天然纖維/塑料復合材料（NPC）研究進展

王紅春 李學鋒

1湖北工業(yè)大學化學與環(huán)境工程學院（430068） 2武漢職業(yè)技術(shù)學院輕工學院（430074）

1 NPC簡介

天然纖維/塑料復合材料（NPC）主要是由塑料與天然纖維素材料（包括木纖維、竹纖維、稻糠、稻草、麥草、棉花秸稈、甘蔗渣、麻稈、玉米秸稈等）經(jīng)一定的生產(chǎn)工藝復合而成［1］。我國生物質(zhì)原料很豐富，僅農(nóng)作物秸稈（包括玉米秸稈、小麥秸稈和稻草等）每年高達7億t。其中一小部分秸稈被用作飼料、造紙等用途，普遍存在著原料利用率低的問題。天然纖維/塑料復合材料是一類涵蓋面廣、產(chǎn)品種類繁多、形態(tài)結(jié)構(gòu)多樣的基礎(chǔ)性材料，具有優(yōu)良的耐水、耐腐蝕性能、加工能耗低、對設(shè)備磨損小、資源豐富、節(jié)約木材及可循環(huán)使用等優(yōu)點。目前用天然纖維填充的塑料制品已應用在建材、家具、包裝材料、裝飾材料等領(lǐng)域。特別是近年來從防治病蟲害傳播角度考慮，減少了用木材作為包裝材料，而使用天然纖維填充制成的復合塑料制品，其市場越來越大。同時人們對不同的天然纖維填充塑料的結(jié)構(gòu)與性能的研究也產(chǎn)生了很大的興趣。

2 NPC的主要技術(shù)因素

2.1 NPC所用塑料材料

目前在研究和應用領(lǐng)域中主要使用的塑料原材料有:PE、PP、ABS、PVC、PC、PS、POM、 酚醛塑料（PF）及再生塑料。這類材料是目前塑料生產(chǎn)過程中使用較多，較易獲得且與天然纖維經(jīng)過一定的工藝處理后能較好復合，并能獲得較好的綜合性能的塑料原材料。目前在生產(chǎn)使用中已有由通用塑料擴展到其他塑料的趨勢。

2.2 NPC所用天然纖維材料及要求

目前在研究和加工應用領(lǐng)域主要使用的天然纖維（NF）材料有:木粉、竹粉、稻糠、稻草、麥草、棉花秸稈、甘蔗渣、麻稈、玉米秸稈等，一般天然纖維由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素3類物質(zhì)組成，其中纖維素可占一半以上。

天然纖維復合材料通常其纖維未能完全分散在聚合物基質(zhì)上，大多數(shù)情況下，附著力差會導致力學性能差。同時由于纖維都具有親水性，而合成聚合物（樹脂）往往是疏水的，因此，在生產(chǎn)天然纖維復合材料中必須對纖維表面進行處理。通過表面處理對改善材料一些特定的性能十分有用，如可有效改善纖維和增塑劑之間的粘附性，減少對潮濕的敏感度等。

表面處理方法通常有以下4種方法,即化學、物理、物理—化學和機械法。化學方法包括:1）堿處理常作為其它化學處理的預處理，以改變NF結(jié)構(gòu)，提高NF強度和模量。2）硅烷偶聯(lián)劑處理NF是較常用的方法。3）在復合材料加工時添加馬來酸酐接枝聚丙烯（MAH-g-PP）是最廣泛的方法。MAH-g-PP的MAH基團與NF面的羥基反應，形成酯鍵、氫鍵等化學連接；MAH-g-PP的聚烯烴長鏈和基體聚合物高分子鏈相互纏結(jié)，這樣MAH-g-PP就在NF和聚合物間起了橋接增容的作用[2]。物理方法包括用等離子體、電暈、激光或治療光以及蒸氣爆破的形式進行處理，等離子和激光處理可以改善纖維表面的纖維素,蒸汽爆破可改進木質(zhì)纖維素材料的性能。物理—化學方法是利用溶劑萃取可溶性纖維［3］。這些處理木質(zhì)纖維素的方法都有助于提高它們與基質(zhì)材料的聯(lián)系，增加纖維和基質(zhì)的附著力。

2.3 NPC所用加工助劑與改性劑

北京加工助劑研究所研究了塑料抗氧劑、光穩(wěn)劑的主要類型和作用特性，及影響抗氧劑、光穩(wěn)定劑作用功能的若干因素［4］。根椐塑木制品的熱老化、光老化主要發(fā)生在塑料表面的特性，提出如何選用適合的加工工藝和抗氧劑、光穩(wěn)定劑，以保證耐候塑木制品的使用壽命和使用價值。

南京林業(yè)大學等科研院所對木塑材料（WPC）表面的防火涂層的制備及其耐火性能、新型阻燃體系對木塑防火涂層阻燃性能的影響、木塑表面涂層熱解機理及動力學研究等方面作了大量的研究工作，取得了較大成就［5～7］。

2.4 NPC的成型工藝

2.4.1 擠出成型

用雙螺桿擠出機代替單螺桿擠出機，成型塑化效果更好，剪切作用適宜，木粉分散效果更好，解決加料困難和木粉用量增大時的燒焦問題。WPC屬假塑性流體，通過流變性研究，其黏度小于純樹脂和其他無機填料填充后的體系黏度。這種低黏度對擠出成型是不利的，因此需通過調(diào)整配方和工藝條件，既使物料混合均勻，又要適當增加體系擠出時的黏度，從而使制品更密實，樹脂與木粉相容性更好［8］。很多企業(yè)已對現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備進行相應的改造和升級，使生產(chǎn)穩(wěn)定，同時也節(jié)約了電能，效果十分顯著。目前擠出成型是國內(nèi)生產(chǎn)NPC材料制品的主要加工方法。

2.4.2 注射成型

WPC注射成型的制品外觀和質(zhì)感酷似木材，有和木材一樣的加工性能、施工性能，并具有塑料的絕大部分優(yōu)點，如阻燃、抗老化等，同時又具有普通塑料型材不具備的其它優(yōu)點。WPC高溫流動性能好、加工性能好、成本低、表面光澤度高，具有較好的強度及韌性,被廣泛用于復雜形狀制品的生產(chǎn)。目前，國內(nèi)、外研究較多，但要國內(nèi)的生產(chǎn)應用方面還有待提高［9］。

2.4.3 模壓成型

模壓成型工藝是將一定量NPC料放入到模具的型腔中，利用帶熱源的壓機產(chǎn)生一定的溫度和壓力，合模后在一定的溫度和壓力作用下使預浸料在模腔內(nèi)受熱軟化、受壓流動、充滿模腔成型和固化，從而獲得復合材料制品的一種工藝方法［10～12］。

2.4.4 發(fā)展方向

目前國內(nèi)NPC成型技術(shù)的發(fā)展方向為:復合共擠、表面處理（砂帶砂光處理、壓紋處理、轉(zhuǎn)印、UV印刷、木皮復合）、涂覆技術(shù)、微發(fā)泡、模壓技術(shù)（多層多工位間歇式、熱擠冷壓、連續(xù)滾壓式）［13］。

2.5 NPC的性能指標

許多學者通過正交實驗對比分析、測試了不同的天然纖維的加入量、天然纖維的粒徑、不同助劑的加入量等因素對材料的力學性能 （拉伸強度、斷裂伸長率、彎曲強度、沖擊強度）、阻燃性能、流變性能等性能指標，找出了其影響變化規(guī)律，對指導該類復合材料的生產(chǎn)具有積極的意義。

李學鋒等［1］采用木粉、稻糠、稻草和甘蔗渣4種不同的天然纖維先進行預處理再與HDPE、PP復合的方法，成功地制備出聚烯烴/天然纖維復合材料。4種不同的HDPE/天然纖維復合材料的物理械性能及熱變形溫度相近。以木粉填充復合材料學性能最高，甘蔗渣填充復合材料次之，稻草纖維和稻糠纖維稍差。而稻糠纖維復合材料具備最高熱變形溫度。PP/天然纖維復合材料與HDPE/天然纖維復合材料有相似的變化規(guī)律。通過相差分析發(fā)現(xiàn)，在天然纖維制備的復合材料中,纖維和樹脂分布均勻。這表明表面改性劑的存在，有利于纖維與基礎(chǔ)樹脂之間的充分浸潤粘合。

方露等［5］通過對WPC表面防火涂層制備及其耐火性能研究，當 m（APP）:m(MEL):m(PER)=12:7:4時，阻燃效果最佳，耐燃時間達到1500 s。

陳寒嫻［14］等的研究表明:1）當竹塑比小于40:100時，竹粉/ABS復合材料的拉伸強度和沖擊強度隨竹粉含量的增加有所降低，之后隨竹粉含量的繼續(xù)增加而略有回升。2）加入石蠟和硬脂酸復合潤滑劑的竹粉/ABS復合材料力學性能較優(yōu)，當竹塑比為100:100時，沖擊強度和彎曲強度達到最大值。3）竹粉/ABS復合材料的剪切應力和表觀粘度隨溫度增加而降低。4）隨著竹塑比的增大，竹粉/ABS復合材料的剪切應力和表觀粘度均逐漸增大。5）選用硬脂酸為潤滑劑的竹粉/ABS復合材料的黏度最小，流動性能和加工性能相對較好。

2.6 NPC產(chǎn)品用途及市場前景

由于天然纖維/塑料復合材料體現(xiàn)了源于自然、融于自然、優(yōu)于自然、歸于自然的循環(huán)產(chǎn)品生命特征，符合“資源-產(chǎn)品-廢棄物-再生資源”的反饋式循環(huán)過程，可以更有效地利用資源和保護資源，實現(xiàn)了國家所倡導的“以盡可能小的資源消耗和環(huán)境成本，獲得盡可能大的經(jīng)濟效益社會效益，從而使經(jīng)濟系統(tǒng)和自然生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)過程相互和諧，促進資源永續(xù)利用”的目標［15］。目前該類產(chǎn)品主要應用在以下幾個方面:

1）建筑和裝飾行業(yè):護墻板，道路施工材料，水利工程材料，建筑物內(nèi)外裝飾材料等。

2）市政建設(shè)、園林方面:園林景觀工程等。

3）汽車工業(yè):汽車內(nèi)飾材料、汽車零部件、擋泥板等。

4）交通、物流方面:鐵道枕木、包裝材料、集裝箱底板等。

NPC復合材料是一種性能優(yōu)異且利于環(huán)保的新型材料,目前我國僅木塑行業(yè)的產(chǎn)能就為30萬t/年左右,預計到2015年將要達到500萬t/年的戰(zhàn)略目標。相應的原材料供應和生物質(zhì)原材料基地建設(shè)、專用生產(chǎn)設(shè)備的制造和供應、各種專用基材樹脂和配套加工助劑的生產(chǎn)與供應等方面的發(fā)展前景都十分巨大［15］。

2.7 NPC生產(chǎn)應用中主要存在的問題

1）原材料供應和生物質(zhì)原材料基地的建設(shè)。要向生產(chǎn)出重現(xiàn)性好、規(guī)范化、標準化的工業(yè)產(chǎn)品努力，這方面還需做大量的工作。

2）天然纖維/塑料生產(chǎn)專用設(shè)備的制造與供應。目前國內(nèi)還沒有NPC復合材料專用生產(chǎn)設(shè)備的制造，生產(chǎn)廠所用的設(shè)備全以生產(chǎn)塑料產(chǎn)品的設(shè)備代用，其性能是滿足不了NPC產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)要求的。

3）在改善天然纖維復合材料的力學性能、熱穩(wěn)定性上也需要我們進一步研究。

4）樹脂與纖維之間的結(jié)合也是一個關(guān)鍵性的問題,在生產(chǎn)NPC復合材料過程中需要對纖維進行表面處理，這無疑是增加了生產(chǎn)成本。因此，在發(fā)展NPC復合材料新型復合工藝中為降低生產(chǎn)成本，偶聯(lián)劑的選擇至關(guān)重要。

5）各種專用基材樹脂和配套加工助劑的生產(chǎn)與供應。我國目前還沒有系列化、價廉物美、能大批量、質(zhì)量穩(wěn)定的NPC生產(chǎn)專用助劑。

6）生產(chǎn)技術(shù)和成型工藝還有待進一步改進與提高。

3 結(jié)語

天然纖維/塑料復合材料，是一類具有十分廣闊前景的新材料。近年來，相關(guān)的材料、配方、生產(chǎn)工藝、專用生產(chǎn)設(shè)備、模具設(shè)計等方面的研究不斷取得進展,許多天然纖維/塑料專用的助劑也相繼問世，這些都為天然纖維/塑料復合材料的進一步研發(fā)打下了堅實的基礎(chǔ)。

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