輻射法制備木塑復(fù)合材料的研究和產(chǎn)業(yè)化

輻射法制備木塑復(fù)合材料的研究和產(chǎn)業(yè)化彭偉北京三強(qiáng)核力輻射工程技術(shù)有限公司

成都2012.11內(nèi)容木塑復(fù)合材料簡(jiǎn)介木基木塑復(fù)合材料的制備方法WPC輻射法與擠出法比較WPC輻射法與化學(xué)法比較輻射WPC性能成本和效益分析產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中存在的問(wèn)題結(jié)論和展望木塑復(fù)合材料簡(jiǎn)介木塑復(fù)合材料WPC（wood-plasticcomposites）ASTM定義為“一種主要由木材或者纖維素為基礎(chǔ)材料與塑料（或多種塑料）制成的復(fù)合材料”聚合過(guò)程可采用化學(xué)法（觸媒法）或輻射法WPC種類聚合物基木塑復(fù)合材料：將木纖維、木粉、刨花、鋸末、植物纖維與熱塑性塑料如PE、PP、PVC等混合，經(jīng)過(guò)擠出成型或熱壓成型技術(shù)制成WPC木基木塑復(fù)合材料：將有機(jī)單體灌注入木材中通過(guò)輻射或熱聚合成WPC本報(bào)告介紹的為后一種木基木塑復(fù)合材料木基木塑復(fù)合材料的發(fā)展木基木塑復(fù)合材料（也稱塑合木）WPC問(wèn)世于1961年，1964年被美國(guó)媒體稱為當(dāng)年十大科學(xué)成就之一。20世紀(jì)60年代，美國(guó)，加拿大，芬蘭，前蘇聯(lián)，瑞典和南美一些國(guó)家對(duì)木基木塑復(fù)合材料WPC的研制取得了進(jìn)展1966年美國(guó)AMF公司的Bowling分部安裝了第一條化學(xué)法生產(chǎn)WPC生產(chǎn)線，主要用于制作臺(tái)球的彈子棒此后又相繼建成了多家化學(xué)法生產(chǎn)WPC的生產(chǎn)線，用于制造弓箭、高爾夫球棒、吉他音板等。1968年美國(guó)ARCO化學(xué)公司采用γ射線生產(chǎn)WPC，并很快推向市場(chǎng)，產(chǎn)品主要用于地板，從1978年到1982年5年中已經(jīng)鋪設(shè)了超過(guò)800萬(wàn)平方英尺的丙烯酸酯WPC地板。20世紀(jì)60年代中期至80年代初，美國(guó)建成了大約20多家WPC生產(chǎn)廠目前，Nydree公司是美國(guó)最大的使用輻射法制備木塑復(fù)合材料的公司它先后合并了Gamapa和PermaGrain。木基木塑復(fù)合材料的制備成型方法：化學(xué)法（觸媒法）和輻射法兩種方法都是將輕質(zhì)木材浸漬在單體中，等單體進(jìn)入木材內(nèi)部孔隙后，再通過(guò)加熱或輻射，使單體發(fā)生聚合、交聯(lián)或者與木材間發(fā)生接枝反應(yīng)。化學(xué)法與輻射法的對(duì)比化學(xué)法工藝較為復(fù)雜，加熱溫度及時(shí)間難以選擇和控制。一方面容易導(dǎo)致浸漬液?jiǎn)误w聚合不完全；另一方面加熱聚合過(guò)程中，所產(chǎn)生的聚合熱會(huì)使木材內(nèi)部溫度上升而損傷木材結(jié)構(gòu)，可能會(huì)導(dǎo)致木材碳化，單體揮發(fā)，性能下降。另外，單體中需要加入引發(fā)劑，引發(fā)劑會(huì)與木材中的物質(zhì)發(fā)生發(fā)應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致聚合深度不夠等問(wèn)題。而輻射法，不需要加引發(fā)劑，通過(guò)調(diào)整射線劑量，控制聚合過(guò)程，使之最后反應(yīng)完全。國(guó)內(nèi)外研究情況國(guó)內(nèi)外對(duì)木基木塑復(fù)合材料有大量研究研究案例：以四川樺木地板坯為基材、浸漬MMA、St/UPE（30、20、30）為主體的多元混合浸漬液，采用Co-60γ-射線輻射聚合（劑量率10-15KGy/h，劑量大于50KGy）制備出了耐磨性提高3倍、沖擊壓痕提高3.7倍、硬度提高1.8倍、吸水率降低78.6%、抗脹縮率（ASE）為65.7%的WPC地板。雖然世界各國(guó)都進(jìn)行了大量研究，但是真正大量工業(yè)化生產(chǎn)的，還是美國(guó)走在前列。20世紀(jì)60年代開始，美國(guó)橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室做了大量的輻射法制備木塑復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)，對(duì)松木、橡木、糖楓、樺木等木材浸漬各種乙烯基單體后輻射聚合的情況及性能、條件等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，形成了像ORO-600,ORO-612,ORO-628等技術(shù)報(bào)告，并設(shè)計(jì)了中試廠，進(jìn)行了試生產(chǎn)，為后來(lái)大型生產(chǎn)廠的建立奠定了基礎(chǔ)。輻射法制備木塑復(fù)合材料WPC工藝流程：原木→毛坯→干燥處理→抽真空→浸漬→輻照→成品再加工工廠分區(qū)毛坯處理區(qū)，單體儲(chǔ)存區(qū)，浸漬區(qū)，廢液回收區(qū)，輻照區(qū)，成品儲(chǔ)存加工區(qū)，控制區(qū)。具體工藝步驟毛坯處理區(qū)：毛坯表面處理，打磨，烘干燥處，使木材的含水率控制在8%左右，最后放在箱架中備用單體儲(chǔ)存區(qū)：設(shè)有單體儲(chǔ)罐、染料儲(chǔ)存設(shè)備、緩沖罐和傳輸管道。用于儲(chǔ)存和傳輸單體。浸漬區(qū)：將木材置于產(chǎn)品箱中，再將多個(gè)產(chǎn)品箱放入浸漬罐，接通氣體和單體傳輸系統(tǒng)。然后將產(chǎn)品箱中的氣體抽出，保持一定時(shí)間真空，真空度控制在設(shè)定值。通入單體，然后再通入氮?dú)饧訅褐猎O(shè)定值，保持一段時(shí)間。放掉多余單體。最后再充入氮?dú)?，將產(chǎn)品箱移出，通過(guò)懸掛鏈運(yùn)到輻照區(qū)。主要設(shè)備：氮?dú)怃撈?，耐壓浸漬罐，產(chǎn)品箱，抽真空系統(tǒng)，單體傳輸系統(tǒng)。廢液回收區(qū)：浸漬過(guò)的單體應(yīng)該統(tǒng)一回收，進(jìn)行再處理，以便再次利用。輻照區(qū)：一種是水下輻照，板源，在低劑量率下輻照，選取不同劑量率或者選取一定劑量率輻照，大約10小時(shí)；另一種為水淋輻照，采用十字型源。兩種方式都要盡量除去輻照區(qū)的氧和臭氧。主要設(shè)備：鈷源，軌道懸掛鏈，防火花裝置，排臭氧裝置，水循環(huán)冷卻裝置[6]。成品儲(chǔ)存加工區(qū)：將輻照后的產(chǎn)品置于儲(chǔ)存區(qū)，然后進(jìn)行表面處理，及再加工?？刂茀^(qū)：自動(dòng)化控制。WPC輻射法與擠出法比較輻射法可輻照整塊木材，木材是基體，聚合物是填料，其主要性能及表觀仍為木材。擠出法則是將木粉或木纖維等等與塑料粒子混合，通過(guò)單螺桿或雙螺桿擠出機(jī)擠出成型，其主要組分為塑料，性能和質(zhì)地都偏于塑料，木粉僅起增強(qiáng)作用。WPC輻射法與化學(xué)法比較項(xiàng)目輻射法化學(xué)法（觸媒法）鈷源γ射線電子加速器聚合時(shí)是否加熱不需要不需要必需單體使用時(shí)間含阻聚劑，使用時(shí)間長(zhǎng)含阻聚劑，使用時(shí)間長(zhǎng)短處理木材情況較厚木材均勻處理僅能處理薄木材，且易燃，焦燒

木材處理不均勻防護(hù)與技術(shù)輻射防護(hù)知識(shí)與特殊技術(shù)培訓(xùn)輻射防護(hù)知識(shí)與特殊技術(shù)培訓(xùn)通常防護(hù)聚合可完全聚合

聚合不完全聚合不完全溫度和時(shí)間易于控制溫度不易控制難于控制安全特殊屏蔽設(shè)計(jì)，輻照室外無(wú)輻射關(guān)機(jī)后無(wú)輻射常規(guī)輻射法制備的WPC性能力學(xué)性能顯著提高WPC力學(xué)強(qiáng)度比木材大，抗剪強(qiáng)度高0.25-1.9倍，硬度高2-11倍，抗壓強(qiáng)度提高0.7-2.3倍，耐磨性提高1-8倍[7]。尺寸穩(wěn)定性好吸水性，吸濕性比木材大大降低，具有較好的尺寸穩(wěn)定性可在單體中添加阻燃劑，聚合后制品具有阻燃性具有良好的表面光滑性和各種鮮艷色彩能保持木材固有的紋理具有較好的耐磨和耐候性具有良好的再加工性能樣品阻燃試驗(yàn)

1.原木2,3秒后引燃木材表面燒焦WPC樣品燃燒10s后，不燃，僅表面變黑用紙擦拭后，光亮如新輻射法制備WPC效益分析以裝源300萬(wàn)居里，年生產(chǎn)木塑復(fù)合材料的能力可達(dá)100000m3的裝置為例。以楊樹的密度0.5g/cm3

計(jì)算，注入比為60％，則生產(chǎn)的木塑材料的密度為0.8g/cm3。若考慮制成20mm厚的板材，楊樹板材原料的價(jià)格約為20元/m2（按照1000元/m3），塑料單體注入物的成本為90元/m2（單體價(jià)格按照15000元/噸），輻照成本為12元/m2，進(jìn)一步的加工處理如打磨拋光成本低于10元/m2，添加劑成本約10元/m2綜合以上，通過(guò)鈷源輻照制20mm厚度的木塑復(fù)合板材的成本為142元/m2而市場(chǎng)上的普通實(shí)木地板價(jià)格一般在200元/m2以上。毛利潤(rùn)為58元/m2年生產(chǎn)能力為100000m3（即5000000m2）的輻照裝置的毛利潤(rùn)可達(dá)3億元。若生產(chǎn)毫米級(jí)的復(fù)合地板，年利潤(rùn)更加可觀。產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中存在的問(wèn)題和機(jī)遇上世紀(jì)七八十年代，我國(guó)的一些廠家對(duì)該生產(chǎn)工藝很感興趣，例如上海藝術(shù)品雕刻四廠，北京民族樂器廠等都進(jìn)行了WPC批量生產(chǎn)，但是卻一直未能規(guī)?；a(chǎn)。（1）研究與合作。雖然科研院所做了大量研究，但是缺少與相關(guān)企業(yè)的合作。只有兩者結(jié)合起來(lái)，才能促進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)成果的發(fā)展。（2）投資。因?yàn)楸卷?xiàng)目需要建造一座專用輻照站，而站內(nèi)所用的放射源每年都需要補(bǔ)充，如果產(chǎn)品的量不夠大，則運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，所以會(huì)有很多研究機(jī)構(gòu)和廠家感興趣，卻沒有真正建造生產(chǎn)廠；（3）木材儲(chǔ)量。上世紀(jì)國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)木材儲(chǔ)存量大，不需要通過(guò)該種方法提升木材品質(zhì)，但是隨著時(shí)間的推移，優(yōu)質(zhì)木材的砍伐必然會(huì)受到限制；（4）產(chǎn)品。國(guó)外大型生產(chǎn)廠主要使用軟質(zhì)木材生產(chǎn)木塑地板，而地板的需求量在國(guó)內(nèi)外都是挺大的，對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)，市場(chǎng)有保障，企業(yè)利潤(rùn)大。而我國(guó)目前尚沒有地板企業(yè)采用該技術(shù)；（5）工藝。

輻射法發(fā)展初期，工藝條件尚不成熟，不能大規(guī)模生產(chǎn)。

現(xiàn)在該技術(shù)在美國(guó)已經(jīng)發(fā)展了幾十年，生產(chǎn)廠也有多座，工藝成熟，自動(dòng)化程度高，且產(chǎn)品滿足環(huán)保等相關(guān)要求；（6）政策。目前，國(guó)家發(fā)改委已將“木基復(fù)合材料的技術(shù)開發(fā)”歸入《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2005）》的鼓勵(lì)類項(xiàng)目。國(guó)務(wù)院辦公廳也在2005年年底向國(guó)家發(fā)改委等十二個(gè)部委下發(fā)了《關(guān)于加快推進(jìn)木材節(jié)約和代用工作的意見》，國(guó)家正通過(guò)政策引導(dǎo)，技術(shù)支持的方式，鼓勵(lì)發(fā)展木材節(jié)約和代用，這對(duì)輻射法制備木基木塑復(fù)合材料WPC是一個(gè)很好的契機(jī)。結(jié)論和展望經(jīng)輻射法制成的木基木塑復(fù)合材料硬度高，耐磨性好，吸濕性小、抗腐蝕、尺寸穩(wěn)定，加工后表面光滑，可保持木材的天然紋理和色澤，制成的產(chǎn)品使用時(shí)維護(hù)費(fèi)用低，能夠滿足各種用途。輻射法制