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1、1本科毕业论文(设计)题 目：浅论木塑复合材料的组成及其性能学 院： 应用技术学院 专 业： 高分子材料与工程 姓 名： 张翠美 指导教师： 孙桂滨 2012 年 5 月 8 日2浅论木塑复合材料的组成及其性能张翠美(青岛大学 应用技术学院 山东 青岛)摘要：综述了近年来国内外 PVC、PP、PE 基木塑复合材料的配合技术的研究进展。对包括基体塑料的组成，木质材料的品种、用量，添加剂等影响木塑复合材料的性能的主 要因素进行了分析。关键词： 木塑复合材料 影响因素 力学性能 Abstract: Reviewed the recent domestic and foreign PVC, PP, P
2、E composite with technology research progress. Included on the plastic matrix composition, wood material, dosage, additive effect of wood-plastic composite material performance and analyses the main factors.Key words： Wood-plastic composite material Influence factors Mechanical properties3目录本科毕业论文(设
3、计).1 1 前言.4 1.1 木塑复合材料的特点.5 1.2 木塑复合材料的组成5 1.3 木塑复合材料的应用6 1.4 木塑复合材料研究的当前问题及改善方法7 1.5 木塑复合材料在国内外的发展现状和发展趋势8 2 不同树脂基木塑复合材料的性能对比10 2.1 HDPE 基 wpc 的性能.10 2.2 PP 基 wpc 的性能.11 2.3 PVC 基 wpc 的性能.12 2.4 总结13 3 木质材料对木塑复合材料性能的影响.14 3. 1 木粉来源的影响14 3.2 木粉粒径的影响16 3.3 木粉用量的影响16 3.4 木粉碱化处理的影响18 3.5 总结20 4 偶联剂对木塑复
4、合材料界面相容性的影响.21 4.1 硅烷偶联剂用量的影响.21 4.2 钛酸酯及铝酸酯偶联剂用量的影响.22 5 相容剂品种对木塑复合材料性能的影响.22 5.1 POE-g-MAH 对材料力学性能的影响.23 5.2 POE-g-MAH 用量对木塑复合材料力学性能的影响24 6 总结.25 参考文献.26 谢词.27 附录.2841 前言 木材是一种可以循环使用的材料,而且,适用范围比较广泛,因此,得到人们所广泛应用。木材的性能优异、加工耗能低及污染环境小 ,因此被人们称为是绿色环保材料，但也存在很多不足和缺点，像易腐朽、易变形和易虫蛀等。塑料材料在人们日常生活中成了一种不可缺少的材料 ,
5、因为存在许多缺陷易于变形、较低的热稳定性等的缺点，所以在生产生活中的应用受到了限制。木塑复合材料具有硬度大、强度高、尺寸稳定性好、耐磨、美观等优点1,将木粉与常用或再生塑料复合形成新一种性能比较优异的新型材料，这样不仅可以很好地解决一种材料在性能方面的一些缺陷 ,而且这种复合材料也得到广泛应用，主要用在建筑、工程领域。对于废弃塑料的回收和长期使用问题的解决也是一种十分有效的措施。这种木塑复合材料的主要材料是木粉和木材，其在一定条件下经过处理后使其与热塑性塑料混合，通过不同的加工工艺生成的材料，具有高性能和高附加值的绿色环保的材料。这种复合材料缓解了当今所面临的一个困难的问题：木材资源短缺和塑料
6、废弃物回收利用减少对环境的污染。许多木塑产品可以广泛的应用在建筑、汽车、管材、地板、家电室内装饰和运输等多个领域。在过去的几十年间木塑复合材料技术已经得到了开发和利用, 但是一直没有引起人们的重视，所以在应用情况上其效益和规模并没有达到人们预想的效果。 随着木塑复合材料新产品的不断问世，人们在加工技术方面得到了很大的提高, 从而对木塑复合材料的生产开发的重视度逐渐提高。木塑复合材料的加工过程:就是将木材经过加工后所剩废弃的木粉和适当的聚合物以一定的比例通过高速混合机，混合在一起然后经过造粒、注射而成的材料。如废弃的木屑, 聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯或经回收而得的再生料,加入各种添加剂如润滑剂、相
7、容剂、增塑剂、着色剂、粘结剂等。目前人们对生态问题和资源危机越来越重视，因此，人们在木塑复合材料的研究方面也掀起了一阵新的热潮，在不断出现的新型材料中木塑复合材料的应用前景最好。木塑复合材料出现后, 自然资源得到了充分的利用,减少了由于废旧塑料和废旧家具及废旧木产品引起的环境污染问题2。目前国家所生产的木塑复合材料的年增长率为26%。虽然我国在这方面起步比较晚，但发展速度非常快，工业化生产的PE基木塑复合材料和PP基木塑复合材料的生产加工技术也逐渐的走向成熟。51.1 木塑复合材料的特点1）易于加工。在木塑复合材料中含有聚酯键，其加工性能比较好，跟木材相似，因此使用木材加工时所用的工具，就可以
8、制得所需的形状。2）耐候性好、力学性能好。木塑复合材料的硬度比较高，材料中含有木粉的木质纤维，因此其力学性能比较好，在室外使用时,耐候性比普通木质材料好。3）耐水、耐腐蚀性。木塑复合材料抗强酸、强碱性好，耐水、耐腐蚀性好。4）调整性好。通过加入不同的助剂，使得木塑复合材料的强度、密度、外观等性能发生改变，有抗老化，阻燃等特殊性能。5）原料的来源非常广泛。木塑复合材料除了使用一定量的添加剂外，大部分的原料均为比较容易获得的聚酯和木质纤维。6)通常可以在比较低的温度下使用；不腐烂、不翘曲或开裂等。1.2 木塑复合材料的组成 原料：在木塑复合材料加工中的使用的树脂主要包括热固性塑料和热塑性塑料。其中
9、热固性树脂主要有环氧树脂、酚醛树脂等。而热塑性树脂主要包括 PVC、PP 及 PE 等。但是因为木质纤维的稳定性比较差，加工温度在 200以下的热塑性树脂才能被用作木塑复合材料的基体树脂广泛使用，尤其是聚乙烯3。树脂选择的依据是：树脂所具有的固有特性、产品规定、原料的来源及对其熟知的程度。如聚丙烯主要应用于生活用品和汽车制品等。据统计表明，目前，市场上主要以聚乙烯木塑复合材料为主，占 64%左右，而聚氯乙烯木塑复合材料大约占 17%4，聚丙烯木塑复合材料大约占 13%。添加剂：为了减少生产中我们遇到的困难，并且能够得到性能比较良好的木塑复合材料，一般在加工的过程中我们要加入一些需要的添加剂3，
10、目的是用来提高制品的力学性能。添加剂主要包括增塑剂、润滑剂、着色剂、分散剂、发泡剂、相容剂、光稳定6剂、阻燃剂等5。为了提高木塑材料填充相与基体相间的相容性、提高填充相的分散性需要添加一些助剂，一般需要加入偶联剂、相容剂和抗冲击改性剂等助剂6。 1.3 木塑复合材料的应用1) 托盘、包装制品木塑复合材料主要用于包装行业像是托盘、包装箱等，据日本统计，每年大约有8100万个托盘在日本使用7。这些年来，亚洲托盘的使用量大约有4亿个，但进口货物所使用的木质包装要经过高温消毒处理。木塑复合材料的产品在亚洲市场也将得到广泛的使用。2) 仓储制品耐腐、耐潮、防虫蛀是木塑复合材料的特点，所以在仓储行业得到很
11、好的应用于像木板、地板等8。虽然木塑材料在我国起步比较晚，但是在2002年，木塑材料在军事领域中的应用已经超过20万立方米，在制药业方面也得到了广泛的应用，仓储铺板的应用已超过8万多平方米。3) 室外栈道、座椅等城建用品木塑复合材料已经制成了具有防潮性、防腐蚀的座椅、花盆等制品，其寿命长，价格低廉，在北美很普遍，在我国，WPC取代木材的趋势也慢慢增加。4) 房屋、建筑模板等建材用品近年来，使用WPC制作的房屋、阳光房等产品正在不断的增加，每年产值高达上亿美元。各种板材、门框、栅栏、围墙等建材用品的市场是增长的比较快的。5) 汽车内装饰、管材等产品由于WPC的技术水平不断提高，产品的应用领域也不
12、断扩大，汽车内装饰、复合管材等产品研发已从论证阶段进入到应用测试阶段9，木塑复合材料在汽车上的应用如美国“福特”、德国“奔驰”、“奥迪”等名牌轿车的内装饰基材。近几年推出的轿车零部件，主要是采用木塑复合材料制造的，其已成为此类产品发展的趋势。1.4 木塑复合材料研究的当前问题及改善方法木塑复合材料的应用广泛，使用寿命长，价格低廉，并且对环境的污染小，因此越来越受到人们的重视，但是目前对木塑复合材料的研究正处在发展阶段，所以想要生产出在各方面性能都十分优异的产品仍然需要解决很多问题。其中最主要原因有：7(1)木粉中含有大量的亲水性基团(羟基基团),它的极性很强, 但是常见的树脂通常为非极性、不亲
13、水的材料，因此,植物纤维和树脂基体之间的相容性很差, 界面粘结性低, 从而影响了 WPC 的力学性能。(2)因为羟基间能够形成氢键, 使得植物纤维之间有很强的相互作用, 使得其在树脂基体中的分散性极差, 想要达到均匀分散较为困难10。(3)成型加工过程中植物填料比较容易降解,温度升高时, 树脂基体也会发生热降解, 在材料的混合和加工过程中如果加工的条件不适宜将会导致 WPC 的力学性能和使用性能下降。所以生产 WPC 制品的关键问题是在树脂材料中植物纤维的填充量很高时,怎样使得WPC 具有高的加工流动性,并且在树脂与木粉之间保持良好的相容性, 从而达到很好的力学性能, 最终使生产成本在最低的情
14、况下生产出的具有较高使用性能的产品10。木质材料是天然高分子材料,它是由纤维素、木素以及各种抽提物组成, 由于木质材料是一种性能不均匀的材料, 因此界面的特性很复杂。因为木质材料是由含有大量的极性羟基和酚羟基官能团的成分组成，所以木质材料的表面化学极性非常强。在生产木塑材料时，提高极性木质表面与非极性塑料界面间的相容性为急需解决的问题，只有这样才能将木质材料与塑料表面层之间相互融合11。把两种性质不同的材料复合在一起，这种新型材料的性能要优于未复合前的材料。前人在这方面进行了许多的研究。改进两种不相容材料的界面相容性能可以采用两种途径来实现:一种是通过加入相容剂来改善两种互不相容聚合物之间的相
15、容性。这种方法主要是根据相容剂中的亲水结构与其中的另一种亲水结构相容, 另外使相容剂中的亲油基团与其亲油的部分相容, 从而使得两种聚合物之间的界面结合力增强,达到二者相容目的。这种方法同样可以用在高分子材料的填充体系中, 用来改善木材填充物和高分子材料之间的相容性。虽然用这种方法不能完全使两种不相容的材料相容, 但它却可以降低界面之间的结合力,使木粉与高分子材料之间的界面之间的结合力达到很好效果12。另一种减小木塑复合材料两相界面的界面结合力的方法是对木材或是大分子材料表面进行一定的处理, 使得两种材料得表面极性和溶解度相近, 在复合过程中实现两界面间实现分子间的融合，通过把极性官能团酯化、醚
16、化和接枝共聚来进行改性，生成疏水的非极性化学官能团，使木粉表面和塑料表面的溶解度相近，以降低塑料基材和木质材料表面间的相斥力5，提高界面的粘合性。实验中常用乙酰化处理使木材酯化，加入的已酰酐或烯酮会使木材表面的极性羟基被非极性的已酰基取代产物为酯。乙酸酐冰乙酸硫酸是工业中常用的混合液，可以用于甲基醚和羟乙基醚混合液对木材进行醚化处理。在木材的表面生成甲基醚，实验室常用8甲基氯跟碱化处理后的木粉反应。木材在碱性条件下与环乙烷反应可得到羟乙基醚。对木材进行接枝处理的研究方法是, 将经过碱预处理的木材用丙烯溴在50 65条件下处理0. 5 2.5 小时,使木材表面丙烯基化。用这种方法进行的木材表面接枝反应, 根据红外光谱测定表明, 木材表面的羟基官能团被丙烯基官能团以醚键方式取代,这种醚化反应不仅能在木材中的纤维素上进行, 而且也能够在木素上进行, 这必然在木材表
