共挤出成型木塑复合材料研究进展与应用

郝笑龙，周海洋，孙理超，林东融，欧荣贤*，王清文

(1. 华南农业大学材料与能源学院，生物基材料与能源教育部重点实验室，广州 510642；2. 岭南现代农业科学与技术广东省实验室，广州 510642；3. 惠东美新塑木型材制品有限公司，广东 惠州 516321)

木塑复合材料(WPCs)是以极性木质纤维与非极性的热塑性聚合物为主要原料，通过熔融复合，采用挤出、热压、注塑等成型工艺制成的复合材料，简称木塑[1-3]。WPCs具有环境友好、成本低廉和优良的物理力学性能等优点[4]。近年来，WPCs被广泛应用于建筑装修装饰、室内家居、室外园林景观等领域[5]。随着人们对WPCs及制品性能要求的不断提高，传统WPCs由于其耐UV老化性能差，受到长期力载荷和热负荷时易发生蠕变和热变形，由此导致的耐久性和安全性变化受到消费者质疑，难以满足市场发展需求，因此，迫切需要WPCs产品克服以上缺点，从单一功能向高附加值和多功能化等方向拓展[6]。如何提高WPCs的长期使用性能并具备多功能性，是目前研究迫切需要解决的热点和重点问题。共挤出成型技术是使用2台或2台以上挤出机，将物料熔融后通过特定的模具连续挤出成型为多层复合材料，将其应用到WPCs的挤出成型中，可以很大程度上改善WPCs的各项性能。共挤出成型木塑复合材料(Co-WPCs)可以较低的成本和较高的效率，赋予WPCs高附加值和多功能化，是制备高附加值、多功能木塑制品的重要方法之一[7-12]。Co-WPCs具备特殊的核/壳结构，通过对壳层功能化改性可以实现Co-WPCs整体性能的改善。

壳层对Co-WPCs的保护作用，可以改善由亲水性木质纤维引起的WPCs吸湿性较强、耐久性偏低等问题，包括WPCs长期使用过程中由紫外线引起的表面粉化、褪色和划痕等现象，以及潮湿环境导致的表面开裂、污渍和霉变等现象(图1)。通过在壳层中添加光稳定剂和UV吸收剂，可以有效改善由于UV降解导致的WPCs表面粉化、破裂和褪色现象；且壳层中聚合物含量相对较高，可有效阻隔水分进入WPCs内部，避免潮湿环境下WPCs发生的霉变现象；壳层对水分子的抑制同样可以避免由于吸湿行为导致的WPCs膨胀变形和表面开裂等现象。此外，通过壳层改性，Co-WPCs可以在保证较高韧性的前提下，提高表面硬度和耐刮擦性能，避免在长期使用后表面出现明显的划痕。因此，研究Co-WPCs可以为拓宽WPCs应用范围和改善其综合性能提供理论和技术支撑。笔者从Co-WPCs研究现状和主要性能、新型Co-WPCs及Co-WPCs的应用方面，对Co-WPCs的研究现状和发展趋势进行了概述，最后提出Co-WPCs发展所面临的问题和挑战，为Co-WPCs的创新和发展提供新思路，并阐述了未来研究的重点。

图1 传统木塑产品室外老化降解现象Fig.1 The aging and degradation problems of traditional WPCs products in outdoor applications

1 Co-WPCs研究现状

共挤出技术最早出现于20世纪60年代，通过多台挤出机将熔融物料分别输入一个共挤出模具中，加工成型得到多层复合制品[6]，包括聚合物加工复合管材、复合薄膜、异型材及电线电缆等制品[13-15]。相关专利申请数量整体呈上升趋势并趋向平稳，说明该技术已经处于成熟期[16]。据于旻等[6]报道，有研究人员于2007年通过共挤出技术首次制备出了具有核壳结构的WPCs，即Co-WPCs。Co-WPCs伴随着木塑行业多年的发展，已经日趋成熟并逐渐成为WPCs领域的研究热点。共挤出作为相对比较先进的木塑成型技术之一，将WPCs与其他材料优化组合，扬长避短，设计制备具有不同结构和性质的多层木塑复合材料，不仅可大幅改善WPCs易蠕变、脆性大、易老化和易燃烧等问题，还将成为制备高附加值、多功能木塑复合材料的重要途径[17]，具有良好的发展潜力。近年来，传统WPCs产品需求放缓，但Co-WPCs产品发展迅猛，其市场份额逐渐上升并已经超过50%，这将会是WPCs产业的主流发展趋势[6]。在欧美等国家和地区，Co-WPCs产品以户外墙板、铺板、栅栏(栏杆)和门窗等高端产品为主，同时也包括室外花箱、座椅、垃圾箱等配套产品；而国内主要以室内产品为主，包括门窗、室内墙板、屋顶、地板等产品，目前正逐渐向户外产品发展，其潜力和市场巨大。壳层的存在，不仅可以赋予Co-WPCs多功能性，还可使其具备丰富的色彩和表面纹理等可装饰特性，因此，Co-WPCs产品将会呈现多元化的发展趋势。

近年来，已有不少国内外学者对核/壳结构的Co-WPCs开展研究[18-19]，其制备流程及截面如图2所示。在保证Co-WPCs核/壳结构完整的前提下，通过在壳层中添加功能性填料，如无机粒子/纤维、阻燃剂、抗老化剂等，研究壳层改性对Co-WPCs性能的影响，是目前常见的Co-WPCs改性方法。尽管针对Co-WPCs在不同领域的应用已经开展了大量与其力学性能、尺寸稳定性(吸水、蠕变和热膨胀)、耐候性及阻燃性等相关的研究，但缺乏系统的总结和概述。

图2 共挤出木塑制备流程(上)及截面(下)[18-19]Fig. 2 Preparation schematic diagram (up) and section diagram (down) of the Co-WPCs

2 Co-WPCs主要性能

Co-WPCs具有特殊的核/壳结构，壳层以完全包覆的形式与核层进行复合，通过在壳层添加少量不同功能的助剂或填料，改善WPCs的力学性能、尺寸稳定性、耐候性及阻燃性等性能，从而获得多功能一体化的WPCs产品，拓宽其应用范围。首先，与普通WPCs相比，Co-WPCs表现出较好的韧性，但强度和模量会有不同程度的降低，尤其是在壳层添加不同功能化填料后，对力学性能会产生明显的影响，而力学性能一直是Co-WPCs研究的重点问题；其次，壳层中聚合物含量较高，使得Co-WPCs表现出更高的温度依赖性，因此，研究外界环境作用(温度、湿度和外力)对其尺寸稳定性的影响显得尤为必要；最后，Co-WPCs产品在室内外长期使用过程中，对其阻燃性和耐候性有一定的要求，同时还需考虑阻燃性、耐候性与其他性能之间的平衡，避免单一性能剧烈下降的问题。综上所述，本部分以Co-WPCs力学性能、尺寸稳定性、阻燃性和耐候性为例，系统总结并概述Co-WPCs的主要性能。

2.1 力学性能

WPCs的力学性能包括弯曲、拉伸和冲击性能，但是由于Co-WPCs特殊的核壳结构，现有的研究通常只对Co-WPCs进行弯曲和冲击性能测试。主要原因是测试Co-WPCs力学性能时，需要在保持共挤出结构完整的前提下进行，从而充分体现壳层完全包覆结构对整体Co-WPCs性能的影响[17]。在商业化的WPCs制品中，通常以提高木质纤维含量或采用回收塑料作为聚合物基体等方法来降低成本[20]，但上述方法使得WPCs在不同湿度、温度或紫外线等室外环境下具有较差的耐久和力学性能[10,21-23]。壳层对于Co-WPCs的整体性能具有重要影响，其厚度和各组分配比等对Co-WPCs力学性能影响较明显[19，24-25]。壳层增强增韧Co-WPCs的机理可以解释为：韧性壳层能够抑制脆性核层在受到外力时的裂纹产生和扩散[19,26-27]，使得Co-WPCs破坏时吸收更多的能量[19，26]，因此，破坏方式从脆性断裂转变为韧性断裂。韧性壳层可以将冲击或弯曲作用力分散在Co-WPCs上下表面，有效避免应力集中，如图3所示。基于上述原理，通过增强壳层的方式可以实现整体Co-WPCs增强的目的。简单且常用的方法是填充刚性材料到壳层中，包括氧化硅、滑石粉、碳酸钙、玄武岩纤维、玻璃纤维、碳纳米管及木质纤维等[19，24-30]，可以达到增强整体Co-WPCs的目的。与普通WPCs相比，因为壳层具有较高的聚合物含量，Co-WPCs通常表现出弯曲强度和模量降低而冲击韧性提高的现象[10,21]。

图3 Co-WPCs冲击断裂破坏(左)及弯曲(右上)和冲击受力(右下)有限元模拟[18，26]Fig. 3 Impact fracture processes of Co-WPCs (left) and the finite element analysis under the flexural (top right) and impact stress (lower right)

壳层添加不同填料对Co-WPCs弯曲、冲击及吸水性能的影响见表1。在壳层添加少量木质纤维或阻燃剂，可以提高Co-WPCs的弯曲强度，但弯曲模量依旧呈下降趋势[19,30-31]。采用无机碳纳米管或玄武岩纤维增强壳层，可以同时提高Co-WPCs的弯曲强度和模量[25,32]。Kim等[27]分别以回收聚丙烯和高密度聚乙烯新料作为树脂基体，制备了强度较低和较高的2种核层材料(对照组)，研究壳层添加木质纤维和碳酸钙对Co-WPCs力学性能的影响，结果显示，与对照组相比，以强度较低的核层制备的Co-WPCs弯曲强度和模量均有所提高，但以强度较高的核层制备的Co-WPCs则呈现出相反的结果[26]。上述研究表明树脂基体的种类也对Co-WPCs力学性能有重要影响。采用硅烷改性的纳米二氧化硅增强壳层，可以得到与空白组WPCs力学性能相当的Co-WPCs[27]，硅烷改性不仅提高二氧化硅与聚合物基体的界面相容性，同时也提高了其在木塑基体中的分散性[33]。此外，通过调控优化壳层与核层木质纤维的含量，也可以得到力学性能优越的Co-WPCs，避免无机填料复合时的分散和高熔体黏度等问题[18]。综上所述，对比分析表1中Co-WPCs的力学性能可知，通过改变韧性壳层中填充物的种类或含量，虽然在保证韧性不变的前提下能一定程度提高Co-WPCs的强度和模量，但实现Co-WPCs同时增强增韧仍需继续探索。

表1 不同核/壳层组分对共挤出木塑性能的影响Table 1 Effects of different combinations of core/shell layer on the properties of Co-WPCs

2.2 尺寸稳定性

木质材料极性大，吸湿后尺寸变化较大，但是温度变化对其尺寸影响较小；聚合物吸湿通常小于1%，湿度对其尺寸变化影响可忽略，但是温度变化会导致较大的尺寸变形。此外，聚合物在外力或自身重力长期作用下会发生蠕变变形。WPCs由极性木质纤维和非极性聚合物复合组成，其尺寸稳定性包括由湿度引起的吸湿膨胀和解吸收缩、温度升高和降低所导致的热膨胀和冷缩，以及在长期载荷作用下的蠕变变形。根据地域和季节的不同，还需要考虑湿度、温度和载荷等多种因素对WPCs尺寸稳定性的综合影响。鉴于Co-WPCs特殊的多层结构，研究其尺寸稳定性显得尤为重要。

2.2.1 吸水性能

极性木质纤维作为WPCs中的亲水性组分，其羟基与自由水通过氢键结合是WPCs吸湿的主要原因[38]，聚合物基体在加工过程中对木质纤维进行浸润和包覆可以有效抑制吸湿行为的发生[39-40]。与普通WPCs相比，Co-WPCs具有较低的吸湿增重率和厚度膨胀率。研究表明，即使将壳层中的改性碳酸钙(TPCC)和木质纤维含量分别提高至18%和15%，Co-WPCs的吸湿增重率和厚度膨胀率也无明显变化，这主要是因为高聚合物含量壳层对水分迁移起到了抑制作用[29]。由表1可知，除了壳层添加高含量木质纤维的Co-WPCs吸水率增加，其他均有不同程度降低，说明Co-WPCs吸湿行为与壳层和核层中木质纤维含量密切相关。提高木质纤维含量，Co-WPCs吸水增重率和厚度膨胀率显著增大，说明木质纤维含量较高时，聚合物基体对其并不能完全包覆，导致木质纤维团聚并形成缺陷孔洞[10,21,38-39]。Co-WPCs吸湿行为主要贡献者为核层，水分主要通过共挤出木塑的两端进入，壳层不仅可以阻止水分从Co-WPCs表面进入，其完整包裹作用还可以进一步限制核层的吸湿膨胀行为[41]。采用封边或密封剂等手段将Co-WPCs两端封闭，可以显著降低其吸湿行为[10]。水分的进入会破坏木质纤维与聚合物基体之间的界面结合，最终降低木塑复合材料的力学性能。与普通WPCs相比，壳层的存在可以较好地保持Co-WPCs吸湿-干燥循环后的力学性能，说明Co-WPCs在高温高湿环境中具有更好的潜在优势[41]。此外，由于Co-WPCs挤出过程中木质纤维的定向分布，吸湿膨胀率应该考虑除厚度方向外的其他2个方向，即长度和宽度方向，综合分析由吸湿造成的不同方向膨胀的各向异性。

2.2.2 蠕变性能

WPCs在长期使用过程中，其聚合物基体分子链段的运动和滑移导致的蠕变行为会严重影响其宏观性能和使用周期。鉴于壳层具有较高的聚合物含量，Co-WPCs在长期使用过程中会表现出更明显的时间和温度依赖性的蠕变行为[18,27,29]。提高木质纤维含量可以有效降低WPCs的蠕变变形，研究表明，将木质纤维(质量分数)从50%提高到70%，其24 h蠕变变形可降低58%[42]。与力学性能类似，在壳层中添加刚性粒子，例如二氧化硅或木质纤维，同样可以通过显著降低壳层的蠕变变形，以达到降低Co-WPCs整体长期蠕变变形的目的[18,27]。这主要归功于刚性二氧化硅或木质纤维可以有效抑制聚合物链段的滑移和重排，从而提高其抗蠕变性能[43-44]。相比于微米级二氧化硅，纳米级二氧化硅可以更高程度地降低壳层和Co-WPCs的蠕变变形，这主要归功于纳米尺寸的增强效应，将纳米二氧化硅表面硅烷改性后可以在原有的基础上进一步提高Co-WPCs的抗蠕变性能。但是壳层增强对Co-WPCs整体抗蠕变性能提高有限，而核层作为Co-WPCs的主体，提高核层木质纤维含量同样可以有效降低Co-WPCs整体的蠕变变形[18]。

2.2.3 热膨胀性能

由于聚合物基体的存在，Co-WPCs的热膨胀性能也是不可忽视的问题之一，尤其在温度变化较大的环境中使用时。聚合物的线性热膨胀系数一般高于1×10-4℃-1，远大于金属、陶瓷的2×10-5℃-1，而天然生物质材料的热膨胀系数为5×10-6～5×10-5℃-1[45-46]，因此木质纤维的存在可以有效降低聚合物基体的热膨胀行为。由于热膨胀行为的本质主要来源于热塑性聚合物基体[47]，所以Co-WPCs壳层的存在使得其热膨胀系数通常大于普通WPCs[17]。提高壳层或核层木质纤维含量，或者在壳层中添加低膨胀系数的材料，例如无机粒子或纤维，均可以有效降低Co-WPCs的热膨胀行为[24,37]。通过玻璃纤维增强壳层，可以在提高Co-WPCs整体弯曲性能的前提下，降低Co-WPCs的热膨胀系数；随着玻璃纤维含量增加，或保持玻璃纤维含量不变而增加壳层厚度，可以进一步提高Co-WPCs的弯曲性能并降低整体热膨胀系数[48-49]。与HDPE新料相比，回收LDPE具有较低的分子质量和更强的分子链段运动能力，导致其制备的Co-WPCs具有较大的热膨胀系数[24]。

壳层对核层的完全包覆作用，从结构上也可以一定程度地限制Co-WPCs的热膨胀行为。此外，WPCs挤出过程中木质纤维的定向排列呈现出明显的热膨胀各向异性，即沿着木质纤维定向排列方向的热膨胀系数远小于厚度和其他方向[50]，说明具有不同长径比的木质纤维通过限制聚合物基体的变形达到降低Co-WPCs热膨胀系数的目的[17]。研究Co-WPCs热膨胀行为的各向异性具有重要的实际意义，木塑制品在实际应用过程中，其长度尺寸远大于厚度尺寸，虽然长度方向的热膨胀系数较低，但实际热胀冷缩的尺寸变化绝对值明显大于厚度方向，这也是Co-WPCs铺板、地板、墙板等在长期使用过程中发生变形、翘曲和收缩的主要原因之一。

2.3 耐候性能

WPCs在室外使用时，由于受到雨水侵蚀、UV光照等因素影响会降低其使用寿命，通过研究其耐候性能，可以为WPCs延长使用寿命、拓宽应用范围提供理论和技术支持。相比于普通WPCs，Co-WPCs由于壳层的存在，很大程度上提高了耐候性能[31]。以HDPE或者PP作为壳层制备Co-WPCs为例，研究其对耐候性能的影响：HDPE或者PP壳层可以有效降低Co-WPCs的吸湿性，而吸湿性对耐候性有着至关重要的作用，即Co-WPCs随着吸湿性的降低，耐候性能有所提高[51]；但壳层会在UV光降解作用下产生裂痕，促进吸湿作用，从而降低其耐候性。由于PP较HDPE对光更敏感，所以PP为壳层的Co-WPCs在长期耐候测试中颜色变化较大，如图4所示。

图4 不同壳层共挤出木塑老化前后的对比[51]Fig. 4 Comparison of Co-WPCs with different cap surfaces before and after weathering

普通WPCs在老化过程中，随着时间的延长其颜色迅速变浅，这是因为紫外线将木质纤维中的木质素分解为具有显色基团的物质，在循环喷淋作用下，其降解产物很快被冲刷走，在WPCs表面生成裂痕，加速了WPCs的褪色。因此，WPCs中木质纤维与聚合物基体的界面结合对于老化行为起到关键性作用。与普通WPCs相比，Co-WPCs的老化机理可以解释为：在壳层保护下，循环喷淋不能冲刷走显色分解物，随着时间推移Co-WPCs颜色会逐渐加深，当壳层光降解形成裂痕后，其显色物质被水冲刷走，颜色开始变浅[52]。因此，在壳层中添加光稳定剂或者紫外吸收剂，可以在壳层保护的基础上进一步提高Co-WPCs的耐候性[22-23]，而在壳层中添加金属氧化物类的颜料(例如二氧化钛、氧化铁、氧化锌等)可以在改善力学性能的前提下使其具备良好的颜色稳定性[35-36,53]。采用PMMA改性HDPE共混物作为Co-WPCs的壳层，可以有效降低壳层在加速老化过程中的开裂问题，且随着PMMA含量的增加，Co-WPCs表现出优异的抗老化性能[53]。此外，在壳层中添加无机纳米氧化硅或玄武岩纤维，Co-WPCs在保持良好力学性能的同时也具备较好的抗老化性能[22-23,54]。

2.4 阻燃性能

WPCs作为室内用建筑装饰材料，必须符合一定的阻燃等级要求。针对WPCs的阻燃问题，国内外学者已经开展了系列研究，常用且有效的手段是在WPCs中直接添加阻燃剂，例如金属氧化物(氢氧化铝或氢氧化镁)、聚磷酸铵、膨胀石墨、硼类化合物及无机纳米粒子等一种或几种复配[37,55]，但阻燃剂的加入通常会导致WPCs物理力学性能的降低。采用共挤出方式，将少量阻燃剂加入到壳层中，可以在降低阻燃剂用量的同时保留WPCs优异的力学性能并达到阻燃要求。研究表明，壳层中单独添加滑石粉，燃烧后Co-WPCs表面形成连续的炭层，当滑石粉添加量超过20%时可以明显降低Co-WPCs的热释放总量，但仍然大于普通WPCs[56]。壳层中添加玄武岩纤维或将玄武岩纤维与滑石粉复配使用，也可以在提高Co-WPCs阻燃性能的同时，一定程度上提高其力学性能[29,32]。将聚磷酸铵与天然石墨或膨胀石墨复配添加到Co-WPCs的壳层中，与单独添加一种阻燃剂相比，可以显著降低Co-WPCs热释放总量并延长点燃时间，表现出优异的阻燃性能[30,57]。与石墨和碳纤维相比，将纳米级的炭黑和碳纳米管添加到壳层中，可以更显著地降低Co-WPCs热释放速率、热释放总量并延长点燃时间，具有更优异的阻燃性能，但与不添加阻燃剂的Co-WPCs相比，其一氧化碳释放量均有不同程度增加[12]。鉴于Co-WPCs壳层较薄，在燃烧过程中如何降低其热量由外部向内部核层传递，这是在现有基础上进一步提高其阻燃性能的关键。因此，膨胀性阻燃剂将会是未来制备阻燃型Co-WPCs较好的选择之一。综上所述，在壳层添加少量阻燃剂即可达到Co-WPCs整体阻燃的目的，不仅可以改善其力学性能，还能有效降低成本，具有较高的应用价值和发展前景。

3 新型共挤出木塑复合材料

3.1 木塑-实木多元共挤出复合材料

线型结构热塑性聚合物固有的黏弹特性导致了WPCs易蠕变，尽管适当提高木质纤维的用量有助于改善WPCs的抗蠕变性能[18]，但是过高的木质纤维用量(70%以上)会导致复合材料的脆性急剧增大、吸水性升高、抗微生物侵害能力降低等问题。因此，仅靠提高木质纤维用量不仅不能彻底解决WPCs蠕变问题，而且会产生脆断、腐朽等新问题[58]。另一方面，我国速生人工林木材资源丰富，但是其材质软、易开裂变形且耐腐性差，作为低质木材其直接利用的价值不高。速生人工林木材及其集成材、单板层积材等重组材料的尺寸稳定性差，硬度和横纹抗压强度不到木塑的50%，但其刚性好，拉伸、抗冲击和抗蠕变性能突出。针对WPCs和速生木材这两类材料的不同特点，需扬长避短、优势互补。有学者提出了以WPCs为表层，以速生人工林木材及其重组材(简称实木)为芯材，通过共挤出成型等方法进行复合，制备抗蠕变不脆断、轻质高强、高性价比、耐久性优异的木塑-实木多元共挤出复合材料[59-63]。与传统Co-WPCs相比，木塑-实木多元共挤出复合材料仅需一台挤出机，通过特定的共挤出模具，配合实木输送装置，即可实现简单或异型截面共挤出复合材料的制备，如图5所示。木塑-实木多元共挤出复合材料综合性能优良且绿色环保，成本介于木塑和木质多层板之间，因而性价比高，不仅适于作为传统防腐木和人造板的升级换代产品，而且在高品质建筑门窗、建筑模板、大跨度木质构件、建筑部品、多功能墙体、绿色建筑，以及其他对材料的环保、承重、防水防潮、防腐防蛀、耐候等性能要求较高的应用领域，具有突出的优势，应用前景广阔[64]。

图5 木塑-实木共挤出流程(a)及实物(b)[64]Fig. 5 WPC-solid wood co-extrusion progress (a) and the prepared products (b)

3.2 门窗用共挤出木塑复合异型材

WPCs最典型的应用是通过挤出异型材，制备环保节能门窗，代替现有的塑钢窗、铝合金门窗、实木门窗等，解决铝合金生产耗能高且保温隔热差、PVC有环境污染隐患、实木价格高且尺寸稳定性差等突出问题[65-66]。室内用门窗需要具备一定的阻燃性、抗静电、表面装饰性和抗菌性等功能。此外，建筑外窗受到长期的风吹雨淋和日晒，其老化问题不容忽视，虽然采用涂漆、覆膜等后期处理技术可以一定程度上解决老化问题，但同时也会增加成本。研究木塑门窗异型材的共挤出技术，利用功能化的壳层包覆性能单一的WPCs核层，制备多功能化、高附加值的门窗用Co-WPCs异型材，是未来重要的研究内容之一[53,65]。普通WPCs异型材窗户或Co-WPCs异型材窗户，虽已经成功制备并作为产品代替部分传统窗户(图6)，但要大范围地应用和推广依旧任重道远。综上所述，共挤出木塑异型材虽然优势很大，但对挤出成型设备尤其是模具的要求更高，需要木塑挤出工艺与模具设计协同优化，这将是木塑门窗未来发展的挑战和难题所在。

图6 单层木塑异型材(a、d)与共挤出木塑异型材截面(b、c、e)Fig. 6 The sections of single layer WPCs profiles (a and d) and Co-WPCs profiles (b, c and e)

4 共挤出木塑的应用

经过多年发展，WPCs产品在欧洲已经达到市场成熟阶段，其中：户外地板和汽车内饰两类约占市场总量的90%；户外墙板、栅栏和家具等方面虽然所占市场份额不高，但也表现出了较强的增长势头。我国的WPCs 产品主要包括门窗、内墙面板和户外栈板等产品[67]。WPCs系列产品广泛应用于建筑领域，许多使用木材和钢材的传统建筑设施正逐步被WPCs所替代，如铺板、栏杆、围栏、窗户框架、外墙挂板等[68]。然而，在户外使用时，水分和光照等外部因素产生的吸湿、老化褪色、开裂变形、虫蛀霉变等现象依旧是制约普通WPCs产品在户外使用周期的重要因素。通过共挤一层功能化的壳层，可以有效解决并避免上述问题。本部分以Co-WPCs户外墙板和铺板产品为例，重点介绍Co-WPCs在室外的应用。

4.1 户外墙板

WPCs外墙板作为一种新型绿色建材，被广泛用于建筑外围，特别是用于低层建筑时，具备质轻高强、抗震、施工快捷、节能环保、可循环利用等优势[69]。WPCs替代木材作为户外墙板，不仅能提高房屋建筑的耐久性，使房屋建筑易于保养和维修；同时，WPCs也比木材表现出更多的艺术价值和审美价值，显著提高了房屋建筑的使用价值[70]。在国外，WPCs墙板已较早地应用于民用建筑和一般工业建筑的非承重内隔墙和外围护墙领域，其技术和产品日趋成熟(图7)。虽然国内WPCs墙板起步较晚，相关研究和应用相对较少[69]，但相关企业和产品正逐步兴起，具有巨大的市场潜力和发展空间。

图7 国外(上)和国内(下)共挤出木塑墙板的户外应用Fig. 7 The outdoor applications of Co-WPCs panels by foreign (up) and domestic (down) manufacturers

户外使用时对木塑外墙板的耐腐性、抗老化性、耐水防潮性等要求相对更高，而且长期暴露在大气中，会在水、紫外线等因素作用下产生一定的吸水、吸湿、褪色、虫蛀现象；其次，针对不同气候地区，木塑外墙板也需要考虑是否能满足建筑节能及保温的要求[71]。通过壳层改性，Co-WPCs墙板具有突出的耐水、防腐、防虫、抗老化等特性，另外表面色泽纹理可调，具备良好的装饰性能，各项性能指标可以满足建筑对围护结构的基本要求。与传统WPCs墙板相比，Co-WPCs后期维护量大大减小，在长期使用过程中不易产生材料碎裂、褪色等问题。

4.2 户外铺板

相比于木塑外墙板，木塑户外铺板是WPCs应用最早也是最多的领域，约占WPCs市场份额的75%[68]。WPCs铺板在户外使用时，除了需要考虑耐腐朽、抗老化、耐水防潮等问题，在长期使用过程中其力学性能、耐磨防滑、抗变形等也需要达到使用要求。对于PVC基Co-WPCs，采用抗紫外老化、耐高温性能优异和颜色持久的丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯共聚物(ASA)作为壳层材料，辅以色粉、色母粒和其他加工助剂，共挤包覆后可解决因气候环境原因造成的性能下降和色彩变化。对于HDPE基Co-WPCs，通常采用低温抗冲击韧性、抗磨损性能、刮擦性能和稳定性能优异的沙林树脂(Surlyn)对HDPE进行改性用作壳层材料，辅以紫外光吸收剂、光稳定剂、色粉、色母粒和其他加工助剂，通过共挤出成型技术制备综合性能优异的Co-WPCs铺板。Co-WPCs户外铺板广泛应用于码头、园路、观景平台、栈道、庭院等场合，可根据需要和使用场地选择不同的颜色(图8)。在进行户外景观设计时，将凉亭、围栏、护栏、花箱等WPCs制品与周围环境结合，使其更具创意及观赏性，实现人造景观与自然环境的完美融合[72]。

图8 共挤出木塑铺板的户外应用Fig. 8 The outdoor applications of Co-WPCs’ decking

5 展 望

Co-WPCs作为木塑复合材料的重要研究方向之一，在未来发展过程中必然会面临一定的问题和挑战：首先，多功能集成是其发展的必然趋势，单一功能已经不能满足使用需求，发展多功能集成化Co-WPCs及其制品，是木塑在高档门窗、交通工具、绿色建筑等高附加值领域大规模推广应用的重要途径；其次，降低Co-WPCs成本依旧是研究和生产过程中的热点和难点问题，用作Co-WPCs共挤壳层的树脂原料ASA和Surlyn基本由跨国公司垄断市场，原料成本居高不下，通过核心技术攻关，开发拥有自主知识产权的原料生产技术，实现ASA和Surlyn的国产化将是降低Co-WPCs成本的重要途径之一；最后，核/壳结构赋予Co-WPCs优良的性能，但核/壳结构的界面问题将是影响材料性能的重要因素，涉及共挤出模具设计开发、核/壳材料的流变行为等关键科学问题。

Co-WPCs及其制品发展日趋成熟，其未来发展必将成为木塑行业的重要引领方向之一。虽然国内外针对Co-WPCs已经展开了一系列研究，但是Co-WPCs的潜力和潜在应用价值还有待进一步挖掘。

1)Co-WPCs由于高树脂含量壳层的存在，能够赋予其良好的冲击韧性，通过壳层改性，在保证韧性的前提下提高力学强度和模量，是其未来在建材领域应用的必要条件之一。因此，距离实现Co-WPCs同时增强增韧的目标仍需做更多探索研究。

2)与普通WPCs相比，壳层的存在同样影响Co-WPCs的尺寸稳定性，虽然核/壳结构可以很大程度上降低吸水性能，但同时又引入了蠕变和热膨胀问题，这对于其长期使用显然是不利的。参考力学改性的方法，通过掺杂无机或功能化粒子到壳层中是改善蠕变和热膨胀行为的简单且有效途径之一。

3)阻燃与耐候是Co-WPCs在室内外应用时必须考虑的2个问题，也是目前研究的热点和难点问题：在综合考虑制造成本和工艺的前提下，多功能一体化将是未来发展趋势之一；其次还需要考虑耐候、阻燃与其他性能之间的平衡，避免单一性能剧烈下降的问题。

4)Co-WPCs及其制品会向着新型化、多元化的方向发展，在现有技术的基础上，通过进一步创新和再发展，满足研究、生产及市场各方需求，实现多功能、高附加值的应用，是发展Co-WPCs的最终目标。