木塑复合材料的研究进展

木塑复合材料的研究进展

现阶段木塑复合材料的基体主要有PP、PE、PVC、PS以及ABS等,从目前市场上的产品来看,主要是PE基的木塑复合材料制品,而 PP 基和PVC基的木塑复合材料也占一定的比例。目前,木塑复合材料的研究也以这三种塑料基体为基础,但许多研究者已经开始进行新型木塑复合材料的研发。

1. PE基木塑复合材料

聚乙烯(PE)是一种无毒、质轻、具有优异的耐化学腐蚀性和电绝缘性的热塑性聚合物，广泛应用于电器工业、化学工业、食品工业、机器制造业和农业等方面。PE 树脂的产量自20世纪60年代中期以来一直高居世界塑料产量的首位，常见的品种有高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)以及线形低密度聚乙烯(LLDPE),性能各有不同,其中HDPE在木塑复合材料的应用最为广泛。

Cui J.等[1]将丙烯酰胺-甲醛-尿素三元共聚物(AMFU)用于增容植物纤维/HDPE复合材料体系，结果表明AMFU对植物纤维/HDPE复合体系有良好的增容作用，使得复合材料的静态和动态力学性能明显改善，复合材料的吸水率降低。该研究给出了一种增容木塑复合材料的新途径。

Tan H.等[2]研究了MAPE对椰壳纤维/LLDPE复合材料体系力学性能的影响，并用扫描电子显微镜观察了复合材料冲击断面的形貌。研究发现,加入MAPE后，复合材料的弯曲强度和冲击强度均高于未加界面改性剂的；SEM照片显示,加入MAPE的复合材料有更好的界面粘接，椰壳纤维和LLDPE树脂基体间的相容性得到了改善，这也是复合材料刚性和韧性提高的主要原因。

2. PP基木塑复合材料

聚丙烯(PP)树脂按结构不同，可以分为等规聚丙烯、间规聚丙烯和无规聚丙烯三类，目前作为塑料使用的PP一般均为等规结构的。PP的电绝缘性和耐化学腐蚀性优良，尤其是力学性能和耐热性在通用塑料中是最好的，但其低温脆性大，耐老化性不好。由PP的价格相对低廉，目前其在木塑复合材料中的应用也很广泛。

为了克服PP基木塑复合材料在加工过程出现的缺陷问题，Hristov V.等[3]将热塑性硅胶弹性体(TPSE)引入 PP/木粉复合材料体系加以研究。结果发现，在木粉含量为50wt%,未添加TPSE和MAPP的情况下，挤出物表面粗糙，且有严重的撕裂现象。当加入1wt%TPSE后，上述现象得到缓解甚至消失,提高挤出速度可以获得更加光滑的表面。另外还发现MAPP的加入也能降低表面缺陷的程度。

Danyadi L.等[4]采用两种不同分子量和接枝率的MAPP作为界面改性剂，制备了木粉填充量从0-70wt%变化的PP/木粉复合材料。通过对复合材料力学性能和扫描电镜等测试表明，复合材料的刚性随着木粉含量的增加而提高，并且与MAPP的加入量和接枝率无关。但MAPP的种类对材料的拉伸强度影响很大，高分子量和低接枝率的MAPP对于提高复合材料的拉伸性能和冲击性能更为有效。

Kokta B. V.等[5]系统研究了聚丙烯接枝马来酸酐(MAPP)、过氧化二异丙苯(DCP)和顺丁胶异氰酸盐(PBNCO)的用量对PP/杨木粉复合材料力学性能的影响,并确定了二者的最优含量使得木塑复合材料冲击强度得到维持或提高的同时避免了拉伸强度的降低。此时,复合材料的拉伸强度由纯PP的32MPa提高到60MPa，杨氏模量由700MPa升高到约1700MPa，冲击强度也由52J/m2提高至 60-62J/m2，

在这些性能增加的同时只有屈服应变从纯PP的11%降到了复合材料的8%。

3.PVC基木塑复合材料

PVC具有不易燃烧、抗化学腐蚀、耐磨性好等优点。近些年来，PVC基木塑复合材料呈现快速增长的势头,通过添加热稳定剂、加工助剂、抗冲改性剂、润滑剂和颜料等制备的复合材料大部分用作门窗、地板、栏杆等。

Shah B. L.等[6]采用甲壳素和壳聚糖作为新型相容剂，研究了其对 PVC/木粉复合材料的性能影响。实验表明，添加了质量分数为0.5%壳聚糖和6.67%甲壳素后，PVC/木粉复合材料的弯曲强度提高了约 20%,储能模量提高了约74%。壳聚糖作为自然界中仅次于纤维素的第二大生物资源，在 PVC/木粉复合材料中的应用前景广阔。

Guffey V. O.等[7]采用氯化聚乙烯(CPE)作为界面相容剂增容PVC/木粉复合材料。研究表明CPE通过包覆在填料表面，增加填料与PVC基体的粘结性能,从而提高复合材料的冲击性能；而且CPE能改善不同树脂基体间的界面相容性,可以作回收塑料组份间的增容剂。通过实验室和中试实验发现,CPE的加入能显著改善PVC/木粉复合材料的加工性能,从而在提高挤出速度的同时保证了制品表面的美观性。

4. ABS基木塑复合材料

ABS 树脂是苯乙烯系列三元共聚物,它是由苯乙烯(St)和丙烯腈(AN)、丁二烯(Bd)三种单体接枝共聚而成的一种热塑性通用塑料,也有文献将其归类为工程塑料。ABS 是一种典型的橡胶增韧塑料体系,为二相结构,树脂相为连续相,橡胶相为分散相,构成所谓"海岛"结构,树脂相和橡胶相的界面是接枝层,这种结构使树脂的性能发生了明显的变化,尤其是冲击性能。ABS 是无定形聚合物,无明显的熔点,熔融流动温度不太高,随所含三种单体比例的不同,在 160-190℃范围即具有充分的流动性,且热稳定性好,在约高于 285℃时才出现分解现象,加工温度范围较宽,适合制备木塑复合材料。同时ABS存在腈键等极性基团,可能与极性的植物纤维有较好的相容性。

Chotirat L.等[8]首先研究了木粉含量对木粉/ABS 木塑复合材料力学性能的影响,并采用两种有机硅烷偶联剂γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KBM503)和 N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷(KBM603)进行增容,经改性后的木粉/ABS 复合材料的强度和模量提高,但断裂伸长率有所降低。

Yeh S. K.等[9]在双螺杆挤出机上,在配方比例相同条件下,对比研究了废旧ABS/木纤维复合材料和纯 ABS/木纤维复合材料的物理机械性能。研究发现两者的拉伸性能、冲击强度和断裂伸长率能都相差不大,且均高于相同条件下的 PP/木纤维复合材料。扫描电子显微镜分析表明,在未加入任何界面改性剂的情况下,木纤维与 ABS 之间结合良好,没有明显空隙,他们认为这是由于 ABS 表面为弱极性,与木纤维表面能够很好的相融合。

5. 新型木塑复合材料的研究进展

近年来木塑复合材料的研究和开发应用有了长足的发展,对木塑复合材料的需求也越来越大,传统的 PE、PP、PVC 基木塑复合材料已不能满足市场需求,急需开发新的基体制备木塑复合材料,因此开发新型木塑复合材料也成为现在的研究热点。基于这一前提,一些新的树脂被研究用于木塑复合材料的制备,如聚丁烯(PB)、聚乳酸(PLA)以及一些高分子合金等等。

Afrifah K. A.等[10]应用注射成型技术制备了聚丁烯(PB)/木粉复合材料,并对比其与PE 及 PP 基的木塑复合材料的力学性能。PB/木粉复合材料在强度和