木塑复合材料加工技术研究现状及1发展趋势

木塑复合材料加工技术、研究现状及发展趋势一 木塑复合材料加工技术 随着科学技术的发展，现代社会对材料的要求更高了，既要求其有较好的物理力学性能，对人类有亲和力，又要环保。木材是一种天然生物质材料，自古以来被人们广泛喜爱和使用。随着我国天然林面积的减少和 “天然林保护”政策的实施，木材资源困乏、质量下降、木材价格越来越高、木材加工业的废弃物增多以及世界林产品需求量的增加都使得林产品工业越来越迫切地感到需要寻找木材的替代品。而由于生产和生活水平提高，过去被大量用于烧柴的木制品加工废弃物，如木屑、刨花、边角废料以及大量农作物纤维如秸秆、稻糠、果壳等被严重浪费，并对环境产生极大的破坏性影响。据统计，我国每年由于木材加工余下的废弃木粉量达数百万吨，其他天然纤维如稻糠等的产量上千万吨，这些资源如能得到有效开发和利用，价值可观。在不断研究中人们认识到木材改性技术可以实现新的突破，而填充改性既可以降低产品成本，又可以提高产品的使用性能，甚至赋予木材材料全新的性能，从而使木材行业有了新的生机。与此同时，塑料制品在生产和生活中的应用，随着经济发展越来越广泛，因塑料废品处理不当而造成的白色污染问题已经成为一大环保难题。有关数字表明，在城市垃圾中，塑料废弃物已占到垃圾总量的2535。在我国，城市人口每年产生的废旧塑料达240万280万吨，已成为环卫部门的严重负担。如果能将废旧塑料制品有效利用起来，将对环保和经济发展产生巨大的推动作用。这种背景下，将木质纤维与废旧塑料经过特殊处理合成新的材料，即木塑复合材料（Woodpolymer Composites，简称WPC）也就应运而生了。1 木塑复合材料的定义木塑复合材料（WPC）是以木材为主要原料（形式有锯末、木屑、竹屑、稻壳、麦秸、大豆皮、花生壳、甘蔗渣、棉秸秆等），经过适当的处理使其与各种塑料（用于木塑复合材料的热塑性塑料主要有聚氯乙烯(PVC，聚乙烯PEA ，聚丙烯(PPS) ，聚苯乙烯(PST) ，聚甲基丙烯酸甲酷（CPMM），以及聚乙烯（PE），聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）等)按一定比例混合并添加特制的助剂，如偶联剂、分散剂、增塑剂、润滑剂、热稳定剂、着色剂、阻燃剂、防霉剂等加工助剂，经高温、挤压、成型等工艺制成的一种新型复合材料，是一种高性能、高附加值的绿色环保复合材料，其性能优良、用途广泛、利于环保，有广阔的发展前景，值得大力研发推广。2木塑复合材料的分类木塑复合材的制造方式目前主要有两种：一种是将塑料单体或者低聚合度树脂浸入到实体木材中，通过加热或辐射引发塑料单体或者低聚合度树脂在木材中进行自由基聚合，所得复合材料称为塑合木。这种复合方式可以提高木材的尺寸稳定性、耐腐性、防蛀性, 以及木材的物理、力学性能。所浸注的单体一般采用苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯等单体。另一种是将木材以刨花、纤维和木粉的形态作为增强材料或填料添加到热塑性塑料中，并通过加热使木材与熔融状态的热塑性塑料进行复合而得到的复合材料，称为木塑料复合材料（简称WPC）。从木塑复合材料的基体与功能体结合方式考虑，可将其分为以下三类：1) 实体木材一塑料复合材料；此类材料以基体与功能体之间或功能体在基体内部的化学合成反应为主要特征。2) 木纤维(木粉)一塑料复合材料；此类材料以木质纤维材料为基体与高分子量塑料直接复合，其结合方式以两种材料表面(或界面)物理结合为主。此种材料的制造工艺是将木纤维或木粉与塑料充分混合，在混合过程中塑料熔化形成制品。当木材组分低于50时，称为木质填料塑料；而木材组分高于60时，则称为热塑性树脂增强型复合材料。该种复合材料的某些物理力学指标优于纯木材制品，可再成型为各种模压制品，在包装、家具、房屋建筑及汽车内饰件等领域具有广泛的应用前景。3) 木材一塑料合金复合材料。将实体木材或单板用一种聚合物的单体或预燃物浸注，然后再使其在木材中聚合。一般来说，这种聚合物不能进入木材的细胞壁，而是存在于细胞腔内。此种聚合材料比原有材料具有更高的强度、刚度、耐磨性及其它一些优良的物理性能。可制成地板、乐器、运动设备及装饰材料等。木材塑料合金复合材料要求木材高分子与塑料的完全融合，具有类似于金属材料以及共混高分子材料所达到的那种状态。该种复合材料首先要对木材的化学组分进行改性，使其能溶于某些溶剂之中或与高分子塑料之间相互均匀分散。3 木塑复合材料的特点1）木塑复合材料的优点社会经济性好，可持续发展，特别适于我国“天然林保护”的国策；耐用、寿命长，类似木质外观，比塑料硬度高； 具有优良的物性，比木材稳定性好，不会产生裂缝、翘曲、无木材竹疤、斜纹，加入着色剂、覆膜或复合表层可制成色彩绚丽的各种制品；具有热塑性塑料的加工性，容易成型，用一般塑料加功设备或稍加改造后便可进行成型加工。加工设备新投入资金少，便于推广应用；有类似木材的二次加工性，可切割，粘接，用钉子或螺栓连接固定；利于装潢、装饰，可涂漆美化，产品规格形状可根据用户要求调整，灵活性大；不怕虫蛀、耐老化、耐腐蚀、吸水性小、不会吸湿变形；能重复使用和回收再利用，可以生物降解，保护环境；利于环境保护，可用废弃木材、农作物纤维和废弃塑料作材料；资源丰富，费用低廉，成本低。2） 木塑复合材料的缺点尽管广大的科研和工程人员做了不懈努力，但木塑复合材料在各种使用场合中仍存在着一些不足，主要表现为：1)密度高，通常为木材的24倍；2)产品的安装费用相对较高(由于复合材料的密度较大，在组装时需要使用射钉枪或自攻螺钉)；3)耐热性和耐紫外线能力较差；4)制品的硬度和载荷能力较木材差 。3） 国产塑木复合材料质量上存在的主要问题a、制品抗冲击性能差，脆性大，易损坏断裂。其原因：废旧塑料及木粉（天纤）质量不合格，选择不当，配方及工艺条件不合理，原料含水量高，加工时产生气泡，水解或热分解，使树脂分子量降低所致。b、制品结构不密实，有气孔，蜂窝，剥离或分层。其原因：原料混合不均匀，混炼效果不好，没有应用塑料改性技术，使两种极性不同的物质（塑料/天纤）不相容，不能牢固粘结的结果。c、制品表面不平整，有斑孔，翘曲，变形。其原因：螺杆、料筒有伤痕缺陷，引起物料滞留或碳化，原料不符合规格要求，含有杂质，没有选用流动性适宜，收缩率和各向异性小的基体树脂，对定型模冷却控制不好。由于木塑复合材料具有比单纯的木材和塑料无法比拟的诸多优点，已受到国内外的广泛关注。该材料是绿色环保材料，可以回收利用低成本的废弃木材和塑料，用此技术生产出来的木塑复合材料可取代木材使用，有力地缓解我国因森林资源贫乏而木材供应紧缺的矛盾。木塑复合材料生产技术既符合国家经济形势发展的需要，也衬合国家的产业政策，而且产品使用范围广。因此，可以相信木塑复合材料是一种极具发展前途的材料，也是一项有生命力、有市场开发前景的创新技术，具有广阔的市场前景和良好的经济效益和社会效益。4 木塑复合材料的应用木塑复合材料的应用领域木塑材料应用于包装行业主要是托盘、包装箱、集装器具等。因而在国内有很大的市场需求。木塑材料具有耐潮、防虫蛀等特点，适用于仓储行业使用的货架铺板、枕木、铺梁、地板等。木塑材料制成的凉亭、座椅、花盆、垃圾桶等具有防水、防潮、防腐的特点，而且寿命长、价格低；用木塑复合材料制作房屋、室外地板阳光房码头、护栏等产品已在国外开始起步。近几年来，由于木塑复合材料的木质材料组成部分正在向各种其它植物纤维材料发展，因此，从更广泛意义上讲，木塑复合材料实质上已成为以各种植物纤维材料为基体，与各种不同塑料形成的一类新型复合材料。它的出现有利于缓解目前木材资源紧缺和废弃物回收利用困难的问题，提高产品的附加值，可以广泛应用于汽车工业、建筑行业、室内装饰、家电和运输等行业方面。研究木塑复合材料是木材工业史上的革命性发展，是现代材料工业发展的主要方向之一。 概括地说，在国内，木塑复合材料的应用领域包括：包装、运输类：托盘、军品和民品包装箱、玻璃包装箱、周转箱，插车货板、仓储垫板、铁路枕木等; 园林景观类：凉亭、座椅、栅栏、铺板等市政产品;车辆船舶类：汽车等内装材、风扇罩、仪表架等部件、船 舶内装和隔热材等; 家装及建筑类：活动房屋，窗框，门板，门褴，混凝土模板，楼梯拍手，墙壁，天棚，装饰各种异型材，地板、家具等建材用品;其它类：农用大棚支架及用桶、钓鱼用舢板、水产箱、教学用品、枪托、球拍、滑雪板、高尔夫球棒、舞台用品以及各种模型等;随着挤出设备和挤出技术的发展，人们通过木塑复合微孔发泡技术制得木塑复合微孔发泡材料，它比不发泡材料具有更高的冲击强度、更高的韧性、更长的疲劳寿命、更好的热稳定性和更低的密度(降低密度达75或更高)，从而进一步拓宽了木塑复合材料制品的应用范围。5 木塑复合材料用添加剂木塑复合材料经常要有一些助剂加入，如偶联剂、光稳定剂、色素、润滑剂、杀真菌剂和发泡剂。下表列举了常用助剂及其在复合材料中所起的作用。助剂应用举例热稳定剂防止加工过程中聚合物降解酚醛树脂（主要）和亚磷酸盐 (次要)光稳定剂防止紫外光对聚合物的伤害HALS (阻胺光稳定剂); 紫外光吸收剂偶联剂改善木塑界面结合，提高强度，减少吸水，保持机械性能马来酸酐改性聚烯烃润滑剂改善流动性能，提高生产效率，减少边缘磨损硬脂酸锌、乙烯基而硬脂酰胺色素美化制品表面，并有一定紫外防护能力混合染料杀虫剂防止细菌真菌侵蚀异噻唑类物质发泡剂减小材料密度和制品重量放热型(偶氮碳胺), 吸热型（碳酸氢钠).6 木塑复合材料加工工艺木塑复合材料最先使用的生产工艺是混炼，再热压(或发泡压制)成平板或模压成型材。现在的生产工艺以挤出成型为主,并辅以注射成型。国内木塑复合材料的主要成型方法有浸渍成型、平压成型、模压成型、挤出成型、热压成型、辐射法成型、注射成型等。最早使用的为浸渍法，近年来，木塑复合材料的生产工艺基本采用两步法，即先进行共混造粒，再进行成品挤出。因为用这种方法加工制品成本较高，自1999年起，就开始研究该复合材料制品的一步法挤出成型技术，即直接用挤出机进行该材料的混合与成型，因省掉造粒工序，从而降低了成本并提高了产品的市场竞争力。挤出成型、热压成型、注射成型、模压成型是加工木塑复合材料的主要成型方法。由于挤出成型加工周期短、效率高，因此挤出成型方法是一种较为常用的工艺路线。6.1 注入单体聚合法该方法的历史相对较早些。生产工艺是将化学单体注入木材，然后再用高能辐射或加热催化等方法制成木塑复合材料(如图1)。高频辐射或加热催化聚合注入树脂单体干燥单板或木材 成品图1 注入单体聚合工艺流程6.2非气流辅装成型该工艺是将木纤维与塑料或树脂在常温下混合，木材纤维、束或其它纤维状材料经混合后通过一个针刺工段，用薄型无纺布衬托而制成纤维相互缠绕的低密度板坯，再根据最终产品的需求和要求，将一块或数块板坯热压成最终产品(如图2)。针刺铺网纤维混合干燥施胶叫、木纤维（或加合成纤维）模压成品 图2 非气流辅装成型工艺流程6.3压制成型这种方法采用类似于普通刨花板或干法MDF的生产工艺(如图3)。造粒干燥清洗分离塑料 改性干燥木材（刨花或纤维） 铺装冷却热压施胶 成品图3 压制成型工艺流程6.4木塑复合材料平压法成型技术工艺流程如下：图4 平压法制备木塑复合材料的工艺流程将木粉和塑料共同混炼后热压，或将木刨花与预先混炼的塑料混合热压压制成的板材具有很好的力学性能经测试该性能达到刨花板国家标准的要求。在热压过程中，压力一定时，当温度升至 200 时，模具中的物料达到最好的流动性。此时压制的板材性能较好。将塑料预先混炼后再与木刨花混合热压成型时，随着木刨花用量的增加，静曲强度成线性增加，混合的质量比达到 13 或 14时有最大值，此时制得的板材具有最好的力学性能。6.5 辐射法制备木塑复合材料工艺流程如下：地下贮罐 单体运送 二段真空原木搬运 货架贮存 药剂贮存 浸渍槽 装袋辐射 制品贮存 图5 辐射法制备木塑复合材料的工艺流程浸渍有机单体的木制品，经电离辐射处理后，可制成一种新型材料-木塑复合材料。辐射法制备木塑复合材料的生产技术可利用速生、易得的木材如桦木、杨木等低档木材经过辐射塑化处理来代替昂贵的优质木材，有助于解决优质木材缺乏的难题，应用前景广阔。6.6木塑复合材料挤出成型技术可以用于木塑复合材料制品挤出成型的设备有单螺杆挤出机、双螺杆挤出机以及串联式磨盘挤出机。目前主要以前两种为主，后者用于木塑复合挤出还是一个全新的研究领域，尚处于实验阶段。挤出成型法是木塑复合材料加工中最重要的加工方法之一。这是一种低消耗，高产出，适合各种异型材、板材的生产工艺。WPC的挤出工艺为：木材纤维/木粉/刨花由特殊的喂料器在塑料熔融时连续喂料，木材纤维/木粉/刨花在双螺杆挤出机的熔融段被充分混合。此时木材中的水分由真空泵带走。在混合充分后，混合物在一定压力下从模口挤出，制成型材或板材。这种挤塑可以挤出性能均一的材料。使用这种加工方式的木材需要干燥,以防止复合材料中出现气泡，同时木材纤维/纤维状刨花的长径比要小，以免在加工时有大量的木材纤维/纤维状刨花交缠成团，影响产品质量，也使设备易受损伤。在挤塑加工工艺中温度、转速是主要的参数。如果温度太高，木材纤维会很快降解，其力学强度降低，颜色变深，从而影响复合材料的强度。一般加工温度都在150-200之间。转速和木材纤维在挤塑机中的停留时间对材料的影响很大，如果转速太快，剪切力增大，大量的木材纤维和刨花被剪断，而且两种材料混合不均匀；如果转速过慢，木材纤维和刨花在挤塑机中停留时间太长也会使部分木纤维或刨花降解。当加工温度高于200时，木质纤维就可能发生降解，因此在加工中要严格控制物料在挤出机内的停留时间，避免过量剪切和剪切失控。木质纤维填充物料的粘度很大，在剪切时产生大量的粘滞热，而且木塑混合物的热传导率很低，这两个方面都导致从熔体中不能传递出足够的热量，以防止木质纤维的降解和裂化。材料的这种加工性能不仅对设备提出更高的要求，而且限制了木塑复合材料的应用。为此，用于木塑复合中的热塑性塑料通常只能选择加工温度较低的塑料，例如PP、PS、PVC、HDPE、LDPE等。挤出成型技术分为一步法和两步法。一步直接挤出法：采用一步直接挤出法，物料在挤出机内被混合均化，通过模具部件的几何形状成型产品。这对挤出机提出了更高的要求，挤出机设计需有独特的压缩和低速剪切混合能力，充分优化给料区表面积，使螺杆对原材料的热传导过程更块、更均匀。在螺杆设计时需提供一个较大的给料区，用于松散物料和在加工时施加自然压缩力，其结果为木粉被更有效地“浸湿”。在减小剪切力的同时，双螺杆间的深螺槽和紧凑的相交齿空隙优化挤出料混合。在低螺杆转速状态下的高扭矩处使用轻柔的低剪切力融化和混合，降低木粉分解速率。预先造粒混合加工法：稳定的原材料是正常挤出的首要前提，为了保证对纤维材料的可靠计量，通常有必要采用两步法挤出工艺对纤维材料进行造粒预先压缩，与一步法直接挤出松散纤维相比，这种预混料方式可以把粉体密度增加到所需要的水平，从而达到挤出产量，易于流动性得到改进。另外，粉体密度的均匀性保证了挤出过程的一致性。在初期准备阶段(冷热混合、造粒)可以将水分显著降至1 ，并使木粉和塑料完全混合均匀，这样塑料会完全渗透到木粉中。与一步法相比，两步法工艺可以提高型材的冲击性能，显著改善木塑复合材料的冲击韧性，另外，在湿度很低的情况下(小于1)，挤出机可以按照额定挤出量挤出。如果使用湿度大于8 的木粉，挤出量将会降低3050 。同样，一步法工艺中，松散的木粉不可避免地会引起牵引困难和配方的改变，导致挤出量的改变。而两步法处理工艺就不存在该问题，处理过的原材料可以毫无问题地用于挤出，甚至可以和PVC型材挤出相类似，在挤出过程也不必调整和不断地优化挤出工艺参数。木塑复合材料的导热性差，且其制品多为异型材，冷却定型较困难，多采用水冷定型。冷却流道合理设计保证高效冷却。第一：一步挤出成型工艺流程图木质纤维原料助剂热塑性塑 料挤出成型定型冷却挤出机牵引木塑制品图6 一步挤出成型工艺流程图第二：两步法挤出成型工艺（混炼造粒和挤出成型）1）混炼造粒工艺流程图：木质纤维原料预处理预干燥预混合助剂混炼造粒木塑粒料热塑性塑 料图7 混炼造粒工艺流程图2）两步挤出成型工艺流程图：木塑粒料干燥挤出机挤出成型定型冷却牵引木塑制品图8 两步挤出成型工艺流程图6.7 木塑复合材料热压成型技术 该工艺可成型一定规格的不连续的塑木制品，加工工艺类似于密度板的成型工艺。热压成型工艺流程图：木材纤维施加偶联剂回收的塑料磨粉与分选常温混合铺装热压冷却陈放性能检测预压试件加工图9 热压成型工艺流程图6.8 木塑复合材料模压制造技术模压法因为具有可以将木纤维的添加量大大提高，木纤维可有较大的长径比，且加工工艺简单，可利用现有国产普通人造板工艺技术及设备等优点，受到越来越广泛的重视。以铺装后模压成型加工成的产品，一般来说形状较为简单，其中以板材居多。由于木纤维与塑料不经处理直接按配比进行热压时，熔融塑料分子很难浸润木纤维，因而制成的复合板材在物理力学性能指标上难以取得大的提高，尤其是弯曲弹性模量。压缩成型方式：模压成型、热压成型、碳化成型闭式或开式复合材料原料模压成型热压成型原料碳化不碳化挤压成型碳化模压成型工艺流程图：热塑性聚合物混合物料计量铺装物料混合干燥粉碎原料准备脱模清理模压件物料计量铺装成品检验整修加热模压预压成品库图10 模压成型工艺流程图7 挤出成型的工艺过程7.1塑料的预处理为了保证成品的质量，必须对回收的塑料进行分捡去杂、清洗烘干、粉碎，去除含有的金属、橡胶、泥土等杂物和加热不融化的热固性塑料7.2木质纤维的预处理为了增加木纤维与塑料结合的表面积，提高成品的物理力学性能，必须对木质纤维进行分选去杂、粉碎烘干、改性等预处理，粒度一般要求在080目之间，要求无霉变、无结块、无杂物、干燥按照粒度要求把木纤维粉碎过筛，得到适合制造木塑复合材料的颗粒烘干要求比较严格，一般要求在烘干箱中1 20下烘干，以排除水分和低分子挥发物 ，这样能提高木塑复合材料的性能7.3配料根据使用性能要求以及原料配方，向经过处理的废旧塑料和木质纤维中加入适量的增容剂、稳定剂、润滑剂、胶合剂等化学助剂，改善木塑体系的相容性、耐热性和加工过程中的流动性7.4造粒造粒的目的是使木塑混料进行热熔、混炼，使木塑预塑化，排除挥发物，以便在生产型材时，能够完全塑化造粒工序中，借助加热和剪切等的作用，促使木塑混料剪切混合、塑化、去除挥发物7.5挤出成型在挤出成型的过程中，挤出温度、螺杆转速、挤出压力、冷却定型、牵引速度和加料速度等参数直接影响到物料的成型性能和混合过程，并对最终的结构有很大的影响温度是木塑复合材料挤出成型的一个重要的工艺条件，是影响塑化及材料质量的主要因素，合理的挤出各段的温度设置如表2，各段的温度尽可能稳定，尤其是机头的温度控制必须保证在合适的范围内，温度过高，挤出样品炭化，强度降低；温度过低，出料不均匀，有塑料颗粒没有熔融7木塑复合材料制造的关键技术近几年来国内有关科技及工程技术人员经过多年努力在木塑复合材料制造关键技术上有了重大突破，使得木塑复合材料制造技术和产品有性能上都已达到国际先进水平，并迅速走向市场化。其主要关键技术有以下几点：7.1 原料需充分干燥木粉不同于无机矿物，通常有高达1O%以上的水分，未经干燥使用时易引起加工制品起泡、烧焦、糊料，影响制品外观，同时造成不断停机清洗设备，难以连续生产。首先必须对木粉充分干燥。7.2 对木粉要进行表面处理木粉表面为多羟基结构是极性亲水性物质，而高聚物一般为非极性亲油性物质，二者很难相容，亲和性极差。如简单的将二者直接共混，制品变脆、力学性能很差，不能实用。如通过接枝反应对木粉进行表面处理，可以将木纤维上的一OH基团接枝上有机基团，使木粉表面变面亲油物质，提高了与高聚物大分子的界面粘着力，同时也使木粉在复合材料中更易分散均匀，形成密实的网状结构，从而提高复合材料的拉伸和冲击强度。研究结果表明，不同的高聚物种类，所适用的表面处理剂也是完全不同的。如木粉聚丙烯体系，用马来酸酐接枝聚丙烯，处理的效果较好，但对木粉聚乙烯体系效果并不显著。而使用乙烯一丙烯酸共聚物(EAA)就好得多，即使木粉含量达6O ，复合材料的拉伸强度也接近纯树脂的数值。对于木粉聚氯乙烯使用铝酸酯偶联剂并不能达到要求，硅烷偶联剂虽然效果较好，但价格贵。廊坊市神龙金海有限公司开发出售活化偶联、提高相容性为一体的复合型表面处理剂效果就更好，有效地解决了木粉表面处理与PVC大分子亲和相容的问题。7.3 加入高效流变润滑剂可提高产品质量和生产效率研究结果表明，加入流变润滑剂可使木塑复合材料制品表面光滑，外观好，同时也可提高挤出速度，提高生产效率。廊坊市神龙金海有限公司成功地研制出具有内外润滑作用的高效流变润滑剂，使加工过程中不仅具有初期的润滑作用，而且中后期润滑效果也很好，可以保证挤出加工的快速稳定。7.4 微发泡技术通常不发泡的木塑复合材料一是密度都比较大，并且相同体积的制品树脂用量也比发泡材料多。如木粉PE复合材料的密度是木材的一倍，比纯聚乙烯塑料也要高13左右。承载一吨的12m12m 的托盘纯塑料仅2Okg，而木塑托盘要3Okg以上，发泡木塑制品与传统木塑相比，密度可降低2O45 ，更接近于木材。一般树脂成本要占材料成本的8O 9O ，采用发泡技术可节省近2倍的成本。二是刚性和冲击性差。为了增加刚性就要增加型材截面积或改变型材截面形状来解决。提高冲击性能则需要提高木粉与聚烯烃界面的亲和性和相容性。三是生产效率低，一般单机产量低于lOOkgh，形成一定规模就要增加挤出生产线，需增大固定资产。所以近几年微发泡木塑复合材料作为塑料加工换代产品迅速发展起来。微发泡挤出成型需经历三个阶段，即气泡核生产阶段、气泡成长阶段和泡体固定成型阶段。要获是泡体塑化优良，泡孔数量多、直径小、分布均匀、外表结皮效果好，且平整光滑的型材，选择优质的发泡剂是决定型材质量的关键。对于木粉PVC微发泡复合材料，加工过程中因聚氯乙烯属于热敏性聚合物，要求加工温度范围很窄，温度过高会造成聚合物热分解，在发泡过程中要严格控制发泡剂的分解温度和分解时间。因此要选择发泡剂的分解温度相匹配。通常微发泡塑料使用的AC发泡剂也不适于木粉PVC复合体系。因为AC发泡剂分解产生的气体同时还放出大量热量，如不采取得力措施，极易造成温度升高使材料内部孔隙大小不均或者制品表面出现鼓泡、塌陷等缺陷。廊坊市神龙金海公司自主研发的吸放热均衡复合发泡剂可以将放热型发泡剂分解时放出的热量吸收并促进吸热型发泡剂的分解，二者适当的匹配可以优势互补，攻克了木粉PVC复合材料微发泡工艺的技术难关，使产品性能达到国外同类产品的先进水平。可以替代德国进口的发泡剂，实现国产化，价格仅为进口的一半。7.5 特殊结构挤出设备为了实现木塑复合材料的稳定挤出，挤出机螺杆的结构、长径比和转速对复合材料的分散、混合、熔融及成型过程有着至关重要的影响，要求： 螺杆结构要有利于物料的分散、混合、熔融； 防止物料在螺钉或螺筒上滞留，避免物料受热分解、焦化，要求具有高度自洁能力；保证螺杆具有强大的推进作用，能平稳地输送物料；建立足够的成型压力。7.6 独特的成型模具木塑复合材料最终要成为具有一定形状、尺寸稳定、外观良好的各种型材，最后一道工序是通过成型模具来实现的。由于微发泡型材生产中需要膨胀速率较缓和的型胚，尤其要防止仅仅通过螺杆减压而造成的物流波动。所以要在流道设计上实现二次减压，使型胚平衡地向定型模具过渡。北京建诚机械有限公司根据微发泡木塑复合材料的生产工艺特点研制出可调式发泡型村专用模具，可在主机工作状况不变的情况下通过模具本身的调控实现对型村表面质量、型村尺寸和发泡倍率的控制。为了超越世界先进水平，他们正在研制木粉填加量可达8O 9，69O 9，6的木塑复合材料整条生产线。二 木塑复合材料的研究现状1 木塑产业发展现状1.1 国外木塑产业概况 木塑材料的产业化推广源于上世纪80年代的美国，最初是作为改性塑料应用的。随着技术水平的提高，木塑逐渐具备了塑料、木材、金属等单质材料的优点，成为自成体系的新型材料。目前，各类木塑制品在美国、加拿大、德国、英国、荷兰、日本和韩国等国已得到较为广泛的应用，形成了比较规范的产业和市场。 北美是世界上木塑材料发展最快、用量最大的地区，主要用于风格粗犷的户外建筑。美国木塑市场1990至2000年的增长率都在10以上，近5年增长尤快。美国现有约50家木塑企业，年产量大都在万吨以上，其中最大的几家公司已在纽约证券交易所上市。美国的木塑材料研发机构也超过50家，形成了一个从产品研发、原料收集、设备制造、模具开发、制成品生产到市场营销的完整产业。加拿大安大略省的材料和制造中心坚持与美国国家森林实验室合作主办木塑材料会议并资助研究人员和公司。经过10多年的努力，在加拿大也形成了以10多家企业为主体，年产量超过5万吨的木塑产业。欧洲木塑产业总体发展不如北美地区，但近年来有加快趋势。木塑企业不多，产量和技术水平与国内企业相当，但其拥有强大的装备制造能力，发展潜力不可小视。欧洲人对木塑材料的要求比较细腻，对品种花色的需求也高于北美，室内装修装饰和户外建筑齐头并进，但应用技术和商品市场还不甚成熟，有高速增长的空间。 日本由于地理原因和环保意识，木塑材料的应用比较普遍，产品质量亦较优良。日本的木塑研究机构，经过十多年的努力开发出高品质的木塑材料。其产品具有自然的木材色泽和质感，已在房屋建设和内装饰领域得到广泛使用，是目前国际上品质最高的产品之一，代表了木塑材料替代天然木材的质量水平和发展方向。1.2 国内木塑产业发展现状 在国家循环经济政策的鼓励和企业潜在效益需求的双重推动下，全国性“木塑热”逐渐兴起。据不完全统计，截至2005年年底，全国直接或间接从事木塑研发、生产和配套的企事业单位已逾150家，包括国有、民营，独资、合股和合资等多种类型，国有或国有控股企业占有一定的优势。现有木塑产业从业人员数万人，木塑制品年产销量已接近10万吨，年产值超过8亿元人民币。木塑企业集中分布在珠三角和长三角地区，东部远远超过中、西部。东部个别企业工艺水平较为领先，南方企业则占有产品数量和市场的绝对优势。行业内主要技术代表企业的试验样品已达到或超过国际先进水平。一些行业外的大型企业和跨国集团也在密切关注我国木塑产业的动态。 我国的天然木材资源日益减少，木质制品的市场需求量却与日俱增。巨大的市场需求和技术突破必然会不断拓宽木塑材料的市场通道。从市场需求角度分析，木塑最有可能在建筑材料、户外设施、物流运输、交通设施、家具用品等领域开始规模性拓展。结合国外木塑产业发展的经验，我国木塑材料的合理发展方向是： 1) 原料通用化。根据木塑制品的原料分类、使用性能和用途，制订一个通用的木塑原料适用性标准。 2) 装备专业化。尽快改变当前沿用塑料设备进行生产的状况，改进、完善木塑制品的生产装备，使其专业化、系列化、规范化和标准化。 3) 产品高端化。以木塑材料的良好加工性能为依托，生产性能良好、做工精细、形态复杂、表面美观的型材以及成套产品和组合产品。 4) 研发市场化。市场需要性能有特色、价格有优势的产品，应推进科研成果的迅速转化，促进木塑新产品的市场接轨。 5) 使用广泛化。木塑制品在品种、质量上突破后应大面积推广和使用，使之常态化，普遍化，为广大消费者乐意接受。 1.3我国木塑产业发展存在的主要问题 我国木塑产业前景广阔，但目前的投资有过热倾向。受技术、资金、设备和市场推广能力的限制，木塑产业整体发展状况不理想。问题表现为： 1) 产品研发处于起步阶段，研究力量分散、经费不足。大多木塑生产企业工艺技术薄弱，缺乏创新能力，产品种类单一，生产成本高，附加值低。国有研发机构与木塑企业缺乏沟通、协调和合作机制，科研成果难以转化。 2) 企业弱小、分散，市场化程度较低。产业化、规模化的企业数量少，尤其缺乏大型骨干企业，不能形成一定规模的产业集群，无法产生群体拉动和市场推广效应。木塑材料商业化推广严重缺位，信息通道不通畅。 3)产品标准滞后。国内仅有的木塑托盘和地板的标准大多是参照木制托盘和地板的标准制订的，缺乏木塑材料特色。2 木塑复合材料技术研究现状2.1 木塑复合材料的相容性研究随着科学技术和社会的发展，人们对塑料材料性能的要求也越来越高。充分利用植物纤维资源的潜力，发挥它独特的功能和特性，开发其新的应用领域，是当今引人注目的研究热点。然而，植物纤维也有加工温度低、不耐潮湿及与热塑性塑料相容性差等缺点。而其中憎水性的热塑性塑料与亲水性的植物纤维之间的界面相容性差是此复合材料的最大缺点。这种极差的界面相容性导致了纤维在塑料基体中分散不佳、力学性能下降，限制了植物纤维在塑料中的应用。为了改善它们二者之间的界面相容性，发挥各自的优点，增强木塑复合材料的力学性能，扩大其使用范围，长期以来各国学者都在努力寻求新的方法，以使这种复合材料能够满足实际的使用需要，并且取得了一系列阶段性成果。改善木塑复合材料复合界面的相容性的方法主要有物理或化学的方法。物理方法包括表面原纤化及放电处理。在植物纤维的表面改性方面，低温等离子放电、溅射放电、电晕放电等越来越受到人们的广泛关注。低温等离子放电处理主要引起化学修饰、聚合、自由基产生、结晶等变化；溅射放电处理主要引起物理方面的变化，比如表面变得粗糙等以增强界面间的粘结性能。等离子体的作用包括质子的获得以及不稳定基团的生成，从而使醇、醛、酮、羧酸等的官能团发生变化。放电处理可以通过降低纤维/ 聚合物熔体的粘度来改善复合材料的力学性能；电晕放电则是通过改变纤维素分子的表面能来降低复合材料的熔融粘度。化学方法为在与聚合物母体复合之前通过在纤维填料的表面包覆1 层非极性的材料以改善界面的兼容性及纤维在塑料基体中的分散性。化学法一般有接枝共聚法处理、偶联剂处理、对植物纤维浸润处理、碱金属溶液膨胀处理及取代反应和乙酰化处理等数种方法。接枝共聚法是1种常见的改性聚合材料的方法，此方法广泛用于对纤维素填料和其他种类填料的化学性质和极性进行改性；接枝共聚物反应是由纤维素分子的自由基激发的，将纤维素用选好的离子处理并用高能辐射就形成了自由基，然后用一合理的方法处理自由基位置，然后树脂与纤维素以共价键结合，降低了纤维的亲水性，所形成的聚合物表现出2 种材料的性能，因此它可以与树脂基体相容。偶联剂法是通过偶联剂的化学键与植物纤维填料的纤维素分子相连，其有机官能团又能与聚合物连接，通过这2 方面的反应，在复合材料的界面上形成由共价键连接的连续体。浸润处理法是通过对植物纤维填料在与聚合物母体相容的聚合物中进行浸润的方法来改善界面的相容性；纤维填料在液态单体中浸润，然后使单体在有催化剂、加热、热辐射作用的条件下聚合；用交联剂改变单体的填充方法，改变单体的聚合过程等，可以得到一系列不同性能的复合材料。碱金属溶液膨胀处理及取代反应的碱化处理是用碱金属溶液对植物纤维填料进行处理，其效果主要取决于碱金属溶液的类型及溶液的浓度。乙酰化是1个单反应过程，1个乙酰基与1个羟基反应，不发生聚合，这个反应使失去羟基的木质纤维变为憎水性，降低了木质纤维与复合材料的吸湿性和膨胀性，发生酯化作用的同时，又有羧酸生成，因此它会改善与用作处理剂的可溶性酸的相容性。和未经处理的木质纤维相比，它与非极性塑料间的相容性可得到改善。我国木塑复合材料的研究工作虽然起步较国外晚，但却充分吸收了国外的研究成果并进行了大量的工作。尤其是1 9 9 8 年后，由于“天牛虫”事件，加之塑料制品废弃物及木材资源缺口的不断增加，客观上推动了我国木塑复合材料的发展。北京化工大学、林科院、国防科技大学、中国石化北京化工研究院以及东北林业大学等高校和科研单位都进行了有关研究和开发。中国林科院木材工业研究所对木材和苯乙烯（P S ）接枝共聚过程中官能团和表面极性的变化进行了研究，并使用顺丁烯二酸酐和丁二酸酐经过酯化反应来降低表面极性，效果良好。上海交通大学高分子材料研究所用马来酸酐接枝聚丙烯作为偶联剂应用于纸粉或纤维素填充的P P 体系中，并对提高材料相容性的机理进行了分析。2.2 木塑复合材料力学性能的实验研究不同种类的木质纤维由于纤维本身分子结构的不同，其木塑复合体系的力学性能也不同。未经表面处理的木粉含量与复合材料力学性能的关系：当木粉含量小于30%40%的范围内，随着木粉含量的增加，弯曲强度上升拉伸强度冲击强度下降。这是因为木粉的主要成分是纤维素和木质素是属于刚性大分子，木粉含量增加，使得材料的刚性增加，韧性下降，此外它们之间很差的相容性进一步降低了材料的力学性能。处理剂的种类不同对木塑复合材料的力学性能影响也不相同。木塑复合材料将高分子材料和植物纤维的优良性能集于一身，是一种具有优良力学性能的材料。其优良的力学性能包括具有较高的拉伸强度、弯曲模量、压缩强度、冲击强度和韧性以及良好的抗蠕变和抗老化能力等。其差异主要与材料的结构有关。中密度纤维板是将木材纤维化处理后再经高温高压生产出来的，材料的主体是木质纤维或纤维束，而杨木和水曲柳的抗弯性能较高主要与其木材结构和木材细胞壁厚薄有关。我们知道木材的密度与木材强度呈线性关系，而木塑复合材的基材是高密度聚乙烯，木粉只是填充在空隙中起填充作用，在作弯曲试验过程中发现线弹性阶段较小，变形较大，断口平直，为脆性断裂，而木材韧性较大，断口撕裂，故其抗弯性能远低于木材。2.3木塑复合材料的微孔发泡20世纪80年代后，人们把塑料微孔发泡的理论运用到木塑复合材料中来，以期待解决非发泡木塑复合材料低的冲击强度、韧性、疲劳寿命、热稳定性和比重。微孔塑料是1种由许多非常小的气泡核构成的热塑性泡沫物质。密度可降低至不发泡时的5%，气泡孔为闭孔结构。与一般泡沫塑料相比，微孔塑料最显著的特点是气泡尺寸非常小，而且气泡密度非常大。微孔塑料的性能主要取决于密度和气泡直径，于未发泡塑料相比，冲击强度是其23倍，韧度是其5倍，疲劳寿命是其5倍，强度重量比是其35倍，并具有良好的热稳定性较低的介电常数及良好的绝缘性能等。2.4木塑复合材料成型装备的研究现状虽然木塑复合材料有良好的应用前景，但是憎水性的热塑性塑料与亲水性的植物纤维界面之间的相容性差，不易均匀分散，挤出成型困难，制品的物理机械性能差等因素限制了这种材料的推广应用。人们通过各种物理和化学的方法来调整聚合物基体与植物纤维界面的相容性，但是依然不能很好地解决上述问题。于是在混合技术和装备的研究方面，各国争相研发新型高效混炼挤出成型装置来克服木塑复合材料难混合难成型的问题。目前用于木塑复合材料挤出成型的设备主要有单螺杆挤出机、锥形双螺杆挤出机、同向和异向旋转平行双螺杆挤出机。而采用串联式磨盘螺杆挤出机进行一步法木塑复合材料挤出成型研究在国内外都少有报道。2.4.1用于木塑复合材料加工的串联式磨盘挤出机北京化工大学特种挤出中心自行开发研制的串联式磨盘螺杆挤出机将单螺杆挤出机和磨盘挤出机的结构进行了科学组合，它不仅具备了单螺杆挤出机机构简单、挤出压力高、可以承受大扭矩的特点，而且具备磨盘挤出机超强的破碎、分散、剪切、混合和塑化性能优势 。此外，在该机内还设置有特殊结构的排气装置和可以计量控制的强制喂料装置，因此具有高效、多功能的特点。经过多种物料体系共混改性的实验研究表明：串联式磨盘螺杆挤出机具有广泛的工艺适应性，特别适用于高填充或高粘度复合材料的共混改性，其破碎、混合、混炼性能要高于其他传统的混炼装置，具有广泛的应用前景。当加工温度高于2 0 0 时，植物纤维就可能发生降解和裂化，而串联式磨盘螺杆挤出机的磨盘又具有超强的破碎、分散、混炼能力，极易产生过量的剪切热，因此必须对该挤出设备的磨盘进行如下3 个方面的调整，使其适合于对剪切敏感的木塑复合材料的挤出成型加工。 选用沟槽形状简单、沟槽数少的扇形磨盘以减少植物纤维经历的剪切次数；通过特别设计的磨盘间距调节装置，实现对动盘、定盘之间间距的微调以降低磨盘对复合材料的剪切强度；通过在定盘上设置进行液体冷却的通道，对熔体温度进行有效的控制。2.4.2 木塑复合材料专用机头木塑复合材料由于其材料的特殊性，对于机头提出了许多特殊的要求。木塑复合材料在挤出条件下流体被视为固态流体，不能使用ENT典型的压力降和膨胀公式进行计算。因此用于木塑复合机头的设计与传统的机头设计截然不同， 要根据固体流动的流变状况来进行设计。从机头的设计角度，除了保证流道设计的圆滑过渡与合理的流量分配，同时对于建压能力与温度控制精度也要予以重点考虑。北京化工大学特种挤出技术中心在大量实验的基础上，设计开发了木塑复合专用的棒形机头、矩形机头和工字型机头。特别是运用计算机辅助设计技术设计的工字型机头，如图1 1所示，这种机头现已投入工业使用，并取得了良好的效果。三木塑复合材料的发展趋势3.1 木塑发展中的问题 近年来，人们对废旧塑料回收利用的日益重视，同时木材资源的日益匮乏。用木粉或其他天然植物纤维来填充塑料再生料，经专用设备制成的塑木材料及制品，因其兼具塑料和木材的双重特性，近年来崭露头角，并逐渐成为世界各国关注和开发的热点。但在我国，经过几年的开发，塑木材料的生产应用情况并不乐观，一方面研究成果产业化困难，而另一方面塑木材料生产企业销售也不畅。为什么塑木材料这种颇具潜力的新型环保材料会出现这种不利局面呢？ 一方面，塑木材料的加工要比普通塑料制品难度大，要求高。目前国内的技术大多来自于国外技术信息的消化、吸收，虽然取得了一定成绩，但工业化应用还有许多工作要做。而一些生产企业只看到以塑代木的前景，而忽视了其他问题，加工设备、工艺技术等均达不到要求，产品档次上不去；少数企业生产模压压制的木塑包装材料，因木质填量比例小，成本较高，缺乏市场竞争力。因此，随着应用领域的拓展，如何进一步提高塑木材料的性能已成为科研人员开发的重点，塑木材料生产工艺的改进、专用设备的开发及添加剂的选择，也需要进一步加强研究。 另一方面，解决废旧材料的回收问题是实现塑木材料加工技术产业化、规模化的关键。我国回收塑料的处理缺少专业机构，不仅塑料品种不分类，改性料、二次循环甚至多次循环料以及多元组分料更是无法细分，在这种情况下，利用废旧回收塑料加工的产品质量会有较大差异。国内一些企业在加工塑木材料和制品时，往往忽视了这一问题，无论什么回收塑料都用相同的配方和工艺加工，产品质量和稳定性当然无法保证。长此以往，用户也就对塑木制品失去了信心。2 木塑复合材料发展趋势1）向生态环境材料方向发展木材与塑料复合所得的产品要能够作为生态环境材料必须有三大特点：要能满足使用上的性能要求；必须考虑尽可能节约资源和能源，尽可能减少对环境的污染；在研究、设计制备材料及使用废弃材料和生产的各个环节中，材料或产品在整个寿命周期中必须满足对环境的协调性要求。2）向结构和功能复合材料方向发展木塑复合材料兼有木材和塑料的双重性质，加入一定量的功能材料，可使其具有耐磨、阻燃，耐老化性能以及可降解等功能。应使材料从低级到高级、从单功能向多功能的方向发展。通过调节其复合度、选择其连接形式和改变其对称性等因素，以达到功能材料所追求的高价值。在进行功能木质复合材料的研究过程中应考虑各组成的物理及化学性质，以避免各组成之间的冲突。要充分提高其主要力学性能，使其能够作为结构材料使用。3）纳米技术在木塑复合材料中的应用纳米科技是一门多学科交叉、基础研究与应用开发紧密联系的高技术，如：纳米电子学、纳米化学、纳米材料学和纳米机械学等。组成相或晶粒结构控制在100纳米以下长度尺寸的材料称为纳米材料。将纳米科技导入木材科学与技术领域，可把木材科学、木材一无机、有机复合材料学研究水平提升到纳米尺度的研究阶段。木材在变成纳米尺寸后，其材料特异性质、尺寸效应及变化机理，以及木材改性的显微结构关系可能使木材改性出现突破性的进展。木材本身存在着宏观空隙、微观空隙和介质空隙。其中的介质空隙是指三维、两维或一维尺度在纳米量级(1100 nm)的空隙，因此可称为纳米空隙。木材中存在纳米尺度空隙意味着木材本身可以容纳纳米微粒(粉体)、纳米管和纳米棒等，由此可见，木材制造成纳米粉体或是将纳米材料填充到木材的纳米空隙、或是通过纳米材料的加入改善木材与其它材料的性质是完全可能的。4）强化废旧塑料的回收管理大量废旧塑料制品(薄膜、包装袋、快餐盒等)被抛向人类赖以生存的自然环境，而造成“白色污染”，这给回收治理带来难度。因此，进一步提高人们的环境保护意识，制定相应的法规来规范塑料制品市场尤其重要。对于生活垃圾，应逐步实施垃圾袋装化以及垃圾分类的措施。加大执法力度，严格控制“白色污染”的出现，以便于有效地对废塑料制品进行回收利用。5）改善木塑复合界面相容性可利用物理或化学的方法，对木纤维的表面进行预处理，改变木纤维表面的状态，以达到改善表面相容性的目的。木质材料是由纤维素、半纤维素、木素以及抽提物等组成的天然高分子材料，它是一种不均匀的各向异性材料，因此界面特性十分复杂。同时，组成木质材料的纤维素、半纤维素、木素等主要成分中含有大量的极性羟基和酚羟基等官能团，其表面表现出很强的化学极性，因而在木材纤维表面主要是通过对极性官能团进行酯化、醚化、接枝共聚等改性处理，使其生成疏水的非极性化学官能团并具有流动性，使木材纤维表面与塑料表面的溶解度相似，以降低塑料基材与木质材料表面之间的相斥性，达到提高界面粘合性的目的。这可从物理改性与化学改性两个方面着手进一步研究。6) 新材料在木塑复合材料中的应用。随着玻纤材料、空心微珠材料及纳米材料等技术的发展，将其加入到木塑复合材料中来提高木塑复合材料的力学性能是完全可行的。 7）木塑复合材料成型技术和装备的发展方向。近年来木塑复合材料成型技术和装备的研究正在快速地发展。这项技术的发展具有以下6 个特点。（1）提高木塑复合材料表面相容性依然是研究的热点之一；（2）聚合物基体由单组分再生料向多组分再生料方向发展， 使回收的多组分废旧塑料（PE、PP、PVC、ABS 等）原料和经过表面改型的植物纤维进行混合成型，制出木塑复合材料制品；（3）植物纤维份数由低份数（50 份以下）向高份数（1 0 0 份以上）发展，进一步降低材料成本， 增强产品的市场竞争力；（4）木塑复合材料微发泡技术、大型宽幅较厚的板材制品技术等成套设备及制品成型技术的开发，改善木塑制品应用中存在的诸如密度大、尺寸不能满足实际需要等问题，不断扩大木塑制品的应用领域；（5）木塑复合材料填充有植物纤维和其它填料（比如玻璃纤维等），以不断的创新，开拓木塑复合材料的应用领域；（6）设计新型的混炼设备和专用模具，以进一步解决木塑复合材料难混合、难成型等缺点和提高生产效率。8）加工工艺的开发。单一挤出型材向复合共挤、包裹共挤方向发展；引入发泡工艺技术，从高泡向低泡、微发泡方向发展。9）木塑复合材料生产设备系统集成：系统集成是木塑复合材料生产的关键。木塑复合板材兼具木材和塑料的成本和性能优点，并且这种材料有耐腐蚀、不翘曲、维修方便、外观与木材非常相似的优点，因此，把木粉填充混合加工成为建筑和结构用型材已成为目前塑料挤出行业中最为活跃的领域之一，回收废旧塑料、植物秸杆等是对资源的再利用，可以有效地减少木材用量，保护森林。木纤维和植物纤维来源充足，质轻价廉，对设备磨损小，制成品尺寸稳定，电绝缘性好，可反复加工，无毒，且能生物降解，对自然环境不会造成污染。热塑性塑料主要为聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）等聚烯烃，可用新料、回收料或二者的复合材料。利用天然木纤维废料和废旧塑料生产的代木新型材料，与目前市场上流行的含天然木质纤维的复合材料(例如复合地板)相比，不但成本低，且不含甲醛等对人体有害的物质。以木塑复合材料来代替木材，不仅可减少对木材的需求量，节约森林资源，而且缓解了白色污染日益严重的问题。它通过对废弃资源的综合利用，变废为宝，化害为利，具有很高的经济效益和社会效益，符合科学发展观和可持续发展的要求，符合建设节约型社会和发展循环经济的要求，具有广阔的发展前景。