PP/硅灰石复合材料在室内家具设计中的应用研究进展

冯宪伟

（1.韩国京畿大学，京畿道 水原；2.杭州科技职业技术学院，浙江 杭州 311402）

与天然树脂相比，合成树脂的性能更好。其中，聚丙烯（PP）是应用最为广泛的材料，尤其在室内家具领域，PP发挥着重要的作用。利用有机填料和无机填料对PP进行填充改性才能用于家具制作。有机填料主要为秸秆、人工速生木料、甘蔗废料，无机填料主要为玻璃纤维、蒙脱土和滑石粉，制备的PP复合材料的强度、韧性提高，成本降低，增加了PP的适用范围［1］。目前，国内外学者都对PP/硅灰石复合材料投入了广泛的研究，并将复合材料应用在汽车、飞机和家居装饰等领域［2］。室内家具对于材料的强度、韧性和抗老化性能要求较高，PP/硅灰石复合材料耐高温能力、防水能力和抗老化能力较其他同类型复合材料强，因此，十分适合制作门窗、墙体、地板等。本文综述了PP/硅灰石复合材料在室内家具设计中的应用，从室内家具装饰件和室内家具设计中承力构件两方面进行探讨。

1 PP/硅灰石复合材料在室内家具装饰件中的应用

室内家具装饰件在整个室内家具设计中占据着重要作用，因此，设计时必须要掌握艺术造型的形式美法则，从而主导家具造型的美感［3］。采用PP/硅灰石复合材料制备的家具装饰件线条流畅，外形圆滑，以线找面，给人一种轻盈、灵动、完整的感觉。室内家具的装饰件对于材料的力学性能有一定的要求，在利用PP/硅灰石复合材料制作室内家居装饰品时，还要重点考虑材料的环保性能、防水性能和抗老化性能［4］。

1.1 PP/硅灰石复合材料的力学性能

PP/硅灰石复合材料中选用的硅灰石为改性硅灰石，是以硅灰石为原料，于60 ℃高速搅拌10 min；然后将钛酸酯偶联剂TC-114与稀释剂无水二甲苯的混合液，在60 ℃时边喷洒边搅拌15 min后，缓慢降至室温，得到了干法粉体状的改性硅灰石［5］。通过相容剂甲基丙烯酸丁酯和苯乙烯-丙烯酸丁酯-马来酸酐共聚物接枝改性聚丙烯（PPSBM）来改善PP/硅灰石复合材料的力学性能，PP/硅灰石复合材料的抗拉强度、硬度、延伸率和抗压强度呈现先增大后减小的趋势，PP-SBM中的马来酸酐与改性硅灰石表面的羟基反应，达到增容的效果，而PP-SBM另一端的结构在反应过程中会形成柔性界面，由于该结构属于高分子聚合物，所以会阻碍PP-SBM与改性硅灰石发生反应［6］。随着PP-SBM含量的增加，PP-SBM与改性硅灰石发生的增容反应可以极大提高硅灰石与柔性界面的相容性，当PP-SBM质量分数为30%时，PP/硅灰石复合材料的力学性能、拉伸性能和抗冲击性能均最优；PP-SBM质量分数超过30%后，PP-SBM的柔性分子链数量也会增加，与改性硅灰石的结合变得更加困难，复合材料的力学性能、拉伸性能和抗冲击性能开始下降［7］。

若在PP基体中直接加入硅灰石，不进行充分搅拌，那么硅灰石很难均匀分散，PP与硅灰石难以充分结合，复合材料力学性能虽然会得到提升，但提升程度很小［8］。相容剂PP-SBM会与PP/硅灰石复合材料发生降解反应，所以力学性能的提高效果并不明显。当改性硅灰石质量分数为20%～30%时，PP/硅灰石复合材料的硬度、延伸率先增加后减少，当改性硅灰石质量分数为30%时，PP/硅灰石复合材料抗拉强度和抗压强度最大，拉伸性能和抗冲击性能都得到提高，拉伸性能的提升空间更大［9］。

通过PP-SBM和改性硅灰石可以改善PP/硅灰石复合材料的力学性能，进而改变室内家居装饰品的力学性能。家具通常需要长久使用，所以必须要具备很好的抗疲劳性能、耐磨损性能和耐化学药品腐蚀性能，即使在潮湿的环境下，家具也要能够长久使用。通过PP-SBM和改性硅灰石提高PP/硅灰石复合材料的力学性能，可以很好地增加家具装饰件的使用寿命。

1.2 PP/硅灰石复合材料的耐化学药品腐蚀性能

PP/硅灰石复合材料的密度为0.90～0.92 g/cm³，且结构稳定，化学稳定性好，一些低相对分子质量的化学溶剂不能使PP/硅灰石复合材料腐蚀而损坏，只会造成一些轻微程度的变形和软化，只有高浓度的浓硫酸或浓硝酸会对复合材料造成侵蚀［10］。同时，由于PP的结晶度很高，化学结构的稳定性也会随着结晶性能的变化而变化，结晶性增加，化学结构的稳定性也会随之上升。所以利用PP/硅灰石复合材料制作室内家具，能够极大提高家具的防腐蚀性和耐磨性，提高家具的抗老化性，延长其使用寿命，从而提升产品质量，增加产业竞争实力。

1.3 PP/硅灰石复合材料的防水性能

PP/硅灰石复合材料的吸水性较低，一般情况下，PP/硅灰石复合材料的水接触角为107.7°，较纯PP高约15.0°，可见PP/硅灰石复合材料的防水能力很强［11］。PP/硅灰石复合材料同样具有很好的绝缘性和防水性，通过热塑成型得到的材料无色、无味、无毒、半透明且轻质，防水性良好，热稳定性较强，采用PP/硅灰石复合材料制成的室内家具，能够承受100 ℃的水，且长时间浸泡后不会发生软化或变形，可见其耐温性能及防水性能良好。

1.4 PP/硅灰石复合材料的耐热性能

PP属于一种性能优良的热塑性树脂，而PP/硅灰石复合材料的熔点高达164～170 ℃，其制品能够在100 ℃以上的温度条件下进行消毒灭菌，在没有外力因素的影响下，PP/硅灰石复合材料能够在150 ℃高温条件下保持形态不变，其抗压强度和抗拉能力也能够在90 ℃时保持性能良好；不过它的耐寒性能较差，当温度下降到-35 ℃时，可能会发生脆裂或破碎［12］。这说明PP/硅灰石复合材料耐寒性能较差，但耐热性能良好。在光照方面，由于PP对紫外光敏感，与硅灰石复合后，添加了部分氧化锌和乳白填剂，中和了PP的光敏性，从而提高了制品的耐光照能力和抗老化性能。

1.5 PP/硅灰石复合材料的环保性能

PP/硅灰石复合材料具有优良的耐热性、防水性、耐光照能力和低膨胀率，能够替代一些材料（如石棉、玻纤等），减少了室内家具生产制造过程中石棉等材料的应用，有利于减少污染，保护人的健康和自然环境。在金属制品的制造中，PP/硅灰石复合材料能够代替传统的冶金材料，发挥良好的适用性和工艺稳定性，提高家具制品的产品质量和生产效率，更加环保和卫生，兼顾了经济效益与生态效益［13］。

1.6 加强室内家具装饰件的造型美感

PP/硅灰石复合材料可以使制品造型更加轻盈，通过点、线、面、体四个方面，打造灵巧感，给观赏者视觉上的享受。与纯PP相比，PP/硅灰石复合材料的抗压强度更大，因此，可以制作比较长且纤细的家具装饰件构件。利用树脂胶进行固化，将采用PP/硅灰石复合材料制作的家具装饰件构件组合成绳束式的构件，增强构件的柔韧性和可编织性，使家具装饰件拥有清晰的轮廓，且质量更轻［14］。PP/硅灰石复合材料强度较大，因此，利用该材料制作的家具装饰件面板十分轻薄，不仅能够减轻家具装饰件的质量，同时也能够减少家具的占用空间。采用PP/硅灰石复合材料制造的家具装饰件造型多为拼接式，创作的家具装饰品简约大方。

2 PP/硅灰石复合材料在室内家具承力构件中的应用

2.1 优化室内家具的承载结构

在设计家具结构时，要将家具的承载力作为第一思考要素，PP/硅灰石复合材料具备轻质化的特点，因此在使用该材料做家具时，可以很好地满足承载要求。PP和硅灰石都属于脆性材料，因此不能直接使用，必须要通过深加工形成复合材料，提高材料的分散性和强度。将PP/硅灰石复合材料应用于家具装饰件中，可以优化承载构型，达到家具设计轻质化的要求。在传统方式家具设计中会利用夹层结构提高家具的承载能力，减少材料需要的刚度和强度，鉴于PP/硅灰石复合材料的力学性能具有各向异性，所以可以按材料的性能沿承载结构布置传力路径，加强室内家具的强度和硬度，最大程度地发挥PP/硅灰石复合材料的力学性能优势。采用PP/硅灰石复合材料制造的家具质轻，且承载力高，可制作各种轻巧灵动的造型，承载结构更加现代化，创意性更强。采用PP/硅灰石复合材料制备的室内家具承力构件，可以最大限度地减少材料用量，降低成本，加强结构的牢固性。

2.2 PP/硅灰石复合材料制作家具生产工艺优化

使用PP/硅灰石复合材料制作家具时，可以选择整体成型的制备方案，减少家具组合部件之间的冗余零件，从而减轻结构的质量。由于一些部件无法采用整体成型的方案生产，所以需要使用胶结的连接方案，以减少由于拼接组装带来的各种问题，降低家具的附加质量，改进家具的生产工艺，达到家居设计的轻质化要求。

使用PP/硅灰石复合材料制备的室内家具生产工艺分为五步：设计构思，选择和分析材料，制作模型，加工材料，机体固化。选用PP/硅灰石复合材料制作家具时，要根据制作的家具特性，选择能与其结合的自然元素，设计家具的几何形态。为了确保制备效果，将泡沫作为模型材料，首先根据设计构思打造出家具形态，然后使用电热阻丝进行切割，塑造大致形态，最后通过钢刷处理曲线和细节，使泡沫制作的家具造型与实际的家具造型相符。然后在泡沫模型上方涂抹一层稀释过的白乳胶，选用两卷PP/硅灰石纤维束丝，以并行方式缠绕在泡沫模型上，需要注意缠绕方向和缠绕角度要按照一定规律。将环氧树脂胶黏剂、促进剂和固化剂按质量比为2∶5∶1调和，得到环氧树脂胶结剂，在已经缠绕成型的PP/硅灰石纤维束丝上刷浸环氧树脂胶结剂，重复2～5次，确保每个纤维束丝都能被刷浸，当PP/硅灰石纤维束丝固定成型后，掏空内部的模具，得到镂空结构［15］。由于采用PP/硅灰石复合材料制备的家具模具外侧缠绕了PP/硅灰石纤维束丝，因此在刷环氧树脂胶结剂时，树脂也会固定在模具上，必须要将模具去除干净，选用热风枪在家具线条空隙上进行吹化，使缠绕在家具上方的模具被掏空，利用锉刀磨砂纸进行打磨处理，使家具拥有好的使用手感，清理擦拭后得到完备的家具形态。通过这套成熟的工艺打造更加完美轻质的家具，同时确保家具的承力能力。

3 结语

PP/硅灰石复合材料有良好的力学性能、防水性能、环保性能等，具有质轻、耐磨抗老化、成本低等特点。用其制作家具时，不仅可以减轻家具的质量，同时制造的装饰物也符合大众的喜好和审美。用PP/硅灰石复合材料制作的家具更加耐腐蚀、耐光照、不容易发生变形掉色等情况，延长了家具的使用寿命。使用PP/硅灰石复合材料制作家具时要采用胶结的连接方案，可减少由于拼接组装带来的各种问题，降低家具的附加质量，改进家具的生产工艺，达到家居设计的轻质化要求。以PP/硅灰石复合材料制作家具的设计理念在我国刚刚起步，未来需要进行更加深入的研究。