El efecto del refuerzo en las propiedades mecánicas de los compuestos de fibra de madera/polipropileno enchapados ensamblados con polipropileno clorado

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 14007 (2022) Citar este artículo

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Los compuestos de fibra de madera/polipropileno (WF/PP) son materiales ecológicos con una alta estabilidad dimensional y propiedades mecánicas. Sin embargo, las aplicaciones de los compuestos WF/PP están limitadas por una textura superficial poco atractiva. En este estudio, los compuestos WF/PP se decoraron con chapa de madera de álamo utilizando polipropileno clorado (CPP) como adhesivo de fusión en caliente, la fuerza de unión es superior a 1,18 MPa. Se realizaron pruebas de fuerza de unión superficial y microscopía electrónica de barrido (SEM) para analizar la calidad de la capa de unión de CPP. Se examinaron las propiedades físicas y mecánicas de los tableros de WF/PP enchapados y los controles sin enchapar para determinar los efectos del refuerzo. El resultado muestra que después del enchapado, la resistencia a la tensión y el módulo de todo el tablero compuesto aumentaron en un 30 % y un 10 %; la resistencia a la flexión y el módulo se incrementaron en un 10% y un 20%. Se realizaron pruebas de impacto a baja velocidad para determinar las propiedades de resistencia al impacto de los materiales compuestos. Las proporciones más altas de fibra de madera en el compuesto WF/PP condujeron a una mayor fuerza de unión de la superficie, lo que fue evidente en las imágenes SEM. La decoración de chapa de madera aumentó la resistencia mecánica de todo el tablero compuesto. Una unión más estrecha a lo largo de la capa de CPP proporcionaría un refuerzo adicional de las propiedades mecánicas del compuesto revestido.

Los materiales compuestos de fibra de madera/polipropileno (WF/PP) son uno de varios compuestos de madera y plástico (WPC). El compuesto WF/PP tiene altas propiedades físicas y mecánicas, incluso el PP dentro de la matriz se recicla1. Los compuestos de madera y plástico se fabrican combinando material vegetal seco (por lo general, madera, bambú, cáñamo y paja) con una matriz de polímero con una pequeña cantidad de aditivos adicionales, como mejoradores de la unión como el polipropileno unido con anhídrido maleico (MAPP), que se une tanto a la madera como a la madera. fibras y PP. La adición de dichos aditivos mejora la calidad de los compuestos WP/PP. Los termoplásticos son el tipo más común de matriz polimérica. Los WPC termoplásticos se transforman comúnmente en productos mediante extrusión, moldeo por prensado y moldeo por inyección en formas que no difieren considerablemente de los métodos por los cuales los termoplásticos sin carga se transforman en productos2,3. Se pueden usar muchos termoplásticos diferentes para fabricar WPC, incluidos los plásticos reciclados4,5,6.

Una de las principales ventajas de los WPC termoplásticos es que normalmente no se requieren adhesivos, resinas u otros reactivos químicos volátiles. Los WPC termoplásticos son un material relativamente no tóxico y respetuoso con el medio ambiente7. Los compuestos de madera y plástico combinan muchas de las mejores características de los plásticos y la madera. Un WPC típico tendrá mayores propiedades de resistencia mecánica y una mejor estabilidad dimensional en comparación con un termoplástico sin relleno del mismo tipo que se utiliza para la matriz. Además, un WPC típico poseerá una mayor resistencia a la humedad y la descomposición que el material vegetal que se agrega al termoplástico. Los compuestos de madera y plástico son mucho más fáciles de procesar y moldear que la madera8,9,10. En los últimos años, los WPC se han utilizado en muchas aplicaciones, como instalaciones al aire libre, revestimientos de automóviles y revestimientos de paredes exteriores11,12,13,14,15. Sin embargo, las técnicas de procesamiento actuales dejan la textura de la superficie de los WPC estéticamente insatisfactoria para cualquier propósito en el que el WPC esté sujeto a una atención visual cercana, como las superficies interiores visibles. Si la superficie de un WPC se puede unir de forma fiable y duradera a una chapa de madera, el campo de aplicaciones aumentará considerablemente. Muchos de los nuevos productos WPC, así como productos de alto valor, son posibles gracias al revestimiento.

En el proceso de extrusión y prensado en caliente, se acumulará una fina capa de matriz plástica sin relleno en la mayoría de las áreas de la superficie de WPC16,17. Esta superficie de plástico comparativamente puro no desaparecerá después de enfriarse y moldearse. Esta superficie plástica es lisa, sin poros y se adhiere mal con los adhesivos a temperatura ambiente que se utilizan en los procesos tradicionales de revestimiento18. El problema esencial es que la mayoría de las formas de plástico son químicamente inertes y extremadamente no polares para formar enlaces fuertes con adhesivos comunes a temperatura ambiente. Es probable que no se formen enlaces covalentes ni polares (hidrógeno) entre el plástico y el adhesivo a menos que se haga algo para promover este tipo de unión.

Para mejorar la unión entre el plástico y el adhesivo a temperatura ambiente, a menudo se modifican las superficies de los plásticos con diversos grados de éxito. Existen varias técnicas comunes de modificación de la superficie de los plásticos para mejorar la unión adhesiva. Se pueden utilizar ácidos fuertemente oxidantes u otros agentes oxidantes para tratar la superficie de los materiales compuestos y producir un cierto efecto de grabado en la superficie y generar grupos polares que aumentan la compatibilidad del plástico con los grupos polares de las moléculas adhesivas. La modificación de la superficie con una descarga de plasma se puede utilizar para crear rugosidad superficial y grupos polares19,20. También se puede usar un agente de acoplamiento químico para formar un puente químico unido covalentemente entre las moléculas de plástico y las moléculas de adhesivo. Por último, está la rugosidad mecánica, que funciona magnificando el área mojada por el adhesivo y alargando la línea de unión a nivel microscópico. Si bien estos métodos pueden aumentar el efecto de unión de los adhesivos en la superficie de los plásticos y los WPC, existen muchos problemas y dificultades asociados, como resultados ambientales deficientes, procesos de tratamiento complicados y costos elevados.

Para la unión de termoplásticos con otros termoplásticos, el método más sencillo es utilizar colas a temperatura ambiente y modificación de la superficie y soldar las piezas con termoplástico fundido de naturaleza químicamente compatible. Este proceso es similar a la soldadura, soldadura fuerte o soldadura blanda de metales.

Los termoplásticos fundidos, con aditivos para promover la adhesión a las fibras naturales, se pueden utilizar para unir entre sí piezas de madera y otros materiales celulósicos como el cartón en procesos industriales como la fabricación de cajas, donde se mantiene el rápido enfriamiento y endurecimiento del termoplástico. la producción fluye rápidamente a lo largo. En estas aplicaciones, el termoplástico fundido se denomina adhesivo termofusible para distinguirlo de los adhesivos a temperatura ambiente.

Además, se deduce que es posible unir con éxito chapa de madera a un sustrato de plástico utilizando adhesivos de fusión en caliente. Por ejemplo, la chapa de madera se puede unir con éxito a PP sin relleno y a WF/PP, el tema de este estudio, utilizando MAPP como adhesivo de fusión en caliente. Desafortunadamente, aunque los termoplásticos se derriten a temperaturas más bajas que la mayoría de los metales, la temperatura del adhesivo termofusible sigue siendo extremadamente alta en la mayoría de los casos y daña la superficie del revestimiento. La temperatura de trabajo del termofusible de MAPP es de 170 °C. Esto sigue siendo lo suficientemente alto como para cambiar el color de las superficies de madera y, en general, degradar el rendimiento de una chapa de madera.

A los efectos de este estudio, se seleccionó polipropileno clorado (CPP) como adhesivo de fusión en caliente para unir chapas de madera a WF/PP. El polipropileno clorado tiene un punto de fusión considerablemente más bajo que el MAPP. El polipropileno clorado tiene un punto de fusión inicial de 90 °C y se vuelve lo suficientemente fluido para el procesamiento de fusión en caliente a 110 °C. A 110 °C, se conservan el color y las características originales de la superficie de la chapa. Además, hay menos riesgo de cambios dimensionales en el material WF/PP subyacente. El uso de CPP para este propósito ya ha sido reportado por Liu et al.21. Este estudio informó sobre las propiedades mecánicas de los laminados de chapa adheridos con CPP sobre WF/PP para usos en muebles de interior y exterior. Además, para los pisos, es importante que el producto enchapado tenga características adecuadas de resistencia a la flexión, a la tracción y al impacto. Estos parámetros tienden a cambiar con la temperatura, por lo que se investigaron en un rango de temperaturas.

Se obtuvieron chapas de madera de álamo (grosor de 1,5 ± 0,1 mm) de grado idéntico de Jinan Yuanfang Wood Trading Company (Jinan, China). Una parte de estas chapas se seleccionó al azar para utilizarlas como chapas para este experimento, otras chapas de madera se trituraron en fibras de madera que se filtraron con una malla de filtro de malla 40 para incorporarlas a los compuestos WF/PP. El PP (T300; Sinopec Daqing Petrochemical Co., Daqing, China) tenía un punto de fusión de 168 °C, una densidad de 0,91 g/L y un índice de fluidez (MFR) de 0,25 a 0,35 g/min a 180 ° C. La MAPP (Shanghai Sunny New Technology Development Co., Shanghai, China) tuvo un porcentaje de injerto del 1% al 1,2%. El CPP (Shenzhen Jitian Chemical Products Limited Co., Shenzhen, China) se obtuvo en forma de gránulos con una relación de cloración del 32 %, un MFR de 1,66 g/min a 2,01 g/min a 110 °C, un punto de fusión de 90 ° C, y una densidad de 0,93 g/L.

Los WF se secaron mediante un dispositivo de tratamiento de secado por ciclones de impulsos (MQD-50, Jianda Drying Equipment Co., Changzhou, China) según lo descrito por Chen et al.22 a 120 °C hasta que el contenido de humedad estuvo por debajo del 3%. Luego, el PP, WF y MAPP se mezclaron en diferentes proporciones de fracción de masa (Tabla 1) con un mezclador de alta velocidad (SHR-10A; Zhangjiagang Tonghe Plastic Machinery Co., Zhangjiagang, China). Las mezclas se peletizaron con una extrusora de doble husillo co-rotante (JSH30; Nanjing Rubber and Plastics Machinery, Nanjing, China) y se cortaron en pequeños gránulos usando un pulverizador. Los gránulos se extruyeron en tableros compuestos WF/PP con un espesor de 4 mm y un ancho de 100 mm usando otra extrusora de un solo tornillo (SJ45; Nanjing Rubber and Plastics Machinery, Nanjing, China). Como se muestra en la Tabla 1, se diseñaron tres relaciones WF a PP.

La preparación de las películas de CPP se muestra en la Fig. 1. Los gránulos de CPP se distribuyeron uniformemente en un molde cuadrado con una longitud interior de 160 mm y un espesor de 0,1 mm. Luego, el molde se prensó en caliente a 110 °C durante 3 min a una presión de 2 MPa. Después del prensado en caliente, el molde se prensó en frío durante 5 min para enfriarlo a temperatura ambiente (20 ± 3 °C). Se retiró el molde y se le dio forma al CPP en una película cuadrada con una longitud de 160 ± 1 mm y un espesor de 0,1 ± 0,02 mm.

Preparación de tablero WF/PP enchapado con film CPP.

La película de CPP se colocó sobre la superficie del tablero compuesto de WF/PP y luego se colocó la chapa de álamo sobre ella, como se muestra en la Fig. 1. La estructura tipo sándwich resultante se prensó luego a 5 MPa durante 5 min a 110 °C y luego se dejó enfriar en el aire. A continuación, los tableros de WF/PP enchapados se acondicionaron a 20 °C y una humedad relativa del 65 % durante 7 días antes de ensayarlos.

La fuerza de unión de la superficie del tablero de WF/PP enchapado se probó de acuerdo con el método de estirado vertical, como se muestra en la Fig. 2. Las muestras tenían unas dimensiones de 50 mm × 50 mm × 6 mm (largo × ancho × espesor). Se aisló un círculo con un área de 1000 mm2 en el medio de cada superficie de muestra cortando el revestimiento y la capa de unión. El enchapado de madera del círculo aislado se unió al cabezal fijado hacia arriba con adhesivo termofusible de poliuretano 3731 (Minnesota Mining and Manufacturing Corporation (3 M), Shanghái, China). Luego, el resto de la muestra se sujetó por los bordes. Había 12 especímenes en cada grupo y la velocidad de carga era de 2 mm/s. El instrumento experimental fue una máquina de prueba mecánica universal (RGT-20A; Shenzhen Reger Instrument Co., Shenzhen, China).

Se midió la prueba de resistencia de la unión del composite WF/PP revestido.

La rugosidad superficial de la placa base WF/PP se detectó con un instrumento de medición de rugosidad superficial de tipo contacto (SJ-210, Mitutoyo Japan Corporation, Kawasaki, Japón). La altura máxima del perfil (Rz), la desviación media aritmética del contorno (Ra), la altura del perfil de la superficie Raíz cuadrada media (Rq) y la curva del contorno de la superficie se miden y calculan de acuerdo con "ISO 4287:1997 Especificaciones geométricas del producto (GPS) —Textura superficial: Método del perfil—Términos, definiciones y parámetros de textura superficial". La longitud de prueba es de 5 mm; la sonda está hecha de adamas y la velocidad de movimiento es de 0,5 mm/s; la presión de la sonda es de 4mN; el filtro es GAUSS; el número de recopilación de datos es 8000.

Los especímenes se cortaron en la forma que se muestra en la Fig. 3 y se inmovilizaron entre dos mordazas. El ancho de la sección se etiquetó como "b" y el ancho de agarre se etiquetó como "b1". La velocidad de carga fue de 2 mm/min, la distancia entre las mordazas fue de 120 mm y el espesor de la muestra fue de 6 mm. Los especímenes se probaron con la máquina de prueba mecánica universal RGT-20A (Shenzhen, China).

El espécimen de prueba de propiedades de tensión.

Como se muestra en la Fig. 4, la distancia (l1) entre las dos cabezas de soporte era 20 veces el espesor de la muestra (l), el diámetro de las cabezas de soporte (d2) era de 15 mm, el ancho de la muestra era de 50 ± 1 mm, el la longitud de la muestra (l2) era igual a l1 más 50 mm, la velocidad de carga era de 10 mm/min y el diámetro del cabezal de carga (d1) era de 30 mm.

La prueba de propiedades de flexión.

Se utilizó un probador de impacto de baja velocidad completamente digital Instron 9250HV (Norwood, MA, EE. UU.) para probar la resistencia al impacto de baja velocidad, como se muestra en la Fig. 5. La muestra se colocó en el soporte de muestra para inmovilizarla. Luego se ajustó el haz para mover el martillo hacia abajo hasta que tocó ligeramente la superficie de la muestra. La cabeza del martillo era una semiesfera de acero con un diámetro de 22 mm. El martillo pesaba 5.375 kg. Cada grupo de muestras se probó con una energía de impacto inicial de 100 J para confirmar que el aparato podía probarlas hasta su destrucción. En este primer ensayo, todas las placas se rompieron y exhibieron deformaciones plásticas permanentes también en otras formas.

El aparato de prueba de impacto de baja velocidad.

La velocidad de impacto inicial fue de 2,156 m/s. La energía cinética del impacto se determinó mediante la Ec. (1),

donde m es la masa del martillo (kg), v0 es la velocidad instantánea del impacto cuando el martillo golpea (m/s) y U es la energía del impacto absorbida por el panel (J). La energía de impacto absorbida por el panel se calculó de acuerdo con la Ec. (2),

donde \({v}_{t}^{2}\) es la máxima velocidad de rebote instantánea del martillo (m/s) y \(\left(\frac{1}{2}\right)m{ v}_{t}^{2}\) es la energía cinética del golpe de ariete causada por la liberación de energía de deformación elástica del panel (J). La carga de impacto se calculó mediante la ecuación. (3),

donde a(t) es la aceleración instantánea (m2/s) y V(t) es la velocidad instantánea durante el proceso del experimento (m/s). El desplazamiento durante el proceso de impacto se calculó mediante la ecuación. (4),

donde D(t) es el desplazamiento durante el proceso de impacto (m)23,24.

La capa de unión entre el tablero compuesto de WF/PP y la chapa de álamo se observó con un microscopio electrónico de barrido (JSM7500F; JEOL, Tokio, Japón). Los cortes de la sección se prepararon mediante microtomía (descrito a continuación). Las muestras se recubrieron con oro y luego se examinaron con un voltaje de aceleración de 5 kV. La sección transversal de los compuestos WF/PP decorados fue investigada por SEM.

La Tabla 2 muestra la media aritmética de la resistencia de unión superficial de los compuestos WF/PP decorados con chapa de álamo con diferentes contenidos de fibra de madera. La fuerza de unión superficial del panel decorado con CPP como capa intermedia fue superior a 1,2 MPa. A medida que aumentaba el contenido de fibra de madera en el sustrato compuesto de WF/PP, también aumentaba la fuerza de unión de la superficie de la chapa (Fig. 6). Esto se debe a que un mayor contenido de fibra de madera aumenta la rugosidad de la superficie del sustrato, lo que a su vez aumenta el área superficial microscópica y, por lo tanto, mejora la unión.

La fuerza de unión de la superficie de los compuestos WF/PP enchapados en madera.

Las imágenes SEM de la sección transversal de los compuestos WF/PP se muestran en la Fig. 7. Las tres capas de WF/PP, CPP y chapa de álamo eran claramente evidentes. Había una pequeña brecha entre el material base CPP y WF/PP cuando la proporción de WF a PP era 6/4 (Fig. 7a). El espacio se hizo más delgado a medida que aumentaba el contenido de fibra de madera, como se ve en la Fig. 7b, c.

Las imágenes SEM de la sección transversal de las interfaces entre la chapa de madera, CPP y WF/PP (a) WF/PP = 6/4, (b) WF/PP = 7/3 y (c) WF/PP = 8/2 tableros compuestos.

La rugosidad de la superficie es uno de los factores que afectan la fuerza de unión25,26. En la Fig. 8 se encuentra que la amplitud de rango de la altura del contorno de la superficie aumenta con el aumento del contenido de fibra de madera en el compuesto WF/PP. Esas abolladuras podrían proporcionar un área de superficie más específica y un punto incrustado para el CPP fundido. Los parámetros de rugosidad de la superficie se calculan sobre la base de la norma ISO 4287:1997 y se enumeran en la Tabla 3. Ra y Rq representan la rugosidad de la superficie y el valor más alto, respectivamente, lo que significa la mayor rugosidad. El Rz significa la altura máxima desde el punto más bajo hasta el más alto. Los parámetros Ra, Rq y Rz aumentan con el aumento del contenido de fibra de madera. Combinando la afirmación de la fuerza de unión de la superficie, esta rugosidad de la superficie se debe a las fibras de madera expuestas. Esas fibras de madera expuestas no podían formar una superficie lisa como el PP. La rugosidad de la superficie está relacionada con la fuerza de unión del tablero compuesto WF/PP enchapado.

Contorno de la superficie del compuesto WF/PP.

Como se muestra en la Fig. 9 y la Tabla 4, la resistencia a la tracción del grupo de control y el grupo compuesto de WF/PP enchapado disminuyó a medida que aumentaba el contenido de fibra de madera. Esto se debe a que la fibra de madera interrumpe la continuidad del sistema compuesto WF/PP con altas cargas de fibra de madera. La matriz de PP no pudo cubrir y adherirse completamente a las fibras de madera en los compuestos con alto contenido de fibra de madera, lo que redujo la resistencia a la tensión del compuesto. La adición de carillas mejoró la resistencia a la tensión del composite.

Las propiedades de resistencia a la tensión de los compuestos WF/PP.

Sin embargo, el módulo tensional siguió la tendencia opuesta (Fig. 10). La resistencia a la deformación por tracción de los compuestos WF/PP aumentó a medida que aumentaba el contenido de fibra de madera, lo que indicaba que la fibra de madera en el compuesto mejoraba el módulo de tensión del compuesto. El valor medio del módulo de tensión de los composites revestidos es superior a 2,5 GPa. La chapa de madera aumentó el módulo de tensión y pareció haber sido el factor principal que determinó el módulo de tensión en todas las muestras enchapadas porque todas las proporciones WF/PP proporcionaron un módulo de tensión similar una vez enchapadas dentro del margen de error.

Las propiedades del módulo de tensión de los compuestos WF/PP.

Los resultados de la resistencia a la flexión se muestran en la Fig. 11 y la Tabla 5. En el grupo de control, la resistencia a la flexión es similar a los datos del informe de Chattopadhyay27. La resistencia a la flexión del grupo de control disminuyó a medida que aumentaba el contenido de fibra de madera. Al igual que con los resultados de la prueba de tensión informados, se esperaría que la adición de fibra de madera disminuya la resistencia a la flexión. Sin embargo, las carillas produjeron un aumento notable en la resistencia a la flexión en formas que una vez más dominaron los resultados. Esto era de esperar ya que la resistencia a la flexión de una muestra en flexión está dominada por las propiedades mecánicas de la capa más alejada de su línea central de flexión. La resistencia a la flexión disminuyó a medida que aumentó el contenido de fibra de madera en los compuestos WF/PP. La tendencia marcadamente opuesta de la resistencia a la flexión entre el grupo de control y el grupo decorado se atribuyó a la resistencia de las chapas de madera y la eficacia de su unión al compuesto WF/PP a través de la interfaz CPP. Esto se volvió más efectivo a medida que aumentaba el contenido de fibra de madera en los compuestos WF/PP, como se muestra en la Fig. 6.

Las propiedades de resistencia a la flexión de los compuestos WF/PP.

La curva de esfuerzo de flexión-deformación por flexión, que se muestra en la Fig. 12, aclaró el desempeño de la unión entre el compuesto WF/PP y el CPP y su efecto en la resistencia a la flexión. La deformación por flexión aumentó a medida que aumentaba el esfuerzo de flexión, pero las curvas presentaban una forma diferente cerca del punto de falla. Los especímenes WF/PP = 6/4 y WF/PP = 7/3 tuvieron una relajación de la tensión que indicó que la falla de estos dos composites revestidos fue capa por capa. A medida que aumenta la tensión, la deformación entre cada capa aumentaría el corte interlaminar y la unión entre el CPP y el WF/PP podría romperse. En tal caso, la falla se indica en la curva de esfuerzo de flexión-deformación por flexión como una disminución de la carga. La curva del compuesto WF/PP = 8/2 no mostró fase escalonada, solo una pérdida abrupta de carga. Esto indicó que la interfaz entre el WF/PP y el CPP era firme y, por lo tanto, la falla se produjo como ruptura por tracción en lugar de falla por corte interlaminar.

La tensión de flexión frente a la tensión de flexión de los composites WF/PP revestidos.

El módulo de flexión del grupo de control y el compuesto revestido aumentaron a medida que aumentaba el contenido de fibra de madera (Fig. 13). El módulo de tensión también aumentó a medida que aumentaba el contenido de fibra de madera porque las fibras de madera tienen un módulo de tensión más alto que el PP. Además, en la compresión, las fibras de madera se alinean direccionalmente en el compuesto WF/PP en la dirección de extrusión. La rigidez a la flexión del compuesto de WF/PP revestido se vio reforzada por las fibras de madera dentro del material base y por el revestimiento fuera del compuesto de WF/PP.

El módulo de flexión de los compuestos WF/PP.

La Figura 14a muestra la parte inferior perforada del compuesto WF/PP = 6/4 del grupo de control sin revestimiento después del impacto del martillo de caída a 100 J. Como muestra el diagrama, el orificio era aproximadamente circular en el lado del impacto y había evidencia de un cono de fragmentación completamente partido en la parte inferior. Las Figuras 14b,c muestran la parte inferior perforada del compuesto WF/PP revestido después del impacto de baja velocidad a 100 J. La cara de impacto de estos especímenes tenía un orificio pequeño y limpio, como el del control WF/PP en la Fig. 14a . Sin embargo, la superficie inferior del composite revestido mostró diferentes patrones de destrucción con diferentes proporciones WF/PP. La chapa de madera de la parte inferior del compuesto WF/PP = 6/4 se separó del material base compuesto WF/PP. Esto confirmó que después de que la cabeza del martillo perforó el compuesto WF/PP, la cabeza del martillo separó la chapa de madera del compuesto WF/PP antes de que penetrara la chapa de madera en una acción separada y secundaria. La destrucción de la parte inferior del compuesto WF/PP = 8/2 mostró un borde ordenado, un patrón que era muy diferente del espécimen WF/PP = 6/4. El resultado en la Fig. 14c muestra que la chapa de madera y el compuesto WF/PP se adhirieron fuertemente como una placa completa durante el impacto, con la chapa y el WF/PP permaneciendo unidos.

Imágenes de las formas de perforación típicas de (a) WF/PP = 6/4 (control), (b) WF/PP = 6/4 y (c) WF/PP = 8/2 tableros compuestos después de la baja pruebas de impacto de velocidad.

Los resultados del tiempo de carga por impacto de tres composiciones se muestran en las Figs. 15, 16 y 17. En la fase inicial de la prueba (aproximadamente 2 s de duración), la carga aumentó rápidamente en una relación lineal con el tiempo. Tanto las muestras de control como las recubiertas mostraron esta relación en las tres composiciones. Una vez que se rompió la chapa de madera, lo que sucedió después de aproximadamente 2 s, la carga exhibió una pequeña disminución. Poco después, la resistencia aumentó debido al contacto con el núcleo compuesto de WF/PP. Los especímenes revestidos se comportaron de manera similar a los controles durante esta fase de la prueba. El grupo de control y el grupo revestido alcanzaron el pico de carga de impacto casi al mismo tiempo y con casi exactamente la misma fuerza aplicada con la muestra WF/PP = 6/4. Cuando se consideran conjuntamente la morfología de la sección transversal de la interfaz de la Fig. 7 y la fuerza de unión de la interfaz del compuesto decorado en la Fig. 6, parece que la chapa de madera no mejoró la resistencia a la penetración del tablero compuesto con WF/PP = 6/ 4 debido a la débil fuerza de unión entre la superficie de la placa base y la chapa de madera. Sin embargo, la fuerza máxima de carga de impacto del compuesto decorado fue mayor que la del grupo de control con las muestras WF/PP = 7/3 y WF/PP = 8/2. Esto se atribuyó a la fuerza de unión de la interfaz entre el núcleo de WF/PP y el enchapado de madera, que fue suficiente para que el panel enchapado se comportara como un panel completo para esta prueba. Esto sugiere que el efecto de mejora de la chapa de madera con respecto a la penetración está fuertemente influenciado por la fuerza de unión de la interfaz.

La curva de carga-tiempo de impacto de baja velocidad de WF/PP = 6/4 especímenes.

La curva de carga-tiempo de impacto de baja velocidad de WF/PP = 7/3 especímenes.

La curva de carga-tiempo de impacto de baja velocidad de WF/PP = 8/2 especímenes.

Como se muestra en las Figs. 18, 19 y 20, el trabajo elástico juega un papel decisivo en la etapa inicial de absorción de energía. El trabajo de deformación plástica y la propagación de grietas absorben energía adicional ligeramente antes de que el material comience a romperse en términos masivos. A medida que crecen las grietas por impacto, el material en la región de impacto finalmente se rompe instantáneamente. En este momento, la energía sube rápidamente. Cuando la cabeza de impacto perfora todo el tablero compuesto, la curva de energía tiende a estabilizarse.

La curva energía-tiempo de deformación del martillo de caída de la muestra WF/PP = 6/4.

La curva energía-tiempo de deformación del martillo de caída de la muestra WF/PP = 7/3.

La curva energía-tiempo de deformación del martillo de caída de la muestra WF/PP = 8/2.

La energía de deformación para atravesar el tablero compuesto de WF/PP decorado fue mayor que la del grupo de control. Esto se debe a que la chapa de madera era más blanda que el tablero compuesto WF/PP, por lo que la chapa de madera absorbió una parte de la energía de deformación. La capa adhesiva elástica también absorbería parte de la energía de deformación. Por otro lado, la chapa de madera reforzó todo el tablero compuesto, lo que resultó en una mayor absorción de energía. La muestra revestida WF/PP = 8/2 tuvo la fuerza de unión de interfaz más alta y la muestra revestida WF/PP = 6/4 tuvo la más baja. Sin embargo, tanto el composite revestido WF/PP = 7/3 como el WF/PP = 8/2 parecieron absorber un julio más de energía en esta prueba que el composite revestido WF/PP = 6/4.

La fuerza de unión de la superficie de los composites WF/PP revestidos con CPP como capa de unión superó los 1,2 MPa. A medida que aumentaba el contenido de fibra de madera en el WF/PP, también aumentaba la fuerza de unión entre la chapa de madera y el compuesto WF/PP. La interfaz entre el CPP y WF/PP también tendió a cerrarse.

La chapa de madera mejoró la resistencia a la tracción del compuesto. La chapa de madera fuera del compuesto también aumentó el módulo de tensión.

La resistencia a la flexión y el módulo mejoraron con la chapa de madera. Las propiedades de flexión también se vieron influenciadas por la resistencia de la interfaz entre la chapa de madera, la capa de CPP y el núcleo compuesto de WF/PP.

Los resultados de las pruebas de penetración progresiva e impacto a baja velocidad indicaron que un mayor contenido de fibra de madera de la placa base de WF/PP y una mayor fuerza de unión superficial conducirán a una mayor resistencia al impacto y absorción de energía.

El tablero compuesto de WF/PP enchapado en madera con CPP como adhesivo tiene una alta propiedad mecánica y una apariencia elegante que es apropiada para ser el piso interior y otros materiales para muebles de interior.

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Descargar referencias

Esta investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Subvención No. 31901243).

Escuela de Arte y Diseño, Universidad de Taizhou, Taizhou, 318000, República Popular China

Yinan Liu, Feng Chen, Xiaohui Ni y Xinghua Xia

Facultad de Tecnología Creativa y Patrimonio, Universidad de Malasia Kelantan, 16100, Kelantan, Malasia

XinghuaXia

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YL y FC diseñaron experimentos; YL, FC y XN realizaron experimentos; YL analizó los resultados experimentales. FC analizó los datos de secuenciación y desarrolló herramientas de análisis. XN ayudó con la prueba de propiedades mecánicas. YL, FC, XN escribieron el manuscrito. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Feng Chen.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Liu, Y., Chen, F., Ni, X. et al. El efecto del refuerzo sobre las propiedades mecánicas de los compuestos de fibra de madera/polipropileno enchapados ensamblados con polipropileno clorado. Informe científico 12, 14007 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17777-w

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Recibido: 24 Abril 2022

Aceptado: 30 de julio de 2022

Publicado: 17 agosto 2022

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

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