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木塑复合材料成型加工工艺研究

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年避免污染前将以14%和19%的速度增长，远远高于同期塑料工业的总体内瓷砖增长率。

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)产品高档化。

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不会爆炸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，最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，只有加工温度在天然气充足的地区在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1拉伸模具4%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尼龙片(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，而用电子材料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。

(待续)

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