環保型PLA-WPC材料的制備及其在戶外景觀設施中的應用研究

摘 要：隨著全球環保意識的提升和可持續發展理念的普及，公眾對新型環保材料的需求日益增加。作為一種新型環保材料，塑木復合材料結合了木材和塑料的優點，具有耐久性、生態環保和施工便捷等特點，因此在戶外景觀設施中被廣泛應用。本文研究利用聚乳酸以及木質纖維制備了新型環保型聚乳酸塑木復合（PLA-WPC）材料。實驗結果顯示，在180℃實驗溫度下，1%的偶聯劑處理條件下，添加30％的木纖維制備得到的PLA-WPC復合材料力學性能最優，其抗沖擊強度和拉伸強度分別約為7.1 KJ/m3和46.4 MPa。PLA-WPC復合材料的吸水率為 0.70%，與其他景觀設施材料相比，它能有效避免吸水變形問題。在強酸強堿環境中，15天的磨損量小于0.50 g/cm³。此外，PLA-WPC添加阻燃劑后，其燃燒熱釋放速率、總熱釋放量、煙釋放量和質量損失率分別下降約31.9%、45.0%、72.4%和28.0%。從生態性角度來看，PLA-WPC材料主要由生物材料、植物纖維和熱塑性廢棄材料制備而成，生產過程中每1 t塑木復合材料的產生可減排CO2氣體約1800 kg。同時，在施工過程中的總能耗也遠低于混凝土等其他材料。

關鍵詞：塑木復合材料；景觀設施；聚乳酸；生態性；化學工藝

中圖分類號：TB33"""""" 文獻標識碼：A"""""" 文章編號：2095-9699（2024）06-0017-06

隨著生態文明建設的推進，中國基礎設施建設的生態性和環保性越來越受到重視，對戶外景觀建設的要求也逐漸提高^[1]。目前，傳統戶外景觀建設材料主要包括石材、木材和混凝土，這些材料的使用存在重量大、易老化、維護困難等問題^[2]。相比于傳統景觀建設材料，塑木鋪板因其不易吸水開裂、耐磨損、透水性強以及可定制防滑花紋和顏色等特點，因此特別適用于路面、親水平臺和休息座椅等戶外設施。同時，塑木護欄因其良好的耐候性和成本效益，廣泛應用于棧道、親水平臺等景觀節點。此外，塑木復合材料還可用于廊架、垃圾箱、指示牌等景觀設施，并通過添加色素和壓制花紋來模擬天然材料的外觀。然而，隨著對戶外景觀建設要求的進一步提高，現代戶外景觀建設亟須一種輕便、耐用、強度高、環保的新型材料^[3-4]。復合材料能夠綜合多種材料的優勢，而聚乳酸作為一種生物可降解材料，具備良好的環保性，對環境不會造成污染，適合用于木塑材料的制備。木塑復合材料中的木纖維既保留了木材的紋理和質感，又具備塑料的耐候性和耐腐蝕性，能夠有效延長使用壽命^[5-6]。因此，本研究旨在利用聚乳酸、木纖維以及可回收熱塑性樹脂制備聚乳酸-木塑復合材料（Polylactic Acid-Wood Plastic Composite，PLA-WPC），期待能制備出一種輕便、具備較好抗壓性和耐磨性、不易變形和破損的新型環保材料，以用于戶外景觀設施建設。

1 新型PLA-WPC材料的制備

1.1 實驗材料

白楊木纖維（50-70目），采購自天津市盛源化工有限公司；硅烷偶聯劑（KH560），供貨商為北京市鑫泰盛源化工有限公司；聚乳酸（PLA，型號：AESUNUMP1001），供貨商為四川盛啟化工有限公司。

1.2 實驗設備

電子天平（ME204/02），生產商為北京夏春計量儀器有限公司；電子恒溫干燥箱（經濟型202A-0），供貨商為天津試驗儀器有限公司；開放式混煉機（XK-160型），制造商為上海輕工機械股份有限公司；1000型高強力塑料粉碎機，采購自常州豪屹塑化有限公司；萬能試驗壓機（200T），供貨商為徐州新協力有限公司；拉力試驗機（日本島津Shimadzu AGS-X 系列），錐形量熱儀，采購自北京市凱迪科奇儀器設備有限公司；氧指數測定儀，供貨商為濟南中諾儀器有限公司。

1.3 新型PLA-WPC復合材料制備

首先，將白楊木纖維放置于電子恒溫干燥箱中，設定溫度為80℃，干燥時間為4小時。根據此次實驗研究的實驗變量，使用不同濃度（0%、1%、2%、3%）的偶聯劑與一定量的無水乙醇混合。然后，分別將其加入對應的木纖維試樣中，使用攪拌棒充分攪拌，確保混合均勻。最后將試樣置于室溫靜置，待無水乙醇揮發后，即可開始復合材料的制備。

本研究選擇了四種不同的木纖維添加量，分別為20％、30％、40％和50％。首先，使用1%的偶聯劑對上述木纖維進行處理；然后，在混煉機中混煉；接著，將處理后的木纖維與聚乳酸混煉，得到片狀的聚乳酸-塑木混合物；隨后，將混合物置于強力塑料粉碎機中進行粉碎，獲得聚乳酸-塑木顆粒。根據戶外景觀設施的實際需求，將聚乳酸-塑木顆粒均勻鋪在制備模具中。最后，通過熱壓操作（實驗溫度180℃，熱壓時間15分鐘）制備成實際樣板，在熱壓機中持續降溫2小時后，樣本即可取出，用于戶外景觀設施建設。

該材料的密度為1.2 g/cm³。測量方法：首先，使用分析天平準確測量聚乳酸-塑木混合物樣品的質量，記為m；其次，將聚乳酸-塑木混合物樣品浸入水中；然后，使用一根細線將樣品懸浮在水中，不與容器底部或側壁接觸；接著，用分析天平讀取樣品在水中的“視重”，并記為m；最后，計算聚乳酸-塑木混合物樣品的密度ρ，見公式（1）。

ρ=mm－mρ0（1）

式中，ρ0為水的密度。

抗沖擊強度檢測方法：將材料樣品正確安裝于萬能試驗壓機上并夾緊。控制系統設置試驗條件，包括沖擊頭的速度、高度和角度等參數，使沖擊頭帶著一定能量以一定速度撞擊樣品表面。記錄試驗數據，評估材料的抗沖擊強度。

抗拉伸強度檢測方法：將制備好的材料樣品安裝在拉力試驗機的夾具中，設置實驗參數，啟動拉力試驗機并施加拉力。當試樣發生斷裂時，拉力試驗機將自動停止并記錄最大載荷。

吸水率檢測方法：將試樣放在天平上進行稱重，記錄下初始重量（設為w1）。將試樣放入盛滿水的容器中，在室溫下浸泡24小時。取出試樣后，用干凈的毛巾擦干表面水分，并立即在天平上稱重，記錄下濕重（設為w2）。吸水率η的計算方法見公式（2）。

η=w2－w1w1×100%（2）

PLA-WPC材料的阻燃性檢測方法：在PLA-WPC材料中加入按照2∶3比例混合的MPP和DPER阻燃劑，并充分混合以制備含有阻燃劑的PLA-WPC復合材料樣品，作為實驗組。制備未添加阻燃劑的純PLA-WPC材料樣品作為對照組。使用錐形量熱儀對對照組和實驗組的樣品進行燃燒測試，記錄燃燒熱釋放速率、總熱釋放量、煙釋放量和質量損失率等數據。使用氧指數測定儀測定實驗組樣品的氧指數，并與ISO標準進行比較。

2 基于PLA-WPC材料的復合景觀設施性能分析及改進

2.1 PLA-WPC材料的強度性能分析

為制備性能更加優越的復合材料，研究在180℃的實驗溫度和1%偶聯劑處理條件下，對20％、30％、40％和50％木纖維添加量制備的復合材料進行了力學性能測試，測試指標為抗沖擊強度和拉伸強度，結果見圖1。

由圖1可知，當PLA-WPC材料中木纖維添加量為20％、30％、40％和50％時，材料的抗沖擊強度分別為8.86 KJ/m³、7.12 KJ/m³、6.45 KJ/m³、5.76 KJ/m³，拉伸強度分別為38.63 MPa、46.32 MPa、31.02 MPa、26.34 MPa。綜合來看，當木纖維添加量為30%時，該材料具有較高的抗沖擊強度和拉伸強度

接著，研究在180℃實驗溫度、30％木纖維添加量條件下，對0%、1%、2%、3%偶聯劑用量處理過的復合材料進行力學性能測試，結果見圖2。

由圖2可知，使用1%偶聯劑處理后的PLA-WPC復合材料力學性能更優，此時的抗沖擊強度為7.15 KJ/m³，拉伸強度為46.55 MPa。

最后，在30％木纖維添加量和1%偶聯劑處理條件下，對170℃、175℃、180℃、185℃和190℃實驗溫度下制備的復合材料進行力學性能測試，結果見圖3。

由圖3可知，在180℃實驗條件下制備得到的PLA-WPC復合材料力學性能最佳，此時的抗沖擊強度為7.13 KJ/m3，拉伸強度為46.47 MPa。

不同條件下制備的PLA-WPC復合材料的電鏡掃描微觀結構表征見圖4。

由圖4（a）可知，當添加木纖維含量較低時，PLA-WPC復合材料中主要成分為聚乳酸，整體力學強度較小；而當木纖維含量較大時，木纖維與PLA-WPC復合材料中的聚乳酸無法有效均勻混合，復合材料內部易形成纖維束，導致材料力學強度下降。由圖4（b）可知，使用1%偶聯劑處理PLA-WPC復合材料時，有效增強了材料中聚乳酸與木纖維之間的黏合力，從而提高了復合材料的力學強度。由圖4（c）可知，實驗溫度過低時，PLA-WPC復合材料中聚乳酸流動性差，無法有效與木纖維混合，導致材料力學強度下降；而溫度過高時，又會使木纖維碳化，導致材料力學強度降低。綜合以上實驗結果可知，在180℃實驗溫度、1%偶聯劑處理條件下、添加30％木纖維制備得到的PLA-WPC復合材料力學性能最佳。因此，后續的復合材料性能分析均以該條件下制備的材料為標準。

為進一步驗證研究制備的PLA-WPC材料的優越性，筆者選取多種熱門的戶外景觀設施材料與其進行對比，結果見表1。

由表1可知，不同材料在密度、抗彎強度、拉伸強度和抗沖擊強度上各有優劣。然而，綜合來看，PLA-WPC材料在質地和強度數值方面均有較大的優勢。在7種材料中，聚乳酸木塑復合材料的密度最大，為1.20 g/cm³，表示該材料在承受重載或高壓應用中的表現出色。抗彎強度最高，可達75.63 MPa，其他某些材料甚至不具備抗彎能力。其拉伸強度相對偏弱，為7.12 KJ/m³，但抗沖擊強度最大，達到46.32 MPa，表明其能夠承受更大的沖擊力和碰撞，使用中不易破裂或損壞。此外，塑木復合材料的吸水率顯著低于其他材料，因此能夠避免因吸水造成的形態膨脹和收縮，減少設施變形、真菌生長等使用問題。同時，它的物理力學性能不會隨著使用年份的增加而明顯降低，相較于其他材料能更好地節省經濟成本。

2.2 PLA-WPC材料復合設施的高耐磨性

基于景觀設施的壽命周期理論，自然氣候老化是影響使用壽命的重要因素之一，包括陽光暴曬和酸性降雨等因素。此外，沿海地區或土壤鹽堿化地區的景觀設施還會遭受離子反應和堿性侵蝕等問題，這會降低材料的耐磨性并縮短使用壽命。

在不同程度的環境模擬條件下，進行PLA-WPC材料的耐磨性能試驗。環境條件包括人工模擬酸雨（pH值1.5、3.0、5.5的硫酸溶液）^[7]、海水（1%、3.5%、5%的NaCl溶液）^[8]、強堿性（pH值8.4、11、13）^[9]等。根據《浸漬紙層壓木質地板標準》，對塑木復合材料表面磨損量及花紋留存情況進行了檢測和對比，結果見表2^[10]。

由表2可知，PLA-WPC材料在不同海水濃度下的表面磨損量變化不大，而在過酸和過堿的環境下，磨損量會有所增加，但仍在國家標準GB/T 18102-2020的規定范圍內。這表明PLA-WPC材料在不同氣候、水質、土壤等環境條件下都具有極高的耐磨性，適宜廣泛應用于棧道、親水平臺等景觀設施。

2.3 PLA-WPC材料的阻燃性

對于廊架、涼亭等承擔游客休憩功能的景觀設施來說，木質材料在提高使用舒適度的同時，其阻燃性未得到充分保障。PLA-WPC材料在生產過程中加入阻燃劑（Ⅱ型聚磷酸銨、氨基等），或使用利樂粉/高密度聚乙烯等作為原料生產的塑木產品，具有高防火性（達B1級）和一定的阻燃效益，使得在喬灌草植被較豐富的景觀節點中制作的景觀設施更具消防安全性。實驗結果表明，將膨脹型阻燃劑（IFR）——三聚氰胺聚磷酸鹽（MPP）和雙季戊四醇（DPER）按照2∶3的比例加入PLA-WPC材料時，能夠在材料表面形成連續緊湊的炭層，降低材料的燃燒熱釋放速率、總熱釋放量、煙釋放量和質量損失率（分別為31.9%、45.0%、72.4%、28.0%）。此外，其氧指數可達30，符合阻燃材料ISO標準。盡管其力學性能（拉伸強度、彎曲強度）相較于未添加膨脹型阻燃劑前有所下降（分別為36.3%、7.2%），但仍符合DB44/T349-2006對家具用木塑復合材料的相關要求。

2.4 PLA-WPC材料耗能實例分析

作為生物材料、植物材料與合成高分子材料相互混合而成的復合材料，PLA-WPC材料在使用各階段的能耗與金屬、水泥、混凝土等建筑材料具有明顯差異。基于壽命周期理論，對廣東省某公園景觀施工實例進行了計算分析，評估該項目施工過程中所使用的PLA-WPC木材地板、欄桿及其他輔助設施材料的生命周期能耗值，并與混凝土材料進行了比較（見表3）。

結果顯示，PLA-WPC材料的壽命周期總能耗僅為混凝土材料的1/2，表明PLA-WPC材料的使用可以降低能耗，提高資源利用的效率。

3 結束語

為滿足現代戶外景觀建設的需求，研究制備了一種新型環保的PLA-WPC材料。該材料的密度為1.20 g/cm³，質地較輕，符合建筑物輕便快捷的需求。其抗沖擊強度和拉伸強度分別為7.12 KJ/m3和46.32 MPa，表現出良好的抗壓性和耐磨性，且不易變形和破損。材質的吸水率為0.70%，能夠有效避免因吸水造成的形態膨脹和收縮，引起景觀設施的變形。此外，PLA-WPC材料具備環保特性，能減少環境污染和降低成本。在某公園的耗能實例分析中，PLA-WPC材料的壽命周期總能耗為5 577.19×10⁴ kW·h。同時，其生產過程中還可實現CO2減排。因此，相較于其他材料，該材料顯著降低了能耗。綜上所述，PLA-WPC材料是一種綜合性能優越的復合型材料，預計在戶外景觀建筑市場上將會獲得更長足的發展和廣泛的適用。盡管本研究制備的PLA-WPC材料在性能方面表現優越，但仍存在改進空間。未來研究將重點探討原料種類、配比比例、添加劑類型和加工工藝等因素，以制備出性能更加優秀的復合材料。

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責任編輯：肖祖銘

Analysis on Preparation of Environmental Friendly PLA-WPC Material and Its Application in Outdoor Landscape Facilities

LI Lili， YANG Liu

（School of Fine Arts and Design， Suzhou University， Suzhou 234000， China）

Abstract：With the strengthening of global environmental awareness and the popularization of sustainable development concepts， the demand for new environmentally friendly materials is increasing. Wood Plastic Composites material， as a new type of environmentally friendly materials， combines the advantages of wood and plastic， featuring good durability， ecological friendliness， and ease of construction. Therefore， they have been widely used in outdoor landscape facilities. A new environmentally friendly Polylactic Acid Wood Plastic Composite （PLA-WPC） material was prepared using polylactic acid and wood fibers. The experimental results showed that under an experimental temperature of 180°C and a 1% coupling agent treatment condition， the PLA-WPC material prepared with 30% wood fibers has the best mechanical properties， with impact strength and tensile strength of approximately 7.1 KJ/m3 and 46.4 MPa， respectively. Compared with other landscape facility materials， the water absorption rate of PLA-WPC material is 0.70%， effectively avoiding the problem of material deformation due to water absorption. In a strong acidic and alkaline environment， the wear amount within 15 days is less than 0.50 g/cm3. In addition， after adding flame retardants to PLA-WPC， the heat release rate of combustion， total heat release， smoke release， and mass loss rate decrease by approximately 31.9%， 45.0%， 72.4%， and 28%， respectively. From an ecological perspective， PLA-WPC materials are mainly prepared from biomaterials， plant fibers， and thermoplastic waste materials. During the production process， every 1 ton of Wood Plastic Composite material can reduce CO2 emissions by approximately 1800 kg. At the same time， the total energy consumption during construction is also much lower than that of some materials such as concrete.

Keywords：Wood Plastic Composite; landscape facilities; polylactic acid; ecology; chemical process

基金項目：宿州學院重點科研項目（2023yzd20）；宿州學院科研項目（2021yzd17）

作者簡介：李麗麗（1991—）女，安徽合肥人，博士，實驗師，主要從事景觀設計研究；楊 柳（1990—），女，安徽宿州人，博士，講師，主要從事環境設計研究。