当今世界面临着日益严峻的资源与环境危机，依存化石资源建立的全球材料体系面临困境，而以可再生的天然纤维资源开发化石材料替代品将是可持续发展的必由之路^[1-2]。马尾松(Pinus massoniana Lamb.)和杉木[Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.]是贵州省森林采伐和加工的主要树种，但其在加工过程中产生的枝桠材和锯屑等废料超过原木材积的一半，过量的剩余物中有极少部分被用作低质的燃料，另有极少部分被粗放利用，剩余大部分生物质资源往往被丢弃或浪费，甚至导致严重的环境污染。因此，马尾松和杉木的合理开发和充分利用问题亟待解决^[3-6]。

利用贵州省盛产的、成本低廉的马尾松和杉木木粉填充塑料制备性能好、附加值高且用途广的木塑复合材料(wood-plastic composites, WPCs)，有助于解决农林生物质资源和废弃物有效利用问题及大量废旧塑料造成的环境污染问题，是循环经济、生态产业新的增长点^[7-10]。

另一方面，蠕变性严重影响和制约了WPCs的拓展应用^[11-14]。选取贵州省优势树种马尾松和杉木的木粉作为增强材料，填充高密度聚乙烯(high-density polyethylene, HDPE)制备马尾松/HDPE复合材料和杉木/HDPE复合材料，重点分析2种WPCs的弯曲力学性能和短期蠕变性能，并利用数理模型拟合蠕变，有助于准确评估和预测该类产品的使用安全性和寿命，为正确选用、合理设计、准确定位产品应用方向提供理论参考依据。

1 材料与方法 1.1 试验材料与仪器

试验所用增强材料为马尾松木粉与杉木木粉，大小为0.18~0.85 mm，购于贵州省贵阳市木材加工厂。试验所用基体材料HDPE，型号为5000s，密度为0.949~0.953 g·cm^-3，购于中国石油大庆石化公司。

试验所用偶联剂为马来酸酐接枝聚乙烯(maleic anhydride grafted polyethylene, MAPE)，型号为CMG 9804，接枝率为0.9%，购于上海日之升新技术发展有限公司。试验所用润滑剂为聚乙烯(polyethylene, PE)蜡和硬脂酸，购于中国石油大庆炼化分公司。

试验所用加工设备包括高速混合机，型号为SHR-10A，张家港市通河橡塑机械有限公司生产；锤式粉碎机，型号为9FQ-300，丹东市正火机械制造厂生产；双螺杆挤出机，型号为SJSH 30，南京橡塑机械厂生产；单螺杆挤出，定制，南京橡塑机械厂生产。

试验所用测试仪器包括电子万能力学试验机，型号为RGT-20A，深圳瑞格尔仪器有限公司生产；自制蠕变测试仪(图 1)。

1.2 木塑复合材料的制备

将马尾松木粉和杉木木粉置于鼓风干燥箱中，在105 ℃条件下干燥24 h以上，直至木粉含水率低于3%。按照m_木粉:m_HDPE:m_MAPE:m_{PE蜡和硬脂酸}=60:35:4:1分别称取试验材料，并将其放入高速混合机中混合20 min以上，采用两步挤出成型法制备横截面尺寸为40 mm×4 mm的马尾松/HDPE复合材料和杉木/HDPE复合材料的条形材^[15-16]。

1.3 性能测试 1.3.1 弯曲力学性能测试

WPCs的静曲强度(modulus of rupture, MOR)和静曲模量(modulus of elasticity，MOE)参照ASTM D 790—03^[17]进行测试，试验速度1.9 mm·min^-1，跨距64 mm。试件尺寸为80 mm×13 mm×4 mm。每组5个重复样，取平均值作为最终测试结果。

1.3.2 弯曲极限载荷测试

为研究WPCs的抗蠕变性能，需测试尺寸为100 mm×40 mm×4 mm的WPCs的弯曲极限载荷，试验速度1.9 mm·min^-1，跨距64 mm。每组5个重复，取平均值作为最终测试结果。

1.3.3 24 h弯曲蠕变-24 h回复性能测试

WPCs的弯曲蠕变量和回复率(R)参照ASTM D 2990—01^[18]进行测试。在相对湿度60%的室温条件下，于试件的几何中心竖直向下加载，力的大小分别为弯曲极限载荷的10%、20%和30%，跨距是64 mm。采用千分表在不同时刻测试试样的形变(试样中心沿外力方向上的弯曲挠度)。试样尺寸是100 mm×40 mm×4 mm。24 h后卸载，使试件自由回复24 h，观察并记录千分表的读数。每组试样重复测试3次。t时刻对应的读数与加载前千分表的读数差即为材料在t时刻的形变(D_t)。

载荷(P)与应力(σ)之间的转换公式如下：

$ \sigma =3PL/\left( 2b{{d}^{2}} \right) $

(1)

应变(ε)与形变(D)之间的转换公式如下：

$ \varepsilon =6Dd/{{L}^{2}} $

(2)

式中：σ为应力(MPa)；P为载荷(N)；L为跨距(mm)；b为试件的宽度(mm)；d为试件的厚度(mm)；ε为应变；D为形变(mm)。

R的计算公式如下：

$ R\%=\frac{{{\varepsilon }_{e}}+{{\varepsilon }_{de}}}{\varepsilon }\times 100=\frac{{{\varepsilon }_{e}}+{{\varepsilon }_{de}}}{{{\varepsilon }_{e}}+{{\varepsilon }_{de}}+{{\varepsilon }_{v}}}\times 100 $

(3)

式中：ε_e为弹性应变；ε_de为黏弹性应变；ε_v为黏性应变。

1.4 蠕变性能模拟

将两参数指数模型和Findley指数模型应用到WPCs的蠕变性能预测中，比较这2个模型的参数标准差和模拟效果。

Findley指数模型的公式如下：

$ {{\varepsilon }_{t}}=a+b{{t}^{c}} $

(4)

两参数指数模型的公式如下：

$ {{\varepsilon }_{t}}=b{{t}^{c}} $

(5)

式中：ε_t表示在t时刻材料的应变；a表示初始弹性应变；b表示瞬时蠕变应变；c表示时间指数；t表示时间(h)。

2 结果与分析 2.1 木塑复合材料的弯曲力学性能

马尾松/HDPE复合材料的MOR和MOE分别为43.3 MPa和3.2 GPa。杉木/HDPE复合材料的MOR和MOE分别达到63.9 MPa和4.0 GPa，相比马尾松/HDPE复合材料的弯曲力学性测试结果，杉木/HDPE复合材料的MOR提高了接近1/2，同时MOE提高了1/4。作为增强材料的马尾松和杉木木粉，后者的总表面自由能和非极性表面自由能均高于前者^[19]，因此后者与HDPE的结合更好，增强效果更明显，MOR和MOE值更高。

2.2 50 N载荷作用下的24 h蠕变-24 h回复性能

马尾松/HDPE复合材料和杉木/HDPE复合材料在50 N载荷作用下的应变-时间曲线见图 2。WPCs的蠕变经历了2个阶段，即初始阶段和第2阶段。在初始阶段中，材料瞬时产生可回复的ε_e，且蠕变速率是递减的，反映出材料在载荷作用下的稳定性；第2阶段也叫过渡阶段，产生与t相关并且可以回复的ε_de和永久不可回复的ε_v，该阶段蠕变速率趋于恒定，应变-时间曲线呈线性。WPCs的回复同样经历了初始阶段和第2阶段。在回复的初始阶段中，材料瞬时完成弹性回复，且回复速率递减；回复的第2阶段回复了材料在蠕变第2阶段产生的ε_de(ε_v未得到回复)，该阶段回复速率趋于恒定，应变-时间曲线呈线性。

杉木/HDPE复合材料的ε(24 h)为0.002 74，马尾松/HDPE复合材料的ε(24 h)为0.002 12，仅为杉木/HDPE复合材料的77.29%，说明马尾松/HDPE复合材料在50 N载荷作用下的24 h蠕变性能明显优于杉木/HDPE复合材料。马尾松/HDPE复合材料和杉木/HDPE复合材料的24 h回复率[R(24 h)]分别是71.23%和78.78%，说明马尾松/HDPE复合材料24 h回复性能差于杉木/HDPE复合材料。为进一步研究这2种WPCs的蠕变性能差异，同时消除在相同载荷条件下材料MOR和MOE对蠕变行为的干扰，须根据材料自身的承载能力来设定蠕变试验中的应力(负载)水平。

2.3 木塑复合材料的弯曲极限载荷与应力水平

经过弯曲测试得出100 mm×40 mm×4 mm的马尾松/HDPE复合材料和杉木/HDPE复合材料的弯曲极限载荷分别为317.354 6和467.540 1 N，而载荷(P)的确定和应力(σ)的换算如表 1所示。

2.4 木塑复合材料的24 h弯曲蠕变-24 h回复性能

2种WPCs在各自的最大载荷的10%、20%和30%的应力水平下的24 h蠕变-24 h回复中，ε随t变化趋势与图 2相似，ε(24 h)和R(24 h)见表 2。应力水平从10%升高到20%，2种WPCs的ε(24 h)显著增大，应力水平继续增加到30%，ε(24 h)略微增大；而R(24 h)随着应力水平的升高先显著下降然后略微下降。

在10%应力水平下，马尾松/HDPE复合材料的ε(24 h)仅为杉木/HDPE复合材料的43.91%，在20%和30%应力水平下，马尾松/HDPE复合材料的ε(24 h)也仅为杉木/HDPE复合材料的74.33%和72.56%。可见，2种WPCs中，马尾松/HDPE复合材料的抗蠕变性能较佳，尤其在低载荷条件下优势更明显，原因在于较小的载荷未能影响和破坏其界面的结合，同时也降低了应力集中的概率。

马尾松/HDPE复合材料在10%应力水平下的ε(24 h)为0.001 135，应力水平升高至20%，ε(24 h)增加了232.69%，应力水平继续升高至30%，ε(24 h)仅增加了5.69%，对比10%应力水平，30%应力水平下ε(24 h)增加了251.63%；而杉木/HDPE复合材料在10%应力水平下的ε(24 h)为0.002 585，应力水平升高至20%，ε(24 h)增加了96.52%，应力水平继续升高至30%，仅增加了8.27%，对比10%应力水平，30%应力水平下ε(24 h)增加了112.77%。可见，马尾松/HDPE复合材料在30%应力水平内的蠕变行为受载荷增加的影响比杉木/HDPE复合材料更大，这是因为马尾松树脂道大而多，木粉中树脂含量过高，减弱了其与HDPE的键合和黏结作用，当载荷加大，木粉极易被拉拔，增强效果降低，导致ε增加。

应力水平从10%升高至20%，马尾松/HDPE复合材料和杉木/HDPE复合材料的R(24 h)分别降低了10.67%和11.87%，应力水平升高至30%，马尾松/HDPE复合材料和杉木/HDPE复合材料的R(24 h)又分别降低了2.41%和0.55%，对比10%应力水平，30%应力水平下马尾松/HDPE复合材料和杉木/HDPE复合材料的R(24 h)分别降低了12.83%和12.36%。在3个应力水平下，马尾松/HDPE复合材料的平均R为杉木/HDPE复合材料的96.55%。杉木/HDPE复合材料的回复性能优于马尾松/HDPE复合材料，这主要是因为杉木/HDPE复合材料的刚性好，对分子链段运动起到了阻碍作用，因此产生的ε_v很小。

2.5 木塑复合材料的蠕变性能模拟

基于马尾松/HDPE复合材料和杉木/HDPE复合材料在10%、20%和30%应力水平下的24 h蠕变数据，拟合出Findley指数模型和两参数指数模型的参数，拟合结果和模拟效果见表 3和表 4。比较两参数指数模型和Findley指数模型的参数与标准差及模拟效果，通过蠕变方差分析等校验，得出2个模型对于WPCs在较大载荷作用下的蠕变行为模拟得较好，Findley指数模型的模拟效果优于两参数指数模型，尤其在较高应力水平下的模拟效果优势更明显。

3 讨论与结论

利用贵州省盛产的马尾松和杉木的木粉增强高密度聚乙烯，采用两步挤出成型法制备了马尾松/HDPE复合材料和杉木/HDPE复合材料，研究弯曲力学性能，短期蠕变回复性能，并利用模型模拟蠕变行为。结果表明，马尾松/HDPE复合材料的MOR和MOE分别为43.32 MPa和3.23 GPa。杉木/HDPE复合材料的MOR和MOE分别达到63.88 MPa和3.97 GPa，相比马尾松/HDPE复合材料分别提高了1/2和1/4。马尾松/HDPE复合材料的24 h蠕变性能优于杉木/HDPE复合材料，尤其在低应力水平下优势更明显，但马尾松/HDPE复合材料的蠕变行为受载荷的增加的影响比杉木/HDPE复合材料大，且回复性能也较杉木/HDPE复合材料差。两参数指数模型和Findley指数模型适合模拟WPCs在较高应力水平下的蠕变行为，相比之下，Findley指数模型的模拟效果优于两参数指数模型。

今后可以将研究扩展至马尾松/HDPE复合材料和杉木/HDPE复合材料的长期蠕变研究，从理论上分析WPCs的黏弹性，有助于准确评估该类产品的使用安全性和寿命、正确选用、合理设计、准确定位产品应用方向，对开发适合在静载条件下长期使用的原料充足、成本低廉的WPCs具有实用意义。