热塑性木塑复合材料

热塑性木塑复合材料

木塑复合材料( WoodPlast ic Composite, WPC)是指采用木纤维或植物纤维填充、增强的改性热塑性材料。与木材相比, WPC 能够连续挤出, 能够获得任意横截面; 尺寸稳定性和精确性良好, 几乎不产生废料; WPC 可以采用与木材一样的方法进行加工, 因此其户外维修的费用非常低; 为了更美观, 可以给WPC 上漆, 这一点比绝大部分塑料都要容易; 另外WPC 的户外耐久比软木要好, 使用时间预期为25~ 30 年。

热塑性塑料基体主要为PE、PP、PS 等聚烯烃和聚氯乙烯, 包括新料、回收料以及二者的混合料; 木纤维有废木粉、刨花、锯木; 其他植物纤维有粉碎处理过的稻秆、花生壳、椰子壳、甘蔗、亚麻、泽麻、黄麻、大麻等。废木可以从倒塌或坏死的树木获得, 也可以从传统木材加工过程中回收。木纤维和植物纤维对成型设备磨损小, 尺寸稳定性良好,电绝缘性优, 无毒, 可反复加工, 能生物降解。可见, 进行WPC 制备、加工的研究有巨大的环保意义和经济效益, 其应用有广阔的前景。

虽然木塑复合材料力学性能比木材要好，但目前TWPC大都作为非结构材料。对施工和建筑应用来说，能否在各种环境下保持所需力学性能非常重要。有人对在海水环境中腐蚀2年的TRIMAX木塑材料(HDPE类)做性能测试，没有发现翘曲等变形或开裂，尺寸变化也在生产厂商标明的允许范围内，材料的模量和强度只有很小的变化。疲劳测试中，由于木成分会升温，而塑料对温度敏感，所以木塑材料的疲劳性能难以测试。木塑材料的螺钉联结强度随温度的降低而增加。

木材是极性亲水性物质, 大多热塑性聚合物为非极性憎水性物质, 因此必须采取各种措施来提高木- 塑界面相容性。前目采用的方法主要有: 对木材进行乙酰化或硬脂酸化处理、聚甲基丙烯酸甲酯处理、马来酸酐处理等。另外由于绝大多数木材是以粉末或短纤维态与热塑性塑料复合的, 它们不易混合而易生成毛团状, 同时极性纤维与非极性塑料难以相容胶合, 造成复合体力学性能低劣。因此, 木塑复合材料在生产中的最大问题除了相容性之外还有分散性问题。相容剂可以改善木纤维在聚烯烃树脂中的分散性, 而偶联剂可以改善木纤维与树脂之间的粘结, 因而可以提高木纤维塑料复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度; 降低木纤维塑料复合材料的吸水率; 提高热塑性木纤维复合材料在湿态条件下的力学性能的保

留率以及热变形温度。用于WPC 的偶联剂有硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂等。

通常认为乙酰化处理原理是纤维组分的羟基与乙酸酐的酰基反应。由于木纤维中排列紧密, 有强交联键的结晶区的羟基完全不可接触到, 因此参与反应的羟基只是纤维组分( 木质素、半纤维和无定形纤维) 的小部分。乙酰化作用能降低木材在水中的膨胀, 大大减少天然纤维的吸水, 提高界面剪切强度, 增加纤维表面自由能。纤维含量80~ 90w t%时, 乙酰化可提高尺寸稳定性。硬脂酸作为胶粘剂可对纤维表面改性。利用羧基COOH 与纤维的羟基发生酯化反应, 从而减少与水键合的羟基数量。此外, 硬脂酸的长烃链是憎水基团, 能为纤维提供特别保护。

用硅烷偶联剂对木纤维处理后, 再接枝甲基丙烯酸甲酯单体, 同时使MMA 适当聚合,

也是一种木纤维改性的方法。通常认为, 将MMA 单体在常温真空浸渍木纤维要比在非真空条件下的浸渍效果好。但若采用甲醇作为MMA 的膨胀溶解剂, 能极大提高接枝率、拉伸强度、弯曲强度和压缩强度, 并可以获得与真空条件相似效果。

马来酸酐处理后制得的WPC 硬度大大提高, 并且可以限制样品膨胀, 阻止水及蒸汽的吸收, 这方面对硬木的效果最为明显。

用改性钛酸酯类偶联剂TC- POT、TC- PBT 处理木纤维, 可提高复合材料的拉伸强度, 但大大降低了复合材料的拉伸断裂伸长率。

采用辐射技术对木材进行处理, 目前国内报导较少, 但国外文献对这方面研究却很活跃。采用Co60 伽马放射源辐射配合各种添加剂处理木材, 可以获得更好接枝效果和聚合物负载。用伽马射线辐射黄麻纤维,再使黄麻与MMA 接枝, 可使黄麻强度大大增加。马来酸酐浸渍过的木材用伽马辐射技术处理后, 得到的WPC 吸水性显著降低, 尺寸稳定性大大提高, 压缩强度和硬度也有很大提高。

目前, WPC 大都是作为非结构材料, 对施工和建筑应用来说, 弯曲性能是材料弯曲和

负载抗弯曲的主要标准。要获得良好的物理性能和加工经济性, 就是要在硬度, 木材含量和降低密度三方面找到平衡点。当负载速率低于62. 5 mm/ min 时, 弯曲性能明显下降。

当前WPC 材料主要应用有: 建筑业, 如建筑板、活动板房板材、门、窗、楼梯扶手、装饰材料、铺垫地板材料等; 汽车业, 如车门板材、车厢板、顶棚材料等; 农业, 如蔬菜大棚支架、槽等; 交通业, 如高速公路防护栏、隔离墙板、铁道防护栏、铁轨枕木等; 仓储业, 如物料搬运用包装箱、木塑托盘等。而WPC 最大规模的应用是在诸如地板和次级建筑材料这类中高档产品中。美国已经能够利用回收料制备的WPC 制造隔音墙。随着公众对降低交通噪音的需要日益增长, 迫切要求更好的公路隔音墙。传统使用的木材、钢、混凝土消耗自然资源并且很难符合公众的审美标准。采用木材或钢作结构支架, 其余部分使用经过提高密度的从木材业回收的塑料木。这种隔音墙有许多优点: 耐久且几乎不需要维修; 能够象木材一样固定和切割; 可以设计各种颜色和纹理; 抗虫且不能在上面乱涂写; 成本也很低。

木塑复合材料是一种极有应用前景的材料, 特别是作为建筑的使用。其性能的研究既可以增强物理机械性能为出发点, 制备结构用材料; 也可以从使用角度研究, 从而扩展材料的应用范围。