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木塑復(fù)合材料的發(fā)展趨勢與成型方法簡介

來源：塑膠五金網(wǎng)發(fā)布時間：2007-12-16 15:23:59點擊率：

  • 木塑復(fù)合材料兼有木材和塑料的雙重特性。它有著天然木材的外觀，可鋸、可釘、可粘結(jié)、可上漆。同時，它防蟲，防腐，吸水性小，不易變形，不開裂、機械性能好，具有堅硬、強韌、持久、耐磨、尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點。一般來說，木塑復(fù)合材料的硬度較未處理的木材高2～8倍，耐磨性高4～5倍，甚至比大理石還高。而各種添加劑的應(yīng)用，又賦予它許多特殊的性能，比如向木塑復(fù)合材料的原料中加入發(fā)泡劑進行發(fā)泡擠出，可以降低產(chǎn)品密度，提高其韌性和抗沖擊性能。此外，它還是一種環(huán)保材料，可回收重復(fù)使用，且原料廉價豐富，它在減少環(huán)境污染、保護森林資源、促進經(jīng)濟發(fā)展方面都有良好的效益，因而它受到了眾多研究者關(guān)注。20世紀(jì)90年代以來，北美、歐洲的許多國家對木塑復(fù)合材料已進行了大量的研究，近年來國內(nèi)對它的研究也日益增多。同時它的生產(chǎn)和應(yīng)用也得到了迅速增加，北美和歐洲2002年消費的木塑復(fù)合材料達(dá)到68萬t，并預(yù)計到2010年前將以14%和19%的速度增長，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同期塑料工業(yè)的總體增長率。
    1  木塑復(fù)合材料的發(fā)展趨勢與成型方法
    根據(jù)木塑復(fù)合材料的研究與應(yīng)用的進一步發(fā)展，可以預(yù)計其加工技術(shù)主要有如下發(fā)展趨勢：(1)原料多樣化；(2)木粉填充量超高化；(3)設(shè)備工藝專業(yè)化；(4)產(chǎn)品 化。
    目前其工業(yè)化生產(chǎn)中所采用的主要成型方法有：擠出成型、注射成型和熱壓成型。由于擠出成型加工周期短、效率高、成型工藝簡單，它在工業(yè)化生產(chǎn)中與其它加工方法相比有著更廣泛的應(yīng)用。
    木塑復(fù)合材料的擠出成型可分為一步法和多步法。一步法是木塑復(fù)合材料的配混、脫揮及制品擠出在一個設(shè)備或一組設(shè)備內(nèi)連續(xù)完成。多步法是木塑復(fù)合材料的配混、脫揮和制品擠出在不同設(shè)備中完成，可以先將原料配混制成中間木塑粒料，然后再擠出加工成制品。采用一步法時，若脫揮、脫水不佳將使產(chǎn)品因有氣泡而力學(xué)性能大幅度降低；同時，它要求制品的結(jié)構(gòu)不能太復(fù)雜。所以，實際加工過程中一步法常常由于木粉含水量高和制品結(jié)構(gòu)復(fù)雜而受到限制。目前國內(nèi)外工業(yè)化生產(chǎn)所采用的主要是多步法。北京化工大學(xué)塑機所在這方面已進行了多年研究，并有多條生產(chǎn)線已投入了工業(yè)化生產(chǎn)。
    2  需解決的關(guān)鍵問題
    木塑復(fù)合材料加工的關(guān)鍵技術(shù)是保證木粉在高填充量的前提下如何確保材料有高的流動性和滲透性，從而能促使塑料熔體能充分地粘接木粉，達(dá)到共同復(fù)合的力學(xué)性能及其他方面的使用性能， 終用較低的生產(chǎn)成本生產(chǎn)出具有較高的使用性能的制品。因此在擠出成型過程中需解決以下三個方面的問題：
    (1)原材料—如何提高塑料與木粉之間界面的相容性；
    (2)制品的成型設(shè)備及成型工藝—如何保持穩(wěn)定加料、進行有效脫揮、提高木粉在體系中共混分散、設(shè)定合適的擠出溫度及建立足夠的成型壓力保證產(chǎn)品的性能；
    (3)成型模具的設(shè)計與冷卻定型技術(shù)。
    3  成型工藝
    3.1  材料配方的選擇
    3.1.1  聚合物的選擇
    用于木塑復(fù)合材料加工中的塑料可以是熱固性塑料和熱塑性塑料。熱固性塑料如環(huán)氧樹脂。熱塑性塑料如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)及聚氧乙烯(PVC)。但是，由于木纖維熱穩(wěn)定較差，只有加工溫度在200℃以下的熱塑性塑料才被廣泛使用，尤其是聚乙烯。塑料聚合物的選擇主要依據(jù)有：聚合物的固有特性、產(chǎn)品需要、原料可得性、成本及對其熟知的程度。如：聚丙烯主要用于汽車制品和日用生活品等，聚氯乙烯 主要用于建筑門窗、鋪蓋板等。此外，塑料的熔體流動速率(MFI)對復(fù)合材料性能也有一定影響，在相同加工工藝條件下，樹脂的MFI較高，木粉的總體浸潤性較好，木粉的的分布也越均勻，而木粉的浸潤性和分布影響復(fù)合材料的機械性能，尤其是沖擊強度。據(jù)統(tǒng)計，目前市場上仍以PE木塑復(fù)合材料為主，大約占65%。PVC木塑復(fù)合材料占16%左右，PP木塑復(fù)合材料占14%左右。
    3.1.2  添加劑的選擇
    由于木粉具有較強的吸水性，且極性很強，而熱塑性塑料多數(shù)為非極性的，具有疏水性，所以兩者之間的相容性較差，界面的粘結(jié)力很小，常需使用適當(dāng)?shù)奶砑觿﹣砀男跃酆衔锖湍痉鄣谋砻?，以提高木粉與樹脂之間的界面親和能力。而且，高填充量木粉在熔融的熱塑性塑料中分散效果差，常以某種聚集狀態(tài)的形式存在，使得熔體流動性差，擠出成型加工困難，需加入表面處理劑來改善流動性以利于擠出成型。同時，塑料基體也需要加入各種助劑來改善其加工性能及其成品的使用性能，提高木粉和聚合物之間的結(jié)合力和復(fù)合材料的機械性能。
    3.1.2.1  偶聯(lián)劑
    偶聯(lián)劑能使塑料與木粉表面之間產(chǎn)生強的界面結(jié)合；同時能降低木粉的吸水性，提高木粉與塑料的相容性及分散性，所以復(fù)合材料的力學(xué)性能明顯提高。常用的偶聯(lián)劑主要有：異氰酸鹽、過氧化異丙苯、鋁酸酯、酞酸酯類、硅烷偶聯(lián)劑、馬來酸酐改性聚丙劑(MAN-g-PP)、乙烯-丙烯酸酯(EAA)。一般偶聯(lián)劑的添加量為木粉添加量的1wt%～8wt%，如硅烷偶聯(lián)劑可以提高塑料與木粉的粘結(jié)力，改善木粉的分散性，減少吸水性，而用堿性處理木粉只能改善木粉的分散性，不能改善木粉的吸水性及其與塑料的粘結(jié)性。需注意的是馬來酸鹽偶聯(lián)劑與硬脂酸鹽潤滑劑會發(fā)生相斥的反應(yīng)，一起使用時導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量降低。
    3.1.2.2  增塑劑
    對于一些玻璃化溫度和熔融流動粘度較高的樹脂如硬度PVC，與木粉進行復(fù)合時加工困難，常常需要添加增塑劑來改善其加工性能。增塑劑分子結(jié)構(gòu)中含有極性和非極性兩種基因，在高溫剪切作用下，它能進入聚合物分子鏈中，通過極性基因互相吸引形成均勻穩(wěn)定體系，而它較長的非極性分子的插入減弱了聚合物分子的相互吸引，從而使加工容易進行。在木塑復(fù)合材料中常要加入的增塑劑有：鄰苯二甲酸二丁酯(DOS)等。如在PVC木粉復(fù)合材料中，加入增塑劑DOP可以降低加工溫度，減少木粉分解和發(fā)煙，改善隨著增劑DOP含量的增加，復(fù)合材料的拉伸強度下降而斷裂伸長率增加。
    3.1.2.3  潤滑劑
    木塑復(fù)合材料常常需要加入潤滑劑來改善熔體的流動性和擠出制品的表面質(zhì)量，所使用的潤滑劑分為內(nèi)潤滑劑和外潤滑劑。內(nèi)潤滑劑的選擇與所用的基體樹脂有關(guān)，它必須與樹脂在高溫下具有很好的相容性，并產(chǎn)生一定的增塑作用，降低樹脂內(nèi)分子間的內(nèi)聚能，削弱分子間的相互摩擦，以達(dá)到降低樹脂熔融粘度、改善熔融流動性的目的。外潤滑劑在塑料成型加工中實際上起了樹脂與木粉之間界面潤滑的作用，其主要功能是促進樹脂粒子的滑動。通常一種潤滑劑往往兼?zhèn)鋬?nèi)、外兩種潤滑性能。潤滑劑對模具、料筒、螺桿的使用壽命，擠出機的生產(chǎn)能力，生產(chǎn)過程中的能耗，制品表面的光潔度及型材的低溫沖擊性能都有一定的影響。
    常用的潤滑劑有：硬膽酸鋅、乙撐雙脂肪酸酰胺、聚酯蠟、硬脂酸、硬脂酸鉛、聚乙烯蠟、石蠟、氧化聚乙烯蠟等。美國Struktol公司介紹了許多新的潤滑劑，加用于PVC木粉復(fù)合材料的TPW-012、用于聚烯烴木粉復(fù)合材料的TPW-101，與傳統(tǒng)的硬脂酸鋅/乙撐雙脂肪酸酰胺潤滑劑相比生產(chǎn)率可提高20～25%，TPW-113潤滑劑中包含了偶聯(lián)劑能明顯改善加工性能；Honeywell公司的Optipak300兼具潤滑劑和偶聯(lián)劑的雙重性能，對于PE、PP木塑復(fù)合材料既能改善產(chǎn)品性能又能提高產(chǎn)量。
    3.1.2.4  著色劑
    在木塑復(fù)合材料使用過程中，木粉中的可溶劑物質(zhì)易遷移到產(chǎn)品表面，使產(chǎn)品脫色，并 終變成灰色。不同產(chǎn)品在一定使用環(huán)境下，還會產(chǎn)生黑斑或銹斑。所以，著色劑在木塑復(fù)合材料生產(chǎn)中也有著較為廣泛的應(yīng)用。它能使制品有均勻穩(wěn)定的顏色，且脫色慢。美國Americhem公司已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)了多種著色劑，并不斷對其進行著改進。
    3.1.2.5  紫外線穩(wěn)定劑
    紫外線穩(wěn)定劑的應(yīng)用也隨著人們對木塑復(fù)合材料質(zhì)量和耐用性要求的提高得到迅速發(fā)展。它能使復(fù)合材料中聚合物不發(fā)生降解或力學(xué)性能下降。常用的有受阻胺類光穩(wěn)定劑和紫外線吸收劑。
    3.1.2.6  防菌劑
    為了使復(fù)合材料能保持良好的外觀和 的性能，常常需要加入防菌劑。防菌劑的選擇要考慮木粉的種類、添加量、復(fù)合材料使用環(huán)境中的菌類、產(chǎn)品的含水量等多種因素。如硼酸鋅可以防腐但不能防藻類。
    3.1.2.7  發(fā)泡劑
    木塑復(fù)合材料具有很多優(yōu)點，但由于樹脂與木粉的復(fù)合，使其延展性和耐沖擊性降低，材料脆，密度也比傳統(tǒng)木制品大近2倍，限制了它的廣泛使用。而經(jīng)發(fā)泡后的木塑復(fù)合材料由于存在良好的泡孔結(jié)構(gòu)，可鈍化裂紋 并有效阻止裂紋的擴張，從而顯著提高了材料的抗沖擊性能和延展性，且大大降低了制品的密度。發(fā)泡劑種類很多，常用的化學(xué)發(fā)泡劑主要有兩種：吸熱型發(fā)泡劑(如碳酸氫鈉NaHCO。)和放熱型發(fā)泡劑(偶氮二甲酰胺AC)，其熱分解行為不同，對聚合物熔體的粘彈性和發(fā)泡形態(tài)有著不同的影響。要根據(jù)制品的使用要求選擇適當(dāng)?shù)陌l(fā)泡劑。如，選擇AC為PVC/木粉發(fā)泡用的發(fā)泡劑，使用比例為0.5wt%-1wt%。Reedy Intermational新生產(chǎn)了專門用于木塑復(fù)合牌號為SAFETC TFPE-504發(fā)泡劑，它氣體產(chǎn)生率高，用量少，降低了生產(chǎn)成本。
    3.2  工藝參數(shù)的設(shè)置
    3.2.1  螺桿轉(zhuǎn)速
    從固體輸送理論公式和粘性流體輸送理論公式中，可知轉(zhuǎn)速與生產(chǎn)能力成正比。因此，提高轉(zhuǎn)速可以有效地增加生產(chǎn)能力，但木塑復(fù)合材料擠出加工過程中螺桿轉(zhuǎn)速的增加受到許多限制。比如對于PVC木粉復(fù)合材料，PVC和木粉都是熱敏性的，過高的螺桿轉(zhuǎn)速 會導(dǎo)致物料的降解和糊化。同時，螺桿轉(zhuǎn)速還影響著物料的停留時間和擠出壓力。只有在滿足物料的擠出溫度、剪切強度、混合質(zhì)量及擠出機功率限制的前提下，才能 大限度地提高轉(zhuǎn)速以提高生產(chǎn)率。
    3.2.2  擠出機溫度和壓力
    木塑復(fù)合材料擠出加工過程中，擠出機的溫度和壓力控制也十分重要。若擠出溫度過高，物料易降解，同時過高的溫度使熔體的粘度較低，擠出壓力不足，造成制品表面粗糙，強度差，影響擠出質(zhì)量。而溫度過低使得塑料
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