木塑复合材料的分类及改性

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1、木塑复合材料的分类及改性木塑复合材料(Wood-plastic composites，简称WPC )是采用木材加工剩余 物、森林抚育剩余物、废旧木材、农作物秸秆等木质纤维材料和废旧热塑性塑料 为主要原料，通过挤出、压制等成型方式形成的复合材料1。木塑复合材料既具 有木质纤维材料的高强度和高弹性，又具有塑料的高韧性和耐疲劳等优点，是一 种既似木材又优于木材的新型代木材料2】。2010年中国国内木材需求总量约为3.6亿m3，供需缺口达到1.2亿m3。随 着需求的增加，供需缺口逐年增大，预计2015年达1.5亿m3，2020年达2亿 m3，到2050年接近6亿m33。木材资源供应愈发严重不足的形势将

2、在一定程度 上影响我国整个国民经济的发展。速生丰产木材因其生长周期短、成材率高、经 济效益好等显著特点而受到越来越多厂商和研究者的青睐。我国人工速生林主要 品种有杨木、柳木、桦木、泡桐和桉木等。然而，速生木材与天然针叶木、阔叶 木相比，存在着材质差、纤维短、易变形、易腐朽虫蛀等缺点，无法满足高档次 木材加工业的要求，缺乏应用价值与经济价值。因此，研究者以基于物理、化学 原理的新技术对速生木材进行改性，使其性能得到大幅度提升甚至达到优质天然 木材的性能囹，早在20世纪30年代，改性后的压缩木就曾用于欧美军用飞机 以防雷达探测，目前速生木材改性技术是世界发达国家重点研究的技术领域之一。 木塑复合材

3、料(WPC)就是木材改性的一种。木屑是木塑复合材料的主要原料之一。目前纳入国家和地方生产计划的林区 和大中城市制材加工厂，每年要产生大约250万吨木屑，其中只有一小部分得 到利用，大部分被丢弃，造成一定程度的环境污染和原料浪费。废旧塑料是木塑 复合材料的另一主要原料，据我国轻工部门统计，2000年全国塑料制品总产量约800万吨。随着我国塑料工业的不断发展，废旧塑料制品将愈来愈多。研究和开发木塑复合材料的生产和应用，不仅可为国民经济建设增添一种价 廉而又具广阔应用前景的新材料，而且能为提高木材的综合利用率和治理废旧塑 料制品的污染开避一条新的途径。这种新型复合材料在上世纪八十年代初国外已 有研究

4、成果和实际应用，我国开展该项研究则稍迟。自1984年开始立项研究， 成果于1987年通过正式技术鉴定，目前已正式推广在生产部门应用，形成批量 产品。WPC兼有木材和塑料的特点，其硬度、耐磨强度、顺纹抗压强度、横纹抗 压强度、尺寸稳定性等各项性能均较未处理木材有显著提升，同时，WPC的吸 湿膨胀性、热导率、阻燃性、耐腐蚀性和抗生物性能也得到改善。WPC因其不 改变木材固有优良性能，并能克服速生木材材质差、易变形、易变色、易生物降 解等缺点，使木材的使用性能得到大幅度提高，并因具有新的木材功能，可满足 木材市场的更多需求5，越来越引起木材厂商的青睐及研究者的重视。此外， WPC制造过程中，还可通过

5、添加色料、防腐剂、阻燃剂、抗静电剂等获得各种 附加功能的改性木材，从而为木材的增值利用拓展出新的途径6。如具有抗菌作 用的WPC，可用于医院、诊所、候诊室和厕所等，以避免这些场所细菌传染的 危险7。WPC的研究随着其广泛的应用得以快速的发展。根据塑料树脂的品种不同,木塑复合材料可分为以下几大类：1.1聚乙烯基木塑复合材料Norma E. Mareovich研究了在挤出机中有过氧化物存在的条件下，在 LLDPE上接枝马来酸酐，和未处理的木粉复合,制得复合材料。结果表明：改性 LLDPE的结晶度下降，但随着木粉的加入结晶度又上升，复合材料的拉伸强度、延展性和耐蠕变性都因为接枝马来酸醉而提高。Sun

6、-M.Lai9研究了各种类型相容剂对HDPE/木粉复合材料的力学性能的影 响。相容剂包括：PP-g-MAH，LLDPE-g-MAH，HDPE-g-MAH，SEBS-g-MAH。 R. G. RajU。以0-40%(wt)木粉增强HDPE，研究了硬脂酸、矿物油、聚乙烯蜡的 马来酸醉接枝物和硅酸钠对复合材料拉伸强度和冲击强度的影响。浙江大学的方 征平11讨论了乙烯-丙烯酸共聚物(EAA)对线性低密度聚乙烯(LLDPE)/木粉复合 材料力学性能的影响，发现EAA对该体系有良好的增容作用，能明显提高材料 的拉伸强度和冲击强度。北京化工大学的朱晓群12 用木粉与高密度聚乙烯(HDPE) 复合制备了能代替

7、木材的复合材料。考察了木粉含量、粒度、界面相容剂用量对 复合材料力学性能、流动性的影响。1.2聚丙烯基木塑复合材料近年来，世界各国广泛开发改性PP以替代工程塑料。已有不少文献报道了 无机填料如滑石粉、硅灰石、碳酸钙填充改性PP的研究。结果表明：无机填料 填充改性PP可提高其拉伸强度和弯曲强度,但其脆性增大，韧性下降，表现为断裂 伸长率、冲击强度分别有不同程度的降低;而以木纤维作为填充材料改性？?,可制 得力学性能较好的复合材料。V.N.Hristov等13研究了以PP-g-MAH为相容剂,木粉为填料制得的复合材料 的力学性能;WI.J.ZainiU4研究了木粉含量和尺寸对木粉/PP复合材料力学

8、性能的 影响;心Kristiian Oksman15用未改性木粉制备PP/木粉复合材料。结果表明:与纯 PP相比,加入木粉的复合材料拉伸强度和冲击强度降低，无缺口冲击强度显著下 降，杨氏模量和弯曲模量有所提高，传统的云母与滑石粉改性PP的效果要比木粉 的效果好;将木粉和云母或滑石粉混合加入,强度比单独加木粉时高，这可能是因 为木粉与无机粒子相互作用有助于分散的结果。李思良等16用松木粉、杉木粉对PP填充改性，初步探讨了木粉的种类、表面 处理和填充量对木粉填充改性PP胜能的影响。利用Na0H溶液处理杉木粉，对提 高杉木粉填充改性PP的断裂伸长率、拉伸强度、弯曲强度与冲击强度有较明显 效果;添加比

9、例约2.5%5%的杉木粉对PP填充改性,在拉伸强度略有下降而其冲 击强度与弯曲强度有一定程度提高的情况下,可有效的提高PP的断裂伸长率。华 东理工大学林群芳17用废弃木粉为增强材料，制备了木粉增强聚丙烯复合材料, 研究了改善废弃木粉增强聚丙烯复合材料力学性能的途径。1.3PVC基木塑复合材料PVC/木粉复合材料施工业化较早的木塑复合材料之一，使用量近年来增长迅 速。影响PVC基木塑复合材料性能的因素很多,例如热稳定剂、加工助剂、冲击 改性剂、润滑剂、加工工艺、木粉的表面处理等都会对复合材料的性能产生影响。Haihong Jing研究了以铜胺络合物处理木粉对PVC/木粉复合材料力学性 能的影响。

10、处理过的木粉使无缺口冲击强度、弯曲强度明显提高。北京化工大学 钟鑫19讨论了利用接枝的方法改性木粉，提高其与PVC树脂的界面钻合性，比较 了硅烷偶联剂处理、碱浸泡与硅烷偶联剂双重处理、接枝改性3种木粉处理方法 的优劣。赵义平20研究了不同木粉处理方法对PVC木塑复合材料性能的影响。 采用了 4种处理剂对木粉进行处理，处理过的木粉可以明显提高复合材料拉伸强 度，但冲击强度稍有降低;木粉采用碱处理后再用处理剂处理可明显提高相容性。1.4废旧塑料/木粉复合材料用木纤维与废旧塑料生产复合材料，即可充分利用丰富的天然资源，也可解决N.废旧塑料的处理问题，国内外的工作者在这方面做了大量的研究工作。Tzan

11、kova Dintehevat21!研究了 分别以 pp 一 g 一 MAH、pp g AA 为相容剂, 在PP和PE混合的废旧塑料中加入20%-40%(wt)木纤维制得的复合材料性能。结果表明:弹性模量显著提高,断裂伸长率和冲击强度下降，拉伸强度几乎不变，相 容剂的加入提高了力学性能。赵义平做了木粉填充废旧LDPE的研究，结果表 明:经碱处理的木粉与未处理的木粉相比可显著提高力学性能。张明珠23对木粉/ 再生热塑性塑料复合材料的相容性、流动性、加工工艺做了研究。1.5其他树脂制备的木塑复合材料除了上面常用的制备木塑复合材料的树脂外，也有人研究了用PS、ABS等制 备木塑复合材料。王玮等24通

12、过研究ABS/木粉复合材料的力学性能比较了 MAH 增容、MAH/St原位增容ABS-g-MAH增容等不同增容方法对复合体系的增容效 果，发现ABs接枝物的增容效果优于原位增容效果;同时在ABs/木粉体系中引入 复合基体PVC,在确定ABS/PVC配比为70/30的基础上，考察了木粉含量对体系 性能的影响。肖亚航向用热压成型的方法制备了不同木粉用量的木粉/ABS复合 材料，并对其热压成型工艺进行了探讨。结果表明:木粉用量高达60phr时仍可热 压成型，但以不高于40phr为优。宋永明26研究了热塑性弹性体对聚苯乙烯塑料的增韧，以达到对木粉/再生 聚苯乙烯复合材料增韧改性的目的，添加马来酸醉改性

13、的苯乙烯聚合物 (PS-g-MAH)作为复合材料的界面相容剂。结果表明:热塑性弹性体的加人显著提 高了复合材料的冲击性能，而且弯曲性能和拉伸性能保持较好。木塑复合材料未来的发展方向是实现原料多样化、设备工艺专业化、产品高 档化，开发纤维含量高，应用领域广、综合性能高、使用寿命长的木塑制品。利用 废旧塑料和废弃的木材加工生产的木塑复合材料，不仅有利于治理污染，而且节约木材资源，具有良好的社会效益和经济效益，将是一种极有应用前景的复合材料。参考文献：1 王伟宏，李春桃，王清文.木塑复合材料产业化现状及制造关键技术.现代化 工,2010,30(1): 6-102 谭天伟，苏海佳，杨晶.生物基材料产业

14、化进展.中国材料进展,2012, 31(2): 1-63 Tan Xiufeng.The forecast model and development trend for China timber supply and demandD. Beijing:Chinese Academy of Forestry,2011.4 Hill C A S,et al. Journal of Materials Science,2012,47(7):3 191 3 197.5 Ahmed S A,et al. Wood and fiber Science,2012,44(1):85-93.6 唐辉，等.中国

15、塑料,1999,13(7):64-67.Tang Hui,et al. China Plastics,1999,13(7):64-67.7 Wang Guirong, et al. Forestry Machinery & Woodworking Equipment,2010,38(7):43-44.8 Norma E, Marcovich, Marcelo A. Villar, Thermal and Mechanical Characterization of Linea rLow Density Polyethylene/Wood Flour CompositesJ.Journal of

16、 Applied Polymer Science, 2003. 90(10): 2775-2784.9 Qunfang Lin, Xiaodong Zhou, Gance Dai, Effect of Hydrothermal Environment on Moisture Absorption and Mechanical Properties of Wood Flour-Filled Polypropylene CompositesJ.Journal of Applied Polymer Seience,2002.85(14):2824-2832.10 R.G.RSJ.B.V.Kokta, Reinforeing High Density Polyethylene With Cellu