国内木塑复合材料研究进展及应用现状

2015-08-15窦立岩汪丽梅

科技视界 2015年14期

窦立岩汪丽梅陈晨

（吉林建筑大学材料科学与工程学院，吉林长春130021）

木塑复合材料(Wood-Plastics Composites,简称WPC)是各种植物纤维材料与塑料复合形成的一类高性能，高附加值的新型复合材料，同时也是一种极具发展前途的绿色环保材料。在国外，其大规模工业化应用始于20世纪80年代，随着汽车内部装饰工业的发展而发展。国内对于木塑复合材料的研究较晚，20世纪80年代福建林学院的杨庆贤等才最早在国内开展木塑复合材料的研究。20世纪90年代，中国林科院木材工业研究所秦特夫等人开始对PP基木塑复合材料的研究。近年来，国内对其研究日益重视，产品的生产和应用在世界范围内迅速增长，远超过了同时期塑料行业的增长速率。在国家循环经济政策的鼓励和建筑装饰行业的发展推动下，全国性“木塑热”正在兴起。

1 木塑复合材料原料

目前，木塑复合材料（WPC）主要分为聚合物基WPC和木基WPC两类。聚合物基WPC是将植物纤维与塑料混合，经过挤出成型或热压成型工艺制作而成。木基WPC是向木材中注入化学试剂(多为有机单体)，然后在热引发剂或热辐射源的引发下，使化学试剂在木材中聚合。

植物纤维：

植物纤维可分为木材植物纤维和非木材植物纤维。木材植物纤维主要包括木粉、刨花、锯末和秸秆，非木材植物纤维有稻壳、稻草、花生壳、麦秸、棉杆、麻杆和甘蔗渣等。目前国内最常用的原料是木材,而且主要是以木材加工剩余物、废旧木材和秸秆为主，其主要成分由3种高聚物组成:纤维素、半纤维素和木质素[1]。

2 聚合物

WPC中聚合物主要通过两种途径形成：直接加入聚合物树脂和原位聚合有机单体或预聚物。

2.1 聚合物树脂

热塑性聚合物是制备木塑复合材料的主要聚合物基体。常用的热塑性聚合物有聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)等[2]，包括新料，回收料及二者混合料。

2.1.1 聚乙烯

聚乙烯是世界上产量最大的塑料，熔点较低，使纤维素纤维作为填料时不会发生显著的热降解；质软，易于加工，因此工业化商品中聚乙烯基产品占有极大的比重，约65%。

2.1.2 聚丙烯

聚丙烯比聚乙烯更轻、更硬，更透明，但耐低温冲击性差。在木塑缝合材料中占有较大的比重，目前市场占14%。

2.1.3 聚氯乙烯

聚氯乙烯具有自熄、耐腐蚀、耐磨损、低吸水性、制品透明等优点，但聚氯乙烯热稳定性差，在光、热、机械作用下易分解，加工范围窄，通常需要改性处理，市场占有率大约在16%作用。

2.1.4 其它聚合物

除了上述几种塑料外，可调整组成比例的ABS和可以生物降解的聚乳酸[3-4]（PLA）以及高熔点的尼龙和聚酰胺类树脂等塑料品种也开始应用于木塑复合材料的制备。

2.2 有机单体或预聚物

以有机单体作为WPC的原料与树脂作为原料有本质区别，通常是木质基体，即木质材料所占比例较大，大约80～90%，主要是利用木材疏松多孔的特性充分浸渍，然后原位聚合或与木材发生接枝固化反应并最终形成木塑复合材料。热塑性聚合物单体可以是苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、醋酸乙烯、丙烯腈、亚氯乙烯等，热固性聚合物则是以小分子量的预聚物作为原料，包括酚醛树脂、脲醛树脂、环氧树脂等。例如脲醛树脂使用中，研究过聚顺丁烯二酸二乙醇酯和三聚氰胺对脲醛树脂改性、脲醛树脂和蒙脱土结合使用[5]、纳米填料对脲醛树脂进行改性等。

3 木塑复合材料的生产方法

3.1 技术关键

3.1.1 提高木塑复合材料的界面相容性

改善木塑界面的相容性是制备优良性能复合材料的关键[6-7]。目前,改善复合界面相容性的主要方法有对原材料进行表面预处理和用改性剂提高复合界面相容性。

1）原材料表面预处理

原材料表面预处理包括对塑料的表面处理和植物纤维的表面处理。塑料非极性，纤维极性，因此根据相似相容的原理：增强塑料的极性和减弱纤维的极性都可以作为预处理的出发点。从具体实施办法来看，塑料的处理方法比较单一，多数是共聚接枝上极性基团，而且可选的单体种类有限，目前来看效果不错的主要是马来酸酐，李跃文[8]等人直接通过过氧化二异丙苯(DCP)、马来酸酐(MAH)、木粉和聚丙烯(PP)的反应挤出实现了PP-WPC的反应增容。结果表明,WPC中木粉和PP两相之间的界面相容性明显改善。相对于塑料来说，纤维的处理方法则显得手段多样，既可以是物理方法：等离子放电、辐射、热处理、拉伸、压延、混纺；也可以是化学方法：酯化、醚化、碱液处理或是与有机单体接枝共聚。虽然化学处理方法可以使改性进行得更彻底一些，但物理改性简单、方便，不需要添加任何化学制剂，对环境污染小，而且成本低。

2）界面改性剂

按照改性原理区分，界面改性剂分为相容剂和偶联剂两类。相容剂作用机理是相容剂富集两相界面处,一端和填料相结合,起到包覆作用,另一端与聚合物基体相容,降低两种聚合物之间的表面张力,增加界面层的厚度,降低分散相粒径,从而使相结构更稳定,提高共混物的力学性能[9]。目前用到的改性剂有MAH接枝PE、HDPE、PP、PS、PAA以及它们之间的共混物等。不难发现，MAH仍然是最重要的改性组分，与作为表面处理剂使用时的主要区别仅仅是形式和添加方式的改变。袁新恒[10]等人进行了废报纸粉填充聚丙稀材料的研究,并以马来酸酐接枝PP(PP-MA)为增容剂，结果表明,PP-MA有效地改善了纸粉和PP的界面相容性,提高了材料的力学性能;刘文鹏等人[11]研究了PP-g-MAH、PE-g-MAH、SBS-g-MAH三种相容剂对PP/木粉(质量比50/50)复合材料力学性能的影响。结果表明,三种相容剂对复合材料界面相容性均有改善效果,其中SBS-g-MAH效果最佳。偶联剂是一种具有两相结构的有机化合物,它可以使性质差别很大的材料紧密结合起来,从而提高复合材料的综合性能。目前使用量最大的偶联剂是硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂和铝酸酯偶联剂。曾广胜等[12]用马来酸酐接枝聚丙烯（MAH-g-PP）、铝酸酯偶联剂、铝钛偶联剂改善木塑界面的相容性,复合材料的机械性能都有较大的提高。另外，异氰酸酯类偶联剂也可以降低木粉表面亲水性，提高木粉与塑料之间的相容性。隋金玲[13]使用4种不同类型的含高活性反应基团的聚氨酯处理剂对木粉表面进行处理,并制备了PVC/木粉复合材料,研究了表面处理剂的交联度、不同用量和高活性反应基团NCO的含量对复合材料性能及结构的影响。结果表明,使用聚氨酯处理剂对木粉表面进行处理可以明显改善复合材料的流变性能,并明显提高复合材料的力学性能。

3.2 生产工艺

3.2.1 生产设备

木塑复合材料的生产工艺按照设备可分为三类：（1）压制成型，包括模压成型和层压成型。模压成型是将混合好的物料直接放入模具中，再经油压机加热加压成型。层压成型是先将物料用密炼机炼塑后，辊压成1mm的薄片，再切割层叠后放入热压机压制成型。（2）挤出成型。主要设备有：单螺杆挤出机、同向双螺杆挤出机、异向平行双螺杆挤出机、异向锥形双螺杆挤出机等。分为一步法和两步法，前者无需造粒，但对设备、工艺要求高，很难控制，后者则相对比较灵活，目前为多数企业所采用。（3）注塑成型。注塑成型主要设备为注塑机，与挤出成型制品相比，注塑成型可以生产各种复杂非连续的制品，拓宽了木塑复合材料的应用范围。

3.2.2 工艺参数

现在的生产工艺以挤出成型为主,并辅以注射成型。挤出可以单挤或复合共挤,产品相应的也可以是单层或多层，质量的好坏完全取决于过程参数的控制[14]，机头温度、压力以及冷却系统的冷却速度都只能在很小的范围内变化，高或者低都会产生不合格产品。螺杆转速虽然.是越慢越好，但产量也相应减少，因此必须控制在适当的范围内。

3.2.3 工艺改进

工艺方面的改进是提高产品质量和降低成本最有效的途径。在WPC的发展过程中，有几个动向值得注意：（1）开发专用设备，加工方式由单一的螺杆挤出向其他传统塑料加工方向发展，由水冷成型向空气冷却成型发展，由单一挤出型材向复合共挤、包裹共挤方向发展；（2）引入发泡工艺技术，从高泡向低泡、微发泡方向发展；（3）研发新型助剂，改进WPC的加工性能和外观质量[15]。

4 木塑复合材料的应用现状

WPC兼具木材和聚合物的优势，外观和手感都与木材极为相似，有着良好的尺寸稳定性，防潮、耐腐蚀性能良好，可以像木材一样钻、钉、锯、刨、油漆和胶合，并可以使用五金件连接，在天然木材资源日益缺乏，大量废旧塑料急需有效利用的今天，作为一种天然木材的替代品有着其独特的优势，应用领域非常广泛。

4.1 建筑行业

建筑产品是木塑复合材料应用最为广泛的领域，约占木塑复合材料用品总量的75%。铺板和护栏类对材料的结构功能性要求不高，是主要产品[16]，如各种台面、活动房屋、门板、混凝土模板、楼梯扶手、天棚等。另外，栅栏、百叶窗、窗户边框和门框也要用到大量的WPC。市场调研结果显示，WPC最大的增幅预期在房屋建材和室内装饰部分。

4.2 汽车行业

木塑材料可以制成各种装饰材料，其在汽车内饰行业材料的使用，占木塑复合材料总量的8%，主要用作如车门板、仪表盘、座椅配件、后备箱底板及四壁饰板等。从近几届的汽车博览会来看，众多品牌汽车的内饰材料均不同程度上使用了WPC制品，这表明采用WPC制造汽车内饰，已经成为汽车行业一个发展趋势。

4.3 包装行业[17]

木塑复合材料也是木质包装的首选替代品，现代物流业日益发达，货物储运过程中离不开各种规格的运输托盘和出口包装托盘，仓库铺垫板、插车货板、各类包装箱、集装箱、运输玻璃货架等。对木塑制品需求量巨大，有广阔的市场前景，预计到2015年，我国托盘年需求量将增长到2亿个。

4.4 公共设施

WPC可以替代大部分木材和塑料产品，在各种公共场所随处可见。如露天桌椅、木栈道、垃圾桶、花盆、标志牌等。

4.5 其它

在工业、农业以及文体用品方面WPC也发挥了非常重要的作用。如化工领域的机器罩、水泵壳、铸造模型、电气用材等，农业领域的农用大棚支架，以及教学用品、球拍、滑雪板、高尔夫球棒、舞台用品和各种模型等。

5 结语

WPC具有比木材好的耐久性、耐水性、成型性，同时又具有比塑料低的热膨胀性和自然的外观等，弥补了木材和塑料双方的缺陷，从材料设计的角度来看是一种非常成功的先进复合材料，但从我国的实际生产和应用情况来看并不理想，与国外相比还存在很多差距。在目前我国林业资源贫乏，日益短缺，而废旧塑料却又日益增多的形势下，立足国内现状，开发低成本，绿色环保，能够循环利用的聚合物基WPC更符合目前的发展趋势。

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［2］洪浩群,何慧,贾德民,等.木塑复合材料界面改性研究进展[J].塑料科技,2007,35(8):118.

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［7］刘涛,何慧,洪浩群,等.木塑复合材料研究进展[J].绝缘材料,2008,41(2):38-41.

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