木塑材料用于戶外建筑及景觀材料的工業(yè)設(shè)計(jì)

吳依然，陳朝暉

（1.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098；2.南京市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)，江蘇 南京 210008）

木塑材料用于戶外建筑及景觀材料的工業(yè)設(shè)計(jì)

吳依然1，陳朝暉2

（1.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098；2.南京市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)，江蘇 南京 210008）

對(duì)于戶外建筑及景觀用木塑材料的變形進(jìn)行了研究分析，指出了導(dǎo)致變形的兩個(gè)主要因子溫度應(yīng)力蠕變和吸水膨脹蠕變，在木塑領(lǐng)域首次提出“周期性蠕變疊加”概念；并在木塑材料的初始設(shè)計(jì)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等方面提出了解決方案，以保證設(shè)計(jì)制造出更適合戶外建筑及景觀使用的優(yōu)質(zhì)木塑產(chǎn)品并在使用中充分發(fā)揮出木塑材料應(yīng)有的優(yōu)秀品質(zhì)。

木塑；戶外；建筑；景觀；工業(yè)設(shè)計(jì)

0　木塑材料略述

木塑材料簡(jiǎn)稱木塑（WPC），也即木塑復(fù)合材料（Wood-Plastic Composites）。木塑材料是近些年以來，在國內(nèi)外蓬勃興起、迅速發(fā)展的一類新型復(fù)合材料，是用聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等高分子樹脂，與30%～70%以上的木粉、木屑、稻殼、秸稈等天然植物纖維粉碎、混合、制成新的高木質(zhì)含量的復(fù)合材料；再經(jīng)擠壓、模壓、注塑成型等塑料加工的方法，生產(chǎn)出的板材或型材等產(chǎn)品。產(chǎn)品廣泛用于建筑建材、家俱家裝、物流包裝等行業(yè)。

1　木塑產(chǎn)品應(yīng)用

木塑產(chǎn)品已經(jīng)廣泛大量地用于戶外、室內(nèi)各種用途。如：木塑門、門套、百葉窗、櫥柜、衣柜、外墻掛板、天花吊頂、裝飾墻板、踢腳線、地板、地板龍骨、護(hù)欄立柱、涼亭、廊架、圍欄、柵欄、休閑椅、花架花箱、樹池樹圍、空調(diào)架、空調(diào)罩、路標(biāo)牌、運(yùn)輸托盤、等等。

特別是木塑材料的防水防潮、耐酸堿、耐腐蝕性能優(yōu)異，在海邊高鹽地區(qū)使用，優(yōu)勢(shì)尤其顯著。木塑型料使用方便、應(yīng)用靈活，不僅可以取代木材的使用，而且是一種性能優(yōu)異的新型環(huán)保材料。市場(chǎng)前景非常廣闊。

2　木塑材料性能和優(yōu)點(diǎn)

（1）木塑材料具有與木材類似的加工性能，可刨、可釘、可鉆、可鋸、可切、可黏接，常用釘子或螺栓連接固定，握釘力是一般木材的三倍，是刨花板的五倍。表面光滑美觀、無需砂光和油漆，且木塑的油漆附著性好，亦可根據(jù)需要上漆。

（2）木塑產(chǎn)品有比木材更優(yōu)良的物理性能，比木材尺寸穩(wěn)定性好，不易翹曲、不會(huì)產(chǎn)生裂縫、無木材節(jié)疤、裂紋；加入著色劑、覆膜或復(fù)合表層可制成仿木紋色或其它色彩絢麗的各種制品；安裝簡(jiǎn)單，施工便捷，且無需定時(shí)養(yǎng)護(hù)。

（3）木塑產(chǎn)品具有防水、耐潮濕，耐酸堿、抗腐蝕，不被蟲蛀、無真菌侵蝕，無毒無害、無污染等優(yōu)良性能，可具備阻燃性能。

（4）木塑產(chǎn)品有類似木質(zhì)外觀，比普通木材硬度高，強(qiáng)度好，使用壽命長(zhǎng)，清潔方便，生命周期的維護(hù)費(fèi)用低；可循環(huán)利用。節(jié)約資源、綠色環(huán)保。

3　戶外建筑及景觀用木塑材料的工業(yè)設(shè)計(jì)

木塑材料綜合性能優(yōu)異，戶外建筑及景觀使用的木塑品種越來越多、數(shù)量越來越大。隨著制造技術(shù)和工藝的不斷進(jìn)步，產(chǎn)品外觀質(zhì)量提高很大。但有許多木塑企業(yè)，甚至不少品牌大企業(yè)，由于缺乏針對(duì)性研究，材料設(shè)計(jì)存在著先天缺陷。這些缺陷往往要在建成二、三年之后才逐漸暴露問題，此時(shí)再來解決問題，已經(jīng)為時(shí)已晚。在追蹤問題時(shí)，材料設(shè)計(jì)缺陷往往難以查出。

木塑材料有： PVC基、PP基、PE基、PP/ PE基、PS基、ABS基等，目前主要品種為PVC木塑、PE木塑、PP木塑。

熱塑性高分子材料屬粘彈性材料，在長(zhǎng)期應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生應(yīng)力蠕變，這是熱塑性高分子材料自身特點(diǎn)所決定的。其影響因素主要是長(zhǎng)期應(yīng)力的大小及環(huán)境溫度。高分子材料和植物纖維復(fù)合制成的材料就是木塑材料，因含有植物纖維成份，使得高分子復(fù)合體系的抗蠕變性能得到了很好的改善。

木塑材料是高分子材料和植物纖維制成的復(fù)合材料：因植物纖維成份的加入，3%范圍的拉伸伸長(zhǎng)率及彈性恢復(fù)所顯示出的彈性及彈性模量，使木塑材料比高分子基體材料表現(xiàn)出更具有剛性的彈性特征；亦即彈性模量大大增加。這非常有利于用作戶外建筑及景觀材料時(shí)的尺寸穩(wěn)定性和抗變形性以及承載能力。

高分子材料和植物纖維兩者優(yōu)點(diǎn)的結(jié)合，使得木塑材料相對(duì)其它材料在戶外運(yùn)用建立了綜合優(yōu)勢(shì)。這也是木塑材料在景觀及戶外建筑迅速增長(zhǎng)和發(fā)展的根本原因。

3.1木塑材料的變形

戶外木塑建筑及景觀在使用一段時(shí)間后，有些尺度較長(zhǎng)的木塑會(huì)出現(xiàn)逐漸彎曲、下垂等變形現(xiàn)象，這是目前戶外木塑建筑及景觀中常見的缺陷。

木塑材料由建成時(shí)漂亮的直線型，在經(jīng)過幾個(gè)寒暑后逐漸彎曲變形的變形因子研究分析如下：

3.1.1溫度應(yīng)力及蠕變

夏季氣溫升高，木塑材料產(chǎn)生熱膨脹。較長(zhǎng)的木塑熱膨脹較大，由于兩端被固定，所受溫度應(yīng)力也大（應(yīng)力和膨脹變形成正比），當(dāng)膨脹達(dá)到一定值后，木塑發(fā)生失穩(wěn)而彎曲變形并隨熱膨脹增加彎曲度（彎曲變形）增加。

木塑彎曲后，溫度應(yīng)力得到釋放；中性面應(yīng)力為零，因彎曲，凹面產(chǎn)生壓應(yīng)力，凸面產(chǎn)生拉應(yīng)力。由于拉、壓應(yīng)力的長(zhǎng)期作用，凸、凹面分別產(chǎn)生拉伸和壓縮蠕變，使得曲率變大，在氣溫降低時(shí)也不能完全收縮恢復(fù)。如是經(jīng)過若干氣溫周期，不斷產(chǎn)生周期性蠕變疊加；隨著蠕變?cè)黾雍透叻肿渔湹募s束力逐漸達(dá)到平衡，蠕變的增量逐漸減小到零，達(dá)到蠕變極限。

若安裝施工在高溫季節(jié)，因和最高溫度的溫差小，基本不發(fā)生因熱膨脹而彎曲變形的情況。但在低溫季節(jié)，木塑的韌性和強(qiáng)度隨溫度下降；由于兩端被固定，木塑因降溫收縮而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力達(dá)到最大值，往往導(dǎo)致固定處破壞。

3.1.2吸水膨脹蠕變

降雨時(shí)節(jié)，木塑吸水膨脹，木塑材料產(chǎn)生微量蠕變伸長(zhǎng)，不可恢復(fù)；并隨干濕交替周期，周期性產(chǎn)生蠕變伸長(zhǎng)并疊加。隨著木塑內(nèi)部木質(zhì)達(dá)到可能的吸水膨脹極限及高分子材料的約束力的作用，吸水膨脹蠕變伸長(zhǎng)的增量逐漸減小到零，達(dá)到蠕變極限。

3.1.3木塑材料蠕變是溫度應(yīng)力蠕變疊加和吸水膨脹蠕變的綜合結(jié)果

較長(zhǎng)木塑兩端被固定約束時(shí)，隨著木塑材料各種蠕變的疊加，在建成時(shí)漂亮的直線型材料，逐漸出現(xiàn)明顯的彎曲；并在若干寒暑交替之后達(dá)到尺寸基本穩(wěn)定、彎曲度不再增加。

3.2木塑材料變形的應(yīng)力計(jì)算和蠕變方程

木塑材料的應(yīng)力計(jì)算和蠕變方程，假定前題是將木塑材料視作理想的均一材料。同時(shí)，木塑材料中的高分子聚合物相對(duì)木質(zhì)部份吸水率要低兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，在推定公式模型時(shí)，高分子聚合物的吸水量忽略不計(jì)；木塑材料中的木質(zhì)部份相對(duì)高分子聚合物線膨脹系數(shù)要低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，在推定公式模型時(shí)，木質(zhì)部份的熱膨脹也忽略不計(jì)。

3.2.1應(yīng)力分析和計(jì)算

3.2.1.1溫度應(yīng)力

初始溫度應(yīng)力：

式中：

Δε——應(yīng)變；

E——木塑材料拉伸彈性模量；

α1——木塑材料中所用高分子的線膨脹系數(shù)；

α2——木塑材料的線膨脹系數(shù)；

ΔT—— 計(jì)算溫度和安裝溫度的溫度差；

P——木塑材料中高分子聚合物占的比例。

3.2.1.2彎曲應(yīng)力

彎曲凸面拉應(yīng)力：σ1=Δε·E1=（y/r）·E1

彎曲凹面壓應(yīng)力：σ2=Δε·E2=（y/r）·E2

式中：

Δε——應(yīng)變；

E1——木塑材料拉伸彈性模量；

E2——木塑材料壓縮彈性模量；

y——應(yīng)力計(jì)算面到中性面距離；

r——木塑材料彎曲半徑。

最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力分別在凸、凹面的外表面。

3.2.1.3吸水膨脹應(yīng)力

初始吸水膨脹應(yīng)力：

式中：

Δε——應(yīng)變；

E——木塑材料拉伸彈性模量；

β1——木塑材料中所用植物的線性吸水伸長(zhǎng)率；

β2——木塑材料的線性吸水伸長(zhǎng)率；

W——木塑材料中植物纖維占的比例。

3.2.2蠕變方程

木塑材料屬粘彈性材料，在應(yīng)力作用下發(fā)生蠕變。其蠕變行為可以用線形聚合物蠕變的三元件模型近似表達(dá)，見圖1。

圖1　三元件模型

蠕變方程

3.3木塑材料的變形的設(shè)計(jì)解決

3.3.1吸水膨脹蠕變的設(shè)計(jì)解決方案

木塑材料中高分子基的吸濕很小，植物纖維吸濕性大；有效地處理植物纖維極大地減小吸濕性非常重要。木塑材料在配方設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)時(shí)，必須盡可能地降低木塑材料的吸水性，并最終以嚴(yán)格的吸水率作為質(zhì)量指標(biāo)考核。

3.3.2溫度應(yīng)力及蠕變的設(shè)計(jì)解決方案

溫度應(yīng)力及蠕變是材料自身特點(diǎn)所確定的，必須從高分子材料本身找出改善方案?？刂撇⒔档湍舅懿牧系木€膨脹系數(shù)可以有效地控制并降低溫度應(yīng)力。

戶外建筑溫度通常在70 ℃之下，當(dāng)高分子材料的Tg（玻璃化溫度）在此之下越低時(shí)，越容易產(chǎn)生應(yīng)力蠕變。

木塑材料常用的高分子樹脂有：PVC、PP、PE、PS和ABS等，它們的Tg（玻璃化溫度）見表1。

表1　木塑材料常用高分子樹脂的玻璃化溫度

玻璃化溫度，PVC相比PP高90 ℃以上，相比PE高150 ℃以上；PP相比PE高50 ℃以上。我們知道，溫度升高，高分子鏈活動(dòng)度增加，鏈間纏繞趨向松弛。當(dāng)環(huán)境溫度超過高分子的玻璃化溫度時(shí)，高分子鏈的活動(dòng)能力大大增強(qiáng)，在應(yīng)力作用下容易發(fā)生蠕變。應(yīng)變時(shí)，彈性變形比例減少，塑性變形比例相應(yīng)增加。形成永久變形，對(duì)戶外建筑及景觀的美觀產(chǎn)生不利影響，觀賞度直線下降。

PE和PP的玻璃化溫度均在0 ℃以下，遠(yuǎn)低于夏季戶外建筑最高溫度，容易發(fā)生應(yīng)力蠕變；PVC的玻璃化溫度為87 ℃，高于夏季戶外建筑最高溫度，不易發(fā)生應(yīng)力蠕變。

綜合考慮高分子材料的結(jié)晶影響，得到如下結(jié)果：在相同的木質(zhì)添加復(fù)合的情況下，用于戶外建筑及景觀的木塑材料，其抗蠕變性能是：PVC基木塑明顯優(yōu)于PP基木塑，PP基木塑明顯優(yōu)于PE基木塑（即：PVC基木＞＞PP基木塑＞＞PE基木塑）。因此PVC基木塑材料用于戶外建筑及景觀材料更有優(yōu)勢(shì)。（PS、ABS、PMMA等材料，因價(jià)格、耐老化性、機(jī)械性能等因素，不宜用作戶外木塑的主要成份。）

3.4木塑材料的外觀色澤和耐久性及其設(shè)計(jì)改善

戶外木塑建筑及景觀在使用一段時(shí)間后，木塑表面常常出現(xiàn)粉化褪色現(xiàn)象，影響觀賞性。戶外使用的木塑材料，因受日曬雨淋，環(huán)境要求嚴(yán)苛；通常采用耐自然老化性能優(yōu)異的無機(jī)系色料，以保證著色的耐久性。

粉化褪色現(xiàn)象之所以時(shí)常發(fā)生，一是木塑表面層高分子老化，二是經(jīng)常有pH值較小的雨水（俗稱酸雨）對(duì)無機(jī)系色料的侵蝕。

在木塑性能設(shè)計(jì)上，往往抗老化助劑是平均分布的。老化實(shí)際上由外而內(nèi)逐漸發(fā)展的，因此提高木塑表面層的耐老化性能是解決表面粉化褪色重要路徑；同時(shí)在色料配方上要增強(qiáng)抗酸雨的能力。

3.5木塑相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及指標(biāo)

近年來，木塑產(chǎn)品在我國發(fā)展非常迅速，標(biāo)準(zhǔn)管理部門根據(jù)木塑產(chǎn)品的發(fā)展需要制定了相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行的木塑標(biāo)準(zhǔn)中包括：國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24508—2009《木塑地板》、GB/T 24137—2009《木塑裝飾板》、GB/T29365—2012《塑木復(fù)合材料人工氣候老化試驗(yàn)方法》、GB/T 29500—2013 《建筑模板用木塑復(fù)合板》；行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1613—2004《擠壓木塑復(fù)合板材》、QB/T 4161—2011《園林景觀用聚乙烯塑木復(fù)合型材》、BB/T0020—2001《組合型塑木平托盤》、JC/T 2221—2014 《建筑用木塑門》、JC/T 2222—2014 《木塑復(fù)合材料術(shù)語》、JC/T 2223—2014 《室內(nèi)裝飾裝修用木塑型材》、JC/ T 2224—2014 《室外裝飾用木塑墻板》；施工規(guī)范CECS 286：2011《建筑用無機(jī)集料阻燃木塑復(fù)合墻板應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》；以及一些檢測(cè)方法等。

綜合以上標(biāo)準(zhǔn)要求，可以發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)給出了合適的尺寸偏差、機(jī)械性能、衛(wèi)生性能、耐熱性能、耐候性、抗凍融性等指標(biāo)；而在對(duì)戶外性能影響很大的吸水率、吸水膨脹率、尺寸變化率等指標(biāo)方面，標(biāo)準(zhǔn)并沒有專門針對(duì)戶外使用的木塑產(chǎn)品給出更嚴(yán)格的指標(biāo)。根據(jù)對(duì)用于戶外建筑及景觀的木塑材料的研究、設(shè)計(jì)，需要在選擇戶外建筑及景觀用木塑材料時(shí)，對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)（如：《園林景觀用聚乙烯塑木復(fù)合型材》等）的吸水率、吸水膨脹率、尺寸變化率等指標(biāo)應(yīng)按照提高25%以上加以考核。同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)針對(duì)溫度應(yīng)力及蠕變問題增加更具關(guān)聯(lián)性能的指標(biāo)，如：木塑材料線膨脹系數(shù)的檢測(cè)和控制。這是現(xiàn)行國標(biāo)和行標(biāo)的不足之處。

戶外使用的木塑材料因蠕變產(chǎn)生的尺寸變化量和材料本身各方向的絕對(duì)尺度大小成比例相關(guān)。木塑型材往往寬度、厚度尺度小、長(zhǎng)度方向尺度非常大；且使用中寬度、厚度方向無約束或約束小，而長(zhǎng)度方向兩端均有強(qiáng)約束。因此，一維度的木塑型材控制縱向線膨脹系數(shù)是較好的選擇。二維度的木塑板材應(yīng)控制縱、橫向線膨脹系數(shù)；木塑材料自身特點(diǎn)，大尺度的木塑板戶外易變形難控制，戶外建筑及景觀設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量避免采用整體大尺度木塑板。

3.6戶外建筑及景觀的木塑高檔品設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)思想上，木塑型材由均一型復(fù)合材料提升為雙層功能性復(fù)合材料，通過技術(shù)、工藝、裝備提升和適當(dāng)?shù)某杀驹黾?，提出雙層區(qū)分解決方案，有益于技術(shù)難點(diǎn)的克服，從而得到高品質(zhì)、高美觀、高性能、長(zhǎng)壽命的高檔木塑型材。

PVC/PVC雙層木塑

木塑型材由均一型復(fù)合材料提升為PVC基表面層/PVC基底芯層雙層復(fù)合材料，采用雙機(jī)共擠出生產(chǎn)。其中PVC基表面層著重解決表面美觀，提升壽命等；PVC基底芯層著重解決尺寸穩(wěn)定性、物理機(jī)械性能，優(yōu)化成本。

亞克力/PVC雙層木塑

木塑型材由均一型復(fù)合材料提升為亞克力基表面層/PVC基底芯層雙層復(fù)合材料，采用雙機(jī)共擠出生產(chǎn)。其中亞克力基表面層著重解決表面美觀，提升壽命等；PVC基底芯層著重解決尺寸穩(wěn)定性、物理機(jī)械性能、優(yōu)化成本。

4　研究設(shè)計(jì)結(jié)論

本設(shè)計(jì)對(duì)于戶外建筑及景觀用木塑材料的變形進(jìn)行了研究分析，指出了導(dǎo)致變形的兩個(gè)主要因子溫度應(yīng)力蠕變和吸水膨脹蠕變；在木塑領(lǐng)域首次提出“周期性蠕變伸長(zhǎng)疊加”概念；并在木塑材料的初始設(shè)計(jì)方面提出了解決方案。同時(shí)根據(jù)戶外建筑及景觀用木塑材料的實(shí)際需要，在木塑產(chǎn)品現(xiàn)有國標(biāo)、行標(biāo)中的技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)基礎(chǔ)上提出了進(jìn)一步的要求和附加項(xiàng)，以保證設(shè)計(jì)制造出更適合戶外建筑及景觀使用的優(yōu)質(zhì)木塑產(chǎn)品并在使用中能充分發(fā)揮出木塑材料應(yīng)有的優(yōu)秀品質(zhì)。

（1）PVC有更好的抗蠕變性能，更適合作為戶外用木塑材料的樹脂基。

（2）戶外木塑生產(chǎn)企業(yè)的內(nèi)控企標(biāo)在吸水率、吸水膨脹率、尺寸變化率等指標(biāo)應(yīng)比照國標(biāo)、行標(biāo)提高25%以上，才能更好地滿足戶外建筑及景觀的使用要求。

（3）為了有效控制戶外建筑及景觀木塑產(chǎn)品的蠕變量，戶外木塑產(chǎn)品應(yīng)對(duì)線膨脹系數(shù)加以檢測(cè)和控制。

（4）在戶外建筑及景觀中盡量減少采用兩端強(qiáng)約束的大尺度木塑結(jié)構(gòu)。

（XS-04）

印度石油推出用于注塑成型領(lǐng)域的新型HDPE

印度石油公司在全球首次推出了一種應(yīng)用于注塑成型領(lǐng)域的高產(chǎn)能級(jí)別HDPE-Propel HDPE 080M60。這款新材料可以大幅改善注塑成型應(yīng)用領(lǐng)域中產(chǎn)品的性能，比如物料運(yùn)輸板條箱、塑料蓋、外殼、家居用品和薄壁產(chǎn)品，在提高生產(chǎn)率的同時(shí)，能夠節(jié)省能源、加強(qiáng)產(chǎn)品美感和尺寸穩(wěn)定性。

燕豐供稿

Industrial design of WPC for outdoor architectural and landscape materials

TQ320.79

1009-797X（2015）10-0056-05

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.10.011

吳依然，女，河海大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)系，研究方向?yàn)楣I(yè)設(shè)計(jì)和建筑造價(jià)。

2015-02-01