聚烯烴基阻燃木塑復合材料研究進展

胡紅丹

（江蘇安全技術職業(yè)學院，江蘇 徐州 221000）

1 木塑復合材料簡介

對于人類來說，木材有著重要的作用，無論是在生活中還是工作中均不可或缺。隨著社會的發(fā)展與進步，人類對于木制品的需求量呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，肆意的砍伐樹木使資源變得尤為短缺，盡管各個國家針對該現(xiàn)象出臺了相關政策，從而保護樹木，但是，仍然改變不了當前樹木資源十分短缺的尷尬局面。因此，我們需要一種新的材料代替木材滿足人類的需求，這種方法不僅可以對稀缺的資源加以保護，同時，又能推動社會的進步以及滿足人類的需求。

木塑復合材料作為一種時代發(fā)展的產物，產生于上世紀末期，且經過20 年來的發(fā)展在北美洲等地區(qū)廣泛應用，我國初次接觸這種材料是在21 世紀前期階段。由于木塑復合材料不僅具有木材的相關特性，同時還具有塑料材質的特性，因此，該材料逐漸成為兩大行業(yè)研究的熱點材料之一。有關報道表明：木塑復合材料在歐洲地區(qū)年使用量在21%左右，且使用量仍然呈現(xiàn)逐年增加的趨勢。相關報告中明確指出，木塑復合材料在全球范圍內的使用量必然逐年增多。木塑復合材料之所以可以得到廣泛的使用，并且引起相關學者的關注，原因是因為它可以很好的代替稀缺木材資源，而且還可以減少白色污染[1]。

木塑復合材料基本由木材料和塑料材料構成。而且在木塑復合材料中使用的木材料大多是一些廢舊木材或者木粉，不僅可以解決資源浪費的問題，同時成本低，可塑性較強。而塑料材料主要包括兩種，一種是熱固性塑料，另一種是熱塑性塑料，但是前者往往只能使用一次，只要破損后則不能進行二次使用，使資源浪費，造成較嚴重的環(huán)境污染，因此，木塑復合材料中使用的塑料是熱塑性塑料，可進行二次重復利用。大部分制成木塑復合材料的方法為：將木材材料和塑料材料放到一起進行融合，從而形成一種新型的顆粒，通過外界重力壓制成型[2]。但是，再此過程中需要注意的是，木材材料當溫度超過一定范圍的時候會發(fā)生碳化，因此，在此過程中，一定要把控溫度。

2 聚烯烴基木塑復合材料中存在的問題

制成木塑復合材料的原材料木材主要來源于植物中的纖維素，但是纖維素事實上是一個十分復雜的結構，含有多層組織與細胞，主要是包括一層主要的細胞壁和三層次要的細胞壁。而這三層次要的細胞壁當中，第二層細胞壁相比于第三層和第一層來說厚度較大，因此，它對于木材自身的特性起著關鍵性的作用。第二層的細胞壁包含著多個螺旋結構以及纖維結構，這種纖維結構由相應的纖維分子所構成[3]。通常，木質材料的細胞壁由三個部分構成，當中還會還有一些膠狀物質以及油狀物質。天然的纖維結構中中間空心，因此與合成的木質纖維有所區(qū)別。

纖維素事實上是一種天然的產物，它是所有的木材中最基本的構成成分，纖維素分子中含有很多的羥基結構。由于纖維素很難與堿性物質相融，而與酸類物質可以發(fā)生相應的作用，從而形成糖類物質。但是，半纖維素是一種分子量較小的混合物，但纖維素與半纖維素兩者的不同之處在于：第一，半纖維素是一個復合體，包含多種多樣的糖類，但是纖維素是一種單獨的聚合物。第二，半纖維素含有大量的分鏈，但是纖維素只有一個單鏈。第三，半纖維素與纖維素兩者的聚合程度不同，纖維素的分子量比半纖維素的分子量要大100 倍。半纖維素很容易溶于水，因此在同等條件下，沒有纖維素結構穩(wěn)定，溶液在酸中發(fā)生水解作用，形成一些特殊的機制[4]。而木質素是一種十分復雜的碳水化合物，木質素結構十分不穩(wěn)定，硬度較強，疏水性較高，因此，植物較為堅硬，其主要原因在于木質素含量的高低。

以上是關于天然木材其主要組成部分進行了詳細的描述，通過以上論述可以知道，天然的木材其主要組成部分是纖維素和半纖維素為主，且這兩個組成部分都對水十分親和，但是高分子化合物大多是疏水的，因此天然木材與化合物之間相容性較差。正是由于這個原因，從而引發(fā)了很多的問題，首先相容性較差導致天然的木材與塑料之間結合點較少，連接不緊密，不利于相關結構與天然木材結構進行傳遞，導致結合不緊密，力學作用較小。此外，纖維素與半纖維素由于自身具有親水性，因此導致聚烯烴基的抗水性較差，兩者在結合過程中，很容易受到水的作用發(fā)生相離，甚至兩者不相融，在此過程中，木材中的纖維結構吸收水分使材料內部發(fā)生裂痕，水分子更加容易進入到復合材料內部，這種不良的反應會導致木素復合材料穩(wěn)定性較弱、抗水性較低、力學作用較小。

3 關于聚烯烴基木塑復合材料的研究進展

由于構成天然木材的主要組成部分為纖維素和半纖維素，且這兩大組成部分對水親和作用較強，因此，導致天然木材與一些輸水的高分子化合物兩者之間結合不緊密，使木塑復合材料連接界面較弱，力的作用較小，木塑復合材料力學性能較差[5]。當前，國內外關于木塑復合材料提高性能的研究主要集中在以下方面：首先，對于天然木材材料提前進行處理，增加其與高分子聚合物之間的相容性；第二，通過一些溶劑或者溶液增加兩者的關聯(lián)度，從而提高木塑復合材料的聚合能力，增多木塑復合材料的界面連接；第三，在木塑復合材料中加入一些粒子，通過這些粒子，從而提高木塑復合材料的力學性能。

3.1 關于熱處理天然木材材料

提前對天然木材材料進行熱處理，可以降低天然木材材料中含有的水分以及以揮發(fā)的物質，改變木材材料中纖維素與半纖維素的結構。但纖維素作為天然木材材料中的一個重要組成部分，不僅具有較強的吸水性，同時穩(wěn)定性較差，通過熱處理的方式可以對天然木材材料中的半纖維素進行降解，減少其吸水性，使其穩(wěn)定性增強，從而增強木塑復合材料的綜合性能。

現(xiàn)階段，用于天然木材材料的熱處理的方法有兩種：第一種方法是在相對含水量較大的環(huán)境下進行處理，這種方法大多是采用溫度高于80 ℃以上的熱水或是水蒸氣進行；第二種方法是在含水量較低的環(huán)境下進行處理，但是這種方法進行需要有惰性氣體的保護，從而防止天然木材材料中半纖維素碳化。美國學者Martin Claude 通過對云杉木塑復合材料和白楊木塑復合材料進行熱處理從而展開相關研究，研究發(fā)現(xiàn)熱處理的方式對云杉木塑復合材料具有較大的影響，而對白楊木塑復合材料的影響較小。

3.2 關于堿處理天然木材材料

在制作木塑復合材料時，采用堿處理是一種十分常見的方法。通過堿處理可以對天然木材材料中的纖維結構產生破壞作用，同時減少附著在天然木材材料表面的油性物質和蠟狀物，增加天然木材材料表面的摩擦性。此外，利用堿處理的方法可以破裂半纖維素內部的羥基結構，從而增大木材材料表面連接界面。例如：Mohanty 學者首先先將木材材料放在不同試劑配備好的清潔溶液中，放置1 h，后用蒸餾水或者去離子水進行洗滌，放入烘箱中進行干燥，后將干燥后的木材材料放到5%的NaOH 溶液中，維持在30 ℃的溫度下浸泡0.5 h，在在進行充分干燥。Mohanty 學者的研究結果顯示，通過濃度5%的NaOH 溶液浸泡后的木材材料從而制成的木塑復合材料，其拉伸性增強、彎曲度增加、同時抗沖擊性提高。Saiful Islam 等研究學者把木粉浸泡在5%的NaOH 溶液當中，在常溫的條件下浸泡5 h，后通過蒸餾水完全沖洗干凈，加入濃度較低的醋酸溶液與殘留的氫氧化鈉進行中和，進行過濾后干燥，在溫度為100 ℃的條件下干燥22 h～25 h。該研究結果顯示，通過以上處理可以提高木材材料的結合性，并且使木材材料與塑料材料的相容性增大，使木塑復合材料的抗壓性、防斷裂性均增強。

3.3 關于添加偶聯(lián)劑處理天然木材材料

事實上，偶聯(lián)劑是一種具有活性的試劑，偶聯(lián)劑通常由兩個部分組成，第一個部分是與水親和的基團，因此，可以與天然木材材料兩者進行作用，而另一個部分是對油親和的基團，可以與聚合物以及化合物進行作用，從而使天然木材材料與塑料材料之間進行結合，通過這種作用可以增強木塑復合材料的界面連接，從而提高木塑復合材料的穩(wěn)定性[6]。通常，在木塑復合材料中使用的偶聯(lián)劑，包括硅烷偶聯(lián)劑以及聚合物偶聯(lián)劑。在使用硅烷偶聯(lián)劑的時候，首先讓該偶聯(lián)劑與水發(fā)生水解作用，從而形成硅醇，之后與天然木材材料進行結合使天然木材材料與塑料材料發(fā)生羥基反應，形成連接較強的共價鍵。Nachtigall 研究學者關于硅烷偶聯(lián)劑展開了相關試驗，研究發(fā)現(xiàn)硅烷偶聯(lián)劑能使木塑復合材料的力學特性、抗水性以及熱穩(wěn)定性全面提高。他們制成的兩種木塑復合材料，使用硅烷偶聯(lián)劑進行處理的木塑復合材料相比于聚合物偶聯(lián)劑進行處理的木塑復合材料，硅烷偶聯(lián)劑木塑復合材料的連接界面更強，材料更加穩(wěn)定。Ndlovu 等將低密度聚乙烯放在溫度為80 ℃的干燥箱中進行不同時間的降解，降解時間為5 星期、7 星期和9 星期，后將降解完成的低密度聚乙烯作為偶聯(lián)劑添加到天然木材材料和塑料材料的混合物中，從而制成木塑復合材料。試驗結果表明，添加了低密度聚乙烯的木塑復合材料增了連接界面，同時使低密度聚乙烯內的分子鏈更加穩(wěn)定，木塑復合材料內部溫度升高，而降解7 星期后的低密度聚乙烯木塑復合材料穩(wěn)定性最強。

4 結語

隨著全球不可再生資源日益短缺，以木材料和塑料材料為主要原料制成的木塑復合材料被廣泛的認為是一種十分理想的木材資源的替代品。但是由于木材料和塑料在制成木塑復合材料時，由于相容性較差，結合不緊密，因此，需要對木材料提前進行處理從而增加兩者的接觸面，增強兩者之間結合的力學特性，此外，由于木材料與塑料材料兩種材料具有易燃性，因此，需要增加木塑復合材料的易燃性。本文探討了通過熱處理、堿處理及添加偶聯(lián)劑的方式，從而使木塑復合材料連接界面更強，材料更加穩(wěn)定，達到對木塑復合材料改性的效果。