木塑复合材料的应用与发展

1、木塑复合材料的应用及发展【摘要】木塑复合材料(WPC) 具有比单独的木质材料或塑料产品更优异的性质 , 是木材的理想替代品, 它的出现可以减少废弃木材和塑料对城市环境的污染, 也适应现代材料复合化发展的规律。本文简要介绍了木塑复合材料的成分、特点、加工工艺、在国内外的研究现状以及应用, 并对木塑复合材料的发展方向进行了分析 , 充分肯定了发展木塑复合材料的必要性和可行性学号： B08152045姓名：陈静文2010/12/12木塑复合材料的应用与发展Compound wood application anddevelopment【摘要】 木塑复合材料 (WPC) 具有比单独的木质材料或塑料产品

2、更优异的性质, 是木材的理想替代品, 它的出现可以减少废弃木材和塑料对城市环境的污染,也适应现代材料复合化发展的规律。本文简要介绍了木塑复合材料的成分、特点、加工工艺、在国内外的研究现状以及应用,并对木塑复合材料的发展方向进行了分析, 充分肯定了发展木塑复合材料的必要性和可行性。【Abstract】Wood-plasticscomposites(WPC)has thansinglewoodorplasticproductsmoreexcellentproperties,istheidealsubstituteofwood, itcanreducetheappearanceofdiscarded

3、woodandplastictotheurbanenvironment pollution,butalsoadaptto the modernmaterialcompoundingthelawofdevelopment.This paperbrieflyintroducedthecompositionofwood-plasticscomposites,characteristicsandprocessingtechnologyandtheapplicationdevelopmentat homeandabroadandthe presentsituationofthe developmento

4、f wood-plasticscompositesdirectionisanalyzed,fully affirmedthedevelopmentof wood-plasticscompositesofnecessityandfeasibility.【关键词】 木塑复合材料；应用；发展前景；【Keywords】 wood-polymercomposites； application； developmentoutlook；近几年来，全球森林资源日趋枯竭，环境保护意识日渐高涨，对木材的应用也提出了更高的要求。为了节约资源，提高木材与塑料的利用率，克服塑料和木材行业面临的难题,提高农村废弃物和固体

5、垃圾的利用, 一种将天然木材与废旧热塑性塑料合成而得到的新材料木塑复合材料以其优异的性能得到越来越广泛的使用。木塑复合材料是利用木粉、竹粉、果壳粉或农作物秸秆粉和塑料树脂或废旧塑料为主要原料, 经高温混合、成型加工而制得的一种新型环保复合材料。木塑复合材料可以防虫蛀、抗腐蚀, 无须防腐处理进而减少环境污染 , 而且可以被加工成各种空心型材, 因此木塑复合材料被广泛应用于许多领域，是最具潜力的一种新型材料。木塑复合材料的开发与应用,具有良好的社会和经济效益。1 主要特点木塑复合材料的基础为高密度聚乙烯和木质纤维，决定了其自身具有塑料和木材的某些特性。1) 良好的加工性能木塑复合材料内含塑料和纤维

6、，因此，具有同木材相类似的加工性能，可锯、可钉、可刨，使用木工器具即可完成，且握钉力明显优于其他合成材料。机械性能优于木质材料。握钉力一般是木材的3 倍，是刨花板的 5 倍。2) 良好的强度性能木塑复合材料内含塑料，因而具有较好的弹性模量。此外，由于内含纤维并经与塑料充分混合，因而具有与硬木相当的抗压、抗弯曲等物理机械性能，并且其耐用性明显优于普通木质材料。表面硬度高，一般是木材的2 5 倍。3) 具有耐水、耐腐性能，使用寿命长木塑材料及其产品与木材相比，可抗强酸碱、耐水、耐腐蚀，并且不繁殖细菌，不易被虫蛀、不长真菌。使用寿命长，可达50 年以上。4) 优良的可调整性能通过助剂，塑料可以发生聚

7、合、发泡、固化、改性等改变，从而改变木塑材料的密度、强度等特性，还可以达到抗老化、防静电、阻燃等特殊要求。5) 具有紫外线光稳定性、着色性良好。6) 其最大优点就是变废为宝，并可 100 回收再生产。可以分解，不会造成“白色污染”，是真正的绿色环保产品。7) 原料来源广泛生产木塑复合材料的塑料原料主要是高密度聚乙烯或聚丙烯，木质纤维可以是木粉、谷糠或木纤维，另外还需要少量添加剂和其他加工助剂。8) 可以根据需要，制成任意形状和尺寸大小。2 加工工艺木塑复合材料主要有四种加工工艺：挤出注塑法；无纺织成型法；人造板加工方法；实木浸注聚合法 1 。挤出注塑法是采用传统的塑料制品生产工艺，该方法适用于

8、植物纤维以粉状形态出现，要求混合体系有一定的黏度及流动性，与塑料基体熔融混合后挤出或注塑加工成型材。此方法可连续性生产，操作方便，生产效率高，目前应用最为广泛。无纺织成型法也叫非气流铺装成型法，即将木纤维与塑料基体在常温下混合，木纤维及其他纤维状材料经混合后通过针刺工段，用薄型无纺布衬托而制成纤维相互缠绕的低密度板坯，可根据最终产品的需求和要求，将一块或数块板坯热压成最终产品，主要用于汽车内饰件材料。人造板加工方法类似于普通刨花板的生产工艺，将木质材料与回收塑料混合 (铺装 )后再热压复合而制成。塑料既是传统人造板的改性剂也完全替代了传统人造板的粘合剂，该法适于植物纤维含量比较高的复合材料的生

9、产 2 。实木浸注法即以木材为基质的塑合木， 将塑料单体或低聚合度树脂浸入到实体木材中， 通过加热或辐射引发塑料单体或者低聚合度树脂在木材中进行自由基聚合。此方法研究的历史较早，采用的树脂单体有苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、乙酸乙酯、丙烯腈等乙烯类单体。然而此种方法制备工艺复杂，不利于商业化应用。 Loo-Teck Ng 等 3 采用-射线引发注入木材中的 MMA 自由基聚合，制作木塑材料。RashmiR.Devi,Iliao Ali等4 采用在软木中注入单体苯乙烯、交联剂GMA 、引发剂 AIBN 等引发聚合交联对软木进行改性。3 国内外木塑复合材料 ( WPC) 的研究现状英国学者 R.G.Ra

10、j和B.V.Kola 采用了硬脂酸、 矿物油以及马来酸酐改性后的 PE蜡对木质填料进行处理 , 然后与 HDPE混合制成复合材料 , 他们主要研究了添加剂的种类和填料的含量对木塑复合材料性能的影响。试验结果表明,马来酸酐改性后的 PE蜡能明显改善木质填料与基体间的相容性(添加剂用量为1% 时 ) , 随填料用量的增加 , 抗冲击强度下降。但矿物油处理的填料能显著提高冲击强度。脂肪酸处理过的填料能有效改善纤维的分布 , 提高拉伸强度。20 世纪 80 年代以来 , 国外一些学者从事了 PVC/ 木粉研究 , 如加拿大的 B.V.KOKTV等人研究了不同的植物纤维表面改性方法对复合材料性能的影响,

11、 他们研究了包覆乳胶或接枝上聚合物/ 乙烯基单体 ,也可添加各种分散剂( 如硬脂酸 ) 及偶联剂 ( 马来酸酐、亚油酸等 ) 。大多数情况下复合材料的机械性能得到了提高 , 其中接枝是最有效的改性方法 , 偶联剂比分散剂的效果好 , 亚油酸被认为是最合适的偶联剂。加拿大多伦多大学的CHULB.PARK 、LAURENT 等的研究表明 : 氨基硅烷偶联剂处理木粉表面比较有效 , 其界面接触角提高 , 表面张力降低 , 木粉表面由亲水变为疏水 , 增强了木粉与树脂的联结强度。就加工设备而言 , 为了更好地提高混合效果,KLTLYAN 等人采用了带有两个进料口的同向啮合双螺杆挤出机。为了减小对植物纤

12、维的破坏 , 先将 HDPE 在第一个进料口放入 , 然后将处理后的木粉放入第二个进料口与已熔融的 HDPE混合。实验表明当啮合角为45 度时 , 双螺杆挤出机输送能力最高, 挤出制品拉伸强度和拉伸模量也最高。此外 , 日本、意大利、瑞士等许多国家对研究木塑复合材料越来越重视, 并竞相发明了可用于挤出、压延和注射成型的各种木塑制品。如日本已发明了木粉填充PE 、PP、 PVC 、 HIPS 、 ABS 、尼龙等的复合材料 , 可以在 2020 年以后使木材的进口率减至38% 。总之 , 植物纤维热塑性塑料的研究近几年来发展迅速, 木塑复合制品的性能得到了进一步提高。我国对木塑复合材料技术也进行

13、了多年的研究, 并取得了一些阶段性的成果 , 北京工商大学的王澜、董洁、卜雅萍等通过模压成型方法对聚氯乙烯/ 木粉木塑发泡制品进行了研究, 分析了木粉的不同填充量 , 不同处理方法 , 不同增塑剂用量以及工艺条件对复合材料性能的影响。由研究结果可知 : 稻壳粉含量为40 份时 , 制品的综合性能较好 ; 稻壳粉以硅烷偶联剂处理效果较好; 随着DOP 的用量加大 ,制品的拉伸强度降低, 冲击性能和发泡性能提高;实验中,工艺条件的控制是一个极为重要的因素, 它直接影响制品的性能5 。 北京化工大学塑料机械塑料工程研究所的赵永生、朱复华、薛平、刘素梅等采用电镜扫描观察了3种木粉的纤维细胞尺寸及其木粉

14、微观形态。研究了木粉粒度、微观特性以及木粉添加量对于聚氯乙烯(PVC) 木塑复合材料力学性能的影响。结果表明 ,木粉表面裸露的微细纤维增加和粒度减小,有助于提高木塑复合材料力学强度; 加入少量木粉使木塑复合材料力学性能降低, 但随着木粉添加量的增大, 木塑复合材料的抗弯性能和拉伸强度上升, 木塑复合材料的冲击强度随木粉含量增加而下降6 。华南热带农产品加工设计所刘惠伦等研究了剑麻短纤维和环氧化天然橡胶( ENR ) PVC 共混比对剑麻短纤维补强 , ENRPVC 复合材料性能的影响。结果表明 ,该复合材料具有较高的硬度和纵向拉伸强度,较低的扯断伸长率且扯断永久变形, 良好的耐油和耐老化性,

15、剑麻短纤维的用量宜为30份 ,ENR PVC 共混比宜为 70 307。在木塑复合材料的生产过程中,偶联剂的选择会对木塑复合材料的性能产生很大的影响。为了解决这个问题, 中国林业科学研究院的秦特夫、黄洛华等人以铝酸酯为偶联剂对木粉进行表面改性处理后制备的木粉/ 聚丙烯复合材料的力学性能和形态学特征进行了研究。结果表明:铝酸酯偶联剂可以增加木塑复合材料的抗冲击强度, 但会对复合材料的抗拉强度和抗弯强度造成负面的影响8。许民、谭海彦、 姜晓冰、 赵博则研究了马来酸酐(偶联剂 1) 和异氰酸酯 (偶联剂 2) 对木塑复合材料性能的影响。确定木材纤维与热塑性聚合物的比例7:3 、复合材料的设计密度为0

16、.7g cm3 ,在热压温度175 、热压时间 8min、偶联剂1或偶联剂2 加入比例均为 2% 的试验条件下 ,对比分析偶联剂产生的作用。结果表明:偶联剂 2对复合材料的力学性能影响显著; 对于同一种偶联剂,所用的热塑性聚合物材料不同,对复合材料性能的影响也存在较大的差异9。除了偶联剂外 ,润滑剂也会对木塑复合材料制品的性能产生巨大的影响。同济大学材料学院的方晓钟、黄旭东、 钟世云等讨论了两种润滑体系在PE 木塑复合材料中的应用 , 测试了材料的力学性能和加工性能。结果发现, 润滑剂需用量约为2% ,并保持物料较快塑化、 形成较大的挤出压力, 才能使 PE木塑复合材料获得较高的挤出速度和较好

17、的外观质量 , 产品的力学性能则基本不受润滑剂品种的影响10 。此外 , 人们还通过各种不同的方法改进木塑复合材料的性能。四川大学的杨鸣波等人使用了一种含酯键的表面活性剂处理秸秆粉, 制备秸秆 PVC 木塑复合材料 ,研究结果表明秸秆 PVC复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度随秸秆含量增加而下降,但下降幅度较小, 其所选的处理剂对复合材料的力学性能、加工性能有较好的改善作用。浙江大学的方征平等人研究了乙烯丙烯酸共聚物 ( EAA )对线型低密度聚乙烯木粉复合材料力学性能的影响, 并与其他几种弹性体的影响进行了对比, 发现 EAA对体系有很好的增容作用, 能明显提高材料的拉伸强度和冲击强度

18、11 。中科院广州化学所的廖兵等人采用化学改性方法, 研究接枝上有机氰乙基后对PVC 木纤维复合材料力学性能的影响。由于木纤维含有许多OH基团 ,使它表面是亲水的, 与 PVC 表面亲和性极差, 通过接枝反应 ,可将木纤维上的OH基团接枝上有机基团-CH 2 -CH 2 -CN , 使木纤维表面变成亲油性质,提高了木纤维与PVC两者界面粘着力,同时也使木纤维在复合材料中更易分散,从而能大大提高复合材料的拉伸强度和冲击强度。广东工业大学的李思良、 刘易凡、 陈璞研究表明 :采用 A151 对木粉进行表面处理 ,通过在植物纤维热塑性树脂 (HDPE) 的界面形成化学键合作用, 可有效改善植物纤维热

19、塑性树脂的界面胶接作用和提高植物纤维热塑性树脂复合材料的力学性能。中国石化齐鲁股份有限公司树脂研究所的苑东兴、刘容德、史贞、彭珍珍采用木粉对聚乙烯 (PE) 进行改性 , 研究了树脂牌号、引发剂、接枝单体对相容剂性能的影响 , 以及木粉的粒径、 水含量及相容剂用量等因素对聚乙烯木粉复合材料性能的影响 , 通过 SEM( 扫描电镜 )对材料结构进行了表征12 。4 全球木塑复合材料市场发展强劲北美是目前世界塑木复合材料市场最大的地区。美国PricipiaPartners咨询公司指出 ,2001 年仅北美市场用量就达32万吨 , 预计 2005年前需求量将以两位数速率递增, 2005 年用量将比

20、2001 年翻番 ,其中铺板 ( 包括平台、路板、站台、垫板 )用量就占总用量的 60% 以上。除铺板外 ,还有护墙板、天花板、装饰板、踏脚板、壁板、高速公路噪音隔板、海边铺地板、建筑模板、防潮板,均可使用塑木复合板材。 此外 , 还可用于装饰边框、 栅栏和庭园扶手、 包装用垫板和组合托盘, 以及家俱 (包括室外露天桌椅 )、船舶坐舱隔板、办公室隔板、贮存箱、花箱、活动架、披叠板、百页窗等。St randex公司指出 , 由于塑木复合材料是环保型材料, 尽管目前欧洲用量不大, 但因为加工厂担心欧共体会以法规的形式来有效地限用 PVC, 所以塑木窗框替代 PVC窗框是个巨大的市场和机会。因此有人

21、认为, 木塑制品替代 PVC 和其他塑料制品 , 会像以前塑料制品替代木制品一样快速增长 13。总之 , 由于木塑复合材料具有单纯的木材和塑料无法比拟的诸多优点,已受到国内外的广泛关注。该材料是绿色环保材料, 可以回收利用低成本的废旧木材和塑料,用此技术生产出来的木塑复合材料可替代木材使用,有力地缓解了我国森林资源贫乏所造成的窘境。木塑复合材料生产技术既符合国家经济形势发展的需要, 也符合国家的产业政策, 而且产品使用范围广。因此,可以相信木塑复合材料是一种极具发展前途的材料, 也是一项有生命力有市场开发前景的创新技术 , 具有广阔的市场前景、良好的经济效益和社会效益。参考文献1郑景新 ; 庞

22、浩 ; 陈永 ; 廖兵 ; 化学建材, Chemical Materials for Construction, 编辑部邮箱2008年 03 期2 王正,郭文静,高黎. 木塑复合刨花板性能、应用及发展趋势J. 人造板通讯,2005,12(5):12-15. 3 Loo-Teck Ng,John L.Garnett,Shahroo Mohajerani. Role of additives in wood-polymer composites. Relationship to analogous radiation grafting and curing processesJ. Radiation physics andchemistry,1999,55:633-639.4 Rashmi R.Devi,Ilias Ali,T.K.Maji. Chemical Modification of Rubber Wood with Styr