木塑复合材性能

木塑复合材料的性能

木纤维和植物纤维最初作为低成本、提高塑料刚性的改性填充材料，WPC可充分利用

资源，而且可回收利用，而材料能否回收利用已成为工业界选材的重要考虑因素，因而前景

看好。WPC与木材相比，它同向性、耐候性和尺寸稳定性好，产品不怕虫蛀、不生真菌、不

易吸水和变形，机械性能好，更耐用，具有坚硬、强韧、耐久、耐磨等优点。加上应用各种

添加剂，又赋予了木塑复合材料各种特殊性能;与塑料相比，它适用于各种木材加工方式，表

面易于装饰，可以印刷、油漆、喷涂、覆膜等处理，环俣性能好，可生产各种颜色整体木纹

产品及单色产品。

WPC具有使用寿命长、美观、可再生、成木低、防虫、防腐、抗滑、可喷涂、比纯塑料产

品的硬度高。可与木材一样进行加工、粘接和固定等优点［戴芳纳，赵伟，由婷，陈国柱，孙

思修.无机阻燃剂的应用进展.精细与专用化学品，2007,15（2）:5—1］其主要特点可归结如卜.：

（1）耐用、寿命长，有类似木质外观，比塑料硬度高；（2）具有优良的物性，比木材尺寸稳

定性好，不会产生裂缝、翘曲、无木材节疤、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；（3）具有热塑性塑料的加工性，容易成型，用一般塑料加工设备或稍加

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；（4）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，可涂漆，产品规格形状可根据用户要求调整,

灵活性大；（5）不怕虫蛀、耐老化、耐腐蚀、吸水性小，不会吸湿变形；（6）能重复使用和

回收再利用，环境友好；（7）维修费用低。缺点是韧性低于塑料母体树脂，加工设备、卜游

装置、模具均需作相应调整和改造［李大纲，周敏，许小君，木塑复合材料的产品性能及其应

用前景叮）.机电信息,20C4,10（5）:47—49］o

1WPC的基本物理力学性能

1.1WPC的拉伸、压缩强度及模量

木塑复合材料的拉伸、压缩强度及模量不是复合材料性能表征所要求的标准参数，也不

在ICC-ES验收标准或其他要求范围内，因此，在此仅对这些性能做简要的介绍。

在拉伸测试中，时间段不被夹紧，接着被拉断。选择“狗骨型”试件是为了尽可能减少试件

在夹具（钳口）处或其附近断裂的情况。在ASTMD638“塑料拉伸性能的测试方法”中试

件的具体形状进行了描述，简言之，通常拉伸测试读出的是试件的拉伸断裂伸长率，代表试

件的伸展或延伸。拉伸断裂伸长率通常用相对「标距拉伸的百分比来表示。标距是狗骨型试

件中间部分两个基准点间的距离。换言之，拉伸断裂伸长率等于拉伸应变乘以100o在压缩

测试中，通常将试件加工成长度是宽度两倍的直立棱柱，然后进行压缩试验。

1.2木粉填充量对WPC性能的影响

木粉含量与复合材料的力学性能的关系如图L1,1.2,13141.5所示。可以看出，随着木

粉含量的增加，弯曲强度，弯曲模量，密度增加；冲击强度，拉伸强度，断裂伸长率减小。这

是因为木粉的主要成分纤维素和木质素是属于刚性大分子，使得材料的刚性增加，韧性下降。

32

3M731

X

M>

29

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X2»7

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24

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38122

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木希有分比含■木粉百分比含量、

图1.1木粉含量与弯曲强度的关系图1.2木粉含量与拉伸强度的关系

~

、«

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M

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40SOM7060

本希的看分比片量、

图1.3木粉含量与冲击强度的关系图

26

2X4

为

.1*

1M<

.12

.1o

08

0ca

s

8

M

木粒百分比含量%

图1.5木粉含量与密度的关系

从上面的图形中可以看出，木粉对树脂具有一定的增强效果，随着木粉含最的增加，弯

曲强度和弯曲模量也随之增大，这说明了木粉对复合材料有一定的增强效果，但是随着木粉

含量的增加，拉伸强度与冲击强度却随之降低，这可能是由于随着木粉含量的增加，木粉团

聚的效果更加明显，木粉与树脂界面更加清晰，当复合材料受到拉伸和冲击之后，在界面处

容易形成应力集中点，所以冲击强度与拉伸强度随着木粉含量的增加而随之降低。伸长率也

随之降低。而密度却随木粉含量增加而增大。

1.3木塑复合材料密度对WPC性能的影响

就木塑复合材料而言,不能过于看重密度的重要性。这里所说的“密度”并非不同WPC

的绝对密度，而是与相同WPC材料可能的最高密度相比较低的密度，它是由各组分的密度

所次定的。

（I）以Trex铺板板材为例，它是由质晟分数为50%的聚乙烯（LDPE/LLDPE/或HDPE）

和50%的木粉组成的，其中LDPE/LLDPE的密度是O.925g/cm3,HDPE的密度是0.96

g/cm3,木粉的密度是1.30g/cm3。在自然压实状态下，这两种组分决定了复合材料

的密度,LDPE/LLDPE基Trex板材的密度是1.08g/cm3,HDPE基Trex板材的密度是

L10g/cm3。据报道,Trex的实际密度是0.91〜0.95g/cm3。因此Trex复合材料14%~21%

的体积是空洞和孔隙。

（2）密度对弯曲强度和模量的影响

（3）密度越低，弯曲强度和弯曲模量就越低。一般来说，密度与弯曲强度和弹性模量有一

定的相关性，对于许多其他材料，这种相关性与孔隙率无关。此外，木塑复合材料中

的矿物质填料增加了最终产品的密度，同时也提高了其弯曲模晟。

（4）密度对含水率和吸水性的影响

密度越高，木塑复合材料板材的含水率显然就越低，板材的吸水率越低，膨胀和翘曲越

小，微生物污染和微生物降解也越少。

（5）对于最致密的GcoDcck铺板板材（比重为1.24-1.25g/cm3）,含水率约为

0.4%~0.5%（磨刷的板材。对于密度非常低的GeoDeck板材（比重为1.10g/cm3）,含

水率约为1.7%。

（6）一般而言，复合材料的吸水率取决于其孔隙率、纤维素纤维的含量及对•所吸收水分

的利用性。由于木塑复合材料中的木纤维暴露在空隙中，会增加木塑复合材料的吸

水率。

（7）密度对收缩率的影响

通过对GcoDcck铺板板材、栏杆支柱等制品的收缩率的研究发现，密度越低,收缩

率越高。表1.1列出了一个例子，显示的由GeoDeck复合材料支柱得出的数据。支

柱的制备采用了有排气和无排气的工业挤出机.湿的或干的颗粒料以及各种挤出速

__________________度。通过改变条件.生产出不同密度的支柱。

表1.1GeoDeck栏杆支柱的密度（比

重）对收缩率的影响。材料生产24h后在

收缩率/%

烘箱中200F下暴露4h,测量收缩率。"乂那牛/

比重，（g/cn?）

1.030.59

1.050.36

1.080.28

1.160.23

__________________1.240.20

（8）密度对摩擦系数（滑移系数）的影响

关于木塑复合材料密度对滑移系数影响没有可用数据。众所周知，密度较低的聚乙烯比

密度较高的聚乙烯具有更好的防滑性。换言之，高密度聚乙烯的特点是摩擦系数低，密度（比

重）越高，静态（以及动态）摩擦系数越低。当聚乙烯密度为0.915g/cm3时，摩擦系数等于

0.50；密度为0.932g/cm3时，摩擦系数等于0.30；密度为0.965g/cm3时，摩擦系数等于

0.10[R.B.Bird,R.C.Armstrong,and,O.Hassagcr.DynamicsofPolymericLiquids,Vol.1.2nd

edition.JohnWiley&Sons,Inc,NewYork,1987,p.171

控制聚乙烯摩擦系数的主要因素是它的分子特征，主要包括其相对分子量及其分布（数

均、重均和黏均相对分子质量）和结晶度即支化程度。这进而乂影响聚合物表面和它接触的

任何物体之间的分子相互作用。一般来说，聚乙烯的摩擦系数随相对分子质量和支化程度的

增加而增加，这也导致密度（比重）下降。

通常，低密度聚乙烯具有较低的密度，因此由它制造的复合材料铺板板材比由高密度聚乙烯

制造的复合材料铺板板材具有更高的摩擦系数。

看来提高原料塑料的摩擦系数可能是增强木塑复合材料板材摩擦力的最简单方法，以高密

度聚乙烯为例，可将其更换为低密度塑料和更“有弹性的”高密度聚乙烯。不过，这可能会

导致组分在挤出机中的流动性出现问题，影响材料的最终强度，尤其是弯曲模量，更确切地

说会影响挠度、蠕变、以及其他性质。从塑料方面着手始终是权衡各方面利益和优化配方的

重要方法。总的来说，若最终材料已经获得了较高的摩擦系数，其他性能即使基本不变或在

规定的范围内变化，这就可以认为是成功了。

2WPC的蠕变性能

木塑复合材料的抗蠕变变形性较差，作为结构材料使用时，受长期载荷作用而产生的蠕变不

容忽视，结构往往因蠕变而提前失稳，承载力下降，甚至破坏，造成现有的木塑复合材料大

多只应用于非结构用材领域。在美国的ASTM标准中，木塑更合材料的蠕变是一项非常重要

的检测项目，而国内还没有建立相关的技术标准［董智贤.聚丙烯木塑复合材料蠕变行为的模

拟与预测［J］.高分子材料科学与工程,2010,26(5):8992」，同时有关木塑复合材料蠕变

方面的研究也相对较少。

WPC蠕变性能的影响因素

在实际使用过程中，木塑复合材料制品经常要服役于高温、长期载荷等工作环境中，易受到

各种环境因素的影响，诸如热、光、氧、臭氧等，这些环境因素均能降低材料的强度

(1)［傅政.高分子材料强度及破坏行为［M］.北京：化学工业出版社，2004b研究

这些情况下木塑复合材料的蠕变行为，可以改善木塑复合材料的性能，对木塑

复合材料的实际使用也具有指导意义。

(2)温度

(3)木塑复合材料多采用热塑性树脂与木粉复合而得，温度是热塑性树脂形变的重

要影响因素之一，随着温度的增加，材料内摩擦减少，分子热运动剧烈，从而导

致材料塑性增加。抗弯性能降低。因此，某些情况下木塑更合材料细微的温度

变化就能引起显著的蠕变变形。各种材料在室温下的蠕变现象很不相同，了解

这一系列的差别对实际应用十分重要。

(4)应力和加载方式

木塑复合材料常常被制成结构型材在不同的场合和环境中使用，用作承力或次承力结

构时，要求它质量轻，强度和刚度高，具有较高的尺寸稳定性，能够承受一定的载荷。因而

研究不同应力及加载方式对木塑复合材料蠕变性能的影响就极为重要。

茶智贤［茶智贤.聚丙烯木塑复合材料蠕变行为的模拟与预测［J］.高分子材料科学与工

程，2010,26(5):89-96］通过三点弯曲蠕变试验，研究了聚丙烯木塑复合材在23℃左右的

室内环境中、五种应力水平下的短期蠕变行为。此条件下该复合材料的弯曲蠕变行为具有明

显的应力相关性及非线性.蠕变速率随加载应力水平的增加而增加。应力增大与温度升高对

材料蠕变行为的影响类似，在不考虑温度、材料老化和损伤等因素的前提下，依据时间一温

度一应力等效原理，通过四元件模型可以预测该材料在5MPa应力作用下约3年内的弯曲蠕

变变形情况。

田先玲等［田先玲，李大刚，蒋永涛，等.不同加载方式下木塑复合材料蠕变性能的研

究［J］.塑料工业，2008,36(10):43-46］在20℃条件下，采用不同的加载方式对木塑复

合材料的蠕变性能进行研究得出，该材料在承受低于30%应力水平时的抗蠕变性能较好：

承受高于30%应力水平时的抗蠕变性能较差，材料极易发生形变，甚至在短时间内断裂。

在试验开始初期，载荷作用的时间很短时，纯蠕变、疲劳一蠕变交互作用、纯疲劳三种不同

的损伤失效形式对木塑复合材料弯曲形变增长率的影响不大。在试验进行到中后期，疲劳一

蠕变的交互作用开始显现。随着最大应力保持时间的增加，材料产生的应变增长率也在逐渐

增加;纯蠕变产生的应变增长率〉疲劳-蠕变交互作用40s产生的应变增长率〉疲劳-蠕变交

互作用20s产生的应变增长率,纯疲劳产生的应变增长率。

（5）湿度

水分在木材内起增塑剂的作用，含水量增加会使蠕变柔量增加，松弛模量减小。水分进

入木材组织后，能破坏组织内的氢键结构，屏蔽大分子间的相互作用力，从而增加J'大分子

的柔顺性，使得链段易于运动。实验证实，对于木塑复合材料来说，木材含水量增加，蠕变速

率也将增加，特别是在大载荷作用下更为显著。木塑复合材料由木粉及热塑性树脂经过加工

而得，其木粉含量约为，在阳光雨水交替变化的环境中会发生变色，且产生蠕变变形，甚至

破坏。由此可见，湿度对木塑复合材料蠕变性能的影响也较大。

目前，虽然有关木塑复合材料蠕变变形的研究已经取得了一定进展，但还不够系统和完善,

尤其是国内相关研究还较少。因此，应在现有工作基础上继续加大研究开发力度，提高我国

在这方面的基础研究水平，另外，还可以在改善木塑复合材料的蠕变性能方面做进一步的研

究工作，如可以尝试通过木粉功能化化学改性或原位化学反应增容改善木粉与树脂的相容

性；在共混组分间引入特殊相互作用，如氢键离子相互作用等提高其力学稳定性；除此之

外，还可以利用热固性树脂代替热塑性树脂，制备交联型木塑复合材料，从而提高材料的热

稳定性和力学性能。近年来，随着木塑复:合研究开发技术的发展，木塑复合材料已成为我国

具有发展前景的一类高性能、高功能聚合物基新型复合可料，相信随着研究的不断深入，尤

其是木塑复合材料蠕变性能的改进，木塑复合材料将得到更大的发展，其应用领域也将得到

进一步的扩展。

3WPC的耐水性能

木材属于多孔性材料，且结构中含有大量亲水性基团，使得木材极易吸水，导致尺寸发生变

化。更重要的是，木材为各向异性材料，各方向上木材的吸水率不均匀，易产生变形、开裂

等缺陷，极大的限制了木材的使用。因此，提高复合材料的耐水性能至关重要。

3.1WPC吸水后的尺寸稳定性

复合材料样品以及回收箜料样品在20℃水中浸泡24h后，木塑复合材料以及回收塑料在各

方向上的尺寸变化示于表3.1和表3.2。

表4.1木塑复合材料各方向上的尺寸变化

样品编号浸泡前（mm）浸泡后（mm）尺寸变化率（%）平均（%）

长21.5821.640.28

1宽5.465.480.37

高6.546.560.31

长23.3623.420.26

2宽7.227.220.000.27

高6.686.700.30

长28.4428.500.21

3宽7.787.800.26

高7.407.420.27

表3.2回收塑料各方向上的尺寸变化

样品编号浸泡前（mm）浸泡后（mm）尺寸变化率（%）平均（%）

长23.6023.680.34

1宽6.686.700.30

高6.586.600.30

长22.0022.080.36

2宽7.127.140.280.32

高5.725.740.35

长29.7229.820.34

3宽6.786.800.29

高6.386.400.31

由表3.1和表3.2可以看出，回收塑料吸水后在各方向的平均尺寸变化率为0.32%,而木塑复

合材料吸水后各方向的平均尺寸变化率仅为0.27%,与回收塑料尺寸稳定性基本相同，基本

能满足生产的需要。

3.2WPC长时间浸水后的性能

（1）WPC长时间吸水后的吸水率

复合材料样品以及回收塑料样品在20℃水中浸泡不同时间后，木塑复合材料与回收塑

料的吸水率示于表3.3和图3.1

表3.3木塑复合材料与回收塑料的吸水率

吸水率（％）

浸泡时间（h）-----

回收塑料木塑复合材料

240.200.19

480.200.20

720.210.21

960.210.23

一回收塑料

0.26

n6木字复合材料:

24487296

浸泡时间/h

图3.1木塑复合材料与回收塑料的吸水率

由表3.3和图3.1可以看出：随着浸泡时间的延长，回收塑料的吸水率缓慢增加，而木塑复合

材料的吸水率增加明显。这是因为随着浸泡时间的延长，木塑复合材料中未与偶联剂反应木

纤维吸水膨胀，木塑复合材料产生微小裂纹，这又使得更多的水分子进入复合材料，导致木

塑复合材料的吸水率增加速度比回收塑料大。

（2）WPC长时间浸水后的抗弯强度

复合材料样品分别浸泡在20P水中不同的时间后.其抗弯强度的变化示于表3.4和图3.2。

表3.4复合材料样品分别浸泡后的抗弯强度的变化

浸泡时间（h）抗弯强度（MPa）

3Z

2442

483Z

722

%32.

3158

-244872%

时间/h

图3.2复合材料样品分别浸泡后的抗弯强度的变化

由表3.4和图3.2可以看出：1）随着浸泡时间的延长，木塑复合材料的抗弯强度有所下降。这

是因为当与水分长时间接触时，木塑复合材料中未与偶联剂发生反应的木纤维开始膨胀，与

基体树脂之间产生裂隙，导致复合材料抗弯强度开始减小：产生的裂隙又使更多的水分进入

复合材料，导致复合材料抗弯强度的进一步下降。因此，长时间浸泡对木塑复合材料的抗弯

强度有不利影响，木塑复合材料的抗弯强度随着浸泡时间的延长呈下降的趋势。2）复合材料

浸没在20℃水中96h后，抗弯强度依然保持在31MPa以上，仅比未浸泡前下降了2.15%,表

现出良好的耐水性能。

4WPC的耐老化性能

4.1微生物降解性

微生物对木塑复合材料的影响有三个“级别”。第一级，当霉菌在铺板板材表面形

成有色斑点并未降解材料时，铺板仍保持完好的结构。在这种情况下，霉菌靠尘埃、空气中

的花粉等颗粒生存。第二级，霉菌和其他真菌明显地吞噬了亚合材料的某些组分，以此作为

营养物、维生素等。第三极，霉菌专门地、快速地侵蚀复合材料中的木/纤维素纤维时，引起

材料力学性能下降。这些菌类被称为腐朽菌或纤维素分解菌。

由于很多真菌仅仅引起木材变色，因此被归类为霉菌或木材变色菌（二者同义），而非

木材降解真菌。霉菌一般不会降低纤维素或复合材料的强度。但霉菌和腐朽菌的生长条件相

同，霉菌的出现可以看作是潜在腐朽菌的一个信号。此外，很多霉菌会引起过敏，因此是有

害健康的。

基于大最观察人们认为，含水率在19%或以下的纤维素一般不会维持霉菌生长。雹菌胞

子进入一种休眠状态，这种状态有时可以维持几十年。它们几乎是看不见的，但仍然会使一

些人过敏打喷嚏、咳嗽。令他们感到不舒服。更合材料铺板中的纤维素纤维几乎不会达到

19%以上的含水率，除非是雨后铺装表面非常薄的一层，但那一层很快变干，泡子没来得及

复苏萌发芽管就干透了，又重新进入休眠状态。

不过，在潮湿地带，尤其是通风（一种有助于保持产品相对干燥的措施）不充分的铺板，

如铺板安装得过于接近地面、铺装被安装在地下形成“盒子”模式，或者铺板板材被湿润封

闭等，复合材料铺板板材£勺含水率将能超过20%~25%,并长时间保持这种状态。由于复合材

料配方里缺乏生物杀灭剂、抗菌剂或其他抗微牛.物剂，霉菌将会滋牛.蔓延。为此，很多复合

材料铺板板材的安装说明都指出，铺板距地面或顶棚至少12in,最好为24in,或者在板材之

间留有较宽的缝隙（如3/16in或甚至某些安装说明指出，没有良好的通风将无法保

证铺板正常使用。

起初人们认为WPC建材是完全能够抗微生物降解的，因为木纤维被彻底封闭在塑料里。

实际上这种观点是不正确的。WPC材料一般是存在孔隙的，其孔隙度通常由所用原料的水

分含量（最主要的是纤维索纤维）和加工条件（主要是局部过热）决定，影响着最终型材的

密度（比重）。复合材料的管孔通常是开口的，形成管孔链分布于全部基质。木纤维就暴露

在这些管孔里，因而或多或少的吸收水分。结果，基体孔穴内的材料被微生物沾染，木质颗

粒（有时矿物质破碎被微生物当做食物来源）被微生物降解，某些极端情况下微生物通过复

合材料基体开始生长。

微生物降解的可能性由更合材料基体被菌群接触的机会所决定，这种机会又取决于发合材

料的孔隙度、材料的密度（比重）、吸水性、材料中的矿物质的含量（矿物质常常起到屏蔽

剂作用，组织微生物侵蚀基质）和生物杀灭剂或抗菌剂的使用。

一般说来,WPC板材的整体含水率与微生物降解危险性之间具有明显的相关性。

4.2抗白蚁性

白蚁是一种世界性的害虫，主要分布于热带和亚热带地区，以木材或纤维素等为食。由

于木塑材料中含有部分木质纤维素，可成为白蚁的一种潜在食物源，且由于木塑材料越来越

多地被用于建筑行业中，因而，关于白蚁对木塑材料的危害已经逐渐引起了人们的关注。木

塑材料并未能向商家宣称的那样可以免受白蚊攻击，而同木材一样，当木塑材料被长期使用

于白蚁存在的区域时，也会受到白蚁的危害攻击。

白蚁对木塑材料的危害主要体现在两方面：一方面导致WPC样品表面出现深浅不一、肉眼

可见的蛀蚀孔洞，严重影响了木塑材料的完整性和美观性；另一方而，白蚁危害也使木塑材

料的质量出现了明显下降，而材料的质量损失，往往会导致材料机械性能的下降，严重时甚

至会缩短其使用寿命。如HDPE/蔗渣（70/30质量比，下同）、HDPE/竹粉（60/40）和HDPE

木粉（70/30）试样在处理后，分别出现了约4.3%、4.5%和1.8的质量损失，样品被自蚊危害的

等级分别为7.1级、7.9级和9级；几种市售商业WPC的质量损失在0.8%~7.9%间，白蚁危

害等级在8.3〜7.2级间。在作对照的HDPE及松木却表现迥异,HDPE几乎无质量损失，试样

表面未出现白蚁蛀蚀痕迹而松木的质量损失高达