PP/硅灰石復(fù)合材料在室內(nèi)家具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

馮憲偉

（1.韓國京畿大學(xué)，京畿道 水原；2.杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311402）

與天然樹脂相比，合成樹脂的性能更好。其中，聚丙烯（PP）是應(yīng)用最為廣泛的材料，尤其在室內(nèi)家具領(lǐng)域，PP發(fā)揮著重要的作用。利用有機(jī)填料和無機(jī)填料對(duì)PP進(jìn)行填充改性才能用于家具制作。有機(jī)填料主要為秸稈、人工速生木料、甘蔗廢料，無機(jī)填料主要為玻璃纖維、蒙脫土和滑石粉，制備的PP復(fù)合材料的強(qiáng)度、韌性提高，成本降低，增加了PP的適用范圍［1］。目前，國內(nèi)外學(xué)者都對(duì)PP/硅灰石復(fù)合材料投入了廣泛的研究，并將復(fù)合材料應(yīng)用在汽車、飛機(jī)和家居裝飾等領(lǐng)域［2］。室內(nèi)家具對(duì)于材料的強(qiáng)度、韌性和抗老化性能要求較高，PP/硅灰石復(fù)合材料耐高溫能力、防水能力和抗老化能力較其他同類型復(fù)合材料強(qiáng)，因此，十分適合制作門窗、墻體、地板等。本文綜述了PP/硅灰石復(fù)合材料在室內(nèi)家具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，從室內(nèi)家具裝飾件和室內(nèi)家具設(shè)計(jì)中承力構(gòu)件兩方面進(jìn)行探討。

1 PP/硅灰石復(fù)合材料在室內(nèi)家具裝飾件中的應(yīng)用

室內(nèi)家具裝飾件在整個(gè)室內(nèi)家具設(shè)計(jì)中占據(jù)著重要作用，因此，設(shè)計(jì)時(shí)必須要掌握藝術(shù)造型的形式美法則，從而主導(dǎo)家具造型的美感［3］。采用PP/硅灰石復(fù)合材料制備的家具裝飾件線條流暢，外形圓滑，以線找面，給人一種輕盈、靈動(dòng)、完整的感覺。室內(nèi)家具的裝飾件對(duì)于材料的力學(xué)性能有一定的要求，在利用PP/硅灰石復(fù)合材料制作室內(nèi)家居裝飾品時(shí)，還要重點(diǎn)考慮材料的環(huán)保性能、防水性能和抗老化性能［4］。

1.1 PP/硅灰石復(fù)合材料的力學(xué)性能

PP/硅灰石復(fù)合材料中選用的硅灰石為改性硅灰石，是以硅灰石為原料，于60 ℃高速攪拌10 min；然后將鈦酸酯偶聯(lián)劑TC-114與稀釋劑無水二甲苯的混合液，在60 ℃時(shí)邊噴灑邊攪拌15 min后，緩慢降至室溫，得到了干法粉體狀的改性硅灰石［5］。通過相容劑甲基丙烯酸丁酯和苯乙烯-丙烯酸丁酯-馬來酸酐共聚物接枝改性聚丙烯（PPSBM）來改善PP/硅灰石復(fù)合材料的力學(xué)性能，PP/硅灰石復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、硬度、延伸率和抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，PP-SBM中的馬來酸酐與改性硅灰石表面的羥基反應(yīng)，達(dá)到增容的效果，而PP-SBM另一端的結(jié)構(gòu)在反應(yīng)過程中會(huì)形成柔性界面，由于該結(jié)構(gòu)屬于高分子聚合物，所以會(huì)阻礙PP-SBM與改性硅灰石發(fā)生反應(yīng)［6］。隨著PP-SBM含量的增加，PP-SBM與改性硅灰石發(fā)生的增容反應(yīng)可以極大提高硅灰石與柔性界面的相容性，當(dāng)PP-SBM質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，PP/硅灰石復(fù)合材料的力學(xué)性能、拉伸性能和抗沖擊性能均最優(yōu)；PP-SBM質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過30%后，PP-SBM的柔性分子鏈數(shù)量也會(huì)增加，與改性硅灰石的結(jié)合變得更加困難，復(fù)合材料的力學(xué)性能、拉伸性能和抗沖擊性能開始下降［7］。

若在PP基體中直接加入硅灰石，不進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，那么硅灰石很難均勻分散，PP與硅灰石難以充分結(jié)合，復(fù)合材料力學(xué)性能雖然會(huì)得到提升，但提升程度很?。?］。相容劑PP-SBM會(huì)與PP/硅灰石復(fù)合材料發(fā)生降解反應(yīng)，所以力學(xué)性能的提高效果并不明顯。當(dāng)改性硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～30%時(shí)，PP/硅灰石復(fù)合材料的硬度、延伸率先增加后減少，當(dāng)改性硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，PP/硅灰石復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度最大，拉伸性能和抗沖擊性能都得到提高，拉伸性能的提升空間更大［9］。

通過PP-SBM和改性硅灰石可以改善PP/硅灰石復(fù)合材料的力學(xué)性能，進(jìn)而改變室內(nèi)家居裝飾品的力學(xué)性能。家具通常需要長(zhǎng)久使用，所以必須要具備很好的抗疲勞性能、耐磨損性能和耐化學(xué)藥品腐蝕性能，即使在潮濕的環(huán)境下，家具也要能夠長(zhǎng)久使用。通過PP-SBM和改性硅灰石提高PP/硅灰石復(fù)合材料的力學(xué)性能，可以很好地增加家具裝飾件的使用壽命。

1.2 PP/硅灰石復(fù)合材料的耐化學(xué)藥品腐蝕性能

PP/硅灰石復(fù)合材料的密度為0.90～0.92 g/cm3，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，化學(xué)穩(wěn)定性好，一些低相對(duì)分子質(zhì)量的化學(xué)溶劑不能使PP/硅灰石復(fù)合材料腐蝕而損壞，只會(huì)造成一些輕微程度的變形和軟化，只有高濃度的濃硫酸或濃硝酸會(huì)對(duì)復(fù)合材料造成侵蝕［10］。同時(shí)，由于PP的結(jié)晶度很高，化學(xué)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也會(huì)隨著結(jié)晶性能的變化而變化，結(jié)晶性增加，化學(xué)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也會(huì)隨之上升。所以利用PP/硅灰石復(fù)合材料制作室內(nèi)家具，能夠極大提高家具的防腐蝕性和耐磨性，提高家具的抗老化性，延長(zhǎng)其使用壽命，從而提升產(chǎn)品質(zhì)量，增加產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。

1.3 PP/硅灰石復(fù)合材料的防水性能

PP/硅灰石復(fù)合材料的吸水性較低，一般情況下，PP/硅灰石復(fù)合材料的水接觸角為107.7°，較純PP高約15.0°，可見PP/硅灰石復(fù)合材料的防水能力很強(qiáng)［11］。PP/硅灰石復(fù)合材料同樣具有很好的絕緣性和防水性，通過熱塑成型得到的材料無色、無味、無毒、半透明且輕質(zhì)，防水性良好，熱穩(wěn)定性較強(qiáng)，采用PP/硅灰石復(fù)合材料制成的室內(nèi)家具，能夠承受100 ℃的水，且長(zhǎng)時(shí)間浸泡后不會(huì)發(fā)生軟化或變形，可見其耐溫性能及防水性能良好。

1.4 PP/硅灰石復(fù)合材料的耐熱性能

PP屬于一種性能優(yōu)良的熱塑性樹脂，而PP/硅灰石復(fù)合材料的熔點(diǎn)高達(dá)164～170 ℃，其制品能夠在100 ℃以上的溫度條件下進(jìn)行消毒滅菌，在沒有外力因素的影響下，PP/硅灰石復(fù)合材料能夠在150 ℃高溫條件下保持形態(tài)不變，其抗壓強(qiáng)度和抗拉能力也能夠在90 ℃時(shí)保持性能良好；不過它的耐寒性能較差，當(dāng)溫度下降到-35 ℃時(shí)，可能會(huì)發(fā)生脆裂或破碎［12］。這說明PP/硅灰石復(fù)合材料耐寒性能較差，但耐熱性能良好。在光照方面，由于PP對(duì)紫外光敏感，與硅灰石復(fù)合后，添加了部分氧化鋅和乳白填劑，中和了PP的光敏性，從而提高了制品的耐光照能力和抗老化性能。

1.5 PP/硅灰石復(fù)合材料的環(huán)保性能

PP/硅灰石復(fù)合材料具有優(yōu)良的耐熱性、防水性、耐光照能力和低膨脹率，能夠替代一些材料（如石棉、玻纖等），減少了室內(nèi)家具生產(chǎn)制造過程中石棉等材料的應(yīng)用，有利于減少污染，保護(hù)人的健康和自然環(huán)境。在金屬制品的制造中，PP/硅灰石復(fù)合材料能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的冶金材料，發(fā)揮良好的適用性和工藝穩(wěn)定性，提高家具制品的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，更加環(huán)保和衛(wèi)生，兼顧了經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益［13］。

1.6 加強(qiáng)室內(nèi)家具裝飾件的造型美感

PP/硅灰石復(fù)合材料可以使制品造型更加輕盈，通過點(diǎn)、線、面、體四個(gè)方面，打造靈巧感，給觀賞者視覺上的享受。與純PP相比，PP/硅灰石復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度更大，因此，可以制作比較長(zhǎng)且纖細(xì)的家具裝飾件構(gòu)件。利用樹脂膠進(jìn)行固化，將采用PP/硅灰石復(fù)合材料制作的家具裝飾件構(gòu)件組合成繩束式的構(gòu)件，增強(qiáng)構(gòu)件的柔韌性和可編織性，使家具裝飾件擁有清晰的輪廓，且質(zhì)量更輕［14］。PP/硅灰石復(fù)合材料強(qiáng)度較大，因此，利用該材料制作的家具裝飾件面板十分輕薄，不僅能夠減輕家具裝飾件的質(zhì)量，同時(shí)也能夠減少家具的占用空間。采用PP/硅灰石復(fù)合材料制造的家具裝飾件造型多為拼接式，創(chuàng)作的家具裝飾品簡(jiǎn)約大方。

2 PP/硅灰石復(fù)合材料在室內(nèi)家具承力構(gòu)件中的應(yīng)用

2.1 優(yōu)化室內(nèi)家具的承載結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)家具結(jié)構(gòu)時(shí)，要將家具的承載力作為第一思考要素，PP/硅灰石復(fù)合材料具備輕質(zhì)化的特點(diǎn)，因此在使用該材料做家具時(shí)，可以很好地滿足承載要求。PP和硅灰石都屬于脆性材料，因此不能直接使用，必須要通過深加工形成復(fù)合材料，提高材料的分散性和強(qiáng)度。將PP/硅灰石復(fù)合材料應(yīng)用于家具裝飾件中，可以優(yōu)化承載構(gòu)型，達(dá)到家具設(shè)計(jì)輕質(zhì)化的要求。在傳統(tǒng)方式家具設(shè)計(jì)中會(huì)利用夾層結(jié)構(gòu)提高家具的承載能力，減少材料需要的剛度和強(qiáng)度，鑒于PP/硅灰石復(fù)合材料的力學(xué)性能具有各向異性，所以可以按材料的性能沿承載結(jié)構(gòu)布置傳力路徑，加強(qiáng)室內(nèi)家具的強(qiáng)度和硬度，最大程度地發(fā)揮PP/硅灰石復(fù)合材料的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)。采用PP/硅灰石復(fù)合材料制造的家具質(zhì)輕，且承載力高，可制作各種輕巧靈動(dòng)的造型，承載結(jié)構(gòu)更加現(xiàn)代化，創(chuàng)意性更強(qiáng)。采用PP/硅灰石復(fù)合材料制備的室內(nèi)家具承力構(gòu)件，可以最大限度地減少材料用量，降低成本，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的牢固性。

2.2 PP/硅灰石復(fù)合材料制作家具生產(chǎn)工藝優(yōu)化

使用PP/硅灰石復(fù)合材料制作家具時(shí)，可以選擇整體成型的制備方案，減少家具組合部件之間的冗余零件，從而減輕結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。由于一些部件無法采用整體成型的方案生產(chǎn)，所以需要使用膠結(jié)的連接方案，以減少由于拼接組裝帶來的各種問題，降低家具的附加質(zhì)量，改進(jìn)家具的生產(chǎn)工藝，達(dá)到家居設(shè)計(jì)的輕質(zhì)化要求。

使用PP/硅灰石復(fù)合材料制備的室內(nèi)家具生產(chǎn)工藝分為五步：設(shè)計(jì)構(gòu)思，選擇和分析材料，制作模型，加工材料，機(jī)體固化。選用PP/硅灰石復(fù)合材料制作家具時(shí)，要根據(jù)制作的家具特性，選擇能與其結(jié)合的自然元素，設(shè)計(jì)家具的幾何形態(tài)。為了確保制備效果，將泡沫作為模型材料，首先根據(jù)設(shè)計(jì)構(gòu)思打造出家具形態(tài)，然后使用電熱阻絲進(jìn)行切割，塑造大致形態(tài)，最后通過鋼刷處理曲線和細(xì)節(jié)，使泡沫制作的家具造型與實(shí)際的家具造型相符。然后在泡沫模型上方涂抹一層稀釋過的白乳膠，選用兩卷PP/硅灰石纖維束絲，以并行方式纏繞在泡沫模型上，需要注意纏繞方向和纏繞角度要按照一定規(guī)律。將環(huán)氧樹脂膠黏劑、促進(jìn)劑和固化劑按質(zhì)量比為2∶5∶1調(diào)和，得到環(huán)氧樹脂膠結(jié)劑，在已經(jīng)纏繞成型的PP/硅灰石纖維束絲上刷浸環(huán)氧樹脂膠結(jié)劑，重復(fù)2～5次，確保每個(gè)纖維束絲都能被刷浸，當(dāng)PP/硅灰石纖維束絲固定成型后，掏空內(nèi)部的模具，得到鏤空結(jié)構(gòu)［15］。由于采用PP/硅灰石復(fù)合材料制備的家具模具外側(cè)纏繞了PP/硅灰石纖維束絲，因此在刷環(huán)氧樹脂膠結(jié)劑時(shí)，樹脂也會(huì)固定在模具上，必須要將模具去除干凈，選用熱風(fēng)槍在家具線條空隙上進(jìn)行吹化，使纏繞在家具上方的模具被掏空，利用銼刀磨砂紙進(jìn)行打磨處理，使家具擁有好的使用手感，清理擦拭后得到完備的家具形態(tài)。通過這套成熟的工藝打造更加完美輕質(zhì)的家具，同時(shí)確保家具的承力能力。

3 結(jié)語

PP/硅灰石復(fù)合材料有良好的力學(xué)性能、防水性能、環(huán)保性能等，具有質(zhì)輕、耐磨抗老化、成本低等特點(diǎn)。用其制作家具時(shí)，不僅可以減輕家具的質(zhì)量，同時(shí)制造的裝飾物也符合大眾的喜好和審美。用PP/硅灰石復(fù)合材料制作的家具更加耐腐蝕、耐光照、不容易發(fā)生變形掉色等情況，延長(zhǎng)了家具的使用壽命。使用PP/硅灰石復(fù)合材料制作家具時(shí)要采用膠結(jié)的連接方案，可減少由于拼接組裝帶來的各種問題，降低家具的附加質(zhì)量，改進(jìn)家具的生產(chǎn)工藝，達(dá)到家居設(shè)計(jì)的輕質(zhì)化要求。以PP/硅灰石復(fù)合材料制作家具的設(shè)計(jì)理念在我國剛剛起步，未來需要進(jìn)行更加深入的研究。