PP/硅灰石復合材料在室內家具設計中的應用研究進展

馮憲偉

（1.韓國京畿大學，京畿道 水原；2.杭州科技職業技術學院，浙江 杭州 311402）

與天然樹脂相比，合成樹脂的性能更好。其中，聚丙烯（PP）是應用最為廣泛的材料，尤其在室內家具領域，PP發揮著重要的作用。利用有機填料和無機填料對PP進行填充改性才能用于家具制作。有機填料主要為秸稈、人工速生木料、甘蔗廢料，無機填料主要為玻璃纖維、蒙脫土和滑石粉，制備的PP復合材料的強度、韌性提高，成本降低，增加了PP的適用范圍［1］。目前，國內外學者都對PP/硅灰石復合材料投入了廣泛的研究，并將復合材料應用在汽車、飛機和家居裝飾等領域［2］。室內家具對于材料的強度、韌性和抗老化性能要求較高，PP/硅灰石復合材料耐高溫能力、防水能力和抗老化能力較其他同類型復合材料強，因此，十分適合制作門窗、墻體、地板等。本文綜述了PP/硅灰石復合材料在室內家具設計中的應用，從室內家具裝飾件和室內家具設計中承力構件兩方面進行探討。

1 PP/硅灰石復合材料在室內家具裝飾件中的應用

室內家具裝飾件在整個室內家具設計中占據著重要作用，因此，設計時必須要掌握藝術造型的形式美法則，從而主導家具造型的美感［3］。采用PP/硅灰石復合材料制備的家具裝飾件線條流暢，外形圓滑，以線找面，給人一種輕盈、靈動、完整的感覺。室內家具的裝飾件對于材料的力學性能有一定的要求，在利用PP/硅灰石復合材料制作室內家居裝飾品時，還要重點考慮材料的環保性能、防水性能和抗老化性能［4］。

1.1 PP/硅灰石復合材料的力學性能

PP/硅灰石復合材料中選用的硅灰石為改性硅灰石，是以硅灰石為原料，于60 ℃高速攪拌10 min；然后將鈦酸酯偶聯劑TC-114與稀釋劑無水二甲苯的混合液，在60 ℃時邊噴灑邊攪拌15 min后，緩慢降至室溫，得到了干法粉體狀的改性硅灰石［5］。通過相容劑甲基丙烯酸丁酯和苯乙烯-丙烯酸丁酯-馬來酸酐共聚物接枝改性聚丙烯（PPSBM）來改善PP/硅灰石復合材料的力學性能，PP/硅灰石復合材料的抗拉強度、硬度、延伸率和抗壓強度呈現先增大后減小的趨勢，PP-SBM中的馬來酸酐與改性硅灰石表面的羥基反應，達到增容的效果，而PP-SBM另一端的結構在反應過程中會形成柔性界面，由于該結構屬于高分子聚合物，所以會阻礙PP-SBM與改性硅灰石發生反應［6］。隨著PP-SBM含量的增加，PP-SBM與改性硅灰石發生的增容反應可以極大提高硅灰石與柔性界面的相容性，當PP-SBM質量分數為30%時，PP/硅灰石復合材料的力學性能、拉伸性能和抗沖擊性能均最優；PP-SBM質量分數超過30%后，PP-SBM的柔性分子鏈數量也會增加，與改性硅灰石的結合變得更加困難，復合材料的力學性能、拉伸性能和抗沖擊性能開始下降［7］。

若在PP基體中直接加入硅灰石，不進行充分攪拌，那么硅灰石很難均勻分散，PP與硅灰石難以充分結合，復合材料力學性能雖然會得到提升，但提升程度很?。?］。相容劑PP-SBM會與PP/硅灰石復合材料發生降解反應，所以力學性能的提高效果并不明顯。當改性硅灰石質量分數為20%～30%時，PP/硅灰石復合材料的硬度、延伸率先增加后減少，當改性硅灰石質量分數為30%時，PP/硅灰石復合材料抗拉強度和抗壓強度最大，拉伸性能和抗沖擊性能都得到提高，拉伸性能的提升空間更大［9］。

通過PP-SBM和改性硅灰石可以改善PP/硅灰石復合材料的力學性能，進而改變室內家居裝飾品的力學性能。家具通常需要長久使用，所以必須要具備很好的抗疲勞性能、耐磨損性能和耐化學藥品腐蝕性能，即使在潮濕的環境下，家具也要能夠長久使用。通過PP-SBM和改性硅灰石提高PP/硅灰石復合材料的力學性能，可以很好地增加家具裝飾件的使用壽命。

1.2 PP/硅灰石復合材料的耐化學藥品腐蝕性能

PP/硅灰石復合材料的密度為0.90～0.92 g/cm3，且結構穩定，化學穩定性好，一些低相對分子質量的化學溶劑不能使PP/硅灰石復合材料腐蝕而損壞，只會造成一些輕微程度的變形和軟化，只有高濃度的濃硫酸或濃硝酸會對復合材料造成侵蝕［10］。同時，由于PP的結晶度很高，化學結構的穩定性也會隨著結晶性能的變化而變化，結晶性增加，化學結構的穩定性也會隨之上升。所以利用PP/硅灰石復合材料制作室內家具，能夠極大提高家具的防腐蝕性和耐磨性，提高家具的抗老化性，延長其使用壽命，從而提升產品質量，增加產業競爭實力。

1.3 PP/硅灰石復合材料的防水性能

PP/硅灰石復合材料的吸水性較低，一般情況下，PP/硅灰石復合材料的水接觸角為107.7°，較純PP高約15.0°，可見PP/硅灰石復合材料的防水能力很強［11］。PP/硅灰石復合材料同樣具有很好的絕緣性和防水性，通過熱塑成型得到的材料無色、無味、無毒、半透明且輕質，防水性良好，熱穩定性較強，采用PP/硅灰石復合材料制成的室內家具，能夠承受100 ℃的水，且長時間浸泡后不會發生軟化或變形，可見其耐溫性能及防水性能良好。

1.4 PP/硅灰石復合材料的耐熱性能

PP屬于一種性能優良的熱塑性樹脂，而PP/硅灰石復合材料的熔點高達164～170 ℃，其制品能夠在100 ℃以上的溫度條件下進行消毒滅菌，在沒有外力因素的影響下，PP/硅灰石復合材料能夠在150 ℃高溫條件下保持形態不變，其抗壓強度和抗拉能力也能夠在90 ℃時保持性能良好；不過它的耐寒性能較差，當溫度下降到-35 ℃時，可能會發生脆裂或破碎［12］。這說明PP/硅灰石復合材料耐寒性能較差，但耐熱性能良好。在光照方面，由于PP對紫外光敏感，與硅灰石復合后，添加了部分氧化鋅和乳白填劑，中和了PP的光敏性，從而提高了制品的耐光照能力和抗老化性能。

1.5 PP/硅灰石復合材料的環保性能

PP/硅灰石復合材料具有優良的耐熱性、防水性、耐光照能力和低膨脹率，能夠替代一些材料（如石棉、玻纖等），減少了室內家具生產制造過程中石棉等材料的應用，有利于減少污染，保護人的健康和自然環境。在金屬制品的制造中，PP/硅灰石復合材料能夠代替傳統的冶金材料，發揮良好的適用性和工藝穩定性，提高家具制品的產品質量和生產效率，更加環保和衛生，兼顧了經濟效益與生態效益［13］。

1.6 加強室內家具裝飾件的造型美感

PP/硅灰石復合材料可以使制品造型更加輕盈，通過點、線、面、體四個方面，打造靈巧感，給觀賞者視覺上的享受。與純PP相比，PP/硅灰石復合材料的抗壓強度更大，因此，可以制作比較長且纖細的家具裝飾件構件。利用樹脂膠進行固化，將采用PP/硅灰石復合材料制作的家具裝飾件構件組合成繩束式的構件，增強構件的柔韌性和可編織性，使家具裝飾件擁有清晰的輪廓，且質量更輕［14］。PP/硅灰石復合材料強度較大，因此，利用該材料制作的家具裝飾件面板十分輕薄，不僅能夠減輕家具裝飾件的質量，同時也能夠減少家具的占用空間。采用PP/硅灰石復合材料制造的家具裝飾件造型多為拼接式，創作的家具裝飾品簡約大方。

2 PP/硅灰石復合材料在室內家具承力構件中的應用

2.1 優化室內家具的承載結構

在設計家具結構時，要將家具的承載力作為第一思考要素，PP/硅灰石復合材料具備輕質化的特點，因此在使用該材料做家具時，可以很好地滿足承載要求。PP和硅灰石都屬于脆性材料，因此不能直接使用，必須要通過深加工形成復合材料，提高材料的分散性和強度。將PP/硅灰石復合材料應用于家具裝飾件中，可以優化承載構型，達到家具設計輕質化的要求。在傳統方式家具設計中會利用夾層結構提高家具的承載能力，減少材料需要的剛度和強度，鑒于PP/硅灰石復合材料的力學性能具有各向異性，所以可以按材料的性能沿承載結構布置傳力路徑，加強室內家具的強度和硬度，最大程度地發揮PP/硅灰石復合材料的力學性能優勢。采用PP/硅灰石復合材料制造的家具質輕，且承載力高，可制作各種輕巧靈動的造型，承載結構更加現代化，創意性更強。采用PP/硅灰石復合材料制備的室內家具承力構件，可以最大限度地減少材料用量，降低成本，加強結構的牢固性。

2.2 PP/硅灰石復合材料制作家具生產工藝優化

使用PP/硅灰石復合材料制作家具時，可以選擇整體成型的制備方案，減少家具組合部件之間的冗余零件，從而減輕結構的質量。由于一些部件無法采用整體成型的方案生產，所以需要使用膠結的連接方案，以減少由于拼接組裝帶來的各種問題，降低家具的附加質量，改進家具的生產工藝，達到家居設計的輕質化要求。

使用PP/硅灰石復合材料制備的室內家具生產工藝分為五步：設計構思，選擇和分析材料，制作模型，加工材料，機體固化。選用PP/硅灰石復合材料制作家具時，要根據制作的家具特性，選擇能與其結合的自然元素，設計家具的幾何形態。為了確保制備效果，將泡沫作為模型材料，首先根據設計構思打造出家具形態，然后使用電熱阻絲進行切割，塑造大致形態，最后通過鋼刷處理曲線和細節，使泡沫制作的家具造型與實際的家具造型相符。然后在泡沫模型上方涂抹一層稀釋過的白乳膠，選用兩卷PP/硅灰石纖維束絲，以并行方式纏繞在泡沫模型上，需要注意纏繞方向和纏繞角度要按照一定規律。將環氧樹脂膠黏劑、促進劑和固化劑按質量比為2∶5∶1調和，得到環氧樹脂膠結劑，在已經纏繞成型的PP/硅灰石纖維束絲上刷浸環氧樹脂膠結劑，重復2～5次，確保每個纖維束絲都能被刷浸，當PP/硅灰石纖維束絲固定成型后，掏空內部的模具，得到鏤空結構［15］。由于采用PP/硅灰石復合材料制備的家具模具外側纏繞了PP/硅灰石纖維束絲，因此在刷環氧樹脂膠結劑時，樹脂也會固定在模具上，必須要將模具去除干凈，選用熱風槍在家具線條空隙上進行吹化，使纏繞在家具上方的模具被掏空，利用銼刀磨砂紙進行打磨處理，使家具擁有好的使用手感，清理擦拭后得到完備的家具形態。通過這套成熟的工藝打造更加完美輕質的家具，同時確保家具的承力能力。

3 結語

PP/硅灰石復合材料有良好的力學性能、防水性能、環保性能等，具有質輕、耐磨抗老化、成本低等特點。用其制作家具時，不僅可以減輕家具的質量，同時制造的裝飾物也符合大眾的喜好和審美。用PP/硅灰石復合材料制作的家具更加耐腐蝕、耐光照、不容易發生變形掉色等情況，延長了家具的使用壽命。使用PP/硅灰石復合材料制作家具時要采用膠結的連接方案，可減少由于拼接組裝帶來的各種問題，降低家具的附加質量，改進家具的生產工藝，達到家居設計的輕質化要求。以PP/硅灰石復合材料制作家具的設計理念在我國剛剛起步，未來需要進行更加深入的研究。