天然纖維/塑料復合材料（NPC）研究進展

王紅春 李學鋒

1湖北工業大學化學與環境工程學院（430068） 2武漢職業技術學院輕工學院（430074）

1 NPC簡介

天然纖維/塑料復合材料（NPC）主要是由塑料與天然纖維素材料（包括木纖維、竹纖維、稻糠、稻草、麥草、棉花秸稈、甘蔗渣、麻稈、玉米秸稈等）經一定的生產工藝復合而成［1］。我國生物質原料很豐富，僅農作物秸稈（包括玉米秸稈、小麥秸稈和稻草等）每年高達7億t。其中一小部分秸稈被用作飼料、造紙等用途，普遍存在著原料利用率低的問題。天然纖維/塑料復合材料是一類涵蓋面廣、產品種類繁多、形態結構多樣的基礎性材料，具有優良的耐水、耐腐蝕性能、加工能耗低、對設備磨損小、資源豐富、節約木材及可循環使用等優點。目前用天然纖維填充的塑料制品已應用在建材、家具、包裝材料、裝飾材料等領域。特別是近年來從防治病蟲害傳播角度考慮，減少了用木材作為包裝材料，而使用天然纖維填充制成的復合塑料制品，其市場越來越大。同時人們對不同的天然纖維填充塑料的結構與性能的研究也產生了很大的興趣。

2 NPC的主要技術因素

2.1 NPC所用塑料材料

目前在研究和應用領域中主要使用的塑料原材料有:PE、PP、ABS、PVC、PC、PS、POM、 酚醛塑料（PF）及再生塑料。這類材料是目前塑料生產過程中使用較多，較易獲得且與天然纖維經過一定的工藝處理后能較好復合，并能獲得較好的綜合性能的塑料原材料。目前在生產使用中已有由通用塑料擴展到其他塑料的趨勢。

2.2 NPC所用天然纖維材料及要求

目前在研究和加工應用領域主要使用的天然纖維（NF）材料有:木粉、竹粉、稻糠、稻草、麥草、棉花秸稈、甘蔗渣、麻稈、玉米秸稈等，一般天然纖維由纖維素、半纖維素和木質素3類物質組成，其中纖維素可占一半以上。

天然纖維復合材料通常其纖維未能完全分散在聚合物基質上，大多數情況下，附著力差會導致力學性能差。同時由于纖維都具有親水性，而合成聚合物（樹脂）往往是疏水的，因此，在生產天然纖維復合材料中必須對纖維表面進行處理。通過表面處理對改善材料一些特定的性能十分有用，如可有效改善纖維和增塑劑之間的粘附性，減少對潮濕的敏感度等。

表面處理方法通常有以下4種方法,即化學、物理、物理—化學和機械法。化學方法包括:1）堿處理常作為其它化學處理的預處理，以改變NF結構，提高NF強度和模量。2）硅烷偶聯劑處理NF是較常用的方法。3）在復合材料加工時添加馬來酸酐接枝聚丙烯（MAH-g-PP）是最廣泛的方法。MAH-g-PP的MAH基團與NF面的羥基反應，形成酯鍵、氫鍵等化學連接；MAH-g-PP的聚烯烴長鏈和基體聚合物高分子鏈相互纏結，這樣MAH-g-PP就在NF和聚合物間起了橋接增容的作用[2]。物理方法包括用等離子體、電暈、激光或治療光以及蒸氣爆破的形式進行處理，等離子和激光處理可以改善纖維表面的纖維素,蒸汽爆破可改進木質纖維素材料的性能。物理—化學方法是利用溶劑萃取可溶性纖維［3］。這些處理木質纖維素的方法都有助于提高它們與基質材料的聯系，增加纖維和基質的附著力。

2.3 NPC所用加工助劑與改性劑

北京加工助劑研究所研究了塑料抗氧劑、光穩劑的主要類型和作用特性，及影響抗氧劑、光穩定劑作用功能的若干因素［4］。根椐塑木制品的熱老化、光老化主要發生在塑料表面的特性，提出如何選用適合的加工工藝和抗氧劑、光穩定劑，以保證耐候塑木制品的使用壽命和使用價值。

南京林業大學等科研院所對木塑材料（WPC）表面的防火涂層的制備及其耐火性能、新型阻燃體系對木塑防火涂層阻燃性能的影響、木塑表面涂層熱解機理及動力學研究等方面作了大量的研究工作，取得了較大成就［5～7］。

2.4 NPC的成型工藝

2.4.1 擠出成型

用雙螺桿擠出機代替單螺桿擠出機，成型塑化效果更好，剪切作用適宜，木粉分散效果更好，解決加料困難和木粉用量增大時的燒焦問題。WPC屬假塑性流體，通過流變性研究，其黏度小于純樹脂和其他無機填料填充后的體系黏度。這種低黏度對擠出成型是不利的，因此需通過調整配方和工藝條件，既使物料混合均勻，又要適當增加體系擠出時的黏度，從而使制品更密實，樹脂與木粉相容性更好［8］。很多企業已對現有的生產設備進行相應的改造和升級，使生產穩定，同時也節約了電能，效果十分顯著。目前擠出成型是國內生產NPC材料制品的主要加工方法。

2.4.2 注射成型

WPC注射成型的制品外觀和質感酷似木材，有和木材一樣的加工性能、施工性能，并具有塑料的絕大部分優點，如阻燃、抗老化等，同時又具有普通塑料型材不具備的其它優點。WPC高溫流動性能好、加工性能好、成本低、表面光澤度高，具有較好的強度及韌性,被廣泛用于復雜形狀制品的生產。目前，國內、外研究較多，但要國內的生產應用方面還有待提高［9］。

2.4.3 模壓成型

模壓成型工藝是將一定量NPC料放入到模具的型腔中，利用帶熱源的壓機產生一定的溫度和壓力，合模后在一定的溫度和壓力作用下使預浸料在模腔內受熱軟化、受壓流動、充滿模腔成型和固化，從而獲得復合材料制品的一種工藝方法［10～12］。

2.4.4 發展方向

目前國內NPC成型技術的發展方向為:復合共擠、表面處理（砂帶砂光處理、壓紋處理、轉印、UV印刷、木皮復合）、涂覆技術、微發泡、模壓技術（多層多工位間歇式、熱擠冷壓、連續滾壓式）［13］。

2.5 NPC的性能指標

許多學者通過正交實驗對比分析、測試了不同的天然纖維的加入量、天然纖維的粒徑、不同助劑的加入量等因素對材料的力學性能 （拉伸強度、斷裂伸長率、彎曲強度、沖擊強度）、阻燃性能、流變性能等性能指標，找出了其影響變化規律，對指導該類復合材料的生產具有積極的意義。

李學鋒等［1］采用木粉、稻糠、稻草和甘蔗渣4種不同的天然纖維先進行預處理再與HDPE、PP復合的方法，成功地制備出聚烯烴/天然纖維復合材料。4種不同的HDPE/天然纖維復合材料的物理械性能及熱變形溫度相近。以木粉填充復合材料學性能最高，甘蔗渣填充復合材料次之，稻草纖維和稻糠纖維稍差。而稻糠纖維復合材料具備最高熱變形溫度。PP/天然纖維復合材料與HDPE/天然纖維復合材料有相似的變化規律。通過相差分析發現，在天然纖維制備的復合材料中,纖維和樹脂分布均勻。這表明表面改性劑的存在，有利于纖維與基礎樹脂之間的充分浸潤粘合。

方露等［5］通過對WPC表面防火涂層制備及其耐火性能研究，當 m（APP）:m(MEL):m(PER)=12:7:4時，阻燃效果最佳，耐燃時間達到1500 s。

陳寒嫻［14］等的研究表明:1）當竹塑比小于40:100時，竹粉/ABS復合材料的拉伸強度和沖擊強度隨竹粉含量的增加有所降低，之后隨竹粉含量的繼續增加而略有回升。2）加入石蠟和硬脂酸復合潤滑劑的竹粉/ABS復合材料力學性能較優，當竹塑比為100:100時，沖擊強度和彎曲強度達到最大值。3）竹粉/ABS復合材料的剪切應力和表觀粘度隨溫度增加而降低。4）隨著竹塑比的增大，竹粉/ABS復合材料的剪切應力和表觀粘度均逐漸增大。5）選用硬脂酸為潤滑劑的竹粉/ABS復合材料的黏度最小，流動性能和加工性能相對較好。

2.6 NPC產品用途及市場前景

由于天然纖維/塑料復合材料體現了源于自然、融于自然、優于自然、歸于自然的循環產品生命特征，符合“資源-產品-廢棄物-再生資源”的反饋式循環過程，可以更有效地利用資源和保護資源，實現了國家所倡導的“以盡可能小的資源消耗和環境成本，獲得盡可能大的經濟效益社會效益，從而使經濟系統和自然生態系統的物質循環過程相互和諧，促進資源永續利用”的目標［15］。目前該類產品主要應用在以下幾個方面:

1）建筑和裝飾行業:護墻板，道路施工材料，水利工程材料，建筑物內外裝飾材料等。

2）市政建設、園林方面:園林景觀工程等。

3）汽車工業:汽車內飾材料、汽車零部件、擋泥板等。

4）交通、物流方面:鐵道枕木、包裝材料、集裝箱底板等。

NPC復合材料是一種性能優異且利于環保的新型材料,目前我國僅木塑行業的產能就為30萬t/年左右,預計到2015年將要達到500萬t/年的戰略目標。相應的原材料供應和生物質原材料基地建設、專用生產設備的制造和供應、各種專用基材樹脂和配套加工助劑的生產與供應等方面的發展前景都十分巨大［15］。

2.7 NPC生產應用中主要存在的問題

1）原材料供應和生物質原材料基地的建設。要向生產出重現性好、規范化、標準化的工業產品努力，這方面還需做大量的工作。

2）天然纖維/塑料生產專用設備的制造與供應。目前國內還沒有NPC復合材料專用生產設備的制造，生產廠所用的設備全以生產塑料產品的設備代用，其性能是滿足不了NPC產品生產技術要求的。

3）在改善天然纖維復合材料的力學性能、熱穩定性上也需要我們進一步研究。

4）樹脂與纖維之間的結合也是一個關鍵性的問題,在生產NPC復合材料過程中需要對纖維進行表面處理，這無疑是增加了生產成本。因此，在發展NPC復合材料新型復合工藝中為降低生產成本，偶聯劑的選擇至關重要。

5）各種專用基材樹脂和配套加工助劑的生產與供應。我國目前還沒有系列化、價廉物美、能大批量、質量穩定的NPC生產專用助劑。

6）生產技術和成型工藝還有待進一步改進與提高。

3 結語

天然纖維/塑料復合材料，是一類具有十分廣闊前景的新材料。近年來，相關的材料、配方、生產工藝、專用生產設備、模具設計等方面的研究不斷取得進展,許多天然纖維/塑料專用的助劑也相繼問世，這些都為天然纖維/塑料復合材料的進一步研發打下了堅實的基礎。

[1] 李學鋒,閆晗,胡波.聚烯烴/天然纖維復合材料的研究[J].湖北農業科學,2011,50(16):3375～3377.

[2] 趙梓年,王立多.天然纖維復合材料中化學方法處理纖維的進展[J].塑料,2009,38(1):35～37.

[3] 何洪城,陳超.生物可降解木質天然纖維復合材料研究進展[J].湖南林業科技,2011,38(4):57～60.

[4] 李杰,時凱,孫書適.塑料抗氧劑、光穩定劑的作用特性及在耐候塑木制品中的應用[J].中國第五屆國際塑木高峰論壇論文集,2011,19～24.

[5] 方露,李大綱,王玉梅,林東亮,施迎春.木塑復合材料表面防火涂層制備及其耐火性能[J].中國第五屆國際塑木高峰論壇論文集,2011,71～77.

[6] 方露,李大綱,王玉梅,林東亮,施迎春.新型阻燃體系對木塑防火涂層阻燃性能的影響[J].中國第五屆國際塑木高峰論壇論文集,2011:78～85.

[7] 方露,李大綱,王玉梅,林東亮,施迎春.木塑表面防火涂層熱解機理及動力學研究[J].中國第五屆國際塑木高峰論壇論文集,2011,86～91.

[8] 楊治中.我國功能化木塑產業發展階段面臨的挑戰和機遇[J].中國第五屆國際塑木高峰論壇論文集,2011:112～121.

[9] 王超,何繼敏.木塑復合材料注射成型的研究進展[J].工程塑料應用,2008,36(6):81～84.

[10] 祝榮先,周月,任丁華,余養倫,于文吉.制造工藝對竹基纖維復合材料性能的影響[J].木材工業,2011,25(3):1～3.

[11] 肖亞航,傅敏士.PP/秸稈復合材料的熱壓成型工藝研究[J].工程塑料應用,2005,33(1):34～36.

[12] 沃西源,薛芳,李靜.復合材料模壓成型的工藝特性和影響因素分析[J].高科技纖維與應用,2009,34(6):41～44.

[13] 黃銳.塑木復合材料發展趨勢[J].中國第五屆國際塑木高峰論壇論文集,2011:151～167.

[14] 陳寒嫻,楊文斌.竹粉/ABS塑料復合材料的性能研究[J].華東紙業,2010,4l(5):13～16.

[15] 楊治中.關注產業鏈的同步發展切實解決木塑產業大踏步發展的瓶頸[J].中國第五屆塑木高峰論壇論文集,2011:109～111.