國內(nèi)木塑復(fù)合材料研究進展及應(yīng)用現(xiàn)狀

竇立巖 汪麗梅 陳 晨

（吉林建筑大學材料科學與工程學院，吉林 長春130021）

木塑復(fù)合材料(Wood-Plastics Composites,簡稱WPC)是各種植物纖維材料與塑料復(fù)合形成的一類高性能，高附加值的新型復(fù)合材料，同時也是一種極具發(fā)展前途的綠色環(huán)保材料。在國外，其大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用始于20世紀80年代，隨著汽車內(nèi)部裝飾工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展。國內(nèi)對于木塑復(fù)合材料的研究較晚，20世紀80年代福建林學院的楊慶賢等才最早在國內(nèi)開展木塑復(fù)合材料的研究。20世紀90年代，中國林科院木材工業(yè)研究所秦特夫等人開始對PP基木塑復(fù)合材料的研究。近年來，國內(nèi)對其研究日益重視，產(chǎn)品的生產(chǎn)和應(yīng)用在世界范圍內(nèi)迅速增長，遠超過了同時期塑料行業(yè)的增長速率。在國家循環(huán)經(jīng)濟政策的鼓勵和建筑裝飾行業(yè)的發(fā)展推動下，全國性“木塑熱”正在興起。

1 木塑復(fù)合材料原料

目前，木塑復(fù)合材料（WPC）主要分為聚合物基WPC和木基WPC兩類。聚合物基WPC是將植物纖維與塑料混合，經(jīng)過擠出成型或熱壓成型工藝制作而成。木基WPC是向木材中注入化學試劑(多為有機單體)，然后在熱引發(fā)劑或熱輻射源的引發(fā)下，使化學試劑在木材中聚合。

植物纖維：

植物纖維可分為木材植物纖維和非木材植物纖維。木材植物纖維主要包括木粉、刨花、鋸末和秸稈，非木材植物纖維有稻殼、稻草、花生殼、麥秸、棉桿、麻桿和甘蔗渣等。目前國內(nèi)最常用的原料是木材,而且主要是以木材加工剩余物、廢舊木材和秸稈為主，其主要成分由3種高聚物組成:纖維素、半纖維素和木質(zhì)素[1]。

2 聚合物

WPC中聚合物主要通過兩種途徑形成：直接加入聚合物樹脂和原位聚合有機單體或預(yù)聚物。

2.1 聚合物樹脂

熱塑性聚合物是制備木塑復(fù)合材料的主要聚合物基體。常用的熱塑性聚合物有聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)等[2]，包括新料，回收料及二者混合料。

2.1.1 聚乙烯

聚乙烯是世界上產(chǎn)量最大的塑料，熔點較低，使纖維素纖維作為填料時不會發(fā)生顯著的熱降解；質(zhì)軟，易于加工，因此工業(yè)化商品中聚乙烯基產(chǎn)品占有極大的比重，約65%。

2.1.2 聚丙烯

聚丙烯比聚乙烯更輕、更硬，更透明，但耐低溫沖擊性差。在木塑縫合材料中占有較大的比重，目前市場占14%。

2.1.3 聚氯乙烯

聚氯乙烯具有自熄、耐腐蝕、耐磨損、低吸水性、制品透明等優(yōu)點，但聚氯乙烯熱穩(wěn)定性差，在光、熱、機械作用下易分解，加工范圍窄，通常需要改性處理，市場占有率大約在16%作用。

2.1.4 其它聚合物

除了上述幾種塑料外，可調(diào)整組成比例的ABS和可以生物降解的聚乳酸[3-4]（PLA）以及高熔點的尼龍和聚酰胺類樹脂等塑料品種也開始應(yīng)用于木塑復(fù)合材料的制備。

2.2 有機單體或預(yù)聚物

以有機單體作為WPC的原料與樹脂作為原料有本質(zhì)區(qū)別，通常是木質(zhì)基體，即木質(zhì)材料所占比例較大，大約80～90%，主要是利用木材疏松多孔的特性充分浸漬，然后原位聚合或與木材發(fā)生接枝固化反應(yīng)并最終形成木塑復(fù)合材料。熱塑性聚合物單體可以是苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、醋酸乙烯、丙烯腈、亞氯乙烯等，熱固性聚合物則是以小分子量的預(yù)聚物作為原料，包括酚醛樹脂、脲醛樹脂、環(huán)氧樹脂等。例如脲醛樹脂使用中，研究過聚順丁烯二酸二乙醇酯和三聚氰胺對脲醛樹脂改性、脲醛樹脂和蒙脫土結(jié)合使用[5]、納米填料對脲醛樹脂進行改性等。

3 木塑復(fù)合材料的生產(chǎn)方法

3.1 技術(shù)關(guān)鍵

3.1.1 提高木塑復(fù)合材料的界面相容性

改善木塑界面的相容性是制備優(yōu)良性能復(fù)合材料的關(guān)鍵[6-7]。 目前,改善復(fù)合界面相容性的主要方法有對原材料進行表面預(yù)處理和用改性劑提高復(fù)合界面相容性。

1）原材料表面預(yù)處理

原材料表面預(yù)處理包括對塑料的表面處理和植物纖維的表面處理。塑料非極性，纖維極性，因此根據(jù)相似相容的原理：增強塑料的極性和減弱纖維的極性都可以作為預(yù)處理的出發(fā)點。從具體實施辦法來看，塑料的處理方法比較單一，多數(shù)是共聚接枝上極性基團，而且可選的單體種類有限，目前來看效果不錯的主要是馬來酸酐，李躍文[8]等人直接通過過氧化二異丙苯(DCP)、馬來酸酐(MAH)、木粉和聚丙烯(PP)的反應(yīng)擠出實現(xiàn)了PP-WPC的反應(yīng)增容。結(jié)果表明,WPC中木粉和PP兩相之間的界面相容性明顯改善。相對于塑料來說，纖維的處理方法則顯得手段多樣，既可以是物理方法：等離子放電、輻射、熱處理、拉伸、壓延、混紡；也可以是化學方法：酯化、醚化、堿液處理或是與有機單體接枝共聚。雖然化學處理方法可以使改性進行得更徹底一些，但物理改性簡單、方便，不需要添加任何化學制劑，對環(huán)境污染小，而且成本低。

2）界面改性劑

按照改性原理區(qū)分，界面改性劑分為相容劑和偶聯(lián)劑兩類。相容劑作用機理是相容劑富集兩相界面處,一端和填料相結(jié)合,起到包覆作用,另一端與聚合物基體相容,降低兩種聚合物之間的表面張力,增加界面層的厚度,降低分散相粒徑,從而使相結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定,提高共混物的力學性能[9]。目前用到的改性劑有MAH接枝PE、HDPE、PP、PS、PAA以及它們之間的共混物等。不難發(fā)現(xiàn)，MAH仍然是最重要的改性組分，與作為表面處理劑使用時的主要區(qū)別僅僅是形式和添加方式的改變。袁新恒[10]等人進行了廢報紙粉填充聚丙稀材料的研究,并以馬來酸酐接枝PP(PP-MA)為增容劑，結(jié)果表明,PP-MA有效地改善了紙粉和PP的界面相容性,提高了材料的力學性能;劉文鵬等人[11]研究了PP-g-MAH、PE-g-MAH、SBS-g-MAH三種相容劑對PP/木粉(質(zhì)量比50/50)復(fù)合材料力學性能的影響。結(jié)果表明,三種相容劑對復(fù)合材料界面相容性均有改善效果,其中SBS-g-MAH效果最佳。偶聯(lián)劑是一種具有兩相結(jié)構(gòu)的有機化合物,它可以使性質(zhì)差別很大的材料緊密結(jié)合起來,從而提高復(fù)合材料的綜合性能。目前使用量最大的偶聯(lián)劑是硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑和鋁酸酯偶聯(lián)劑。曾廣勝等[12]用馬來酸酐接枝聚丙烯（MAH-g-PP）、鋁酸酯偶聯(lián)劑、鋁鈦偶聯(lián)劑改善木塑界面的相容性,復(fù)合材料的機械性能都有較大的提高。另外，異氰酸酯類偶聯(lián)劑也可以降低木粉表面親水性，提高木粉與塑料之間的相容性。隋金玲[13]使用4種不同類型的含高活性反應(yīng)基團的聚氨酯處理劑對木粉表面進行處理,并制備了PVC/木粉復(fù)合材料,研究了表面處理劑的交聯(lián)度、不同用量和高活性反應(yīng)基團NCO的含量對復(fù)合材料性能及結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明,使用聚氨酯處理劑對木粉表面進行處理可以明顯改善復(fù)合材料的流變性能,并明顯提高復(fù)合材料的力學性能。

3.2 生產(chǎn)工藝

3.2.1 生產(chǎn)設(shè)備

木塑復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝按照設(shè)備可分為三類：（1）壓制成型，包括模壓成型和層壓成型。模壓成型是將混合好的物料直接放入模具中，再經(jīng)油壓機加熱加壓成型。層壓成型是先將物料用密煉機煉塑后，輥壓成1mm的薄片，再切割層疊后放入熱壓機壓制成型。（2）擠出成型。主要設(shè)備有：單螺桿擠出機、同向雙螺桿擠出機、異向平行雙螺桿擠出機、異向錐形雙螺桿擠出機等。分為一步法和兩步法，前者無需造粒，但對設(shè)備、工藝要求高，很難控制，后者則相對比較靈活，目前為多數(shù)企業(yè)所采用。（3）注塑成型。注塑成型主要設(shè)備為注塑機，與擠出成型制品相比，注塑成型可以生產(chǎn)各種復(fù)雜非連續(xù)的制品，拓寬了木塑復(fù)合材料的應(yīng)用范圍。

3.2.2 工藝參數(shù)

現(xiàn)在的生產(chǎn)工藝以擠出成型為主,并輔以注射成型。擠出可以單擠或復(fù)合共擠,產(chǎn)品相應(yīng)的也可以是單層或多層，質(zhì)量的好壞完全取決于過程參數(shù)的控制[14]，機頭溫度、壓力以及冷卻系統(tǒng)的冷卻速度都只能在很小的范圍內(nèi)變化，高或者低都會產(chǎn)生不合格產(chǎn)品。螺桿轉(zhuǎn)速雖然.是越慢越好，但產(chǎn)量也相應(yīng)減少，因此必須控制在適當?shù)姆秶鷥?nèi)。

3.2.3 工藝改進

工藝方面的改進是提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本最有效的途徑。在WPC的發(fā)展過程中，有幾個動向值得注意：（1）開發(fā)專用設(shè)備，加工方式由單一的螺桿擠出向其他傳統(tǒng)塑料加工方向發(fā)展，由水冷成型向空氣冷卻成型發(fā)展，由單一擠出型材向復(fù)合共擠、包裹共擠方向發(fā)展；（2）引入發(fā)泡工藝技術(shù)，從高泡向低泡、微發(fā)泡方向發(fā)展；（3）研發(fā)新型助劑，改進WPC的加工性能和外觀質(zhì)量[15]。

4 木塑復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

WPC兼具木材和聚合物的優(yōu)勢，外觀和手感都與木材極為相似，有著良好的尺寸穩(wěn)定性，防潮、耐腐蝕性能良好，可以像木材一樣鉆、釘、鋸、刨、油漆和膠合，并可以使用五金件連接，在天然木材資源日益缺乏，大量廢舊塑料急需有效利用的今天，作為一種天然木材的替代品有著其獨特的優(yōu)勢，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。

4.1 建筑行業(yè)

建筑產(chǎn)品是木塑復(fù)合材料應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域，約占木塑復(fù)合材料用品總量的75%。鋪板和護欄類對材料的結(jié)構(gòu)功能性要求不高，是主要產(chǎn)品[16]，如各種臺面、活動房屋、門板、混凝土模板、樓梯扶手、天棚等。另外，柵欄、百葉窗、窗戶邊框和門框也要用到大量的WPC。市場調(diào)研結(jié)果顯示，WPC最大的增幅預(yù)期在房屋建材和室內(nèi)裝飾部分。

4.2 汽車行業(yè)

木塑材料可以制成各種裝飾材料，其在汽車內(nèi)飾行業(yè)材料的使用，占木塑復(fù)合材料總量的8%，主要用作如車門板、儀表盤、座椅配件、后備箱底板及四壁飾板等。從近幾屆的汽車博覽會來看，眾多品牌汽車的內(nèi)飾材料均不同程度上使用了WPC制品，這表明采用WPC制造汽車內(nèi)飾，已經(jīng)成為汽車行業(yè)一個發(fā)展趨勢。

4.3 包裝行業(yè)[17]

木塑復(fù)合材料也是木質(zhì)包裝的首選替代品，現(xiàn)代物流業(yè)日益發(fā)達，貨物儲運過程中離不開各種規(guī)格的運輸托盤和出口包裝托盤，倉庫鋪墊板、插車貨板、各類包裝箱、集裝箱、運輸玻璃貨架等。對木塑制品需求量巨大，有廣闊的市場前景，預(yù)計到2015年，我國托盤年需求量將增長到2億個。

4.4 公共設(shè)施

WPC可以替代大部分木材和塑料產(chǎn)品，在各種公共場所隨處可見。如露天桌椅、木棧道、垃圾桶、花盆、標志牌等。

4.5 其它

在工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及文體用品方面WPC也發(fā)揮了非常重要的作用。如化工領(lǐng)域的機器罩、水泵殼、鑄造模型、電氣用材等，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的農(nóng)用大棚支架，以及教學用品、球拍、滑雪板、高爾夫球棒、舞臺用品和各種模型等。

5 結(jié)語

WPC具有比木材好的耐久性、耐水性、成型性，同時又具有比塑料低的熱膨脹性和自然的外觀等，彌補了木材和塑料雙方的缺陷，從材料設(shè)計的角度來看是一種非常成功的先進復(fù)合材料，但從我國的實際生產(chǎn)和應(yīng)用情況來看并不理想，與國外相比還存在很多差距。在目前我國林業(yè)資源貧乏，日益短缺，而廢舊塑料卻又日益增多的形勢下，立足國內(nèi)現(xiàn)狀，開發(fā)低成本，綠色環(huán)保，能夠循環(huán)利用的聚合物基WPC更符合目前的發(fā)展趨勢。

［1］石恒沖,李斌.木塑復(fù)合材料界面相容劑的研究進展[J].化學與黏合,2007,29(1):44.

［2］洪浩群,何慧,賈德民,等.木塑復(fù)合材料界面改性研究進展[J].塑料科技,2007,35(8):118.

［3］鐘京，李春玲，譚天偉，等.聚乳酸/甜高粱纖維復(fù)合材料性能研究[J].現(xiàn)代化工，2009，29（2）：102-106.

［4］李冰，董蓉，高磊.聚乳酸木塑復(fù)合材料的增韌及結(jié)晶性能[J].高分子材料科學與工程，2011，27（2）：33-36.

［5］Yu X C，et al.Journal of Wood Science[J],2011，57(6):501-506.

［6］崔益華,周葉青,石斌.木塑復(fù)合材料的界面研究進展[J].復(fù)合材料新進展,2006:29-37.

［7］劉濤,何慧,洪浩群,等.木塑復(fù)合材料研究進展[J].絕緣材料,2008,41(2):38-41.

［8］李躍文,陳興華,歐陽杰等.MAH對PP木塑復(fù)合材料的直接反應(yīng)增容研究[J].應(yīng)用化工,2011,40(03):404-407.

［9］雷方.塑料工業(yè)[J].2008,36(11):49-54.

［10］袁新恒,張隱西,張祥福.廢報紙粉填充聚丙烯材料的研究[J].塑料工業(yè),1997(01):60-63.

［11］劉文鵬,李炳.不同相容劑對PP/木粉復(fù)合材料力學性能的影響[J].塑料,2005(05):21-24.

［12］曾廣勝，徐成，林瑞珍，等.植物纖維增強聚丙烯復(fù)合材料力學性能的研究[J].包裝學報,2011,3(1):44-47.

［13］隋金玲,周海.工程塑料應(yīng)用,2007,35(2):17-20.

［14］施楨蓉,張中元,陳方.木塑復(fù)合材料擠出技術(shù)研究[J].工程塑料網(wǎng),2007,35(8):29.

［15］韓天旭.木塑復(fù)合材料生產(chǎn)工藝進展[J].林業(yè)科技情報,2010,42(4):104-105.

［16］Anatole A.Klyosov，王偉宏，宋永明，等.Wood-plastic Composites[M].北京：科學出版社，2010.29-31.

［17］張?zhí)礻?，張求慧，李建?木塑復(fù)合材料改性研究進展及應(yīng)用前景[J].包裝工程，2008，29（2）：188-190.