木塑復合材料成型工藝及對其性能影響的研究進展

楊薇　何小軍　陳志文

【摘 要】木塑復合材料是以木纖維等植物纖維為主要原材料成分，經過適當處理后使其與各種熱塑性聚合物或者其他材料通過不同的復合途徑制備而成的優(yōu)異的綠色環(huán)保復合材料。本文介紹了木塑復合材料傳統成型工藝的分類及其應用，并對近年來成型工藝的發(fā)展趨勢及其對性能影響的新進展進行綜述。

【關鍵詞】木塑復合材料；木纖維；環(huán)保；成型技術；性能

0 引言

木塑復合材料（wood-plastic composites，簡稱WPC）是近年來在國內外蓬勃興起的一類新型復合材料[1]，這種材料既能發(fā)揮材料中各組分（木纖維、熱塑性聚合物等）的優(yōu)點，又能克服木纖維強度低、穩(wěn)定性差及熱塑性聚合物彈性模量低等造成的局限性，同時又能充分利用廢棄的木材和塑料，減少木材的砍伐，節(jié)能減排。而在研究木塑復合材料的性能時發(fā)現其性能不僅僅取決于木塑材料各組分，其成型工藝也對材料的性能有著極為重要的影響。這是因為木纖維密度小，即使經過了物理或化學改性，在與樹脂的熔融共混擠出過程中仍不易混合均勻。

1 木塑復合材料傳統成型工藝的分類及其應用

1.1 擠出成型工藝

擠出成型是在擠出機螺桿的作用下促使高分子熔體通過一定形狀的口模并冷卻連續(xù)成型的一種成型工藝。具有效率高、應用范圍廣、投資少、制備簡單、可連續(xù)化生產、占地面積少等優(yōu)點。

杜華[2]采用擠出成型制備了稻殼粉（RH）/高密度聚乙烯（HDPE）木塑復合材料，并對不同RH含量的木塑復合材料的抗老化性能進行了研究，并通過一系列測試儀器如：FT-IR（傅里葉變換紅外光譜儀）、XPS（X射線光電子能譜儀）等對其表面形貌以及性能變化進行分析。

1.2 熱壓成型工藝

熱壓成型主要是將物料注入已加熱的模具中，并對熔融溫度及時間加以調控，直至物料熔融后冷卻硬化，再取出模具中成品，又稱模壓成型。

符彬等[3]采用模壓成型工藝制備了麥秸纖維增強聚乙烯（PE）復合材料，并研究了模壓成型工藝條件（熱壓溫度）對復合材料力學性能的影響。結果表明隨著模壓溫度的升高，聚乙烯流動性好，麥秸和聚乙烯混合的均勻性變好，力學性能得到改善；而熱壓溫度過高，熱壓過程中聚乙烯在高溫下可能出現了部分碳化現象，從而影響復合材料力學性能，最終在模壓成型溫度為170℃時麥秸纖維在聚乙烯中的分散性最好，且不會使聚乙烯降解，復合材料拉伸強度和沖擊強度分別達到了最大值46.1MPa和13.8MJ/m2。

于旻等[4]用熔融共混、模壓成型方法（熱壓溫度為180℃，壓力為 12.5MPa，時間為12min）制備麥秸稈/廢棄PP木塑復合材料，探討了麥秸稈不同表面處理方法制備 PP 木塑復合材料力學性能和吸濕吸水性能；同時采用顯微鏡對其復合材料的微觀結構進行觀察和分析。

覃宇奔等[5]研究了以造紙污泥為原料，PVC為塑料基體，采用熱壓成形技術制備木塑復合材料，探討污泥填充量、熱壓時間、溫度、壓力和偶聯劑用量等因素對復合材料力學性能的影響，并采用掃描電鏡和紅外光譜對復合材料和造紙污泥進行表征，綜合考慮經濟和工藝的因素，確定造紙污泥填充量為50%，硅烷偶聯劑占污泥用量的2%，熱壓溫度為180℃，熱壓時間為10min，熱壓壓力為6MPa，在此條件下所制備復合材料的彎曲強度為35.73MPa，拉伸強度為12.75MPa，具有良好的力學性能。

葉翠仙等[6]通過熱壓成型工藝制備了實驗分析軋孔尾巨桉單板/HDPE復合無醛膠合板（WPCP）的熱壓工藝條件（包括熱壓溫度、熱壓壓力及熱壓時間）對其物理力學性能的影響（包括膠合強度、靜曲強度及彈性模量），實驗結果表明熱壓溫度對其物理力學性能的影響最大，其次是熱壓壓力，最后是熱壓時間。

周魯英[7]采用熱壓成型方法制備稻秸纖維增強聚乙烯木塑復合材料，并對其熱壓工藝條件（包括熱壓溫度、熱壓壓力及熱壓時間）進行了探討，從實驗結果得知，在試驗的熱壓溫度范圍（140-170℃）內，稻秸纖維/聚乙烯復合板的靜曲強度隨熱壓溫度的升高而降低，彈性模量隨熱壓溫度的升高先降低后稍升高，但彈性模量隨溫度的改變變化很小。在試驗的熱壓時間范圍（9-15min）內，其復合板的靜曲強度隨熱壓時間的延長而降低后稍升高，彈性模量隨熱壓時間的延長先升高而后降低。在試驗的熱壓壓力范圍（2-4MPa）內，其復合板的靜曲強度和彈性模量隨壓力的增大，都呈現先增大后減小的趨勢，但靜曲強度的變化隨壓力的改變不大。至此，確定了本試驗范圍內最佳的熱壓工藝：熱壓溫度140℃、熱壓時間5min、熱壓壓力2MPa。

1.3 注射成型工藝

注射成型工藝是將原料加熱到固化狀態(tài)，然后經壓力由注塑機注入到模具，從而得到產品。

田普建等[8]采用注塑成型工藝制備了秸稈/PP木塑復合材料，并通過調控秸稈粉的含量、偶聯改性劑的種類及含量等因素制備出不同的木塑復合材料，進而研究上述因素變化對秸稈/PP木塑復合材力學性能（抗彎、抗拉伸、抗彎曲性能）的影響。

郭丹等[9]采用注射成型工藝制備了秸稈粉/聚乙烯木塑復合材料，并研究高能電子束輻射對該木塑復合材料各項力學性能及結構（如界面相容性、材料熔融行為）的影響。

2 近年來木塑復合材料成型工藝的發(fā)展趨勢

2.1 共擠趨勢

共擠成型最早產生于20世紀70年代[10]，其工藝過程表現為：不同類型的原材料分別加入通過多臺擠出機，進行熔融塑化，并同時通過一個復合機頭匯合，并在機頭成型段擠出成型，再經冷卻定型，從而得到所需形狀的復合材料制品。

與傳統復合成型工藝相比，共擠成型的工藝具有如下特點：

（1）共擠成型可以將各種不同特性的材料結合在一起，可以充分發(fā)揮各種材料的固有特性，生產出具有特殊用途的制品。其次，共擠成型周期短、能量消耗低。（2）共擠成型制品的種類多，使用范圍廣。結構不同的共擠出?？梢陨a出不同種類的復合制品。同時，不同顏色的材料進行共擠出，可以提高其外觀質量，滿足不同的需求。不同特性的材料進行共擠出，可以使一種制品兼有幾種不同材料的優(yōu)良特性[11]。

2.2 多種傳統成型工藝復合趨勢

宋艷江等[12]采用擠出混煉和注射成型的方法制備了LDPE基木塑復合材料。考察了木粉改性劑（馬來酸酐、氧化二異丙苯）的含量及一步法與兩步法制備工藝等對復合材料加工性能、力學性能及動態(tài)熱機械性能的影響；并借助掃描電子顯微鏡分析了其作用機理。

葛正浩等[13]利用高密度聚乙烯（HDPE）、秸稈粉、發(fā)泡劑及偶聯劑等多種原料，并在最佳配方條件下采用擠出成型、注塑成型以及壓制成型（熱壓成型）等不同工藝分別制備出發(fā)泡木塑復合材料，實驗結果表明壓制成型法制備出的發(fā)泡木塑復合材料發(fā)泡效果及綜合性能較佳。

2.3 其它成型工藝發(fā)展趨勢

曾廣勝等[14]以楊木粉作為填充增強劑，偶氮二甲酰胺及氧化鋅復配物作為發(fā)泡劑，高密度聚乙烯為復合材料基材，并采用兩步模壓發(fā)泡法制備了高密度聚乙烯/木粉復合發(fā)泡材料。并探討了不同含量的木粉及復配發(fā)泡劑對復合發(fā)泡材料的發(fā)泡性能（表觀密度及含氣率測定）、回彈性能（回彈率測定）及吸水性能（吸水率測定）的影響。

3 結束語

木塑復合材料從問世距今已有100多年的研究歷史，然而，受到科學發(fā)展水平及技術的限制，仍存在許多性能上的缺陷，這大大限制了復合材料的應用。隨著國家對木塑復合材料要求力度的加強，相信我國木塑復合材料成型工藝將出現技術的突破，從而使木塑復合材料的使用性能得以大大提高，木塑制品的市場得以大幅度開放。

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[責任編輯：湯靜]