木塑復(fù)合材料成型工藝及對(duì)其性能影響的研究進(jìn)展

楊薇　何小軍　陳志文

【摘 要】木塑復(fù)合材料是以木纖維等植物纖維為主要原材料成分，經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理后使其與各種熱塑性聚合物或者其他材料通過(guò)不同的復(fù)合途徑制備而成的優(yōu)異的綠色環(huán)保復(fù)合材料。本文介紹了木塑復(fù)合材料傳統(tǒng)成型工藝的分類及其應(yīng)用，并對(duì)近年來(lái)成型工藝的發(fā)展趨勢(shì)及其對(duì)性能影響的新進(jìn)展進(jìn)行綜述。

【關(guān)鍵詞】木塑復(fù)合材料；木纖維；環(huán)保；成型技術(shù)；性能

0 引言

木塑復(fù)合材料（wood-plastic composites，簡(jiǎn)稱WPC）是近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外蓬勃興起的一類新型復(fù)合材料[1]，這種材料既能發(fā)揮材料中各組分（木纖維、熱塑性聚合物等）的優(yōu)點(diǎn)，又能克服木纖維強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差及熱塑性聚合物彈性模量低等造成的局限性，同時(shí)又能充分利用廢棄的木材和塑料，減少木材的砍伐，節(jié)能減排。而在研究木塑復(fù)合材料的性能時(shí)發(fā)現(xiàn)其性能不僅僅取決于木塑材料各組分，其成型工藝也對(duì)材料的性能有著極為重要的影響。這是因?yàn)槟纠w維密度小，即使經(jīng)過(guò)了物理或化學(xué)改性，在與樹(shù)脂的熔融共混擠出過(guò)程中仍不易混合均勻。

1 木塑復(fù)合材料傳統(tǒng)成型工藝的分類及其應(yīng)用

1.1 擠出成型工藝

擠出成型是在擠出機(jī)螺桿的作用下促使高分子熔體通過(guò)一定形狀的口模并冷卻連續(xù)成型的一種成型工藝。具有效率高、應(yīng)用范圍廣、投資少、制備簡(jiǎn)單、可連續(xù)化生產(chǎn)、占地面積少等優(yōu)點(diǎn)。

杜華[2]采用擠出成型制備了稻殼粉（RH）/高密度聚乙烯（HDPE）木塑復(fù)合材料，并對(duì)不同RH含量的木塑復(fù)合材料的抗老化性能進(jìn)行了研究，并通過(guò)一系列測(cè)試儀器如：FT-IR（傅里葉變換紅外光譜儀）、XPS（X射線光電子能譜儀）等對(duì)其表面形貌以及性能變化進(jìn)行分析。

1.2 熱壓成型工藝

熱壓成型主要是將物料注入已加熱的模具中，并對(duì)熔融溫度及時(shí)間加以調(diào)控，直至物料熔融后冷卻硬化，再取出模具中成品，又稱模壓成型。

符彬等[3]采用模壓成型工藝制備了麥秸纖維增強(qiáng)聚乙烯（PE）復(fù)合材料，并研究了模壓成型工藝條件（熱壓溫度）對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明隨著模壓溫度的升高，聚乙烯流動(dòng)性好，麥秸和聚乙烯混合的均勻性變好，力學(xué)性能得到改善；而熱壓溫度過(guò)高，熱壓過(guò)程中聚乙烯在高溫下可能出現(xiàn)了部分碳化現(xiàn)象，從而影響復(fù)合材料力學(xué)性能，最終在模壓成型溫度為170℃時(shí)麥秸纖維在聚乙烯中的分散性最好，且不會(huì)使聚乙烯降解，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度分別達(dá)到了最大值46.1MPa和13.8MJ/m2。

于旻等[4]用熔融共混、模壓成型方法（熱壓溫度為180℃，壓力為 12.5MPa，時(shí)間為12min）制備麥秸稈/廢棄PP木塑復(fù)合材料，探討了麥秸稈不同表面處理方法制備 PP 木塑復(fù)合材料力學(xué)性能和吸濕吸水性能；同時(shí)采用顯微鏡對(duì)其復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察和分析。

覃宇奔等[5]研究了以造紙污泥為原料，PVC為塑料基體，采用熱壓成形技術(shù)制備木塑復(fù)合材料，探討污泥填充量、熱壓時(shí)間、溫度、壓力和偶聯(lián)劑用量等因素對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，并采用掃描電鏡和紅外光譜對(duì)復(fù)合材料和造紙污泥進(jìn)行表征，綜合考慮經(jīng)濟(jì)和工藝的因素，確定造紙污泥填充量為50%，硅烷偶聯(lián)劑占污泥用量的2%，熱壓溫度為180℃，熱壓時(shí)間為10min，熱壓壓力為6MPa，在此條件下所制備復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為35.73MPa，拉伸強(qiáng)度為12.75MPa，具有良好的力學(xué)性能。

葉翠仙等[6]通過(guò)熱壓成型工藝制備了實(shí)驗(yàn)分析軋孔尾巨桉單板/HDPE復(fù)合無(wú)醛膠合板（WPCP）的熱壓工藝條件（包括熱壓溫度、熱壓壓力及熱壓時(shí)間）對(duì)其物理力學(xué)性能的影響（包括膠合強(qiáng)度、靜曲強(qiáng)度及彈性模量），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明熱壓溫度對(duì)其物理力學(xué)性能的影響最大，其次是熱壓壓力，最后是熱壓時(shí)間。

周魯英[7]采用熱壓成型方法制備稻秸纖維增強(qiáng)聚乙烯木塑復(fù)合材料，并對(duì)其熱壓工藝條件（包括熱壓溫度、熱壓壓力及熱壓時(shí)間）進(jìn)行了探討，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，在試驗(yàn)的熱壓溫度范圍（140-170℃）內(nèi)，稻秸纖維/聚乙烯復(fù)合板的靜曲強(qiáng)度隨熱壓溫度的升高而降低，彈性模量隨熱壓溫度的升高先降低后稍升高，但彈性模量隨溫度的改變變化很小。在試驗(yàn)的熱壓時(shí)間范圍（9-15min）內(nèi)，其復(fù)合板的靜曲強(qiáng)度隨熱壓時(shí)間的延長(zhǎng)而降低后稍升高，彈性模量隨熱壓時(shí)間的延長(zhǎng)先升高而后降低。在試驗(yàn)的熱壓壓力范圍（2-4MPa）內(nèi)，其復(fù)合板的靜曲強(qiáng)度和彈性模量隨壓力的增大，都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，但靜曲強(qiáng)度的變化隨壓力的改變不大。至此，確定了本試驗(yàn)范圍內(nèi)最佳的熱壓工藝：熱壓溫度140℃、熱壓時(shí)間5min、熱壓壓力2MPa。

1.3 注射成型工藝

注射成型工藝是將原料加熱到固化狀態(tài)，然后經(jīng)壓力由注塑機(jī)注入到模具，從而得到產(chǎn)品。

田普建等[8]采用注塑成型工藝制備了秸稈/PP木塑復(fù)合材料，并通過(guò)調(diào)控秸稈粉的含量、偶聯(lián)改性劑的種類及含量等因素制備出不同的木塑復(fù)合材料，進(jìn)而研究上述因素變化對(duì)秸稈/PP木塑復(fù)合材力學(xué)性能（抗彎、抗拉伸、抗彎曲性能）的影響。

郭丹等[9]采用注射成型工藝制備了秸稈粉/聚乙烯木塑復(fù)合材料，并研究高能電子束輻射對(duì)該木塑復(fù)合材料各項(xiàng)力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)（如界面相容性、材料熔融行為）的影響。

2 近年來(lái)木塑復(fù)合材料成型工藝的發(fā)展趨勢(shì)

2.1 共擠趨勢(shì)

共擠成型最早產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代[10]，其工藝過(guò)程表現(xiàn)為：不同類型的原材料分別加入通過(guò)多臺(tái)擠出機(jī)，進(jìn)行熔融塑化，并同時(shí)通過(guò)一個(gè)復(fù)合機(jī)頭匯合，并在機(jī)頭成型段擠出成型，再經(jīng)冷卻定型，從而得到所需形狀的復(fù)合材料制品。

與傳統(tǒng)復(fù)合成型工藝相比，共擠成型的工藝具有如下特點(diǎn)：

（1）共擠成型可以將各種不同特性的材料結(jié)合在一起，可以充分發(fā)揮各種材料的固有特性，生產(chǎn)出具有特殊用途的制品。其次，共擠成型周期短、能量消耗低。（2）共擠成型制品的種類多，使用范圍廣。結(jié)構(gòu)不同的共擠出模可以生產(chǎn)出不同種類的復(fù)合制品。同時(shí)，不同顏色的材料進(jìn)行共擠出，可以提高其外觀質(zhì)量，滿足不同的需求。不同特性的材料進(jìn)行共擠出，可以使一種制品兼有幾種不同材料的優(yōu)良特性[11]。

2.2 多種傳統(tǒng)成型工藝復(fù)合趨勢(shì)

宋艷江等[12]采用擠出混煉和注射成型的方法制備了LDPE基木塑復(fù)合材料。考察了木粉改性劑（馬來(lái)酸酐、氧化二異丙苯）的含量及一步法與兩步法制備工藝等對(duì)復(fù)合材料加工性能、力學(xué)性能及動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能的影響；并借助掃描電子顯微鏡分析了其作用機(jī)理。

葛正浩等[13]利用高密度聚乙烯（HDPE）、秸稈粉、發(fā)泡劑及偶聯(lián)劑等多種原料，并在最佳配方條件下采用擠出成型、注塑成型以及壓制成型（熱壓成型）等不同工藝分別制備出發(fā)泡木塑復(fù)合材料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明壓制成型法制備出的發(fā)泡木塑復(fù)合材料發(fā)泡效果及綜合性能較佳。

2.3 其它成型工藝發(fā)展趨勢(shì)

曾廣勝等[14]以楊木粉作為填充增強(qiáng)劑，偶氮二甲酰胺及氧化鋅復(fù)配物作為發(fā)泡劑，高密度聚乙烯為復(fù)合材料基材，并采用兩步模壓發(fā)泡法制備了高密度聚乙烯/木粉復(fù)合發(fā)泡材料。并探討了不同含量的木粉及復(fù)配發(fā)泡劑對(duì)復(fù)合發(fā)泡材料的發(fā)泡性能（表觀密度及含氣率測(cè)定）、回彈性能（回彈率測(cè)定）及吸水性能（吸水率測(cè)定）的影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

木塑復(fù)合材料從問(wèn)世距今已有100多年的研究歷史，然而，受到科學(xué)發(fā)展水平及技術(shù)的限制，仍存在許多性能上的缺陷，這大大限制了復(fù)合材料的應(yīng)用。隨著國(guó)家對(duì)木塑復(fù)合材料要求力度的加強(qiáng)，相信我國(guó)木塑復(fù)合材料成型工藝將出現(xiàn)技術(shù)的突破，從而使木塑復(fù)合材料的使用性能得以大大提高，木塑制品的市場(chǎng)得以大幅度開(kāi)放。

【參考文獻(xiàn)】

[1]楊冰冰.環(huán)保節(jié)能型木塑門窗的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].木材加工機(jī)械，2015（06）：57-59.

[2]杜華.稻殼粉/高密度聚乙烯復(fù)合材料紫外老化降解機(jī)理研究[D].東北林業(yè)大學(xué)，2012.

[3]符彬，鄭霞，潘亞鴿，等.麥秸纖維增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合材料的制備及性能[J].中國(guó)塑料，2015（09）：17-21.

[4]于旻，何春霞，劉軍軍，等.不同表面處理麥秸稈對(duì)木塑復(fù)合材料性能的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012（09）：171-177.

[5]覃宇奔，鄭云磊，胡華宇，等.造紙污泥/PVC木塑復(fù)合材料的制備工藝[J].包裝工程，2014（03）：10-15.

[6]葉翠仙，楊文斌，徐劍瑩，等.軋孔單板-塑料復(fù)合無(wú)醛膠合板的熱壓工藝研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015（12）：76-82.

[7]周魯英.稻秸纖維/聚乙烯復(fù)合材料的工藝研究及性能表征[D].中南林業(yè)科技大學(xué)，2012.

[8]田普建，葛正浩，石美濃，等.不同偶聯(lián)劑對(duì)秸稈/PP復(fù)合材料力學(xué)性能的影響研究[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013（01）：37-40.

[9]郭丹，趙星，黃科，等.電子束輻射對(duì)農(nóng)作物秸稈粉/聚乙烯木塑復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的影響[J].高分子材料科學(xué)與工程，2016（06）：63-67.

[10]王衛(wèi)東，馮剛，江平.共擠成型技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].工程塑料應(yīng)用，2014（04）：131-134.

[11]黃益賓.聚合物氣體輔助共擠成型的理論和實(shí)驗(yàn)研究[D].南昌大學(xué)， 2011.

[12]宋艷江，王寶云，羊海棠，等.LDPE基木塑復(fù)合材料制備工藝及性能研究[J].塑料工業(yè)，2012（10）：28-31.

[13]葛正浩，司丹鴿，張雙琳.聚乙烯/秸稈粉發(fā)泡木塑復(fù)合材料的壓制成型及性能[J].塑料，2015（04）：115-118.

[14]曾廣勝，黃鶴，張禮.HDPE/楊木粉復(fù)合發(fā)泡材料的制備及其性能研究[J].塑料工業(yè)，2015（10）.

[責(zé)任編輯：湯靜]