木塑复合材料加工技术、研究现状及发展趋势道

1、木塑复合材料加工技术研究现状及发展趋势第1页共23页木塑复合材料加工技术、研究现状及发展趋势一木塑复合材料加工技术随着科学技术的发展现代社会对材料的要求更高了既要求其有较好的物理力学性能 对人类有亲和力又要环保。木材是一种天然生物质材料自古以来被人们广泛喜爱和 使用。随着我国天然林面积的减少和“天然林保护"政策的实施木材资源困乏、质量下降、木材价格越来越高、木材加工 业的废弃物增多以及世界林产品需求量的增加都使得林产品工业越来越迫切地感到 需要寻找木材的替代品。而由于生产和生活水平提高过去被大量用于烧柴的木制品 加工废弃物如木屑、刨花、边角废料以及大量农作物纤维如秸秆、稻糠、果壳等被

2、 严重浪费并对环境产牛极大的破坏性影响。据统计我国每年由于木材加工余下的废 弃木粉量达数百万吨其他天然纤维如稻糠等的产量上千万吨这些资源如能得到有效 开发和利用价值可观。在不断研究中人们认识到木材改性技术可以实现新的突破而 填充改性既可以降低产品成本乂可以提高产品的使用性能甚至赋予木材材料全新的 性能从而使木材行业有了新的生机。与此同时塑料制品在牛产和牛活中的应用随着经济发展越来越广泛因塑料废品处理 不当而造成的白色污染问题已经成为一大环保难题。有关数字表明在城市垃圾中塑 料废弃物已占到垃圾总量的2535o在我国城市人口每年产生的废i口塑料达240万280 万吨已成为环卫部门的严重负担。如果能

3、将废旧塑料制品有效利用起来将对环保和 经济发展产生巨大的推动作用。这种背景下将木质纤维与废旧塑料经过特殊处理合 成新的材料即木塑复合材料woodpolymer composites简称wpc也就应运而牛了。1木塑复合材料的定义木塑复合材料wpc是以木材为主要原料形式有锯末、木屑、竹屑、稻壳、麦秸、 大豆皮、花生壳、廿蔗渣、棉秸秆等经过适当的处理使其与各种塑料用于木塑复合 材料的热塑性塑料主要有聚氯乙烯pvc聚乙烯pea聚丙烯pps聚苯乙烯pst 聚甲基丙烯酸甲酷cpmm以及聚乙烯pe聚丙烯pp、聚苯乙烯ps等按一定比例混合 并添加特制的助剂如偶联剂、分散剂、增塑剂、润滑剂、热稳定剂、着色剂、阻

4、燃 剂、防霉剂等加工助剂经高温、挤压、成型等工艺制成的一木塑复合材料加工技术 研究现状及发展趋势第2页共23页种新型复合材料是一种高性能、高附加值的绿色环保复合材料其性能优良、用途广 泛、利于环保有广阔的发展前景值得大力研发推广。2木塑复合材料的分类 木塑复合材的制造方式目前主要有两种一种是将塑料单体或者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 合所得复合材料称为塑合木。这种复合方式可以提高木材的尺寸稳定性、耐腐性、 防蛀性以及木材的物理、力学性能。所浸注的单体一般釆用苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯等单 体。另一种是将木材以刨花、纤维和木粉的形态作为

5、增强材料或填料添加到热塑性塑料 中并通过加热使木材与熔融状态的热塑性塑料进行复合而得到的复合材料称为木塑 料复合材料简称wpco从木塑复合材料的基体与功能体结合方式考虑可将其分为以下三类1实体木材一塑料复合材料此类材料以基体与功能体之间或功能体在基体内部的化学 合成反应为主要特征。2木纤维木粉一塑料复合材料此类材料以木质纤维材料为基体与高分子量塑料直接复 合其结合方式以两种材料表面或界面物理结合为主。此种材料的制造工艺是将木纤维或木粉与塑料充分混合在混合过稈中塑料熔化形成 制品。当木材组分低于50时称为木质填料塑料而木材组分高于60时则称为热塑性树脂增强型复合材料。该种复合材料的某些物理力学指

6、标优于纯木材制品可再成型为 各种模压制品在包装、家具、房屋建筑及汽车内饰件等领域具有广泛的应用前景。 3木材一塑料合金复合材料。将实体木材或单板用一种聚合物的单体或预燃物浸注然后再使其在木材屮聚合。一 般来说这种聚合物不能进入木材的细胞壁而是存在于细胞腔内。此种聚合材料比原 有材料具有更高的强度、刚度、耐磨性及其它一些优良的物理性能。可制成地板、 乐器、运动设备及装饰材料等。木材塑料合金复合材料要求木材高分子与塑料的完全融合具有类似于金属材料以及 共混高分子材料所达到的那种状态。该种复合材料首先要对木材的化学组分进行改 性使其能溶于某些溶剂之中或与高分子塑料之间相互均匀分散。3木塑复合材料的特

7、点木塑复合材料加工技术研究现状及发展趋势第3页共23页 1木塑复合材料的优点 社会经济性好可持续发展特别适于我国“天然林保护"的国策 耐用、寿命长类似木质外观比塑料硬度高 具有优良的物性比木材稳定性好不会产牛裂缝、翘曲、无木材竹疤、斜纹加入着 色剂、覆膜或复合表层可制成色彩绚丽的各种制品 具有热塑性塑料的加工性容易成型用一般塑料加功设备或稍加改造后便可进行成 型加工。加工设备新投入资金少便于推广应用 有类似木材的二次加工性可切割粘接用钉子或螺栓连接固定 利于装潢、装饰可涂漆美化产品规格形状可根据用户要求调整灵活性大 不怕虫蛀、耐老化、耐腐蚀、吸水性小、不会吸湿变形 能重复使用和冋收再

8、利用可以生物降解保护环境 利于环境保护可用废弃木材、农作物纤维和废弃塑料作材料 资源丰富费用低廉成本低。2木塑复合材料的缺点尽管广大的科研和工程人员做了不懈努力但木塑复合材料在各种使用场合中仍存在 着一些不足主要表现为1密度高通常为木材的24倍2产品的安装费用相对较高由于复合材料的密度较大在组装时需要使用射钉枪或自 攻螺钉3耐热性和耐紫外线能力较差4制品的硕度和载荷能力较木材差。3 国产塑木复合材料质量上存在的主要问题a、制胡抗冲击性能差脆性大易损坏断裂。其原因废旧塑料及木粉天纤质量不合格选择不当配方及工艺条件不合理原料含水量 高加工时产生气泡水解或热分解使树脂分子量降低所致。b、制品结构不密

9、实有气孔蜂窝剥离或分层。其原因原料混合不均匀混炼效果不好没有应用塑料改性技术使两种极性不同的物质 塑料/天纤不相容不能牢固粘结的结果。c、制品表面不平整有斑孔翘曲变形。其原因螺杆、料筒有伤痕缺陷引起物料滞留或碳化原料不符合规格要求含有杂质没 有选用流动性适宜收缩率和各向异性小的基体树脂对定型模冷却控制不木塑复合材 料加工技术研究现状及发展趋势第4页共23页好。由于木塑复合材料具有比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木的废弃木材和塑料用此技术牛 产出来的木塑复合材料可取代木材使用有力地缓解我国因森林资源贫乏而木材供应 紧缺的矛盾。木塑

10、复合材料生产技术既符合国家经济形势发展的需要也衬合国家的 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和良好的 经济效益和社会效益。4木塑复合材料的应用木塑复合材料的应用领域木塑材料应用于包装行业主要是托盘、包装箱、集装器具等。因而在国内有很大的市场需求。木塑材料具有耐潮、防虫蛀等特点适用于仓储 行业使用的货架铺板、枕木、铺梁、地板等。木塑材料制成的凉亭、座椅、花盆、 垃圾桶等具有防水、防潮、防腐的特点而且寿命长、价格低用木塑复合材料制作房 屋、室外地板阳光房码头、护栏等产品已在国外开始起步。近几年来

11、由于木塑复合材料的木质材料组成部分正在向各种其它植物纤维材料发展 因此从更广泛意义上讲木塑复合材料实质上已成为以各种植物纤维材料为基体与各 种不同塑料形成的一类新型复合材料。它的岀现有利于缓解目前木材资源紧缺和废 弃物回收利用困难的问题提高产品的附加值可以广泛应用于汽车工业、建筑行业、 室内装饰、家电和运输等行业方面。研究木塑复合材料是木材工业史上的革命性发 展是现代材料工业发展的主要方向之一。概括地说在国内木塑复合材料的应用领域包括包装、运输类托盘、军品和民品包装箱、玻璃包装箱、周转箱插车货板、仓储垫板 、铁路枕木等园林景观类凉亭、座椅、栅栏、铺板等市政产品车辆船舶类汽车等内装材、风扇罩、仪

12、表架等部件、船舶内装和隔热材等家装及建筑类活动房屋窗框门板门褴混凝土模板楼梯拍手墙壁天棚装饰各种异型材 地板、家具等建材用品其它类农用大棚支架及用桶、钓鱼用帥板、水产箱、教学用品、枪托、球拍、滑雪 板、高尔夫球棒、舞台用品以及各种模型等随着挤出设备和挤出技术的发展人们通过木塑复合微孔发泡技术制得木塑复合微孔 发泡材料它比不发泡材料具有更高的冲击强度、更高的韧性、更长的疲劳寿命、更 木塑复合材料加工技术研究现状及发展趋势第5页共23页好的热稳定性和更低的密度降低密度达75或更高从而进一步拓宽了木塑复合材料制 品的应用范围。5木塑复合材料用添加剂木塑复合材料经常要有一些助剂加入如偶联剂、光稳定剂、

13、色素、润滑剂、杀真菌 剂和发泡剂。下表列举了常用助剂及其在复合材料中所起的作用。助剂应用举例 热稳定剂防止加工过程中聚合物降解酚醛树脂主要和亚磷酸盐次要光稳定剂 防止紫外光对聚合物的伤害hals阻胺光稳定剂紫外光吸收剂偶联剂 改善木塑界面结合提高强度减少吸水保持机械性能马来酸酢改性聚烯绘润滑剂 改善流动性能提高生产效率减少边缘磨损硬脂酸锌、乙烯基而硬脂酰胺色素 美化制品表面并有一定紫外防护能力混合染料杀虫剂防止细菌真菌侵蚀 异卩塞卩坐类物质发泡剂减小材料密度和制品重量放热型偶氮碳胺吸热型碳酸氮钠.6 木塑复合材料加工工艺木塑复合材料最先使用的生产工艺是混炼再热压或发泡压制成平板或模压成型材。

14、现在的生产工艺以挤出成型为主并辅以注射成型。国内木塑复合材料的主要成型方 法有浸溃成型、平压成型、模压成型、挤出成型、热压成型、辐射法成型、注射成 型等。最早使用的为浸渍法近年来木塑复合材料的生产工艺基本采用两步法即先进 行共混造粒再进行成品挤出。因为用这种方法加工制品成本较高自1999年起就开始 研究该复合材料制品的一步法挤出成型技术即直接用挤出机进行该材料的混合与成 型因省掉造粒工序从而降低了成本并提高了产品的市场竞争力。挤出成型、热压成型、注射成型、模压成型是加工木塑复合材料的主要成型方法。 由于挤出成型加工周期短、效率高因此挤出成型方法是一种较为常用的工艺路线。 木塑复合材料加工技术研

15、究现状及发展趋势第6页共23页6注入单体聚合法 该方法的历史相对较早些。生产工艺是将化学单体注入木材然后再用高能辐射或加 热催化等方法制成木塑复合材料如图1。单板或木材成品图1 注入单体聚合工艺流程6.2非气流辅装成型该工艺是将木纤维与塑料或树脂在常温下混合木材纤维、束或其它纤维状材料经混合后通过一个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再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如图2。 木纤维或加合成纤维成品图2非气流辅装成型工艺流程6.3压制成型 这种方法采用类似于普通刨花板或干法mdf的生产工艺如图3。塑料木材 刨花或纤维成品图3压制成型工艺流程6.4木塑复

16、合材料平压法成型技术干燥 注入树脂单体高频辐射或加热催化聚合施胶叫、干燥纤维混合针刺铺网模压 清洗分离干燥造粒干燥改性施胶铺装热压冷却木塑复合材料加工技术研究现状及发展趋势第7页共23页工艺流程如下图4 平压法制备木塑复合材料的工艺流程将木粉和塑料共同混炼后热压或将木刨花与预先混炼的塑料混合热压压制成的板材 具有很好的力学性能经测试该性能达到刨花板国家标准的要求。在热压过程中压力 '定时当温声升至200 °c时模只中的物料达到最好的流动性。此时压制的板材性能较好。将塑料预先 混炼后再与木刨花混合热压成型时随着木刨花用量的增加静曲强度成线性增加混合 的质量比达到1 ： 3或1

17、： 4时有最大值此时制得的板材具有最好的力学性能。6.5 辐射法制备木塑复合材料工艺流程如下地下贮罐单体运送二段真空原木搬运 货架贮存药剂贮存浸渍槽装袋辐射制品贮存图5辐射法制备木塑复合材料的工艺流程浸渍有机单体的木制品经电离辐射处理后可制成一种新型材料木塑复合材料。 辐射法制备木塑复合材料的牛产技术可利用速牛、易得的木材如桦木、杨木等低档 木材经过辐射塑化处理来代替昂贵的优质木材有助丁解决优质木材缺乏的难题应用 前景广阔。6.6木塑复合材料挤岀成型技术可以用于木塑复合材料制品挤岀成型的设备有单螺杆挤岀机、双螺杆挤岀机以及串 联式磨盘挤出机。目前主要以前两种为主后者用于木塑复合挤出还是一个全新

18、的研 究领域尚处于实验阶段。挤出成型法是木塑复合材料加工中最重要的加工方法之一。这是一种低消耗高产出 适合各种异型材、板材的生产工艺。wpc的挤出工艺为木材纤维/木粉/刨花由特殊 的喂料器在塑料熔融时连续喂料木材纤维/木粉/刨花在双螺杆挤出机的熔融段被充 木塑复合材料加工技术研究现状及发展趋势第8页共23页分混合。此时木材中的水分由真空泵带走。在混合充分后混合物在一定压力下从模 口挤出制成型材或板材。这种挤塑可以挤出性能均一的材料。使用这种加工方式的 木材需要干燥以防止复合材料中出现气泡同时木材纤维/纤维状刨花的长径比要小 以免在加工时有大量的木材纤维/纤维状刨花交缠成团影响产品质量也使设备易

19、受 损伤。在挤塑加工工艺屮温度、转速是主要的参数。如果温度太高木材纤维会很快 降解其力学强度降低颜色变深从而影响复合材料的强度。一般加工温度都在150°c 200°c之间。转速和木材纤维在挤塑机中的停留时间对材料的影响很大如果转速太 快剪切力增大大量的木材纤维和刨花被剪断而且两种材料混合不均匀如果转速过慢 木材纤维和刨花在挤塑机中停留时间太长也会使部分木纤维或刨花降解。当加工温度高于200°c时木质纤维就可能发生降解因此在加工屮要严格控制物料在 挤出机内的停留时间避免过量剪切和剪切失控。木质纤维填充物料的粘度很大在剪 切时产生大量的粘滞热而且木塑混合物的热传导率很

20、低这两个方而都导致从熔体中 不能传递出足够的热量以防止木质纤维的降解和裂化。材料的这种加工性能不仅对 设备提出更高的要求而且限制了木塑复合材料的应用。为此用于木塑复合中的热塑 性塑料通常只能选择加工温度较低的塑料例如pp、ps、pvc、hdpe、ldpe等。挤出成型技术分为一步法和两步法。一步直接挤岀法采用一步直接挤出法物料在挤出机内被混合均化通过模具部件的几何形状成型产品o这对挤出机提出了更高的要求挤出机设计需有独特的压缩和低速剪切混合能力充 分优化给料区表面积使螺杆对原材料的热传导过程更块、更均匀。在螺杆设计时需 提供一个较大的给料区用于松散物料和在加工时施加自然压缩力其结果为木粉被更 有

21、效地“浸湿雹在减小剪切力的同时双螺杆间的深螺槽和紧凑的相交齿空隙优化挤 出料混合。在低螺杆转速状态下的高扭矩?k褂们崛岬牡图魁辛肌军 突旌辖档湍痉 韶纸馋俾省?预先造粒混合加工法稳定的原材料是正常挤岀的首要前提为了保证对纤维材料的可靠计量通常有必要采 用两步法挤出工艺对纤维材料进行造粒预先压缩与一步法直接挤出松散纤维相比这 种预混料方式可以把粉体密度增加到所需要的水平从而达到挤出产量易于流动性得 到改进。另外粉体密度的均匀性保证了挤出过程的一致性。在初期准备阶段冷热混 合、造粒可以将水分显著降至1并使木粉和塑料完全混合均匀这样塑料会完全渗透到木粉中。与一步法相比两步法 工艺可以提高型材的冲击性

22、能显著改善木塑复合材料的冲击韧性另外在湿度很低的 情况下小于1挤出机可以按照额定挤出量挤出。如果使用湿度大于8的木粉挤出量将会降低3050 o同样一木塑复合材料加工技术研究现状及发展趋势 第9页共23页步法££、中松啟的木粉不可避免地会引起牵引困难和配方的改变导致挤岀量的改变 o而两步法处理工艺就不存在该问题处理过的原材料可以毫无问题地用于挤出甚至 可以和pvc型材挤出相类似在挤出过程也不必调整和不断地优化挤出工艺参数。 木塑复合材料的导热性差且其制品多为异型材冷却定型较困难多采用水冷定型。冷 却流道合理设计保证高效冷却。第一一步挤出成型工艺流程图图6 一步挤岀成型工艺流程

23、图第二两步法挤岀成型工艺混炼造粒和挤岀成型 1混炼造粒工艺流程图木质纤维原料预处理预干燥预混合助剂混炼造粒 木塑粒料热塑性塑料助剂热塑性塑料挤出成型定型冷却挤出机牵引木塑制品 木质纤维原料木塑复合材料加工技术研究现状及发展趋势第10页共23页图7 混炼造粒工艺流程图2两步挤出成型工艺流程图图8两步挤出成型工艺流程图6.7 木塑复合材料热压成型技术该工艺可成型一定规格的不连续的塑木制品加工工艺类似于密度板的成型工艺。 热压成型工艺流程图图9热压成型工艺流程图6.8木塑复合材料模压制造技术 模压法因为具有可以将木纤维的添加量大大提高木纤维可有较大的长径比且加工工 艺简单可利用现有国产普通人造板工艺技术及设备等优点受到越来越广泛的重视。 以铺装后模压成型加工成的产品一般来说形状较为简单其中以板材居多。由于木材 纤维施加偶联剂回收的塑料磨粉与分选常温混合铺装热压冷却陈放性能检测 预压试件加工木塑粒料干燥挤出机挤出成型定型冷却牵引木塑制品 木塑复合材料加工技术研究现状及发展趋势第11页共23页木纤维与塑料不经