天然纤维/塑料复合材料（NPC）研究进展

王红春 李学锋

1湖北工业大学化学与环境工程学院（430068） 2武汉职业技术学院轻工学院（430074）

1 NPC简介

天然纤维/塑料复合材料（NPC）主要是由塑料与天然纤维素材料（包括木纤维、竹纤维、稻糠、稻草、麦草、棉花秸秆、甘蔗渣、麻秆、玉米秸秆等）经一定的生产工艺复合而成［1］。我国生物质原料很丰富，仅农作物秸秆（包括玉米秸秆、小麦秸秆和稻草等）每年高达7亿t。其中一小部分秸秆被用作饲料、造纸等用途，普遍存在着原料利用率低的问题。天然纤维/塑料复合材料是一类涵盖面广、产品种类繁多、形态结构多样的基础性材料，具有优良的耐水、耐腐蚀性能、加工能耗低、对设备磨损小、资源丰富、节约木材及可循环使用等优点。目前用天然纤维填充的塑料制品已应用在建材、家具、包装材料、装饰材料等领域。特别是近年来从防治病虫害传播角度考虑，减少了用木材作为包装材料，而使用天然纤维填充制成的复合塑料制品，其市场越来越大。同时人们对不同的天然纤维填充塑料的结构与性能的研究也产生了很大的兴趣。

2 NPC的主要技术因素

2.1 NPC所用塑料材料

目前在研究和应用领域中主要使用的塑料原材料有:PE、PP、ABS、PVC、PC、PS、POM、 酚醛塑料（PF）及再生塑料。这类材料是目前塑料生产过程中使用较多，较易获得且与天然纤维经过一定的工艺处理后能较好复合，并能获得较好的综合性能的塑料原材料。目前在生产使用中已有由通用塑料扩展到其他塑料的趋势。

2.2 NPC所用天然纤维材料及要求

目前在研究和加工应用领域主要使用的天然纤维（NF）材料有:木粉、竹粉、稻糠、稻草、麦草、棉花秸秆、甘蔗渣、麻秆、玉米秸秆等，一般天然纤维由纤维素、半纤维素和木质素3类物质组成，其中纤维素可占一半以上。

天然纤维复合材料通常其纤维未能完全分散在聚合物基质上，大多数情况下，附着力差会导致力学性能差。同时由于纤维都具有亲水性，而合成聚合物（树脂）往往是疏水的，因此，在生产天然纤维复合材料中必须对纤维表面进行处理。通过表面处理对改善材料一些特定的性能十分有用，如可有效改善纤维和增塑剂之间的粘附性，减少对潮湿的敏感度等。

表面处理方法通常有以下4种方法,即化学、物理、物理—化学和机械法。化学方法包括:1）碱处理常作为其它化学处理的预处理，以改变NF结构，提高NF强度和模量。2）硅烷偶联剂处理NF是较常用的方法。3）在复合材料加工时添加马来酸酐接枝聚丙烯（MAH-g-PP）是最广泛的方法。MAH-g-PP的MAH基团与NF面的羟基反应，形成酯键、氢键等化学连接；MAH-g-PP的聚烯烃长链和基体聚合物高分子链相互缠结，这样MAH-g-PP就在NF和聚合物间起了桥接增容的作用[2]。物理方法包括用等离子体、电晕、激光或治疗光以及蒸气爆破的形式进行处理，等离子和激光处理可以改善纤维表面的纤维素,蒸汽爆破可改进木质纤维素材料的性能。物理—化学方法是利用溶剂萃取可溶性纤维［3］。这些处理木质纤维素的方法都有助于提高它们与基质材料的联系，增加纤维和基质的附着力。

2.3 NPC所用加工助剂与改性剂

北京加工助剂研究所研究了塑料抗氧剂、光稳剂的主要类型和作用特性，及影响抗氧剂、光稳定剂作用功能的若干因素［4］。根椐塑木制品的热老化、光老化主要发生在塑料表面的特性，提出如何选用适合的加工工艺和抗氧剂、光稳定剂，以保证耐候塑木制品的使用寿命和使用价值。

南京林业大学等科研院所对木塑材料（WPC）表面的防火涂层的制备及其耐火性能、新型阻燃体系对木塑防火涂层阻燃性能的影响、木塑表面涂层热解机理及动力学研究等方面作了大量的研究工作，取得了较大成就［5～7］。

2.4 NPC的成型工艺

2.4.1 挤出成型

用双螺杆挤出机代替单螺杆挤出机，成型塑化效果更好，剪切作用适宜，木粉分散效果更好，解决加料困难和木粉用量增大时的烧焦问题。WPC属假塑性流体，通过流变性研究，其黏度小于纯树脂和其他无机填料填充后的体系黏度。这种低黏度对挤出成型是不利的，因此需通过调整配方和工艺条件，既使物料混合均匀，又要适当增加体系挤出时的黏度，从而使制品更密实，树脂与木粉相容性更好［8］。很多企业已对现有的生产设备进行相应的改造和升级，使生产稳定，同时也节约了电能，效果十分显著。目前挤出成型是国内生产NPC材料制品的主要加工方法。

2.4.2 注射成型

WPC注射成型的制品外观和质感酷似木材，有和木材一样的加工性能、施工性能，并具有塑料的绝大部分优点，如阻燃、抗老化等，同时又具有普通塑料型材不具备的其它优点。WPC高温流动性能好、加工性能好、成本低、表面光泽度高，具有较好的强度及韧性,被广泛用于复杂形状制品的生产。目前，国内、外研究较多，但要国内的生产应用方面还有待提高［9］。

2.4.3 模压成型

模压成型工艺是将一定量NPC料放入到模具的型腔中，利用带热源的压机产生一定的温度和压力，合模后在一定的温度和压力作用下使预浸料在模腔内受热软化、受压流动、充满模腔成型和固化，从而获得复合材料制品的一种工艺方法［10～12］。

2.4.4 发展方向

目前国内NPC成型技术的发展方向为:复合共挤、表面处理（砂带砂光处理、压纹处理、转印、UV印刷、木皮复合）、涂覆技术、微发泡、模压技术（多层多工位间歇式、热挤冷压、连续滚压式）［13］。

2.5 NPC的性能指标

许多学者通过正交实验对比分析、测试了不同的天然纤维的加入量、天然纤维的粒径、不同助剂的加入量等因素对材料的力学性能 （拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度、冲击强度）、阻燃性能、流变性能等性能指标，找出了其影响变化规律，对指导该类复合材料的生产具有积极的意义。

李学锋等［1］采用木粉、稻糠、稻草和甘蔗渣4种不同的天然纤维先进行预处理再与HDPE、PP复合的方法，成功地制备出聚烯烃/天然纤维复合材料。4种不同的HDPE/天然纤维复合材料的物理械性能及热变形温度相近。以木粉填充复合材料学性能最高，甘蔗渣填充复合材料次之，稻草纤维和稻糠纤维稍差。而稻糠纤维复合材料具备最高热变形温度。PP/天然纤维复合材料与HDPE/天然纤维复合材料有相似的变化规律。通过相差分析发现，在天然纤维制备的复合材料中,纤维和树脂分布均匀。这表明表面改性剂的存在，有利于纤维与基础树脂之间的充分浸润粘合。

方露等［5］通过对WPC表面防火涂层制备及其耐火性能研究，当 m（APP）:m(MEL):m(PER)=12:7:4时，阻燃效果最佳，耐燃时间达到1500 s。

陈寒娴［14］等的研究表明:1）当竹塑比小于40:100时，竹粉/ABS复合材料的拉伸强度和冲击强度随竹粉含量的增加有所降低，之后随竹粉含量的继续增加而略有回升。2）加入石蜡和硬脂酸复合润滑剂的竹粉/ABS复合材料力学性能较优，当竹塑比为100:100时，冲击强度和弯曲强度达到最大值。3）竹粉/ABS复合材料的剪切应力和表观粘度随温度增加而降低。4）随着竹塑比的增大，竹粉/ABS复合材料的剪切应力和表观粘度均逐渐增大。5）选用硬脂酸为润滑剂的竹粉/ABS复合材料的黏度最小，流动性能和加工性能相对较好。

2.6 NPC产品用途及市场前景

由于天然纤维/塑料复合材料体现了源于自然、融于自然、优于自然、归于自然的循环产品生命特征，符合“资源-产品-废弃物-再生资源”的反馈式循环过程，可以更有效地利用资源和保护资源，实现了国家所倡导的“以尽可能小的资源消耗和环境成本，获得尽可能大的经济效益社会效益，从而使经济系统和自然生态系统的物质循环过程相互和谐，促进资源永续利用”的目标［15］。目前该类产品主要应用在以下几个方面:

1）建筑和装饰行业:护墙板，道路施工材料，水利工程材料，建筑物内外装饰材料等。

2）市政建设、园林方面:园林景观工程等。

3）汽车工业:汽车内饰材料、汽车零部件、挡泥板等。

4）交通、物流方面:铁道枕木、包装材料、集装箱底板等。

NPC复合材料是一种性能优异且利于环保的新型材料,目前我国仅木塑行业的产能就为30万t/年左右,预计到2015年将要达到500万t/年的战略目标。相应的原材料供应和生物质原材料基地建设、专用生产设备的制造和供应、各种专用基材树脂和配套加工助剂的生产与供应等方面的发展前景都十分巨大［15］。

2.7 NPC生产应用中主要存在的问题

1）原材料供应和生物质原材料基地的建设。要向生产出重现性好、规范化、标准化的工业产品努力，这方面还需做大量的工作。

2）天然纤维/塑料生产专用设备的制造与供应。目前国内还没有NPC复合材料专用生产设备的制造，生产厂所用的设备全以生产塑料产品的设备代用，其性能是满足不了NPC产品生产技术要求的。

3）在改善天然纤维复合材料的力学性能、热稳定性上也需要我们进一步研究。

4）树脂与纤维之间的结合也是一个关键性的问题,在生产NPC复合材料过程中需要对纤维进行表面处理，这无疑是增加了生产成本。因此，在发展NPC复合材料新型复合工艺中为降低生产成本，偶联剂的选择至关重要。

5）各种专用基材树脂和配套加工助剂的生产与供应。我国目前还没有系列化、价廉物美、能大批量、质量稳定的NPC生产专用助剂。

6）生产技术和成型工艺还有待进一步改进与提高。

3 结语

天然纤维/塑料复合材料，是一类具有十分广阔前景的新材料。近年来，相关的材料、配方、生产工艺、专用生产设备、模具设计等方面的研究不断取得进展,许多天然纤维/塑料专用的助剂也相继问世，这些都为天然纤维/塑料复合材料的进一步研发打下了坚实的基础。

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