于贵文，等：结构增强木塑板材的力学性能无损检测 ６３ 结构增强木塑板材的力学性能无损检测米 于贵文李丹婷 常 江林 晶 （哈尔滨商业大学轻工学院，哈尔滨１５００２８） 摘要 以回收高密度聚乙烯和杨木纤维加工而成有、无加强筋的木塑板材试件，运用３种振动无损检测方法测 试其动态弹性模量，并依据美国材料试验标准Ｄ７９０—０３通过三点弯曲实验获得静态弹性模量。阐述了加强筋对３ 种振动无损检测弹性模量的影响，分析了３种木塑板材的动态弹性模量与其静态弹性模量的相关性。结果表明，加 强筋能够增强木塑板材的强度，并且振动无损检测法适合木塑板材及其结构增强板材的检测。 关键词加强筋 木塑复合材料无损检测 动态弹性模量静态弹性模量 木塑复合材料是由聚合物与木材纤维（或木 哈尔滨市一家回收站获得，木纤维是哈尔滨一家木 粉）混合通过注模机挤压而成的一种新型结构材 材加工厂提供。在东北林业大学教育部重点实验室 料，其中聚合物包括聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等。 用螺旋注模机上加工成加强筋个数分别为０、１、２的 由于木塑复合材料具有环保、可回收利用、防潮以及 ３种木塑板材，高密度聚乙烯和木纤维的的质量分 比强度高等优点，因此具有广泛的应用前景，正在不 数分别为６０％和４０％。 断取代户内外地板等装修材料，特别是用作建筑结 根据Ｄ７９０—３标准，将３种木塑板材制作成 构板材。但是，其力学强度和抗蠕变性等低于木材， ２００ ｍｍ×３０ ｌ＇ｎＩＴＩ×７ ｍｍ的试件，其截面形状如图１ 为了增加木塑复合材料的强度和抗蠕变性能，木塑 所示。并根据标准要求，将所有的试件在相对湿度 工业对结构增强板材的生产极大渴望¨ 。一些企 为（６５±５）％、温度为（２０±２）℃的控制箱内存放２４ 业已经生产了各种异型结构板材，如由高密度聚合 ｈ。 物与杨木纤维混合制造的结构增强木塑复合板材， 如果其性能像期待的那样，该类板材将保持较快速 的增长，这就迫切需要研究该类产品的力学特 性 。 在近几十年来，无损检测方法用于木材的排架、 等级分类。木材的弹性模量是反映木材力学性能的 一个重要指标，经常应用无损检测技术来测试 ， 图１ ３种木塑板材的截面 如果结构增强木塑板材的弹性模量和强度也能通过 １．２无损检测方法 无损检测的方法来准确获得，不但能够节省大量的 无损检测是一门以不破坏被检测对象盼陛质和 原材料和资金，而且，结构增强木塑板材作为结构用 使用效果为前提，对材料进行有效的检验和测试，用 材的可信度将大大提高。笔者应用纵波传播、纵向 于评价材料的完整性或其它物理力学特性的综合性 共振和弯曲振动３种无损检测方法检测了木塑板材 应用科学技术。振动无损检测法是运用电子传感 及其结构增强板材的动态弹性模量，并根据美国材 器、快速傅里叶变换仪和电子计算机等设备，对振动 料实验协会Ｄ７９０—３标准，运用三点弯曲实验法测 信号进行分析、处理和计算，检测材料弹性模量和剪 得相同试件的静态弹性模量。研究结构增强木塑板 切模量等力学性能的方法。 材的动态弹性模量是否与静态弹性模量相关，加强 （１）纵波传播法 筋对动、静态弹性模量均值及其变异系数的影响，以 通过纵波传播测得的动态弹性模量（Ｅ，，）和其 及３种无损检测方法是否适用于结构增强木塑板材 声音传播速度（ ）可根据式（１）、（２）计算＿４］： 的力学性能检测。 Ｅ ＝ｐｖ （１） １材料与工艺 １．１ 试件加工 黑龙江省自然科学基金项目（Ｃ２０１０１４） 研究中应用的回收高密度聚乙烯是从黑龙江省 收稿日期：２０１１一Ｏ１．０６ 工程塑料应用 ２０１１年，第３９卷，第３期 ＝ｆ／Ｔ （２） 式中：Ｊ口——试件的密度； Ｚ——试件的长度； 卜声波传播的时间。 （２）纵向振动法 通过纵向振动测得的动态弹性模量（Ｅ ）可依 据式（３）计算 ： ，，，ｆ ＝ｐ（ ／７， ） （ｎ＝１，２，３…） （３） 式中 ——声波的频率。 （３）弯曲共振法 弯曲共振弹性模量（Ｅ，）是通过面外弯曲共振 法完成。试件悬挂在两根吊绳之间，绳的悬挂位置 在试件两端长度的０．２２４倍处，这个位置相当于整 个振动系统的节点。振动频率通过高度敏感的麦克 风传输给快速傅里叶变换分析仪，然后运用一组公 式计算出Ｅ，的数值 ｊ。 （４）静压实验法 根据Ｄ７９０—３标准测得的静态弹性模量（Ｅ ） 可根据式（４）计算： Ｅ日＝ Ｌ＂ｍ （４） 叶 式中：Ｌ——试件支撑跨度； ｍ——加载破坏曲线直线部分的斜率； ６——试件的宽度； ——试件的厚度。 ２结果和讨论 ２．１ 数据分析 表１列出３种木塑板材的动态弹性模量和静态 弹性模量的平均值。从表１可以看到，加强筋对木 塑板材的强度具有一定的加强作用。纵波传播测得 的动态弹性模量Ｅ 是该种材料动态弹性模量中数 值最大的，纵向振动测得的弹性模量Ｅ 在数值上最 接近于相同试件的静态弹性模量 ，Ｅ，处于Ｅ 和 之间，并且，静压实验测得的弹性模量 数值最 小。其原因如下：（１）加强筋对纵波传播获得的动 态弹性模量影响较小，对纵向共振和弯曲共振获得 的动态弹性模量影响较大，而对静态弹性模量的影 响最大。（２）动态弹性模量反映材料的整体性能， 静态弹性模量反映材料的局部性能，因此，动态弹性 模量的均值大于其静态弹性模量的均值。（３）标准 差的变化范围是０．００８～０．１２ ＧＰａ，变异系数均小 于２％，因此，所测得的各种数据具有较高的精确 性 。 ． 表１ 不同种类试件的动、静态弹性模量对比 项目 加强筋数量／个 Ｅ Ｅ， 平均值／ ０ １０．０６７ ７．４５８ ７．９７６ ５．２８５ ＧＰ１ １０．１６８ ７．７１５ ８．２４３ ６．２３８ ａ ２ １０．２９８ ８．０２３ ８．５５９ ７．４５０ 标准差／ Ｏ ０．００８ ０．０２０ ０．０２３ Ｏ．Ｏ９５ ＧＰ１ Ｏ．０ｌＪ ０．０２３ Ｏ．Ｏ２６ ０．０１２ ａ ２ Ｏ．Ｏｌｌ ０．０２１ ０．０２６ ０．１２０ 变异系数／ ０ ０．１１ ０．２７ ０．２９ １．８０ ％ １ ０．１１ ０．３Ｏ ０．３ｌ １．９３ ２ ０．１１ Ｏ．２７ Ｏ．３０ １．６１ ２．２相关性分析 （１）Ｅ 和 之间的相关性 图２是Ｅ 和Ｅ 之间的回归曲线，其线性回归公 式为：Ｅ ＝０．１ＥＢ＋９．５４，Ｒ ＝０．８０５＞Ｒ１３－ｏ．０５（１３个 试件误差为０．０５的相关系数）＝０．５１４，因此， 和 Ｅ 之间有很强的相关性，原因是声波的传播时间能 反映材料的整体性能。 一２个加强筋；△一１个加强筋；０一无加强筋 图２ Ｅｖ￣＇ｌｆＥ口之间的回归曲线 ， （２）Ｅ 和 之间的相关性 图３是Ｅ 和Ｅ 之间的回归曲线，其线性回归公 ｊ戈 ：ＥＰ＝０．２７Ｅ口＋６．０３，ＲＰ：０．７１０＞Ｒ１３０．ｏ５＝ ．０．５１４，因此，Ｅ 和 之间具有较强的相关性，其原 因是敲击的形式和频率基本反映了林料的整体性 能。 Ｅｐ／ＧＰａ 一２个加强筋；△一１个加强筋；ｏ一无加强筋 图３ ＥＰ和Ｅ口之间的回归曲线 （３）Ｅ，和 之间的相关性 图４是 ，和 之间的回归曲线，其线性回归公 于贵文，等：结构增强木塑板材的力学性能无损检测 ６５ 式为：Ｅ，＝０．２７１ＥＢ＋６．５５１，Ｒ，＝０．７８３＞Ｒｌ３ｎ ｏ５： 量实验进一步证实。 ０．５１４，因此，Ｅ，和 之间具有较强的相关性，其原 因也是敲击的形式和频率能反映材料的整体性能。 （３）振动无损检测的弹性模量与静态弹性模量 的相关性较强，因此，振动无损检测能够很好地评价 木塑板材及其结构增强板材的力学特性。 参考文献 一 ０ ［１］ Ｂａｋｒａｊｉ Ｅ Ｈ，Ｓａｌｍａｎ Ｎ．Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｗｏｏｄ—ｐｌａｓｔｉｃ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ： ＼ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ａｄｄｉｔｉｖｅｓ［Ｊ］．Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｓ－ ｔｒｙ，２００３，６６（１）：４９—５３． ［２］ Ｎｚｏｋｏｕ Ｐ，Ｆｒｅｅｄ Ｊ，Ｋａｍｄｅｍ Ｄ Ｐ．Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｎｏｎ ｄｅ— ｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｓｔａｔｉｃ ｍｏｄｕｌｕｓ ｏｆ ｅｌｓａｔｉｃｉｔｙ ｏｆ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ｗｏｏｄ ｐｌａｓｔｉｃ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｃ］．Ｈｏｌｚａｌｓ Ｒｏｈ—ｕｎｋ Ｗｅｒｋｓｔｏｆｆ，２００６，６４：９０—９３． ｘ一２个加强筋；Ａ—１个加强筋；０一无加强筋 ［３］ Ｙａｎｇ Ｘｉａｏｙａｎｇ，Ａｍａｎｏ Ｔ，Ｉｓｈｉｍａｒｕ Ｙ，ｅｔ ａ１．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｏ— 图４ Ｅ。和ＥＢ之间的回归曲线 ｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂｙ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｔｏ ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ ｗｏｏｄ ＩＩ ３ 结论 ［Ｊ］．Ｗｏｏｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００３，４９（１）：１４０—１４４． （１）对于所有的振动无损检测实验，动态弹性 ［４］Ｈｕ Ｙｉｎｇｃｈｅｎｇ，Ｎａｋａｏ Ｔ，Ｎａｋａｉ Ｔ，ｅｔ ａ１．Ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ 模量均高于相应的静态弹性模量，且Ｅ ＞Ｅ，＞Ｅ ｔｈｒｅｅ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｗｏｏｄ－ｂａｓｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗｏｏｄ Ｓｃｉ－ ｅｎｅｅ，２００５，５１（２）：７一ｌ２． ＞Ｅ ；加强筋对Ｅ 影响较小，对 和Ｅ，影响较大， ［５］胡英成．木塑复合材料的动态特性研究［Ｄ］．哈尔滨：东北林 对 影响最大；加强筋能够增加木塑板材的强度。 业大学，２００４． （２）３种振动无损检测法的动态弹性模量与相 ［６］ Ｃｈｅｎｇ Ｆａｎｇｃｈａｏ，Ｈｕ Ｙｉｎｇｃｈｅｎｇ．Ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｎｏｎｄｅ— 应的静态弹性模量之间具有较强的相关性；而且，３ ｓｔｍｃｔｉｖｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ ｆｉｎｇｅｒ ｉｏｉｎｔ ｐｏｐｌａｒｌｕｍｂｅｒ［ｃ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ 条回归曲线近似为一条直线，说明增强效果与加强 Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ０ｎ Ｔｅｓｔ ａｎｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｃｈｉｎａ，２００９：１８９９． 筋的数量呈线性关系。当然，这一结论还应通过大 ［７］ 冷劲松，杜善义，王殿富，等．复合材料结构敲击法无损检测的 灵敏度研究［Ｊ］．复合学报，１９９５，１２（４）：９９—１０５． ＮｏＮＤＥＳＴＲＵＣＴⅣＥ ＴＥＳＴＩＮＧ ｏＮ ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＰＲｏＰＥＲＴＩＥＳ ｏＦ ＳＴＲＥＮＧＴＨＥＮＥＤ ＷＯｏＤ．ＰＬＡＳＴＩＣＳ ＰＬＡＴＥＳ Ｙｕ Ｇｕｉｗｅｎ，Ｌｉ Ｄａｎｔｉｎｇ，Ｃｈａｎｇ Ｊｉａｎｇ，Ｌｉ Ｊｉｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ Ｉｎｄｕｓｔｙｒ，Ｈａｒｂｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｏｍｍｅｒｃｅ，Ｈａｒｂｉｎ １５００２８，Ｃｈｉｎａ） ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｔｈｒｅｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｔｅｓｔｉｎｇ（ＮＤＴ）ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｌａｔｅｓ ｗｉｔｈ ｓｔｉｉｆｅｎｅｔ ａｎｄ ｗｉｔｈｏｕｔ，ｗｈｉｃｈ ｗｅｒｅ ｍａｄｅ ｏｆ ｒｅｃｙｃｌｅｄ ｈｉｇｈ・ｄｅｎｓｉｔｙ ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ａｎｄ ｐｏｐｌａｒ ｆｉｂｅｒｓ．Ｔｈｅ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｄｙｎａｍｉｃ Ｙｏｕｎｇ Ｓ ｍｏｄｕｌｕｓ ｏｆ ａｌｌ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｗｅｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｔｈｒｅｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ＮＤＴ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｎ ａ ＦＦＴ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｍｏｄｕｌｕｓ ｏｆ ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ（ＭＯＥ）ｗｅｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｔｈｒｅｅ—ｐｏｉｎｔ ｂｅｎｄｉｎｇ ｔｅｓｔ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ＡＳＴＭ ｓｔａｎｄａｒｄ Ｄ ７９０—０３．Ｔｈｅ ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ Ｙｏｕｎｇ Ｓ ｍｏｄｕｌｕｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｗｉｔｈ ｓｔｉｆｆｅｎ・ ｅｒ ａｎｄ ｗｉｔｈｏｕｔ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｔｈｒｅｅ ＮＤＴ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｉｔｙ ｗａｓ ａｌＳＯ ｅｓｔｉｍａｔｅｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ Ｙｏｕｎｇ ｓ ｍｏｄｕｌｕｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ＭＯＥ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ．Ｔｈｅｓｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｕｇｇｅｓｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｔｅｓ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｂｙ ｓｔｉｆｆｅｎ— ｅｒｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ＮＤＴ ｍｅｔｈｏｄｓ Ｃｏｕｌｄ ｂｅ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｔｏ ｅｓｔｉｍａｔｅ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ Ｙｏｕｎｇ Ｓ ｍｏｄｕｌｕｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｔｅｓ ｗｉｔｈ ｓｔｉｆｆｅｎｅｒ ａｎｄ ｗｉｔｈｏｕｔ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｓｔｉｆｆｅｎｅｒ，ｗｏｏｄ—ｐｌａｓｔｉｃ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ，ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｔｅｓｔｉｎｇ，ｄｙｎａｍｉｃ Ｙｏｕｎｇ Ｓ ｍｏｄｕｌｕｓ，ｓｔａｔｉｃ ｍｏｄｕｌｕｓ ｏｆ ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ 国内首套环保型宽幅ＰＥＴＧ片材生产线 突出，还具有封装性能好、尺寸稳定、拉伸强度高、耐磨损、使 研制成功并推向市场 用寿命长、光泽好、易于加工印刷、无污染以及透光透明度高 国内首套环保型宽幅（５．５ ｍ）聚对苯二甲酸乙二醇酯一 等优点。 （中聚网） １，４．环己烷二甲醇酯（ＰＥＴＧ）片材生产线在青岛汉邦塑料机 福建鸿伟年产６万ｔ ＰＵ、ＰＥ树脂等项目年内开建 械有限公司研制成功并推向市场，结束了我国生产宽幅 福建鸿伟树脂有限公司年产６万ｔ ＰＵ、ＰＥ树脂及ＰＵ、 ＰＥＴＧ片材长期依赖进口设备的历史。 ＰＶＣ处理助剂建设项目目前正处于开工准备阶段。 该生产线采用多项先进技术，双机共挤、性能稳定可靠、 该项目位于福建福鼎工业园区，总投资９８８２万元，建设 容易操作控制。该设备生产出的双色宽幅ＰＥＴＧ片材能够 内容为新建６万ｔ ＰＵ、ＰＥ树脂及ＰＵ、ＰＶＣ处理助剂、色料 耐多种化学品以及常用的清洁剂，韧性和高抗冲击强度非常 ２．６７Ｙｔ，项目计划年内开建。 （建材网）
