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簡(jiǎn)述木塑復(fù)合材料的研究進(jìn)展和設(shè)備生產(chǎn)工藝

來源：塑膠五金網(wǎng)發(fā)布時(shí)間：2007-12-16 15:26:53點(diǎn)擊率：
   摘要：木塑復(fù)合材料是用途廣泛的新型材料之一，本文介紹了聚合物基木塑復(fù)合材料存在的問題, 配方的確定，成型設(shè)備，成型工藝，應(yīng)用前景等。

    1 前言

    聚合物基木塑復(fù)合材料(wood plasticposites，簡(jiǎn)稱WPC)是指以經(jīng)過預(yù)處理的植物纖維或粉末（如木、竹、花生殼、椰子殼、亞麻、秸稈等）為主要組分(含量通常達(dá)到60%以上)，與高分子樹脂基體復(fù)合而成的一種新型材料。該材料具有植物纖維和高分子材料兩者的諸多優(yōu)點(diǎn)，能替代木材，可有效地緩解我國森林資源貧乏、木材供應(yīng)緊缺的矛盾。其應(yīng)用范圍非常廣泛，主要應(yīng)用在建材、汽車工業(yè)、貨物的包裝運(yùn)輸、倉貯業(yè)、裝飾材料及日常生活用具等方面。由于植物纖維的可再生性、可被環(huán)境消納性，所以WPC是一種 發(fā)展前途的綠色環(huán)保材料，其生產(chǎn)技術(shù)也被認(rèn)為是一項(xiàng)有生命力的創(chuàng)新技術(shù)。因此具有廣闊的市場(chǎng)前景和良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

    2 聚合物基WPC存在的問題

    WPC用途廣泛，價(jià)格便宜，但是要生產(chǎn)出各方面性能優(yōu)異的產(chǎn)品卻不太容易。主要原因是：(1)因含有大量的親水性基團(tuán)——羥基，植物纖維具有很強(qiáng)的極性，而常見樹脂基體通常為非極性、不親水的，故植物纖維和樹脂基體間的相容性很差，界面粘結(jié)強(qiáng)度低，影響了WPC的機(jī)械性能；(2)由于羥基間可形成氫鍵，植物纖維之間有很強(qiáng)的相互作用，使得其在樹脂基體中的分散極差，要達(dá)到均勻分散較為困難；(3)成型加工時(shí)植物填料易降解變色，同時(shí)高分子材料也會(huì)熱降解，不適合的配混和加工工藝會(huì)導(dǎo)致WPC的性能下降。所以生產(chǎn)WPC制品的關(guān)鍵技術(shù)是在保證植物纖維高填充量的前提下，如何確保WPC的高加工流動(dòng)性，樹脂與木粉之間的良好相容性，以達(dá)到 力學(xué)性能， 終用較低的生產(chǎn)成本生產(chǎn)出具有較高使用性能的WPC制品。因此聚合物基WPC的生產(chǎn)需解決以下三個(gè)方面的問題:

    (1) 原料的處理——以提高高分子材料與植物纖維之間的界面相容性為主要目的；

    (2) 配方設(shè)計(jì)；

    (3) 制品的成型設(shè)備及成型工藝——如何通過成型機(jī)械、成型模具的設(shè)計(jì)和設(shè)定合適的工藝條件（成型溫度和壓力），以保持穩(wěn)定加料、進(jìn)行有效脫揮、提高木粉在體系中共混分散、保證產(chǎn)品的性能為主要目的。
    下面將會(huì)就這些問題進(jìn)行具體闡述。

    2.1 改善高分子材料與植物纖維相容性的途徑

    非極性或弱極性的高分子材料與強(qiáng)極性的植物纖維相容性差，因而未經(jīng)預(yù)處理或未加任何添加劑的WPC性能極差。因而，要改善WPC的性能，必須對(duì)兩組分進(jìn)行相應(yīng)的改性，以使得兩者相容。對(duì)于聚合物基WPC，改善相容性主要有下列三種途徑：

    2.1.1 對(duì)木質(zhì)部分進(jìn)行處理

    木質(zhì)的處理主要分化學(xué)和物理兩大類方法：

    化學(xué)方法： (1)表面接枝法：接枝是一種有效的改性方法，可以在復(fù)合前或復(fù)合的同時(shí)對(duì)植物纖維進(jìn)行接枝。如可以用馬來酸酐、異氰酸鹽等接枝植物纖維。

    (2)界面偶合法：用偶聯(lián)劑與植物纖維形成共價(jià)鍵來改變界面粘合性。如采用硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑等[4]處理纖維，改善纖維與樹脂的相容性。偶聯(lián)劑的 用量與偶聯(lián)劑在木粉顆粒表面的覆蓋程度有關(guān)。如果偶聯(lián)劑用量太少，會(huì)因?yàn)樘盍媳砻娴陌蟛煌耆?，難以形成良好的偶聯(lián)分子層，起不到理想的偶聯(lián)和增容作用。用量太多，則偶聯(lián)劑過剩，在木粉表面會(huì)覆蓋過多的偶聯(lián)劑分子，形成多分子層，易造成填料與樹脂之間界面結(jié)構(gòu)的不均勻性，且偶聯(lián)劑中未反應(yīng)的其他基團(tuán)也會(huì)產(chǎn)生不良作用，從而降低復(fù)合材料的力學(xué)性能。

    （3）乙?；幚矸? 植物纖維表面的羥基經(jīng)乙酸酐或烯酮處理后，木材上的極性羥基基團(tuán)被非極性的乙?；〈甚ァＴ诠I(yè)上通常使用乙酸酐、冰乙酸、硫酸的混合液進(jìn)行乙?；幚?。

    （4）低溫等離子處理法：低溫等離子處理主要引起化學(xué)修飾、聚合、自由基產(chǎn)生以及植物纖維的結(jié)晶度等物理變化。

    物理方法：

    (1)物理加工法。通過拉伸、壓延和熱處理等方法對(duì)木纖維或木粉等進(jìn)行預(yù)處理，這種方法不改變其表面的化學(xué)組成，但是可改變纖維的結(jié)構(gòu)與表面性能。

    (2)堿處理法。NaOH等能溶解木質(zhì)中部分果膠、木質(zhì)素和半纖維素等低分子雜質(zhì)，不改變主體纖維素的化學(xué)結(jié)構(gòu)，而使微纖旋轉(zhuǎn)角減小，分子取向提高，從而提高微纖的斷裂強(qiáng)度等。其處理效果主要取決于堿金屬溶液的類型及溶液的濃度。

    (3)酸處理法。用低濃度的酸液處理木質(zhì)部分，主要除去影響材料性能的果膠等雜質(zhì)。

    (4)有機(jī)溶劑處理法。主要用來洗脫木質(zhì)中的蠟質(zhì)，從而提高木質(zhì)部分和聚合物基體間的粘結(jié)性。

    (5)原纖的表面放電處理。主要采用濺射放電、電暈放電等，這種處理主要引起物理方面的變化，可使植物纖維表面變得粗糙等以增強(qiáng)界面間的粘結(jié)性能。
    2.1.2 對(duì)樹脂部分的處理

    通過在基體樹脂上引入極性基團(tuán)改變其極性，常用的方法是用馬來酸酐接枝處理聚合物。如用馬來酸酐對(duì)線型低密度聚乙烯(LLDPE)作改性處理，在自由基存在的條件下用馬來酸酐對(duì)線型低密度聚乙烯進(jìn)行接枝反應(yīng)，將MA上的極性基團(tuán)引入到非極性的聚乙烯分子上，形成LLDPE-MA共聚物。LLDPE改性后，大分子上的羧基極性基團(tuán)與木纖維分子中的羥基，由于極性相近，分子間的作用力增強(qiáng)，使得兩者間的相容性增強(qiáng)，從而提高了WPC的整體性能。

    2.1.3 添加相容劑

    目前這是改善相容性采用 多的一條途徑。添加的相容劑一般是一端含有極性基團(tuán)，另一端含有非極性基團(tuán)的化合物。根據(jù)相似相容的原則：含有極性基團(tuán)的一端和木質(zhì)部分相容，而含有非極性基團(tuán)的一端則和樹脂部分相容，可起到一個(gè)橋梁的作用而將兩者結(jié)合在一起。一般相容性的改善是通過降低兩相間的界面能，促進(jìn)木纖維在樹脂相中的分散，降低木纖維之間的凝聚力，提高聚合物基體的容納能力而實(shí)現(xiàn)的，另外還通過增加高分子鏈與纖維間的機(jī)械纏繞而提高界面的粘結(jié)力，得到優(yōu)良性能的制品。這類物質(zhì)主要有乙烯－丙烯酸酯共聚物(EAA)、馬來酸酐改性聚丙烯(MAPP)、酚醛樹脂等。

    3 材料配方的確定

    3.1 聚合物的選擇

    用于WPC加工中的樹脂可以是熱固性和熱塑性的。熱固性樹脂如環(huán)氧樹脂，酚醛樹脂。熱塑性樹脂如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)及聚氯乙烯(PVC)。但是，由于木纖維熱穩(wěn)定性較差，只有加工溫度在200℃以下的熱塑性樹脂才被作為WPC的基體樹脂而廣泛使用，尤其是聚乙烯。樹脂的選擇主要依據(jù)有：樹脂的固有特性、產(chǎn)品需要、原料易得性、成本及對(duì)其熟知的程度。如：聚丙烯主要用于汽車制品和生活品等，聚氯乙烯主要用于建筑門窗、鋪蓋板等。此外，樹脂的熔體流動(dòng)速率(MFR)對(duì)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MFR較高，木粉的總體浸潤性較好，木粉的分布也越均勻，而木粉的浸潤性和分布影響復(fù)合材料的機(jī)械性能，尤其是沖擊強(qiáng)度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前市場(chǎng)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。

    3.2 添加劑的選擇

    由于植物纖維極性很強(qiáng)，具有較強(qiáng)的吸水性，而熱塑性樹脂多數(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﹣砀淖儤渲椭参锢w維的表面性質(zhì)，以提高植物纖維與樹脂之間的界面親和力。而且，高填充量植物纖維在熔融的熱塑性樹脂中分散效果差，常以聚集狀態(tài)存在，使得熔體流動(dòng)性差，擠出成型加工困難，需加入潤滑劑來改善流動(dòng)性以利于成型加工。同時(shí)，樹脂基體還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。
    3.2.1 界面改性劑

    界面改性劑能使樹脂與植物纖維表面之間產(chǎn)生強(qiáng)的界面結(jié)合，同時(shí)能降低植物纖維的吸水性，提高植物纖維與樹脂的相容性及分散性，所以能明顯提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。常用的界面改性劑主要有：異氰酸鹽、鋁酸酯、鈦酸酯、硅烷偶聯(lián)劑（如γ一氨丙基三甲氧基硅烷）、乙烯－丙烯酸酯共聚物(EAA)、酚醛樹脂、馬來酸酐接枝聚丙烯蠟( Lont AR504)。一般界面改性劑的添加量為植物纖維量的1~8 wt％。需注意的是馬來酸鹽類界面改性劑與硬脂酸鹽潤滑劑會(huì)發(fā)生相斥的反應(yīng)，一起使用時(shí)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的降低。

    3.2.2 潤滑劑

    WPC常常需要加入潤滑劑來降低熔體與加工機(jī)械之間以及熔體內(nèi)部的摩擦與粘附，改善流動(dòng)性，促進(jìn)加工成型，提高制品的表面質(zhì)量。潤滑劑分為外潤滑劑和內(nèi)潤滑劑。外潤滑劑附著在熔體或加工機(jī)械、模具的表面，形成潤滑界面，降低熔體與加工機(jī)械之間的摩擦力。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，削弱分子鏈之間的相互作用力，促進(jìn)分子鏈運(yùn)動(dòng)，降低樹脂內(nèi)分子間的內(nèi)聚能。潤滑劑對(duì)模具、料筒、螺桿的使用壽命，擠出機(jī)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會(huì)產(chǎn)生一定的影響。通常一種潤滑劑往往兼?zhèn)鋬?nèi)、外兩種潤滑性能。常用的潤滑劑有：硬脂酸鋅、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。

    3.2.3 增塑劑

    當(dāng)植物纖維與一些玻璃化溫度和熔融流動(dòng)粘度較高的樹脂進(jìn)行復(fù)合時(shí)，往往加工困難<

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