木塑材料用于户外建筑及景观材料的工业设计

2015-11-18吴依然陈朝晖

橡塑技术与装备 2015年10期

关键词：木塑高分子景观

吴依然，陈朝晖

（1.河海大学，江苏南京 210098；2.南京市住房和城乡建设委员会，江苏南京 210008）

木塑材料用于户外建筑及景观材料的工业设计

吴依然1，陈朝晖2

（1.河海大学，江苏南京 210098；2.南京市住房和城乡建设委员会，江苏南京 210008）

对于户外建筑及景观用木塑材料的变形进行了研究分析，指出了导致变形的两个主要因子温度应力蠕变和吸水膨胀蠕变，在木塑领域首次提出“周期性蠕变叠加”概念；并在木塑材料的初始设计和质量标准等方面提出了解决方案，以保证设计制造出更适合户外建筑及景观使用的优质木塑产品并在使用中充分发挥出木塑材料应有的优秀品质。

木塑；户外；建筑；景观；工业设计

0　木塑材料略述

木塑材料简称木塑（WPC），也即木塑复合材料（Wood-Plastic Composites）。木塑材料是近些年以来，在国内外蓬勃兴起、迅速发展的一类新型复合材料，是用聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等高分子树脂，与30%～70%以上的木粉、木屑、稻壳、秸秆等天然植物纤维粉碎、混合、制成新的高木质含量的复合材料；再经挤压、模压、注塑成型等塑料加工的方法，生产出的板材或型材等产品。产品广泛用于建筑建材、家俱家装、物流包装等行业。

1　木塑产品应用

木塑产品已经广泛大量地用于户外、室内各种用途。如：木塑门、门套、百叶窗、橱柜、衣柜、外墙挂板、天花吊顶、装饰墙板、踢脚线、地板、地板龙骨、护栏立柱、凉亭、廊架、围栏、栅栏、休闲椅、花架花箱、树池树围、空调架、空调罩、路标牌、运输托盘、等等。

特别是木塑材料的防水防潮、耐酸碱、耐腐蚀性能优异，在海边高盐地区使用，优势尤其显著。木塑型料使用方便、应用灵活，不仅可以取代木材的使用，而且是一种性能优异的新型环保材料。市场前景非常广阔。

2　木塑材料性能和优点

（1）木塑材料具有与木材类似的加工性能，可刨、可钉、可钻、可锯、可切、可黏接，常用钉子或螺栓连接固定，握钉力是一般木材的三倍，是刨花板的五倍。表面光滑美观、无需砂光和油漆，且木塑的油漆附着性好，亦可根据需要上漆。

（2）木塑产品有比木材更优良的物理性能，比木材尺寸稳定性好，不易翘曲、不会产生裂缝、无木材节疤、裂纹；加入着色剂、覆膜或复合表层可制成仿木纹色或其它色彩绚丽的各种制品；安装简单，施工便捷，且无需定时养护。

（3）木塑产品具有防水、耐潮湿，耐酸碱、抗腐蚀，不被虫蛀、无真菌侵蚀，无毒无害、无污染等优良性能，可具备阻燃性能。

（4）木塑产品有类似木质外观，比普通木材硬度高，强度好，使用寿命长，清洁方便，生命周期的维护费用低；可循环利用。节约资源、绿色环保。

3　户外建筑及景观用木塑材料的工业设计

木塑材料综合性能优异，户外建筑及景观使用的木塑品种越来越多、数量越来越大。随着制造技术和工艺的不断进步，产品外观质量提高很大。但有许多木塑企业，甚至不少品牌大企业，由于缺乏针对性研究，材料设计存在着先天缺陷。这些缺陷往往要在建成二、三年之后才逐渐暴露问题，此时再来解决问题，已经为时已晚。在追踪问题时，材料设计缺陷往往难以查出。

木塑材料有： PVC基、PP基、PE基、PP/ PE基、PS基、ABS基等，目前主要品种为PVC木塑、PE木塑、PP木塑。

热塑性高分子材料属粘弹性材料，在长期应力作用下会发生应力蠕变，这是热塑性高分子材料自身特点所决定的。其影响因素主要是长期应力的大小及环境温度。高分子材料和植物纤维复合制成的材料就是木塑材料，因含有植物纤维成份，使得高分子复合体系的抗蠕变性能得到了很好的改善。

木塑材料是高分子材料和植物纤维制成的复合材料：因植物纤维成份的加入，3%范围的拉伸伸长率及弹性恢复所显示出的弹性及弹性模量，使木塑材料比高分子基体材料表现出更具有刚性的弹性特征；亦即弹性模量大大增加。这非常有利于用作户外建筑及景观材料时的尺寸稳定性和抗变形性以及承载能力。

高分子材料和植物纤维两者优点的结合，使得木塑材料相对其它材料在户外运用建立了综合优势。这也是木塑材料在景观及户外建筑迅速增长和发展的根本原因。

3.1木塑材料的变形

户外木塑建筑及景观在使用一段时间后，有些尺度较长的木塑会出现逐渐弯曲、下垂等变形现象，这是目前户外木塑建筑及景观中常见的缺陷。

木塑材料由建成时漂亮的直线型，在经过几个寒暑后逐渐弯曲变形的变形因子研究分析如下：

3.1.1温度应力及蠕变

夏季气温升高，木塑材料产生热膨胀。较长的木塑热膨胀较大，由于两端被固定，所受温度应力也大（应力和膨胀变形成正比），当膨胀达到一定值后，木塑发生失稳而弯曲变形并随热膨胀增加弯曲度（弯曲变形）增加。

木塑弯曲后，温度应力得到释放；中性面应力为零，因弯曲，凹面产生压应力，凸面产生拉应力。由于拉、压应力的长期作用，凸、凹面分别产生拉伸和压缩蠕变，使得曲率变大，在气温降低时也不能完全收缩恢复。如是经过若干气温周期，不断产生周期性蠕变叠加；随着蠕变增加和高分子链的约束力逐渐达到平衡，蠕变的增量逐渐减小到零，达到蠕变极限。

若安装施工在高温季节，因和最高温度的温差小，基本不发生因热膨胀而弯曲变形的情况。但在低温季节，木塑的韧性和强度随温度下降；由于两端被固定，木塑因降温收缩而产生的温度应力达到最大值，往往导致固定处破坏。

3.1.2吸水膨胀蠕变

降雨时节，木塑吸水膨胀，木塑材料产生微量蠕变伸长，不可恢复；并随干湿交替周期，周期性产生蠕变伸长并叠加。随着木塑内部木质达到可能的吸水膨胀极限及高分子材料的约束力的作用，吸水膨胀蠕变伸长的增量逐渐减小到零，达到蠕变极限。

3.1.3木塑材料蠕变是温度应力蠕变叠加和吸水膨胀蠕变的综合结果

较长木塑两端被固定约束时，随着木塑材料各种蠕变的叠加，在建成时漂亮的直线型材料，逐渐出现明显的弯曲；并在若干寒暑交替之后达到尺寸基本稳定、弯曲度不再增加。

3.2木塑材料变形的应力计算和蠕变方程

木塑材料的应力计算和蠕变方程，假定前题是将木塑材料视作理想的均一材料。同时，木塑材料中的高分子聚合物相对木质部份吸水率要低两个数量级以上，在推定公式模型时，高分子聚合物的吸水量忽略不计；木塑材料中的木质部份相对高分子聚合物线膨胀系数要低一个数量级以上，在推定公式模型时，木质部份的热膨胀也忽略不计。

3.2.1应力分析和计算

3.2.1.1温度应力

初始温度应力：

式中：

Δε——应变；

E——木塑材料拉伸弹性模量；

α1——木塑材料中所用高分子的线膨胀系数；

α2——木塑材料的线膨胀系数；

ΔT—— 计算温度和安装温度的温度差；

P——木塑材料中高分子聚合物占的比例。

3.2.1.2弯曲应力

弯曲凸面拉应力：σ1=Δε·E1=（y/r）·E1

弯曲凹面压应力：σ2=Δε·E2=（y/r）·E2

式中：

Δε——应变；

E1——木塑材料拉伸弹性模量；

E2——木塑材料压缩弹性模量；

y——应力计算面到中性面距离；

r——木塑材料弯曲半径。

最大拉应力、最大压应力分别在凸、凹面的外表面。

3.2.1.3吸水膨胀应力

初始吸水膨胀应力：

式中：

Δε——应变；

E——木塑材料拉伸弹性模量；

β1——木塑材料中所用植物的线性吸水伸长率；

β2——木塑材料的线性吸水伸长率；

W——木塑材料中植物纤维占的比例。

3.2.2蠕变方程

木塑材料属粘弹性材料，在应力作用下发生蠕变。其蠕变行为可以用线形聚合物蠕变的三元件模型近似表达，见图1。

图1　三元件模型

蠕变方程

3.3木塑材料的变形的设计解决

3.3.1吸水膨胀蠕变的设计解决方案

木塑材料中高分子基的吸湿很小，植物纤维吸湿性大；有效地处理植物纤维极大地减小吸湿性非常重要。木塑材料在配方设计和工艺设计时，必须尽可能地降低木塑材料的吸水性，并最终以严格的吸水率作为质量指标考核。

3.3.2温度应力及蠕变的设计解决方案

温度应力及蠕变是材料自身特点所确定的，必须从高分子材料本身找出改善方案。控制并降低木塑材料的线膨胀系数可以有效地控制并降低温度应力。

户外建筑温度通常在70 ℃之下，当高分子材料的Tg（玻璃化温度）在此之下越低时，越容易产生应力蠕变。

木塑材料常用的高分子树脂有：PVC、PP、PE、PS和ABS等，它们的Tg（玻璃化温度）见表1。

表1　木塑材料常用高分子树脂的玻璃化温度

玻璃化温度，PVC相比PP高90 ℃以上，相比PE高150 ℃以上；PP相比PE高50 ℃以上。我们知道，温度升高，高分子链活动度增加，链间缠绕趋向松弛。当环境温度超过高分子的玻璃化温度时，高分子链的活动能力大大增强，在应力作用下容易发生蠕变。应变时，弹性变形比例减少，塑性变形比例相应增加。形成永久变形，对户外建筑及景观的美观产生不利影响，观赏度直线下降。

PE和PP的玻璃化温度均在0 ℃以下，远低于夏季户外建筑最高温度，容易发生应力蠕变；PVC的玻璃化温度为87 ℃，高于夏季户外建筑最高温度，不易发生应力蠕变。

综合考虑高分子材料的结晶影响，得到如下结果：在相同的木质添加复合的情况下，用于户外建筑及景观的木塑材料，其抗蠕变性能是：PVC基木塑明显优于PP基木塑，PP基木塑明显优于PE基木塑（即：PVC基木＞＞PP基木塑＞＞PE基木塑）。因此PVC基木塑材料用于户外建筑及景观材料更有优势。（PS、ABS、PMMA等材料，因价格、耐老化性、机械性能等因素，不宜用作户外木塑的主要成份。）

3.4木塑材料的外观色泽和耐久性及其设计改善

户外木塑建筑及景观在使用一段时间后，木塑表面常常出现粉化褪色现象，影响观赏性。户外使用的木塑材料，因受日晒雨淋，环境要求严苛；通常采用耐自然老化性能优异的无机系色料，以保证着色的耐久性。

粉化褪色现象之所以时常发生，一是木塑表面层高分子老化，二是经常有pH值较小的雨水（俗称酸雨）对无机系色料的侵蚀。

在木塑性能设计上，往往抗老化助剂是平均分布的。老化实际上由外而内逐渐发展的，因此提高木塑表面层的耐老化性能是解决表面粉化褪色重要路径；同时在色料配方上要增强抗酸雨的能力。

3.5木塑相关标准及指标

近年来，木塑产品在我国发展非常迅速，标准管理部门根据木塑产品的发展需要制定了相关产品标准，现行的木塑标准中包括：国家标准GB/T 24508—2009《木塑地板》、GB/T 24137—2009《木塑装饰板》、GB/T29365—2012《塑木复合材料人工气候老化试验方法》、GB/T 29500—2013 《建筑模板用木塑复合板》；行业标准LY/T 1613—2004《挤压木塑复合板材》、QB/T 4161—2011《园林景观用聚乙烯塑木复合型材》、BB/T0020—2001《组合型塑木平托盘》、JC/T 2221—2014 《建筑用木塑门》、JC/T 2222—2014 《木塑复合材料术语》、JC/T 2223—2014 《室内装饰装修用木塑型材》、JC/ T 2224—2014 《室外装饰用木塑墙板》；施工规范CECS 286：2011《建筑用无机集料阻燃木塑复合墙板应用技术规程》；以及一些检测方法等。

综合以上标准要求，可以发现：现行标准给出了合适的尺寸偏差、机械性能、卫生性能、耐热性能、耐候性、抗冻融性等指标；而在对户外性能影响很大的吸水率、吸水膨胀率、尺寸变化率等指标方面，标准并没有专门针对户外使用的木塑产品给出更严格的指标。根据对用于户外建筑及景观的木塑材料的研究、设计，需要在选择户外建筑及景观用木塑材料时，对现有标准（如：《园林景观用聚乙烯塑木复合型材》等）的吸水率、吸水膨胀率、尺寸变化率等指标应按照提高25%以上加以考核。同时，还应当针对温度应力及蠕变问题增加更具关联性能的指标，如：木塑材料线膨胀系数的检测和控制。这是现行国标和行标的不足之处。

户外使用的木塑材料因蠕变产生的尺寸变化量和材料本身各方向的绝对尺度大小成比例相关。木塑型材往往宽度、厚度尺度小、长度方向尺度非常大；且使用中宽度、厚度方向无约束或约束小，而长度方向两端均有强约束。因此，一维度的木塑型材控制纵向线膨胀系数是较好的选择。二维度的木塑板材应控制纵、横向线膨胀系数；木塑材料自身特点，大尺度的木塑板户外易变形难控制，户外建筑及景观设计时应当尽量避免采用整体大尺度木塑板。

3.6户外建筑及景观的木塑高档品设计

设计思想上，木塑型材由均一型复合材料提升为双层功能性复合材料，通过技术、工艺、装备提升和适当的成本增加，提出双层区分解决方案，有益于技术难点的克服，从而得到高品质、高美观、高性能、长寿命的高档木塑型材。

PVC/PVC双层木塑

木塑型材由均一型复合材料提升为PVC基表面层/PVC基底芯层双层复合材料，采用双机共挤出生产。其中PVC基表面层着重解决表面美观，提升寿命等；PVC基底芯层着重解决尺寸稳定性、物理机械性能，优化成本。

亚克力/PVC双层木塑

木塑型材由均一型复合材料提升为亚克力基表面层/PVC基底芯层双层复合材料，采用双机共挤出生产。其中亚克力基表面层着重解决表面美观，提升寿命等；PVC基底芯层着重解决尺寸稳定性、物理机械性能、优化成本。

4　研究设计结论

本设计对于户外建筑及景观用木塑材料的变形进行了研究分析，指出了导致变形的两个主要因子温度应力蠕变和吸水膨胀蠕变；在木塑领域首次提出“周期性蠕变伸长叠加”概念；并在木塑材料的初始设计方面提出了解决方案。同时根据户外建筑及景观用木塑材料的实际需要，在木塑产品现有国标、行标中的技术质量指标基础上提出了进一步的要求和附加项，以保证设计制造出更适合户外建筑及景观使用的优质木塑产品并在使用中能充分发挥出木塑材料应有的优秀品质。

（1）PVC有更好的抗蠕变性能，更适合作为户外用木塑材料的树脂基。

（2）户外木塑生产企业的内控企标在吸水率、吸水膨胀率、尺寸变化率等指标应比照国标、行标提高25%以上，才能更好地满足户外建筑及景观的使用要求。

（3）为了有效控制户外建筑及景观木塑产品的蠕变量，户外木塑产品应对线膨胀系数加以检测和控制。

（4）在户外建筑及景观中尽量减少采用两端强约束的大尺度木塑结构。

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