一種高性能木塑墻板的制備及性能研究

方曉鐘，張家貴，高威威

（1.安徽國風木塑科技有限公司，安徽合肥230051；2.上海建科檢驗有限公司，上海201108）

目前，木塑（WPC）墻板在室外廣泛使用，這些WPC墻板大部分以PE基塑脂為基礎(chǔ)制備，其力學性能一般，彎曲強度在20 MPa左右，且安裝使用過一段時間后，易出現(xiàn)開裂、破損，甚至斷裂等質(zhì)量問題。目前解決這些問題的方案主要有兩種：一是通過調(diào)配輔料的用量來提高墻板的強度；二是增加型材的厚度來提高墻板的強度[1]。通過調(diào)整輔料的加入量，雖可以增強WPC墻板的各種力學性能，但增加的強度并不足以滿足市場的要求；增加型材的厚度無疑造成材料使用量增大，使得使用成本明顯增高。

陶瓷纖維作為一種無機非金屬類材料，具有極高的強度和化學穩(wěn)定性，其填充的聚合物基復(fù)合材料顯示出良好的綜合性能，陶瓷纖維作填充材料以提高聚合物材料性能的研究也越來越受到人們的關(guān)注[2]。本項目擬通過在木塑墻板中加入陶瓷纖維，制備高強度PE木塑墻板，考查了高強度PE木塑墻板的綜合力學性能，以及陶瓷纖維用量對復(fù)合材料性能的影響。經(jīng)過一系列的實驗，確定了高強度木塑墻板的最佳配方和相關(guān)生產(chǎn)工藝。

1 實驗部分

1.1 主要原料

陶瓷纖維（3～6 mm，靈壽縣嘉德礦產(chǎn)加工廠）；木粉、多組分復(fù)合型樹脂（高密度聚乙烯、中密度聚乙烯和低密度聚乙烯的復(fù)合樹脂，熔指0.3 g/10 min，安徽國風木塑科技有限公司）；硅烷偶聯(lián)劑（KH-550，南京曙光硅烷化工有限公司）；馬來酸酐接枝聚乙烯（SZ11，黃山貝諾科技有限公司）；潤滑劑（STR530，上?？铺┗た萍加邢薰荆?；輕質(zhì)碳酸鈣（D35，廣州福銀化工科技有限公司）；抗氧劑（B225，上海締?；び邢薰荆?；紫外線吸收劑（UV531，上海締?；び邢薰荆还夥€(wěn)定劑（UV151，煙臺新秀化學科技股份有限公司）。

1.2 主要儀器及設(shè)備

SHR-800/2500高速混合機（張家港聯(lián)冠科技發(fā)展有限公司）；65/132錐形雙螺桿擠出機（上海金緯機械制造有限公司）；JWE75/40型同向雙螺桿混煉造粒機（蘇州大云塑料回收輔助設(shè)備有限公司）；CMT-4104萬能力學試驗機（深圳市新三思計量技術(shù)有限公司）；XJJ-5簡支梁沖擊試驗機（承德市金建檢測儀器有限公司）。

1.3 高性能木塑墻板的制備

將陶瓷纖維于馬弗爐340℃～360℃下灼燒15 min，冷卻后浸漬在KH-550溶液中，室溫下冷卻干燥。

木粉、處理后陶瓷纖維加入高速混合機中攪拌5～6 min，將多組分PE樹脂、相容劑SZ11、抗氧劑、紫外線吸收劑等各種助劑加入高速混合機中90℃攪拌20 min?；旌虾蟮奈锪霞尤肫叫须p螺桿擠出造粒，機筒溫度190℃～210℃，螺桿轉(zhuǎn)速80～120 r/min。

將上述造粒料與潤滑劑加入高速混合機中混合10 min，然后加入錐形雙螺桿擠出機擠出成型，擠出條件：機筒溫度150℃～190℃，螺桿轉(zhuǎn)速7～10 r/min。

本項目所用的基礎(chǔ)配方如表1所示，配方1#是安徽國風木塑科技有限公司普通高強度墻板配方，2#是使用陶瓷纖維的高強度墻板配方。

1.4 性能測試

塑料拉伸性能試驗按照GB/T1040.2-2006進行，采用1A型試樣，試驗速度為1 mm/min；簡支梁沖擊強度按照GB/T1043.1-2008（常溫無缺口）進行，采用1型試樣，2 J擺錘，常溫無缺口沖擊；三點彎曲按照GB/T 9341-2000進行；四點彎曲按照ASTM6109-05進行；斷裂最大力按ASTM6109-05進行，取試樣斷裂時壓力數(shù)值。

表1 高強度木塑墻板礎(chǔ)配方 單位：份Tab.1 Formulae of WPC siding with high performance samples（unit:phr）

2 結(jié)果與討論

2.1 力學性能比較

表2是兩種基礎(chǔ)配方制備的木塑墻板的力學性能比較。由于使用了多組分復(fù)合型樹脂，即保證材料的韌性同時也滿足材料的剛性，所以與市場普通的高強度PE木塑墻板相比，1#樣的力學性能好，但其力學性能提高幅度并不大。2#樣是使用陶瓷纖維的高強度墻板配方，相比1#樣，其拉伸強度增加43.24%，沖擊強度增加147.54%，三點彎曲強度增加76.28%，四點彎曲強度增加79.07%，可承受最大力增加53.61%，可見加入陶瓷纖維后對產(chǎn)品的力學性能有極大的提升。

表2 幾種基礎(chǔ)配方力學性能測試結(jié)果Tab.2 Mechanical properties of WPC with high performance

陶瓷纖維增強木塑型材的作用機理是：陶瓷纖維在混合過程中會分散成若干的陶瓷纖維棒，陶瓷纖維棒與木粉顆粒在加工過程中因摩擦作用，產(chǎn)生大量的木纖維微絲，木纖維微絲與陶瓷纖維棒相互纏結(jié)；另外，線性聚乙烯分子鏈與陶瓷纖維棒相互纏繞，形成了一種中空的三維結(jié)構(gòu)，木粉顆粒、CaCO3填充在空隙中，最大限度地發(fā)揮陶瓷纖維的增強作用，體現(xiàn)復(fù)合材料的耦合效應(yīng)[3]。試驗中試用的KH-550、SZ11等大大增強了陶瓷纖維、木質(zhì)纖維與塑料基體的界面相容性，使陶瓷纖維在PE樹脂中分布均勻，從而顯著提高了木塑型材的各方向上的力學性能。

2.2 陶瓷纖維用量對木塑墻板性能的影響

以2#樣為基礎(chǔ)配方，改變木塑墻板中陶瓷纖維的用量，研究陶瓷纖維用量對于復(fù)合型材力學性能的影響，圖1是不同陶瓷纖維含量的高強度木塑墻板的各項力學性能測試結(jié)果。

圖1 陶瓷纖維用量對木塑墻板力學性能的影響Fig.1 Effect of ceramic fiber content on the mechanical properties of WPC

由圖1可以看出，隨著陶瓷纖維用量增加，木塑墻板的拉伸強度、沖擊強度、三點彎曲強度、四點彎曲強度和可承受最大力都先升后降。這是由于木質(zhì)纖維微絲與陶瓷纖維相互纏繞，碳酸鈣等其他填料填充在其空隙中，形成三維框架結(jié)構(gòu)，極大地增強了復(fù)合型材的力學性能。隨著陶瓷纖維量的增多，這種三維框架結(jié)構(gòu)持續(xù)增多，復(fù)合型材的力學性能持續(xù)上升。但當陶瓷纖維的加入量達到一定時，陶瓷纖維過量，多余的陶瓷纖維會游離在復(fù)合型材中，這種游離狀的陶瓷纖維與復(fù)合材料之間的界面結(jié)合力差，導(dǎo)致復(fù)合型材的力學性能有所下降。實驗結(jié)果表明，陶瓷纖維用量為10～14份時，木塑型材的各項性能相對較好。

2.3 PE樹脂用量對木塑墻板力學性能的影響

基于2#樣配方，保證配方中其他組份加入量不變，考查改變PE樹脂用量對木塑墻板力學性能的影響，所得木塑墻板力學性能如圖2。

由圖2可見，隨著PE樹脂用量的增加，木塑型材的力學性能不斷提高，這是因為隨著樹脂量的增加，復(fù)合體系中界面（木粉與樹脂界面、陶瓷纖維與樹脂界面等）減少，木塑材料整體性更強。雖然隨著PE樹脂添加量的增大，復(fù)合型材的力學性能也不斷增強，但也會導(dǎo)致木塑墻板的成本急劇上升，所以PE樹脂的最佳添加量應(yīng)綜合考慮木塑墻板的性能和成本。由實驗結(jié)果可見，當PE樹脂的用量在31份之后，復(fù)合型材力學性能雖然增長，但都增加得較緩慢，所以PE樹脂添加量在31～34份時為最佳添加量。

3 結(jié)論

圖2 PE樹脂添加量對木塑型材力學性能的影響Fig.2 Effect of PE resin content on the mechanical properties of WPC

（1）采用陶瓷纖維制備的高強度木塑墻板，其拉伸強度達20.67 MPa，沖擊強度9.58 kJ/m2，三點彎曲強度41.92 MPa，四點彎曲強度32.86 MPa，可承受最大力6828 N，產(chǎn)品的各項性能達到相關(guān)企業(yè)標準，且在同行業(yè)內(nèi)處于先進水平。

（2）與市場上大部分高強度木塑墻板相比，本文所制備的高強度木塑墻板成本大大降低，是一種符合市場需求的產(chǎn)品，具有良好的社會效益，有極大的應(yīng)用范圍。