木塑復(fù)合材料的應(yīng)用與發(fā)展

1、木塑復(fù)合材料的應(yīng)用及發(fā)展【摘要】木塑復(fù)合材料 (WPC) 具有比單獨(dú)的木質(zhì)材料或塑料產(chǎn)品更優(yōu) 異的性質(zhì) ,是木材的理想替代品 , 它的出現(xiàn)可以減少?gòu)U棄木材和塑料對(duì) 城市環(huán)境的污染 , 也適應(yīng)現(xiàn)代材料復(fù)合化發(fā)展的規(guī)律。 本文簡(jiǎn)要介紹了 木塑復(fù)合材料的成分、特點(diǎn)、加工工藝、在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀以及應(yīng) 用, 并對(duì)木塑復(fù)合材料的發(fā)展方向進(jìn)行了分析,充分肯定了發(fā)展木塑復(fù)合材料的必要性和可行性學(xué)號(hào)： B08152045姓名： 陳靜文2010/12/12木塑復(fù)合材料的應(yīng)用與發(fā)展Compound wood application anddevelopment摘要】 木塑復(fù)合材料 (WPC) 具有比單獨(dú)的木質(zhì)材料

2、或塑料產(chǎn)品更優(yōu)異的性質(zhì) ,是木材的理想替代品 ,它的,并對(duì)木塑復(fù)合材料的發(fā)展方向進(jìn)行了分出現(xiàn)可以減少?gòu)U棄木材和塑料對(duì)城市環(huán)境的污染,也適應(yīng)現(xiàn)代材料復(fù)合化發(fā)展的規(guī)律。 本文簡(jiǎn)要介紹了木塑 復(fù)合材料的成分、特點(diǎn)、加工工藝、在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀以及應(yīng)用析,充分肯定了發(fā)展木塑復(fù)合材料的必要性和可行性。【 Abstract 】 Wood-plasticscomposites (WPC) has than single wood or plasticproducts more excellent properties, is the ideal substitute of wood, it can re d

3、uce the appearance of discarded wood and plastic to the urban environmen t pollution, but also adapt to the modern material compounding the law of development. This paper briefly introduced the composition of wood-plastics composites, characteristics and processing technology and the applicationdeve

4、lopment at home and abroad and the present situation of the development of wood-plastics composites direction is analyzed, fully affirmed the develop ment of wood-plastics composites of necessity and feasibility.【關(guān)鍵詞】 木塑復(fù)合材料；應(yīng)用；發(fā)展前景；【 Key words 】 wood-polymer composites ； application ； development o

5、utlook ；近幾年來(lái)，全球森林資源日趨枯竭，環(huán)境保護(hù)意識(shí)日漸高漲，對(duì)木材的應(yīng)用也提出了更高的要求。為 了節(jié)約資源，提高木材與塑料的利用率，克服塑料和木材行業(yè)面臨的難題,提高農(nóng)村廢棄物和固體垃圾的利用,一種將天然木材與廢舊熱塑性塑料合成而得到的新材料木塑復(fù)合材料以其優(yōu)異的性能得到越來(lái) 越廣泛的使用。木塑復(fù)合材料是利用木粉、竹粉、果殼粉或農(nóng)作物秸稈粉和塑料樹(shù)脂或廢舊塑料為主要原料, 經(jīng)高溫混合、成型加工而制得的一種新型環(huán)保復(fù)合材料。木塑復(fù)合材料可以防蟲(chóng)蛀、抗腐蝕, 無(wú)須防腐處理進(jìn)而減少環(huán)境污染 , 而且可以被加工成各種空心型材 , 因此木塑復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域， 是最具潛力的一種新 型

6、材料。木塑復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用 ,具有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。1主要特點(diǎn)木塑復(fù)合材料的基礎(chǔ)為高密度聚乙烯和木質(zhì)纖維，決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復(fù)合材料內(nèi)含塑料和纖維，因此，具有同木材相類(lèi)似的加工性能，可鋸、可釘、可刨，使用木工 器具即可完成，且握釘力明顯優(yōu)于其他合成材料。機(jī)械性能優(yōu)于木質(zhì)材料。握釘力一般是木材的 3 倍，是 刨花板的 5 倍。2) 良好的強(qiáng)度性能 木塑復(fù)合材料內(nèi)含塑料，因而具有較好的彈性模量。此外，由于內(nèi)含纖維并經(jīng)與塑料充分混合，因而 具有與硬木相當(dāng)?shù)目箟?、抗彎曲等物理機(jī)械性能，并且其耐用性明顯優(yōu)于普通木質(zhì)材料。表面硬度高，一 般是木材的 25

7、 倍。3) 具有耐水、耐腐性能，使用壽命長(zhǎng) 木塑材料及其產(chǎn)品與木材相比，可抗強(qiáng)酸堿、耐水、耐腐蝕，并且不繁殖細(xì)菌，不易被蟲(chóng)蛀、不長(zhǎng)真 菌。使用壽命長(zhǎng)，可達(dá) 50 年以上。4) 優(yōu)良的可調(diào)整性能 通過(guò)助劑，塑料可以發(fā)生聚合、發(fā)泡、固化、改性等改變，從而改變木塑材料的密度、強(qiáng)度等特性， 還可以達(dá)到抗老化、防靜電、阻燃等特殊要求。5) 具有紫外線(xiàn)光穩(wěn)定性、著色性良好。6) 其最大優(yōu)點(diǎn)就是變廢為寶，并可 100 回收再生產(chǎn)?？梢苑纸猓粫?huì)造成“白色污染”，是真正的 綠色環(huán)保產(chǎn)品。7) 原料來(lái)源廣泛 生產(chǎn)木塑復(fù)合材料的塑料原料主要是高密度聚乙烯或聚丙烯，木質(zhì)纖維可以是木粉、谷糠或木纖維， 另外還需要少量

8、添加劑和其他加工助劑。8) 可以根據(jù)需要，制成任意形狀和尺寸大小。2加工工藝木塑復(fù)合材料主要有四種加工工藝：擠出注塑法；無(wú)紡織成型法；人造板加工方法；實(shí)木浸 注聚合法 1 。擠出注塑法是采用傳統(tǒng)的塑料制品生產(chǎn)工藝，該方法適用于植物纖維以粉狀形態(tài)出現(xiàn)，要求混合體系 有一定的黏度及流動(dòng)性，與塑料基體熔融混合后擠出或注塑加工成型材。此方法可連續(xù)性生產(chǎn)， 操作方便，生產(chǎn)效率高，目前應(yīng)用最為廣泛。無(wú)紡織成型法也叫非氣流鋪裝成型法，即將木纖維與塑料基體在常溫下混合，木纖維及其他纖維狀材 料經(jīng)混合后通過(guò)針刺工段，用薄型無(wú)紡布襯托而制成纖維相互纏繞的低密度板坯，可根據(jù)最終產(chǎn)品的需求 和要求，將一塊或數(shù)塊板坯熱

9、壓成最終產(chǎn)品，主要用于汽車(chē)內(nèi)飾件材料。人造板加工方法類(lèi)似于普通刨花板的生產(chǎn)工藝，將木質(zhì)材料與回收塑料混合（鋪裝 ）后再熱壓復(fù)合而制成。塑料既是傳統(tǒng)人造板的改性劑也完全替代了傳統(tǒng)人造板的粘合劑，該法適于植物纖維含量比較高的復(fù) 合材料的生產(chǎn) 2 。實(shí)木浸注法即以木材為基質(zhì)的塑合木， 將塑料單體或低聚合度樹(shù)脂浸入到實(shí)體木材中， 通過(guò)加熱或輻 射引發(fā)塑料單體或者低聚合度樹(shù)脂在木材中進(jìn)行自由基聚合。此方法研究的歷史較早，采用的樹(shù)脂單體有 苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、乙酸乙酯、丙烯腈等乙烯類(lèi)單體。然而此種方法制備工藝復(fù)雜，不利于商業(yè)化 應(yīng)用。 Loo-Teck Ng 等3 采用-射線(xiàn)引發(fā)注入木材中的 MMA

10、自由基聚合，制作木塑材料。 RashmiR.Devi,Iliao Ali 等4 采用在軟木中注入單體苯乙烯、交聯(lián)劑 GMA 、引發(fā)劑 AIBN 等引發(fā)聚合交聯(lián) 對(duì)軟木進(jìn)行改性。3國(guó)內(nèi)外木塑復(fù)合材料 （ WPC） 的研究現(xiàn)狀英國(guó)學(xué)者 R.G.Raj 和B.V.Kola 采用了硬脂酸、 礦物油以及馬來(lái)酸酐改性后的 PE 蠟對(duì)木質(zhì)填料進(jìn)行 處理 , 然后與 HDPE 混合制成復(fù)合材料 , 他們主要研究了添加劑的種類(lèi)和填料的含量對(duì)木塑復(fù)合材料性能 的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明 , 馬來(lái)酸酐改性后的 PE 蠟?zāi)苊黠@改善木質(zhì)填料與基體間的相容性 （ 添加劑用量為 1%時(shí)） , 隨填料用量的增加 , 抗沖擊強(qiáng)度下降

11、。但礦物油處理的填料能顯著提高沖擊強(qiáng)度。脂肪酸處理過(guò) 的填料能有效改善纖維的分布 , 提高拉伸強(qiáng)度。20 世紀(jì) 80 年代以來(lái) , 國(guó)外一些學(xué)者從事了 PVC/ 木粉研究 , 如加拿大的 B.V.KOKTV 等人研究了 不同的植物纖維表面改性方法對(duì)復(fù)合材料性能的影響 , 他們研究了包覆乳膠或接枝上聚合物 / 乙烯基單體 , 也可添加各種分散劑 （ 如硬脂酸 ） 及偶聯(lián)劑 （ 馬來(lái)酸酐、亞油酸等 ） 。大多數(shù)情況下復(fù)合材料的機(jī)械性能得 到了提高 , 其中接枝是最有效的改性方法 , 偶聯(lián)劑比分散劑的效果好 , 亞油酸被認(rèn)為是最合適的偶聯(lián)劑。加拿大多倫多大學(xué)的 CHULB.PARK 、LAURENT

12、 等的研究表明 : 氨基硅烷偶聯(lián)劑處理木粉表面比較 有效 , 其界面接觸角提高 , 表面張力降低 , 木粉表面由親水變?yōu)槭杷?, 增強(qiáng)了木粉與樹(shù)脂的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度。就加工設(shè)備而言 , 為了更好地提高混合效果 ,KLTLYAN 等人采用了帶有兩個(gè)進(jìn)料口的同向嚙合雙螺 桿擠出機(jī)。為了減小對(duì)植物纖維的破壞 , 先將 HDPE 在第一個(gè)進(jìn)料口放入 , 然后將處理后的木粉放入第二個(gè) 進(jìn)料口與已熔融的 HDPE 混合。實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)嚙合角為 45 度時(shí) , 雙螺桿擠出機(jī)輸送能力最高 , 擠出制品拉 伸強(qiáng)度和拉伸模量也最高。此外 , 日本、意大利、瑞士等許多國(guó)家對(duì)研究木塑復(fù)合材料越來(lái)越重視, 并競(jìng)相發(fā)明了可用于擠出、

13、壓延和注射成型的各種木塑制品。如日本已發(fā)明了木粉填充PE、PP、PVC、HIPS 、 ABS 、尼龍等的復(fù)合材料, 可以在2020 年以后使木材的進(jìn)口率減至 38% ?？傊?, 植物纖維熱塑性塑料的研究近幾年來(lái)發(fā)展迅 速, 木塑復(fù)合制品的性能得到了進(jìn)一步提高。我國(guó)對(duì)木塑復(fù)合材料技術(shù)也進(jìn)行了多年的研究 , 并取得了一些階段性的成果 , 北京工商大學(xué)的王 瀾、董潔、 卜雅萍等通過(guò)模壓成型方法對(duì)聚氯乙烯 / 木粉木塑發(fā)泡制品進(jìn)行了研究 , 分析了木粉 的不同填充量 , 不同處理方法 , 不同增塑劑用量以及工藝條件對(duì)復(fù)合材料性能的影響。由研究結(jié) 果可知 : 稻殼粉含量為 40 份時(shí) , 制品的綜合性能

14、較好 ; 稻殼粉以硅烷偶聯(lián)劑處理效果較好 ; 隨 著DOP 的用量加大 , 制品的拉伸強(qiáng)度降低 , 沖擊性能和發(fā)泡性能提高 ; 實(shí)驗(yàn)中 , 工藝條件的控 制是一個(gè)極為重要的因素 , 它直接影響制品的性能 5 。北京化工大學(xué)塑料機(jī)械塑料工程研究所的趙永生、朱復(fù)華、薛平、劉素梅等采用電鏡掃描觀察了 3 種木粉的纖維細(xì)胞尺寸及其木粉微 觀形態(tài)。研究了木粉粒度、微觀特性以及木粉添加量對(duì)于聚氯乙烯 (PVC) 木塑復(fù)合材料力學(xué)性能 的影響。結(jié)果表明 ,木粉表面裸露的微細(xì)纖維增加和粒度減小, 有助于提高木塑復(fù)合材料力學(xué)強(qiáng)度 ; 加入少量木粉使木塑復(fù)合材料力學(xué)性能降低, 但隨著木粉添加量的增大 , 木塑復(fù)合

15、材料的抗彎性能和拉伸強(qiáng)度上升 , 木塑復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度隨木粉含量增加而下降 6 。華南熱帶農(nóng)產(chǎn) 品加工設(shè)計(jì)所劉惠倫等研究了劍麻短纖維和環(huán)氧化天然橡膠 ( ENR ) PVC 共混比對(duì)劍麻短纖維 補(bǔ)強(qiáng) , ENRPVC 復(fù)合材料性能的影響。 結(jié)果表明 , 該復(fù)合材料具有較高的硬度和縱向拉伸強(qiáng)度 , 較低的扯斷伸長(zhǎng)率且扯斷永久變形 , 良好的耐油和耐老化性 , 劍麻短纖維的用量宜為 30 份 , ENR PVC 共混比宜為 70 307 。在木塑復(fù)合材料的生產(chǎn)過(guò)程中 , 偶聯(lián)劑的選擇會(huì)對(duì)木塑復(fù)合 材料的性能產(chǎn)生很大的影響。 為了解決這個(gè)問(wèn)題 , 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院的秦特夫、 黃洛華等人以 鋁酸酯

16、為偶聯(lián)劑對(duì)木粉進(jìn)行表面改性處理后制備的木粉 / 聚丙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能和形態(tài)學(xué) 特征進(jìn)行了研究。結(jié)果表明 : 鋁酸酯偶聯(lián)劑可以增加木塑復(fù)合材料的抗沖擊強(qiáng)度 , 但會(huì)對(duì)復(fù)合材 料的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度造成負(fù)面的影響 8 。許民、譚海彥、 姜曉冰、 趙博則研究了馬來(lái)酸酐 (偶 聯(lián)劑1) 和異氰酸酯 (偶聯(lián)劑 2)對(duì)木塑復(fù)合材料性能的影響。確定木材纖維與熱塑性聚合物的比例 7:3 、復(fù)合材料的設(shè)計(jì)密度為 0.7g cm 3,在熱壓溫度 175 、熱壓時(shí)間 8min 、偶聯(lián)劑 1 或偶聯(lián) 劑2 加入比例均為 2%的試驗(yàn)條件下 , 對(duì)比分析偶聯(lián)劑產(chǎn)生的作用。結(jié)果表明 : 偶聯(lián)劑 2 對(duì)復(fù)合 材料的力學(xué)性

17、能影響顯著 ; 對(duì)于同一種偶聯(lián)劑 , 所用的熱塑性聚合物材料不同 , 對(duì)復(fù)合材料性能 的影響也存在較大的差異 9 。除了偶聯(lián)劑外 , 潤(rùn)滑劑也會(huì)對(duì)木塑復(fù)合材料制品的性能產(chǎn)生巨大 的影響。同濟(jì)大學(xué)材料學(xué)院的方曉鐘、 黃旭東、 鐘世云等討論了兩種潤(rùn)滑體系在 PE 木塑復(fù)合材 料中的應(yīng)用 , 測(cè)試了材料的力學(xué)性能和加工性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn) , 潤(rùn)滑劑需用量約為 2% , 并保持物 料較快塑化、 形成較大的擠出壓力 , 才能使 PE 木塑復(fù)合材料獲得較高的擠出速度和較好的外觀 質(zhì)量 , 產(chǎn)品的力學(xué)性能則基本不受潤(rùn)滑劑品種的影響 10 。此外 , 人們還通過(guò)各種不同的方法改進(jìn)木塑復(fù)合材料的性能。四川大學(xué)的楊鳴

18、波等人使用 了一種含酯鍵的表面活性劑處理秸稈粉 , 制備秸稈 PVC 木塑復(fù)合材料 , 研究結(jié)果表明秸稈 PVC 復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度隨秸稈含量增加而下降 , 但下降幅度較小 , 其所選的 處理劑對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能、 加工性能有較好的改善作用。 浙江大學(xué)的方征平等人研究了乙烯 丙烯酸共聚物 ( EAA )對(duì)線(xiàn)型低密度聚乙烯木粉復(fù)合材料力學(xué)性能的影響, 并與其他幾種彈性體的影響進(jìn)行了對(duì)比 , 發(fā)現(xiàn) EAA 對(duì)體系有很好的增容作用 , 能明顯提高材料的拉伸強(qiáng)度和 沖擊強(qiáng)度 11 。中科院廣州化學(xué)所的廖兵等人采用化學(xué)改性方法 , 研究接枝上有機(jī)氰乙基后對(duì) PVC 木纖維復(fù)合材料力

19、學(xué)性能的影響。 由于木纖維含有許多 OH 基團(tuán) , 使它表面是親水 的, 與 PVC 表面親和性極差 , 通過(guò)接枝反應(yīng) , 可將木纖維上的 OH 基團(tuán)接枝上有機(jī)基團(tuán) -CH 2-CH 2-CN , 使木纖維表面變成親油性質(zhì) , 提高了木纖維與 PVC 兩者界面粘著力 , 同時(shí)也 使木纖維在復(fù)合材料中更易分散 , 從而能大大提高復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度。 廣東工業(yè)大 學(xué)的李思良、 劉易凡、 陳璞研究表明 : 采用 A151 對(duì)木粉進(jìn)行表面處理 , 通過(guò)在植物纖維熱塑性 樹(shù)脂 (HDPE) 的界面形成化學(xué)鍵合作用 , 可有效改善植物纖維熱塑性樹(shù)脂的界面膠接作用和提 高植物纖維熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料

20、的力學(xué)性能。中國(guó)石化齊魯股份有限公司樹(shù)脂研究所的苑東興、 劉容德、史貞、彭珍珍采用木粉對(duì)聚乙烯 (PE) 進(jìn)行改性 , 研究了樹(shù)脂牌號(hào)、引發(fā)劑、接枝單體對(duì) 相容劑性能的影響 , 以及木粉的粒徑、 水含量及相容劑用量等因素對(duì)聚乙烯木粉復(fù)合材料性能的 影響, 通過(guò)SEM(掃描電鏡 )對(duì)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征 12 。4 全球木塑復(fù)合材料市場(chǎng)發(fā)展強(qiáng)勁北美是目前世界塑木復(fù)合材 料市場(chǎng)最大的地區(qū)。美國(guó) PricipiaPartners 咨詢(xún)公司指出 , 2001 年僅北美市場(chǎng)用量就達(dá) 32 萬(wàn)噸 , 預(yù)計(jì) 2005 年前需求量將 以?xún)晌粩?shù)速率遞增 , 2005 年用量 將比2001 年翻番 , 其中鋪板 （

21、 包 括平臺(tái)、路板、站臺(tái)、墊板 ） 用量 就占總用量的 60% 以上。除鋪板外 , 還有護(hù)墻板、天花板、裝飾板、踏腳板、壁板、高速公路噪音隔板、 海邊鋪地板、建筑模板、防潮板 均可使用塑木復(fù)合板材。 此外, 還可用于裝飾邊框、 柵欄和庭園扶手、包裝用墊板和組合托盤(pán) , 以及家俱 （ 包 括室外露天桌椅 ） 、船舶坐艙隔板、辦公室隔板、貯存箱、花箱、活動(dòng)架、披疊板、百頁(yè)窗等。St randex公司指出 , 由于塑木復(fù)合材料是環(huán)保型材料 , 盡管目前歐洲用量不大 , 但因?yàn)榧庸S擔(dān)心歐共體會(huì)以法規(guī) 的形式來(lái)有效地限用 PVC, 所以塑木窗框替代 PVC 窗框是個(gè)巨大的市場(chǎng)和機(jī)會(huì)。因此有人認(rèn)為 ,

22、木塑制品 替代 PVC 和其他塑料制品 , 會(huì)像以前塑料制品替代木制品一樣 快速增長(zhǎng) 13 ?？傊?, 由于木塑復(fù)合材料具有單純的木材和塑料無(wú)法比擬的諸多優(yōu)點(diǎn) , 已受到國(guó)內(nèi)外的廣 泛關(guān)注。該材料是綠色環(huán)保材料 , 可以回收利用低成本的廢舊木材和塑料 , 用此技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)的 木塑復(fù)合材料可替代木材使用 , 有力地緩解了我國(guó)森林資源貧乏所造成的窘境。 木塑復(fù)合材料生 產(chǎn)技術(shù)既符合國(guó)家經(jīng)濟(jì)形勢(shì)發(fā)展的需要 , 也符合國(guó)家的產(chǎn)業(yè)政策 , 而且產(chǎn)品使用范圍廣。因此 可以相信木塑復(fù)合材料是一種極具發(fā)展前途的材料 , 也是一項(xiàng)有生命力有市場(chǎng)開(kāi)發(fā)前景的創(chuàng)新 技術(shù) , 具有廣闊的市場(chǎng)前景、良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效

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