生物质木塑复合材料的研究进展＊

2019-11-29王冬至朱莽刘美霞李冲王平李素坤

科技与创新 2019年22期

关键词：木质生物质木材

王冬至朱莽刘美霞李冲王平李素坤

生物质木塑复合材料的研究进展＊

王冬至1，2，朱莽1，刘美霞2，李冲1，王平2，李素坤1

（1.山东霞光集团有限公司，山东济宁 277600；2.济南大学，山东济南 250022）

阐述了生物质木塑复合材料的发展及其优势，针对生物质木塑复合材料的应用进行分析，综述了生物质木塑复合材料的研究进展，归纳总结了生物质木塑复合材料的主要研究方向和发展方向。

生物质木塑复合材料；木质纤维；偶联剂；热压

1 生物质木塑复合材料简介

生物质木塑复合材料（Biomass Wood-Plastic Composites）是近年来兴起发展的一类新型环保复合材料，是以木纤维或天然植物纤维为增强相，热塑性塑料为基体，进行熔融复合，采用热压、挤出、注射等成型加工方式而制成的一种复合材料[1]。生物质木塑复合材料的基础为热塑性塑料和木质纤维，这也就决定了其具有塑料和木材的某些特性。

1.1 良好的加工性能

生物质木塑复合材料内含塑料和木质纤维，将塑料的柔性和木材的刚性结合到一起，具有同木材相类似的加工性能，加工过程一次成型，减少废料的产生，利用率高，其机械性能明显优于木质材料。

1.2 良好的力学性能

木纤维具有刚性，在一定范围内纤维含量的增加可以提高复合材料的弯曲性能，使产品不易变形、开裂，耐用性明显高于普通木质材料。制品表面硬度高，一般是木材的2～5倍。

1.3 良好的耐水、耐腐蚀性能，使用寿命长

生物质木塑复合材料具有比木材小得多的吸湿性，而且不易变形，抗菌，质轻，耐酸碱。生物质木塑复合材料的稳定性、耐用性，尤其是抗微生物降解能力都优于木材。

1.4 优良的可调整性能

塑料可以在其他助剂作用下发生聚合、发泡、固化、改性等改变，从而改变生物质木塑复合材料的密度、强度等特性，还可提高抗紫外线、抗老化、防静电、阻燃等特殊性能。

1.5 原料来源广泛

木质纤维可采用废木料、木材加工剩余物、农作物秸秆等，资源广泛，并且价格低廉；塑料所承担的组分要求不是非常高，新生产的、旧回收的、混合的料均可，充分体现了资源的综合利用。

1.6 使用环保

生物质木塑复合材料的木粉和塑料及其常用助剂均属于绿色环保类型，其生产加工过程中无“三废”产生，使用过程中无任何有害物质产生，材料废弃后仍然可以很大程度地回收利用，是一种使用环保、可循环利用的清洁环保材料。

2 生物质木塑复合材料的发展

生物质木塑复合材料的产品的出现，可以追溯到20世纪初，科学家将木粉纤维和亚麻纤维的韧皮类的纤维掺入到酚醛树脂中，对酚醛树脂进行了改性，从而合成酚醛塑料，于是世界上开始出现了生物质木塑复合材料的概念，科学家们发现这种生物质木塑复合材料结合了木材和塑料的优点，具有很好的协同作用，克服了木材易受潮、易老化的缺点，在很多用途上可以代替木材使用。

到了20世纪50年代，生物质木塑复合材料开始商用。生物质木塑复合材料具有性能优异、价格低、强度好等优点，因此人们对于生物质木塑复合材料的研究逐渐展开并不断深入，取得了巨大的成果，并将生物质木塑复合材料发展为一个完整的产业。20世纪90年代开始，生物质木塑复合材料进入快速发展时期，其中在美国发展最为迅速。进入21世纪，人们越来越注重绿色环保，在建筑产品和材料方面也越来越关注其环保、耐久性和可持续性，这使得生物质木塑复合材料成为建筑和装饰领域不可缺少的一部分。目前世界生物质木塑复合材料的年均增长速率在10%以上，成为塑料工业领域增长最快的品种[2]。

生物质木塑复合材料的优点是重量轻、吸水率低、抗白蚁、耐潮湿、尺寸稳定性和低维护要求，生物质木塑复合材料的蠕变响应和相对蠕变明显高于天然木材，这些优点使得生物质木塑复合材料在建筑装饰领域发挥了重要作用。生物质木塑复合材料技术也因市场的发展而日趋成熟，尤其是在原料及混料、成型工艺、温度控制和冷却以及配方等方面有了巨大的革新，使生物质木塑复合材料的发展和原料来源以及产品应用联系更加紧密，提高了生产效率并降低了成本[3]。目前，美国是世界上最大的木塑制品生产和应用国家，研究也最为广泛。其最大的制品是铺板，生产工艺为挤出成型。因为生物质木塑复合材料不会裂缝，也不翘曲，且外表美观，除铺板外，还可以做墙板、天花板、地板、装饰板、建筑模板等。其应用的领域也由简单的低附加值产品，向复杂的高附加值产品方向逐渐发展。生物质木塑复合材料制品还可做装饰边框、栅栏﹑露天桌椅、垃圾桶等，木塑制品在未来很有可能会替代PVC和其他塑料制品。在美国，生物质木塑复合材料一直保持10%左右的速度增长，近些年增长率更高。

此外，日本的生物质木塑复合材料发展在世界上也处于领先地位，日本的林业资源匮乏，使得日本的生物质木塑复合材料应用较多，且质量优良，其外表和天然木材相差无几。日本在木塑的生产制造方面处于领先地位，拥有木塑行业的大量专利并且开发出了很多特殊用途的木塑制品，比如抗菌型生物质木塑复合材料，环境中的真菌腐蚀生物质木塑复合材料中的木质组分和添加剂，破坏材料结合界面。抗菌型生物质木塑复合材料可用于医院、诊所、厕所等有细菌的场所，这种材料可以有效地延长生物质木塑复合材料的使用寿命。

在中国，每年要消耗大量的木材并且存在大量的浪费，在木材加工中，有20%～30%边角料和锯末木粉没有被充分利用。在森林资源严重缺乏的情况下，要保持森林面积，一个好方法就是发展生物质木塑复合材料，生物质木塑复合材料可替代木材，通过使用废弃木材以及木粉或者循环利用来减少木材的使用，从而保护森林资源。生物质木塑复合材料产品的发展符合国家的产业政策和国家废弃资源综合利用的产业发展意见，是新型绿色环保的材料。生物质木塑复合材料产业是国家鼓励发展的环保节能新兴产业，可以减少农林废弃物焚烧对环境产生的严重危害，同时能够提高农林生产中的废弃物的综合利用率。

3 生物质木塑复合材料的研究现状

生物质木塑复合材料的原料主要有生物质纤维原料、热塑性原料、偶联剂及其他助剂。生物质木塑复合材料中最常用的生物质纤维原料是木材，秸秆等农作物纤维也占有一定比例。中国丰富的农业资源优势为生物质木塑复合材料在国内的迅速发展提供良好条件。热塑性塑料主要是原生和回收的聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）。偶联剂能改善填料和高分子材料之间的界面特性，提高界面的黏合性，从而提高复合材料的性能。其他助剂主要有光稳定剂、颜料、润滑剂、防腐剂、抗氧化剂等，用来改善加工性能和实用性能。挤出成型是生物质木塑复合材料生产过程中的主要成型工艺，目前挤出法生产生物质木塑复合材料的主要设备是螺杆挤出机。

由于木粉与塑料的界面相容性很差，所以当木粉和塑料的比例不合适时，所制得的生物质木塑复合材料的物理机械性能很差，因此，改善生物质木塑复合材料的界面相容性一直是后续研究的重要方向。

20世纪80年代，中国开始了生物质木塑复合材料的研究。中国林科院木材工业研究所改善了PP基木塑材料的机械性能，在木材纤维和聚丙烯纤维复合中采用酚醛胶（PF）作为胶黏剂来提高木材的结合能力，对木材使用处理剂进行预处理，以改善材料间的相容性[1]。上海交通大学高分子材料研究所用马来酸酐接枝聚丙烯作为偶联剂应用于纤维素填充的PP体系中，并对提高材料相容性的机理进行了分析。北京化工大学研究的一步法挤出成型技术，形成了比较完整的生产工艺。近年来，中国对生物质木塑复合材料的相关研究给予了很大支持，生物质木塑复合材料在国内也得到了很多的关注，有了一定的发展。但是与美国、日本相比，差距还是很大的，根本原因是技术上的落后。近年来国内正加大研究生产力度，推动中国木塑产业的快速发展。

生物质木塑复合材料的生产工艺较为成熟，在生产工艺方面的研究主要是在原有基础上进行加工技术改进创新、对产品性能的改进。目前生物质木塑复合材料的研究方向主要有以下几个方向：①木质纤维的选择及添加比例。不同木质纤维与热塑性基体混合，所得到的材料性能明显不同，同种纤维添加比例不同，所得到的材料性能也有明显差异。木质纤维正在向其他植物纤维材料发展，比如各种麻类、秸秆麦草、蔗渣等。木质纤维的另一重要来源是各种植物纤维废弃物，比如废旧木材、废纸、废纺织品等。不同种类的植物纤维所含成分不同，在材料合成时需要调节配方的组成。②混合塑料的应用和研究。各种塑料混合在一起，由于其组分不同，所以熔融温度也不同，相容性也很差，这往往会造成生产出的产品的力学性能下降。随着塑料制品的增加，产生的塑料废弃物也在逐年上升，中国的塑料回收和分类工作都不太完善，因此混合塑料的研究显得尤为重要。③偶联剂的研究和应用。木质纤维与塑料的界面相容性很差，需要添加偶联剂对材料进行改性。偶联剂能够将二者结合到一起，提高二者之间的界面相容性。常用的偶联剂主要有马来酸化聚烯烃偶联剂、有机硅烷偶联剂和其他偶联剂三大类，对于改善塑料和木质纤维之间的界面相容性具有极其重要的作用，但是偶联剂的价格较高，限制了其在木塑生产中的大量使用，偶联剂的添加量通常为木质纤维质量的1%～8%，因此，需要开发廉价高效的偶联剂。④功能性生物质木塑复合材料的研发。近年来，研究者们致力于通过功能化改性来改善生物质木塑复合材料的阻燃抑烟、耐老化、耐候和抗菌性能，并取得了显著的成果。但是功能化改性理论、功能影响因子尚未系统化和理论化，改性方法也尚未成熟，有待进一步研究。⑤生物质木塑复合材料的表面修饰。生物质木塑复合材料主要用于建筑装饰，对于产品外观的要求较高，砂光、拉丝和轧花技术是聚烯烃基生物质木塑复合材料常用的修饰手段，除此之外还有涂饰技术、贴面装饰技术、仿木纹技术。对于木塑材料制品的表面装饰的创新也具有很大的商业潜力。 ⑥发泡复合材料。通过添加发泡剂向材料内部引入均匀分布的泡孔，这些分布均匀的泡孔结构有助于钝化材料内部的裂纹尖端，阻止裂纹扩展，提高材料的抗冲击能力和延展性，一定程度上提高了材料的力学性能。大量的泡孔结构也使生物质木塑复合材料的密度显著降低，显著降低原料成本，发泡也能使产品表面有独特的质感，产品的隔音、隔热性也较好。发泡剂和发泡助剂的种类和发泡方法有待进一步研究。