拉伸、冲击和环境性能方面有了很大程度的分析，然
[2-8]
而木塑复合材料的摩擦学行为尚未研究，因此，这将是本论文的目的。磨损机制
和性能是公认的高电位的聚合物复合材料的摩擦学应用。然而，木材增强改
[ 9 ]
性的机制，修改木塑复合材料的摩擦磨损性能还没有完全理解。它的磨损机理，
大小，是由接触条件和大部分聚合物的力学性能来限定，如果它发生或碎片生产
了，这些参数将会导致后续事件“第三体”的形成。
[10]
本文对木塑复合材料的磨损性能，聚丙烯和松木在摩擦系数和磨损率上有比较。
差异是基于磨损微观机理和各种材料微观结构的解释。
2. 实验程序
2.1 材料和试样制备
商业注塑级聚丙烯的均聚物作为木塑复合材料的基体。木塑复合材料是一种
含有40%（重量）松木纤维的钢筋混泥土。一个5%的马来酸酐接枝聚丙烯作为偶
联剂，以及木材一直在n-2-乙基-3-氨基丙酮的溶液中进行处理。
[ 11 ]
复合材料已在双螺杆挤出机的机器下配备了两称重料斗的准备。加工参数为
o
180-190-200C和150转。木材干燥后在处理前要在80℃保存8小时。
之后木塑复合材料的挤压球团是注塑到6.35毫米x 12.7毫米x 127毫米的
棱柱体试件中。
2.2木塑复合材料的微观结构
为了测量木材在木塑复合材料中加固的实际尺寸，聚丙烯的基体被溶解在
140摄氏度的二甲苯中2小时。其特征为原始木屑的大小。

在扫描电子显滕王阁序翻译逐字逐句微镜下对木塑复合材料和聚合物/加固接口木屑形态已经进行
了分析。对此的直接观察是在低真空条件下（10-25 PA）进行的。
木塑复合材料的密度则是根据ASTM D792测定的。
2.3摩擦学测试
在干摩擦条件下，摩擦学测试已经在一个“环块”的结构下进行了PRIZMA
摩擦、固定块和旋转环的实验。块状试样（6.35毫米x 12.7毫米x 10.8毫米）
被放置在与正常力为100 N和滑动速度为1米/秒的旋转环下相接触。为了分析
磨损的演变，进行了以1米/秒的滑动速度分别停在75，150，300，450和600
米处的实验。滑动方向平行于聚丙烯、木塑复合材料和木纤维的流动方向（木标
本）。由于另一面使用了一种硬化工具钢环（硬度为800 HV，直径80毫米和10
毫米的宽度）。为了在环表面有相同的粗糙度，在用240号砂纸进行测试之前先
进行机械抛光测试。在磨损试验前，先用丙酮清洗钢环表面。对每种材料的最小
的三个试样进行了测试，都有令人满意的可重复性。
要描述磨损行为，是使用磨损系数（k）进行描述。这个参数描述了体积磨
损（WV）的正常负荷单位（FN）和滑动距离（S）。体积磨损是随着密度和摩擦
试样的质量损失计算得到的，这是使用奥豪斯电子天平与0.1毫克的敏感性来进
行测定的。
使用共焦成像探查器对磨痕的表面形貌进行了分析。已通过扫描电子显微镜
对磨损表面进行了检查，直接观察磨损表面是在低真空条件下进行的（20-25 PA）。
3. 结果与讨论
3.1微观结构
聚丙烯的密度为0.895 克/立方厘米，松木的是0.595克/立方厘米，而木塑复
合材料的密度为1.079克/立方厘米。木材的密度低是由于它的细胞结构（图1a），
但密度的壁垒则会更高的。可以看到在图1b中，木材的细胞结构的崩溃（描述
A）或用聚丙烯填充（描述B），所以原始细胞结构的空隙体积的被排除，是木
塑复合材料密度增加的根源。显然，第一个机理（描述A）发生在较小的细胞里，
而第二个（描述B）则在最大的细胞里发现。能解释的是由于熔融聚丙烯的高粘
度，最小的细胞不能被填充的基质和外部压力高，没有补偿，因此细胞结构倒塌。
然而，对于最大的细胞的熔融聚丙烯填充在空腔和补偿外部压力。

木塑复合材料的木屑的平均长度是0.21毫米，而原来的长度是1.22毫米。
这种尺寸的减少可能引起的是高剪切速率固有的材料的过程（挤出和注塑）。
3.2摩擦系数
木塑复合材料、聚丙烯和木材以1米/秒的滑动速度的摩擦系数的实验结果
（）绘制在图2里。由于振动，对聚丙烯的摩擦系数提出和测试已经停止在第
600米的滑动距离上。对木材的摩擦系数来说常数在前期和300米后略有增加。
最后的结果表明，木塑复合材料的初始峰值稳定在一个恒定值。

在75米的双打聚丙烯的木塑复合材料的摩擦系数之后，木塑复合材料的摩
擦系数和现在的木材非常相似，而聚丙烯具有最高的数值。从粘附力引起的摩擦
元件与实际接触面积和聚合物的强度成正比。它已经被证明，在早期的一部分的
热塑性和钢表面之间的测试时，温度增加。加热会引起聚合物的软化，从而
[12][13]
会使实际接触面积和摩擦力增大。木塑复合材料和聚丙烯之间的不同是由高力度
和较低的材料温度的上升所调整的。否则，木材的存在就都的词语怎么组词阻止了增加的趋势，因
为软化变小了。
3.3磨损的数量化
图3显示了3个作为滑动距离函数的研究材料的磨损系数。它可以观察到这
个数字，是木塑复合材料的磨损行为和其他的两个分析材料非常不同：聚丙烯和
木材。就木塑复合材料的磨损情况来说显然是比较小的。所有的磨损都进行了高
达600米的滑动距离系数小于2010立方毫米/牛米的测试。在纤维增强聚合
-6
物里，木筋似乎有效降低聚合物的磨损率。
[9,10]

而木材和聚丙烯的磨损明显更高。该木材的磨损系数大约是10倍大于木塑
复合材料。正如上面所提到的，为最大距离的聚丙烯（300-600米）的测试而停
止由于摩擦引起的振动。然而，在测试中取得高达200米的磨损系数超过五倍高
于木塑复合材料。
另一方面，在所有测试中它阅微草堂笔记白话文没有测量任何磨损的磁盘材料。
为了描述复合材料磨损表面的磨损行为而使用共焦成像仪进行分析测试。75
米的样品和一个450米的样品的表面形貌如图4。在75米的例子（图4a）的磨
损轨道约深20微米，宽度为3毫米。对轨道的右侧的一些峰值的材料进行观察。
这些改头换面是什么意思从内部的轨道对测试过程中的聚丙烯基质的塑性流动形成的峰值可以作为
一个结果。另一方面，450米的样品已经磨损轨道与75米的具有非常相似的尺
寸（深度24 微米，宽度3.4毫米）但峰值较小（图4b）。因此，春耕的机器外
壳是在早期阶段的伟大的磨损试验中产生的，但它由于木头的加固效果而被停用。

3.4磨损机制
聚合物的磨损率的得到有一定的难度，因为有一个以上的变量的磨损行为会
对它有影响。这些变量中的接触点的配合表面和复杂的性质的摩擦和磨损机制能
产生热沁园春长沙注音版。这些机制在许多的出版物里有详细的记录。当聚合物材料摩擦
[ 9,12,15,16 ]
金属表面，粘附、磨损和疲劳磨损是最被认可的可能发生的方式。现在已对
[ 17 ]
当金属表面粗糙度（Ra）是高于0.05微米的磨损机制变得明显能接受。因此，
由于环的粗糙度是1.1 微米，因而磨损是转印膜的根源。在表面坚硬的聚丙烯、
[ 15 ]
块状聚合物以低滑动速度转移到另一面。在粗糙的转移机制下，把聚合物从
粗糙峰去除附着在另一面的左边。聚丙烯的粘弹性性质引导了撕裂和引起边缘的
形成。磨损表面德的出现如图5a所示，是这种磨损机制的特点。
[ 16 ]

相对低的熔融温度和低导热率的聚丙烯相结合，确保摩擦接触温度可以达到
熔融温度的聚合物（熔融磨损），因此，摩擦和磨损系数这两者有着显著的改变
[ 15 ]
。而摩擦加热的热量被限制在一个非常薄的表面层。如图5b的轨道的右侧所
示，指出有些聚丙烯碎片来自磨损轨道，它们的塑性流动的结果的磨损分析。此
外，减弱的外观这碎片能证实是有熔融磨损现象。
木材的原表面和磨损面分别如图6a和b所示。可以看出，一般的外观变得
更光滑。此外，微裂纹分层引起的变形产生的木材碎片，这是主要的磨损机理。

可以在图7a中观察到，在木塑复合材料的皮肤层没有木加固。然而，聚丙
烯基体和木筋都可以看出表面的磨损（图7b）。没有观察到纤维拔出，这是一
个良好的偶联剂与纤维/基体的附着力的影响。在试验前期相似的趋势（图2）
可能是由于是木塑复合材料和聚丙烯的磨损机制是一样导致的，从本质上来说是
聚丙烯在活动。然而，一旦删除了聚丙烯的皮肤层，由于木塑复合材料的木的存
在降低了聚合物/另一面接触面积而停止耕作，因此摩擦系数是稳定的。

木材的磨损机理（图7b）和由木加固的木塑复合材料（图8）表明他们不同
的磨损行为。粗糙度都是相似的；然而，较少的微裂纹分层区可以看到木塑复合
材料。这可能是由于倒塌和/或填充的木材增强，这限制了木材的细胞结构的变
形，降低了微观结构屈曲和变形/剥离的风险。此外，复合材料的磨损率低可能
是由于聚合物转移到另一面肿块的润滑效果。

4结论
对木塑复合材料、聚丙烯和木材的耐磨性能进行了研究，并与每种材料的微
观结构相联系。木塑复合材料相比聚丙烯和木材具有古朗月行李白的诗较高的密度，它是由于在木
塑复合材料的木材的细胞结构倒塌或聚丙烯的填充。
木塑复合材料和木材有非常相似的摩擦系数，聚丙烯是最高的那个。具有较
高的强度和较低的温升的木塑复合材料，与纯聚丙烯相比，停止耕作的另一面，
和由此产生的较小的接触面积是低摩擦系数的根源。在木塑复合材料试验的早期
阶段摩擦系数的增加是与纯聚丙烯的皮肤层有关，以及下面的稳定值是当这种皮
肤在消除时，在另一面与木塑复合材料和聚丙烯基体接触时得到的。
木塑复合材料的磨损率是最低的，纯木的高了10倍，聚丙烯是最高的。聚
丙烯的磨损机理是塑性流动与熔融现象的结合，是其最高磨损率的来源。木材的
微裂纹分层引起的变形是主要的磨损机理。木塑复合材料的木筋的磨损机理与纯
木不同，由于倒塌或填充聚丙烯木纤维的木塑复合材料可降低屈曲/ 微裂纹/剥
离到木材的细胞结构内的微观机理。