木塑复合材料的发展趋势与成型方法简介

来源：塑胶五金网发布时间：2007-12-16 15:23:59点击率：

木塑复合材料兼有木材和塑料的双重特性。它有着天然木材的外观，可锯、可钉、可粘结、可上漆。同时，它防虫，防腐，吸水性小，不易变形，不开裂、机械性能好，具有坚硬、强韧、持久、耐磨、尺寸稳定等优点。一般来说，木塑复合材料的硬度较未处理的木材高2～8倍，耐磨性高4～5倍，甚至比大理石还高。而各种添加剂的应用，又赋予它许多特殊的性能，比如向木塑复合材料的原料中加入发泡剂进行发泡挤出，可以降低产品密度，提高其韧性和抗冲击性能。此外，它还是一种环保材料，可回收重复使用，且原料廉价丰富，它在减少环境污染、保护森林资源、促进经济发展方面都有良好的效益，因而它受到了众多研究者关注。20世纪90年代以来，北美、欧洲的许多国家对木塑复合材料已进行了大量的研究，近年来国内对它的研究也日益增多。同时它的生产和应用也得到了迅速增加，北美和欧洲2002年消费的木塑复合材料达到68万t，并预计到2010年前将以14%和19%的速度增长，远远高于同期塑料工业的总体增长率。
1  木塑复合材料的发展趋势与成型方法
根据木塑复合材料的研究与应用的进一步发展，可以预计其加工技术主要有如下发展趋势：(1)原料多样化；(2)木粉填充量超高化；(3)设备工艺专业化；(4)产品化。
目前其工业化生产中所采用的主要成型方法有：挤出成型、注射成型和热压成型。由于挤出成型加工周期短、效率高、成型工艺简单，它在工业化生产中与其它加工方法相比有着更广泛的应用。
木塑复合材料的挤出成型可分为一步法和多步法。一步法是木塑复合材料的配混、脱挥及制品挤出在一个设备或一组设备内连续完成。多步法是木塑复合材料的配混、脱挥和制品挤出在不同设备中完成，可以先将原料配混制成中间木塑粒料，然后再挤出加工成制品。采用一步法时，若脱挥、脱水不佳将使产品因有气泡而力学性能大幅度降低；同时，它要求制品的结构不能太复杂。所以，实际加工过程中一步法常常由于木粉含水量高和制品结构复杂而受到限制。目前国内外工业化生产所采用的主要是多步法。北京化工大学塑机所在这方面已进行了多年研究，并有多条生产线已投入了工业化生产。
2  需解决的关键问题
木塑复合材料加工的关键技术是保证木粉在高填充量的前提下如何确保材料有高的流动性和渗透性，从而能促使塑料熔体能充分地粘接木粉，达到共同复合的力学性能及其他方面的使用性能，终用较低的生产成本生产出具有较高的使用性能的制品。因此在挤出成型过程中需解决以下三个方面的问题：
(1)原材料—如何提高塑料与木粉之间界面的相容性；
(2)制品的成型设备及成型工艺—如何保持稳定加料、进行有效脱挥、提高木粉在体系中共混分散、设定合适的挤出温度及建立足够的成型压力保证产品的性能；
(3)成型模具的设计与冷却定型技术。
3  成型工艺
3.1  材料配方的选择
3.1.1  聚合物的选择
用于木塑复合材料加工中的塑料可以是热固性塑料和热塑性塑料。热固性塑料如环氧树脂。热塑性塑料如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)及聚氧乙烯(PVC)。但是，由于木纤维热稳定较差，只有加工温度在200℃以下的热塑性塑料才被广泛使用，尤其是聚乙烯。塑料聚合物的选择主要依据有：聚合物的固有特性、产品需要、原料可得性、成本及对其熟知的程度。如：聚丙烯主要用于汽车制品和日用生活品等，聚氯乙烯主要用于建筑门窗、铺盖板等。此外，塑料的熔体流动速率(MFI)对复合材料性能也有一定影响，在相同加工工艺条件下，树脂的MFI较高，木粉的总体浸润性较好，木粉的的分布也越均匀，而木粉的浸润性和分布影响复合材料的机械性能，尤其是冲击强度。据统计，目前市场上仍以PE木塑复合材料为主，大约占65%。PVC木塑复合材料占16%左右，PP木塑复合材料占14%左右。
3.1.2  添加剂的选择
由于木粉具有较强的吸水性，且极性很强，而热塑性塑料多数为非极性的，具有疏水性，所以两者之间的相容性较差，界面的粘结力很小，常需使用适当的添加剂来改性聚合物和木粉的表面，以提高木粉与树脂之间的界面亲和能力。而且，高填充量木粉在熔融的热塑性塑料中分散效果差，常以某种聚集状态的形式存在，使得熔体流动性差，挤出成型加工困难，需加入表面处理剂来改善流动性以利于挤出成型。同时，塑料基体也需要加入各种助剂来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间的结合力和复合材料的机械性能。
3.1.2.1  偶联剂
偶联剂能使塑料与木粉表面之间产生强的界面结合；同时能降低木粉的吸水性，提高木粉与塑料的相容性及分散性，所以复合材料的力学性能明显提高。常用的偶联剂主要有：异氰酸盐、过氧化异丙苯、铝酸酯、酞酸酯类、硅烷偶联剂、马来酸酐改性聚丙剂(MAN-g-PP)、乙烯-丙烯酸酯(EAA)。一般偶联剂的添加量为木粉添加量的1wt%～8wt%，如硅烷偶联剂可以提高塑料与木粉的粘结力，改善木粉的分散性，减少吸水性，而用碱性处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与塑料的粘结性。需注意的是马来酸盐偶联剂与硬脂酸盐润滑剂会发生相斥的反应，一起使用时导致产品质量和产量降低。
3.1.2.2  增塑剂
对于一些玻璃化温度和熔融流动粘度较高的树脂如硬度PVC，与木粉进行复合时加工困难，常常需要添加增塑剂来改善其加工性能。增塑剂分子结构中含有极性和非极性两种基因，在高温剪切作用下，它能进入聚合物分子链中，通过极性基因互相吸引形成均匀稳定体系，而它较长的非极性分子的插入减弱了聚合物分子的相互吸引，从而使加工容易进行。在木塑复合材料中常要加入的增塑剂有：邻苯二甲酸二丁酯(DOS)等。如在PVC木粉复合材料中，加入增塑剂DOP可以降低加工温度，减少木粉分解和发烟，改善随着增剂DOP含量的增加，复合材料的拉伸强度下降而断裂伸长率增加。
3.1.2.3  润滑剂
木塑复合材料常常需要加入润滑剂来改善熔体的流动性和挤出制品的表面质量，所使用的润滑剂分为内润滑剂和外润滑剂。内润滑剂的选择与所用的基体树脂有关，它必须与树脂在高温下具有很好的相容性，并产生一定的增塑作用，降低树脂内分子间的内聚能，削弱分子间的相互摩擦，以达到降低树脂熔融粘度、改善熔融流动性的目的。外润滑剂在塑料成型加工中实际上起了树脂与木粉之间界面润滑的作用，其主要功能是促进树脂粒子的滑动。通常一种润滑剂往往兼备内、外两种润滑性能。润滑剂对模具、料筒、螺杆的使用寿命，挤出机的生产能力，生产过程中的能耗，制品表面的光洁度及型材的低温冲击性能都有一定的影响。
常用的润滑剂有：硬胆酸锌、乙撑双脂肪酸酰胺、聚酯蜡、硬脂酸、硬脂酸铅、聚乙烯蜡、石蜡、氧化聚乙烯蜡等。美国Struktol公司介绍了许多新的润滑剂，加用于PVC木粉复合材料的TPW-012、用于聚烯烃木粉复合材料的TPW-101，与传统的硬脂酸锌/乙撑双脂肪酸酰胺润滑剂相比生产率可提高20～25%，TPW-113润滑剂中包含了偶联剂能明显改善加工性能；Honeywell公司的Optipak300兼具润滑剂和偶联剂的双重性能，对于PE、PP木塑复合材料既能改善产品性能又能提高产量。
3.1.2.4  着色剂
在木塑复合材料使用过程中，木粉中的可溶剂物质易迁移到产品表面，使产品脱色，并终变成灰色。不同产品在一定使用环境下，还会产生黑斑或锈斑。所以，着色剂在木塑复合材料生产中也有着较为广泛的应用。它能使制品有均匀稳定的颜色，且脱色慢。美国Americhem公司已经工业化生产了多种着色剂，并不断对其进行着改进。
3.1.2.5  紫外线稳定剂
紫外线稳定剂的应用也随着人们对木塑复合材料质量和耐用性要求的提高得到迅速发展。它能使复合材料中聚合物不发生降解或力学性能下降。常用的有受阻胺类光稳定剂和紫外线吸收剂。
3.1.2.6  防菌剂
为了使复合材料能保持良好的外观和的性能，常常需要加入防菌剂。防菌剂的选择要考虑木粉的种类、添加量、复合材料使用环境中的菌类、产品的含水量等多种因素。如硼酸锌可以防腐但不能防藻类。
3.1.2.7  发泡剂
木塑复合材料具有很多优点，但由于树脂与木粉的复合，使其延展性和耐冲击性降低，材料脆，密度也比传统木制品大近2倍，限制了它的广泛使用。而经发泡后的木塑复合材料由于存在良好的泡孔结构，可钝化裂纹并有效阻止裂纹的扩张，从而显著提高了材料的抗冲击性能和延展性，且大大降低了制品的密度。发泡剂种类很多，常用的化学发泡剂主要有两种：吸热型发泡剂(如碳酸氢钠NaHCO。)和放热型发泡剂(偶氮二甲酰胺AC)，其热分解行为不同，对聚合物熔体的粘弹性和发泡形态有着不同的影响。要根据制品的使用要求选择适当的发泡剂。如，选择AC为PVC/木粉发泡用的发泡剂，使用比例为0.5wt%-1wt%。Reedy Intermational新生产了专门用于木塑复合牌号为SAFETC TFPE-504发泡剂，它气体产生率高，用量少，降低了生产成本。
3.2  工艺参数的设置
3.2.1  螺杆转速
从固体输送理论公式和粘性流体输送理论公式中，可知转速与生产能力成正比。因此，提高转速可以有效地增加生产能力，但木塑复合材料挤出加工过程中螺杆转速的增加受到许多限制。比如对于PVC木粉复合材料，PVC和木粉都是热敏性的，过高的螺杆转速会导致物料的降解和糊化。同时，螺杆转速还影响着物料的停留时间和挤出压力。只有在满足物料的挤出温度、剪切强度、混合质量及挤出机功率限制的前提下，才能大限度地提高转速以提高生产率。
3.2.2  挤出机温度和压力
木塑复合材料挤出加工过程中，挤出机的温度和压力控制也十分重要。若挤出温度过高，物料易降解，同时过高的温度使熔体的粘度较低，挤出压力不足，造成制品表面粗糙，强度差，影响挤出质量。而温度过低使得塑料

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