ABS复合技术

3.2 ABS树脂复合技术ABS树脂复合技术，是指在ABS树脂中加入小分子无机物或有机物，通过物理或化学作用，以取得某种预期性能的一种改性方法。

前边章节中已对ABS合金和阻燃ABS进行了专题论述，本章节复合技术重点论述ABS树脂与无机物矿粉、晶须材料、天然纤维、新型纳米材料、玻纤等材料的复合。

塑料的添加复合改性是开发最早的一种改性方法，其改性效果明显，工艺简单，成本低，应用十分广泛，约占整个塑料改性的三分之二以上。

几乎所有塑料的改性都可以用添加改性方法完成，通过添加不同种类的添加剂，丰富了复合材料的品种，也极大地改善了复合材料应用性能。

但添加改性也存在不足：一方面，在改善某种性能时，往往牺牲了其它性能；另一方面，由于添加改性是在大分子内添加小分子，两者性能相差甚远，因而相容性差，也限制了其添加量。

ABS树脂复合技术的研究主要集中在：复合材料的选择、复合工艺和设备研究、复合材料相容性研究等方面。

3.2.1木粉与ABS树脂的复合木塑复合材料体现了源于自然、融于自然、优于自然、归于自然的循环产品生命特征，符合“资源-产品-废弃物-再生资源”的反馈式循环过程，可以更有效地利用资源和保护环境，实现国家所倡导的“以尽可能小的资源消耗和环境成本，获得尽可能大的经济效益和社会效益，从而使经济系统与自然生态系统的物质循环过程相互和谐，促进资源永续利用”的目标。

木塑复合材料(wood—plastic composites，简称WPC)【1】，是以低值或废弃的生物质材料为主原料，利用高分子界面化学原理和塑料填充改性的特点，配混一定比例的塑料基料，经专业工艺处理后加工成型的一种可逆性循环利用的基础性材料。

木塑复合材料也称天纤塑料、环保木、防水木等，是利用废弃的木粉、稻糠等天然纤维填充、增强PE、PP、PVC、ABS等热塑性新料或回收塑料的新型改性材料。

由于WPC产品中95％以上可以使用再生材料，因此在国外，WPC更多地被称之为再生塑木(recycled plastic lumber，简称RPL)。

木塑材料的最大特性在于它同时具备了天然木材与合成塑料两种材质截然不同的基础材料的多重优点，因此具有五大特点：原料资源化、产品可塑化、应用环保化、成本经济化、回收再生化。

WPC市场发展十分迅速，由于各国对木材的使用限制越来越广泛，许多以前的木制产品纷纷转用WPC来生产。

2004年，欧美、日本等国家开始禁止木制托盘的使用，木塑托盘是代替木制托盘的最佳选择；木塑轨枕作为第三代铁路轨枕被各国看好，代替木轨枕和混凝土轨枕有良好的应用前景，美国已经在少量应用。

在世界范围内，WPC的年增长速度超过l5％，现已形成100亿美元的市场容量，随着WPC应用领域的不断扩大，这一市场的潜在容量将非常巨大。

目前木塑复合材料工业化生产中所采用的主要成型方式有：挤出成型、热压成型、注塑成型和吹塑成型等，其中特点突出，应用较广，技术最为成熟的是挤出成型方式。

木塑挤出成型的主要设备包括配混造粒机、单/双螺杆挤出机和成型模具三大部分。

木塑配混造粒机的主要功能是处理木质纤维与塑料基料的复合配混，并在木/塑两相材料逐渐亲和时完成塑化过程。

由于木塑材料的流动性极差，配混造粒较之单纯塑料要求更高，所以专用木塑配混造粒机完全不同于塑料造粒机，而是自成一体的新型设备。

木塑单螺杆挤出机通常是完成物料的进一步塑化和输送任务，采用特殊设计的专用螺杆，在挤出成型前对物料进行配混塑化，故要求该类螺杆具有较强的原料混炼塑化和输送能力。

木塑双螺杆挤出机依据正位移动原理输送和加工物料，它又可分为平行/锥型双螺杆两大类。

平行双螺杆挤出机可以直接加工木粉或植物纤维；锥型双螺杆挤出机的加料段直径较大，可对物料连续地进行压缩，可缩短物料在机筒内的停留时间，而其计量段直径小，对熔融物料的剪切小，形成加工热塑性木塑材料的一大优势。

此外，挤出机头及冷却定型系统也是关系到挤出制品质量的重要部件。

由于木塑复合材料的特殊性及木粉的高填充量，使挤出物料流动性差且不易冷却，常规的模具和定型设备已无法满足产品的需要，这使得机头的设计除了要保证流道设计的圆滑过渡与合理的流量分配外，还需要对机头的建压能力与温度控制精度进行重点设计，从而合理布臵机头的加热冷却装臵，使其冷却速度快，精度高，这样才能保证木塑制品的挤出速度和产品质量。

由于木塑制品模具随基材变化导致模具结构的差异也很大，因此形成目前以聚烯烃木塑和PVC木塑两大类产品系列模具。

以“聚烯烃木塑模具”为例，其模具不同要求及特点是：模具设计方面：有较低的熔体压力和较高的热熔量，但材料流动性能差，尺寸变化率大。

为了获得高性能木塑制品，模具必须采用不同于一般塑料的挤出工艺对木塑材料进行成型。

模具材料：木塑材料对设备及模具的磨损较大，模具材料的选用及热处理迥然不同于塑料挤出模具的要求。

木塑材料的加工方式与主要设备虽然表面上与塑料相似，但作为一个具有边缘性、多方位、专业化特点的新兴产业，其装备、技术和工艺涉及到化学工程、精细化工、精密机械、液压传动、真空技术、热力传导、流体力学、材料流变学、传感技术、电子自控、微机编程和物理化学等专业和学科，其生产设备有着自己鲜明的特色。

经过几年的开发应用，实践证明木塑材料作为具有独立特性的新型材料，其加工难度远远超出普通塑料制品，生产设备也越来越倾向专业化和特殊化。

木塑材料生产的关键技术是保证木粉在高填充量的前提下确保有较高的流动性和塑化性，从而促使塑料熔体能充分地与木粉粘接，达到共同复合的目的，使产品具有较高的物理力学性能以及良好的使用性能，最终用较低的成本制造出具有优良功能和高附加值的产品。

与加工塑料相比，木塑材料的生产设备有许多新的特性和要求。

首先是设备材料的选用。

由于大量木粉的添加，会加大设备中机筒和螺杆的磨损，因此用于木塑复合材料生产的设备所使用的钢材不能沿用传统的塑料机械所使用的钢材，而要采用强度更高，工艺更复杂的金属材料。

其次是工艺流程的设计。

由于木塑复合材料的原料含有大量的木材或其它生物质材料，导致融体的塑化性能下降，流动性变差，挤出阻力加大，螺杆扭矩增加，且木材在高温下容易分解，造成产品质量下降。

因此就要求在螺杆设计时要采用特殊工艺，以满足在较低温度和转速下具有良好的物料塑化性能和输送功能。

另外，木塑复合材料在加工过程中的纤维取向程度对制品性能有较大的影响，所以必须要合理设计流道，以获得合适的纤维取向来满足制品的性能要求。

再次是主要部件改进。

由于木质材料比重小、填充量大，设备加料区体积要比通常塑料机械的加料区大而长，若木粉加入量大，熔融树脂刚性强，还要求有耐高背压齿轮箱；专用螺杆推动力强，一般采用压缩和熔融快、计量段短的螺杆，确保木粉停留时间短。

在模具设计方面，由于木塑复合材料融体流动性不好，熔体自修复能力较差，极易造成熔体的破裂，因此要求在模具设计时内腔具有较高的光洁度或采用特殊材料进行处理。

此外，木塑复合材料在相同强度要求下，厚度要比纯塑料大，且其多为异型材料，结构复杂，这使得其冷却较为困难，一般采用水冷，而对于截面积较大或结构复杂的产品，还需采用特殊的冷却装臵和方法。

从科技发展的实例看，各种材料的配混复合是新材料发展的一个必然进程，木塑材料也不例外。

木塑材料的产业化推广大概起于上世纪80年代，主要诞生地之一是在美国。

初期的木塑材料一直是被当作改性塑料来对待的。

但随着木塑材料生产技术水平的不断提高，其制成品逐渐具备了诸如塑料、木材、金属等单质材料的诸多优点，产品特色逐步凸现，渐渐成为一类自成体系的新型材料。

木塑材料所具有的各种优点不仅非常符合建筑业、物流业、包装业等领域的使用要求，同时也解决了塑料、木材行业，甚至农业领域废弃资源的再生利用问题，这就推动和加速了木塑材料的研制进程，使其最终形成了一个新的产业。

木塑材料目前的适用范围几乎可以涵盖所有原木、塑料、塑钢、铝合金及其它相似复合材料现在的使用领域。

已开始涉及到的木塑材料应用范围包括：墙裙、窗套、套门、楼板、连廊、隔断、顶棚、包边、栅栏、栈桥、桑拿房、休息亭、汽车库、船甲板、家具饰件、水上通道、露天座椅、楼梯踏步、露天平台、建筑模板、集装箱铺板、运动场座椅、轻轨隔音墙、多功能墙隔板、高速公路隔音墙等；可以说木塑材料已开始渗入建筑、家装、家具、汽车、交通、物流、包装、园林、市政、环保、体育，甚至军事领域，辐射面和影响力正逐年扩大，应用前景十分广阔。

将木材与塑料复合制造木塑复合材料的工艺方法有多种，其原理各有不同之处。

采用热固性树脂时，一般将一定形态的木材原料与树脂液在常温、常压下混合均匀，然后，根据树脂的性质和复合材料或其制品性能的要求，在一定压力、温度等能够引发交联聚合的条件下固化成型，再经过修饰等后加工而得到产品；采用热塑性塑料或树脂时，一般将木材(纤维、粉末、刨花等)与塑料及加工助剂在常温下混合后，将混合物加热到高温使塑料熔融并与木材充分混合，然后将此具有流动性的木塑混合物料在压力下成型 (通常采用挤出、注射、热压等方式)，冷却固化后得到木塑复合材料制品。

无论采用热固性树脂还是采用热塑性塑料，最重要的也是共性的问题是要解决强极性木材与弱极性塑料(尤其是热塑性烃类聚合物)之间的界面相容性差的难题。

木材和塑料的相容性差主要是因为木材表面有丰富的极性基团——羟基，表现为亲水性；而塑料表面是非极性的，表现为憎水性，所以，当木材的比例过大时，复合材料的性能较差；木材比例过小，又达不到对复合材料性能的要求，因此，改善复合材料的界面相容性一直成为后续研究的主要目标之一。

通常采用对木材进行改性处理或使用添加剂等手段以增强复合材料的界面粘接强度。

木材表面的改性方法分为物理方法和化学方法，主要是提高聚合物的表面活性，如在聚合物大分子链上接枝极性和反应性支链，另一类是木材的表面改性。

物理方法主要包括加热烘干、蒸气喷发和放电处理等。

加热烘干法是处理木材最常见的方法。

这种基于半纤维素热降解和木质素的重排方法，使得木材表面羟基含量降低，有利于其与塑料的粘结。

但是半纤维素的移除，也使得胞壁结构不稳定，且高温也会导致木材发生各向异性收缩，破裂，甚至胞壁结构的破坏。

蒸气喷发是处理木材的一种新方法，该方法通过引起木材的形态和结构变化，使木材的胞壁破坏，从而增加木材强度和表面积。

放电处理包括低温等离子处理、离子溅射法和电晕放电法通过对木材表面的蚀刻作用，形成了力学咬合力，可改变木材的表面势能，而对于木材而言，电晕活化作用增加了木材表面醛基的含量。

低温等离子体处理也可以达到类似的效果。

根据采用的气体种类不同，可以获得各种各样的表面改性效果。

例如，能够产生表面交联，能够提高或降低表面能，能够产生表面自由基或基团等。

以上放电处理方法是已知的非常有效的活化聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯等“不活泼”聚合物的方法。