木塑复合材料生产设备现状与发展

木塑复合材料生产设备现状与发展

秦特夫

（中国林业科学研究院木材工业研究所,北京 100091）

摘要：本文介绍了木塑复合材料发展的现状以及各种生产设备，以及木塑材料的特点，介绍了木塑复合材料的生产特点和发展理由。

关键词：木塑复合材料；可塑化；经济化；回收再生化

木塑复合材料是指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循环加工利用的新型材料。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，它具有五大特点：1、原料资源化；2、产品可塑化；3、应用环保化；4、成本经济化；5、回收再生化。木塑复合材料生产设备就是为该材料提供生产，通过自主集成创新问世的新型设备。

一、木塑材料的生产设备

木塑复合材料的制造主要有挤出成型、热压成型、注塑成型等工艺，但目前应用较广、技术最为成熟的是挤出成型工艺。根据生产工艺的要求，整条生产线所需设备主要由以下几个部分构成：

1.生物质原料制备设备

该设备主要由木材削片机和木材磨粉机组成混合机组，主要用于木塑复合材料中生物质原料的制备。该机组要求可以对各种木材和农业剩余物进行粉碎，并根据产品制造的要求生产出不同粒径的生物质粉体材料。

2.高速混料机组

该机组由高速热混机和冷混机组成，热混的物料自动进入，冷混的物料进行冷却混合，排除残余气体。主要用于各种树脂与生物质粉体材料的混合、干燥、配料、着色、脱挥等。

3.造粒设备

造粒设备的主要功能是使木/塑两相材料实现预塑化的过程，能将生物质粉体材料与塑料在熔融条件下实现均匀混合，为木塑复合材制品的生产进行前处理。由于木塑熔体的流动性较差，所以木塑材料造粒机与塑料造粒机的设计并不完全相同。针对不同的塑料，造粒机的设计也有所差异。通常用于聚烯烃类塑料的木塑复合材料造粒机采用的是平行双螺杆挤出机。而用于聚氯乙烯的造粒机通常选用锥型双螺杆挤出机，这是因为聚氯乙烯为热敏感性树脂，锥型双螺杆挤出机具有较强的剪切力，且螺杆长度较平行双螺杆挤出机短，减少了物料在料筒中的停留时间。螺杆外径从大到小成锥形设计，因此压缩比相当大，可以使物料在料筒中塑化得更充分、均匀。

4.挤出机

在挤出成型的木塑复合材料制造过程中，挤出机是实现木塑复合材料制造的关键设备。其性能不但对材料的物理力学性能，也对单位时间内的产量产生很大的影响，由此影响到单位能耗和生产成本等。

通常用于木塑复合材料生产的挤出机型主要为单螺杆挤出机和锥形双螺杆挤出机。挤出机的主要作用为：完成物料的进一步塑化，提供温度均匀与组分均匀的熔体，进行稳定、可控制的输送，从而实现生产的进行。

单螺杆挤出机主要由三部分组成：挤出系统、传动系统和加热、冷却系统。挤出系统主要由螺杆和料筒组成；传动系统组要由电机、调速与传动装置组成；加热、冷却系统主要由加热器和制冷装置构成。这些系统均可采用集成模块设计，实现自动控制。由于木塑复合熔体粘度较高，要求该螺杆具有较强的原料混炼塑化和输送能力，因此需采用特殊设计的专用螺杆设计，以满足生产的需要。

双螺杆挤出机与单螺杆挤出机的不同点主要表现为：1.双螺杆挤出机由两根相互紧密啮合的螺杆组成；2.，双螺杆挤出机物料的输送是正向位移输送，其位移程度取决于一根螺杆与另一根螺杆相对应的螺槽接近程度。所以，紧密啮合的反向旋转螺杆中的物料能获得最大的正向位移；3. 双螺杆挤出机中的物料输送速度分布比单螺杆挤出机复杂得多。

用于木塑复合材料制造的双螺杆挤出机主要为平行和锥型双螺杆两大类。

与单螺杆挤出机相比。双螺杆挤出机在木塑材料的成型加工时具有如下特点：

1）单螺杆的物料输送效率取决于固体物料的摩擦性能和熔体的粘度。在双螺杆挤出机中，物料的输送是靠正位移的原理进行的，不会产生压力回流。因此，物料较单螺旋挤出机相比易加入。

2）由于双螺杆挤出机的螺杆长度较短，因此物料在双螺杆挤出机中停留时间短，这一方面可避免木质纤维热降解的发生，还可降低功率消耗。

3）物料经纵、横向的剪切、混合，具有优异的均化合塑化效果。

4）具有优异的排气和自洁功能。

5）双螺杆挤出机的流率对口模压力不敏感，用来挤出大尺寸和面积的制品比较有效。而单螺杆挤出机的流率对口模压力比较敏感。

5.成型模具

模具是使木塑熔体冷却成型获得挤出制品的重要部件。由于木塑复合材料通常具有较高木粉含量，使熔体流动性差且不易冷却。因此常规的模具和定型设备已无法满足生产的需要。对于生产木塑复合材料的模具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，还需要口模的进口区流线型化，这可以使熔体的临界剪切速度增大10倍或更多，从而减少熔体的破裂。此外，木塑复合熔体的临界值将随着口模的长径比和挤出温度的提高而上升，并且与模具材料的关系较大，因此要求模具所使用的材料具有较高的热容量。

二、木塑材料专用生产设备的特点

木塑材料的挤出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、传感技术、电子自控、微机编程和物理化学等专业和学科，其生产设备独具特色。经过多年的开发应用，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结合，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。由于木塑复合材料在生产过程中，其原料中有大量的木材或其它生物质材料存在，阻碍了热量的传递，使得融体的塑化性能下降，流动性变差，挤出阻力加大，螺杆扭矩增大，且木材在高温下容易分解，造成产品质量下降。因此这就要求在螺杆设计时要采用特殊工艺，以满足在较低温度下具有良好的物料塑化性能和物料输送功能。此外，由于大量的木粉存在，会增加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也不能沿用传统的塑料机械所使用的钢材。由于木质材料比重小、填充量大，加料区体积要比常规型号的大而长；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；螺杆推动力强，应采用压缩和熔融快、计量段短的螺杆，确保木粉停留时间短等等。同时，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结构，以获得合适的纤维取向来满足制品的性能要求。在模具设计方面，由于木塑复合材料融体流动性较差，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置和方法。

三、木塑材料专用生产设备应用现状

从科技发展的实例看，各种材料的混配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约起于上世纪80年代，主要诞生地之一是美国。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，同时也解决了回收塑料、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。

目前国内木塑专用设备的生产厂家数量较少，但其影响和作用一直在逐渐扩大。作为相对庞大的塑料加工机械行业，虽有更多的企业欲跻身木塑专用设备生产行列，但囿于对木塑材料加工的理解不够和工艺技术的限制，实现这一目标还有很多困难。但是，为数不多的木塑专用设备生产企业在发展中也遇到人员、资金、规模等因素的局限，其发展也不顺利。我们必须注意到的另一个现象是国外一些木塑专用设备制造企业，如：美国的米拉克龙·辛辛那提公司、戴维斯·丹顿公司、特克帕斯公司等长期觊觎中国庞大的木塑材料市场。如果我们不在这个领域有果断的措施和相应的手段扶持国内企业，作为在国内制造业中为数不多的，能够与欧美平等对话的新兴的中国木塑产业将会受到很大的挤压。

四、鼓励木塑材料专用生产设备发展的理由

伴随木塑复合材料的优点逐渐被发掘，2002年，该材料就已经进入中国科学院《2002高技术发展报告》；同年，被列入国家科技部“863”项目和国家林业局“948”计划，为此设立了专项课题组；2001－2006年，国家发改委（经贸委）一直将木塑复合材料列为“国家高技术产业化新材料专项项目”；2005年12月，国家发改委公布了《产业结构调整指导目录（2005本）》，其中鼓励发展的产业中有关或涉及到生物质（木塑）复合材料的项目高达18项之多；2006年1月国务院发表的《国家中长期科学和技术发展纲要》中，列入优先发展的68项主题中，生物质（木塑）复合材料与五个领域的5个主题相关联，在前沿技术和基础研究中分别占有一席之地。在刚通过的《国民经济和社会发展十一五规划纲要》中，