木塑复合材料

木塑复合材料的发展历史、性能、应用及研究意义

摘要木塑复合材料(WPC)具有比单独的木质材料或塑料产品更优异的性质,是木材的理想替代品,它的出现可以减少废弃木材和塑料对城市环境的污染,也适应现代材料复合化发展的规律。本文简要介绍了木塑复合材料的发展历史、特点、加工工艺及应用,并对木塑复合材料的发展方向进行了分析,充分肯定了发展木塑复合材料的必要性和可行性。

关键词木塑复合材料性能应用发展前景

前言近几年来，全球森林资源日趋枯竭，环境保护意识日渐高涨，对木材的应用也提出了更高的要求。为了节约资源，提高木材与塑料的利用率，克服塑料和木材行业面临的难题,提高农村废弃物和固体垃圾的利用,一种将天然木材与废旧热塑性塑料合成而得到的新材料———木塑复合材料以其优异的性能得到越来越广泛的使用。

木塑复合材料是利用木粉、竹粉、果壳粉或农作物秸秆粉和塑料树脂或废旧塑料为主要原料,经高温混合、成型加工而制得的一种新型环保复合材料。木塑复合材料可以防虫蛀、抗腐蚀,无须防腐处理进而减少环境污染,而且可以被加工成各种空心型材,因此木塑复合材料被广泛应用于许多领域，是最具潜力的一种新型材料。木塑复合材料的开发与应用,具有良好的社会和经济效益。

1.木塑复合材料的发展历史

对木塑复合材料的研究已经有50多年的历史。1964年，木塑复合材料被誉为当年的世界十大科学成就之一。1965年，在美国纽约举行了木塑复合材料的专题座谈会，发表了在单体中加入化学引发剂、用热引发法制造WPC的论文。1967年，国际原子能协会在曼谷召开了大型国际会议，木塑复合材料被列为和平利用原子能的研究项目。20世纪80年代初，木塑复合材料在国外就已经有研究成果和实际应用。日本的阿特隆公司于1980年申请了专利且在世界范围内推广，是近年来国外发展较快且经济效益显著的实用新技术。1983年，美国Woodstock公司开始用意大利的挤出技术生产车内部底板装置，用聚丙烯和50％的木粉混合挤出成型，这种产品是美国对WPC的较早应用。90年代初，美国Trex公司开始生产由聚氯乙烯和50％木材纤维构成的复合材料，主要用于建筑门窗。

WPC自20世纪90年代初在发达国家已经受到关注，并被列为重要研究开发领域，投入了大量的人力和物力。1991年，由美国林产品学会、加拿大多伦多大学、美国塑料协会和

美国化学会在美国的威斯康星州共同组织召开了首届木塑复合材料国际研讨会，共同探讨在木塑复合材料研究和发展领域的各种理论和技术问题。第二届年会在加拿大多伦多召开。美国农业部林产品研究所、威斯康星-麦迪逊大学、密歇根技术大学木材研究所、加拿大多伦多大学、英国威尔士大学生物复合材料中心、日本京都大学木质科学研究所、瑞典卡米技术大学等对木塑复合材料的研究，从基础理论到实用技术都取得了较大进展。有关专家认为，研究开发木塑复合材料，是木材工业史上最具革命性的发展，是现代材料工业发展的主要方向。

2.木塑复合材料的性能

木材是天然高分子材料。天然高分子材料作为一种可持续发展的资源，因其来源丰富将会越来越显示其重要的地位。地球上每年生长的植物中所含的纤维素高达千亿吨，超过了现有石油的总储量，这是大自然给我们的一种既廉价又取之不竭的可再生资源。要迎接今后石油危机、能源危机可能给高分子原料来源带来的挑战，重要的出路之一就在于对天然高分子材料的开发和利用。

近几年来，在全世界经济高速发展的同时，森林资源遭到空前的破坏。在21世纪，人们必须合理地协调解决人类与资源、环境和发展之间的关系，走可持续发展道路。近几年俩，中国对森林资源的严重砍伐，使不少地区出现了严重的水土流失，造成北京地区的连年风沙、江浙地区的洪雹灾害等。为此中国政府做出了保护生态环境的重大决定，启动了天然林保护工程，木材供需矛盾进一步加剧。为了缓解木材的供需矛盾，一方面要充分利用木材的剩余物，提高木材的利用率；另一方面就是寻找木材的替代品，受“绿色发展”的影响，目前木材的替代品多种多样。

在大量的木材替代品中，木塑复合材料具有以下特有的性能：

木塑复合材料的基础为高密度聚乙烯和木质纤维，决定了其自身具有塑料和木材的某些特性。

1) 良好的加工性能

木塑复合材料内含塑料和纤维，因此，具有同木材相类似的加工性能，可锯、可钉、可刨，使用木工器具即可完成，且握钉力明显优于其他合成材料。机械性能优于木质材料。握钉力一般是木材的3倍，是刨花板的5倍。

2) 良好的强度性能

木塑复合材料内含塑料，因而具有较好的弹性模量。此外，由于内含纤维并经与塑料充分混合，因而具有与硬木相当的抗压、抗弯曲等物理机械性能，并且其耐用性明显优于普通木质材料。表面硬度高，一般是木材的2——5倍。

3) 具有耐水、耐腐性能，使用寿命长

木塑材料及其产品与木材相比，可抗强酸碱、耐水、耐腐蚀，并且不繁殖细菌，不易被虫蛀、不长真菌。使用寿命长，可达50年以上。

4) 优良的可调整性能

通过助剂，塑料可以发生聚合、发泡、固化、改性等改变，从而改变木塑材料的密度、强度等特性，还可以达到抗老化、防静电、阻燃等特殊要求。

5) 具有紫外线光稳定性、着色性良好。

6) 其最大优点就是变废为宝，并可100％回收再生产。可以分解，不会造成“白色污染”，是真正的绿色环保产品。

7) 原料来源广泛

生产木塑复合材料的塑料原料主要是高密度聚乙烯或聚丙烯，木质纤维可以是木粉、谷糠或木纤维，另外还需要少量添加剂和其他加工助剂。

8) 可以根据需要，制成任意形状和尺寸大小。

3.木塑复合材料的加工工艺

木塑复合材料主要有四种加工工艺：①挤出注塑法；②无纺织成型法；③人造板加工方法；④实木浸注聚合法[1]。

挤出注塑法是采用传统的塑料制品生产工艺，该方法适用于植物纤维以粉状形态出现，要求混合体系有一定的黏度及流动性，与塑料基体熔融混合后挤出或注塑加工成型材。此方法可连续性生产，操作方便，生产效率高，目前应用最为广泛。

无纺织成型法也叫非气流铺装成型法，即将木纤维与塑料基体在常温下混合，木纤维及其他纤维状材料经混合后通过针刺工段，用薄型无纺布衬托而制成纤维相互缠绕的低密度板坯，可根据最终产品的需求和要求，将一块或数块板坯热压成最终产品，主要用于汽车内饰件材料。

人造板加工方法类似于普通刨花板的生产工艺，将木质材料与回收塑料混合(铺装)后再热压复合而制成。塑料既是传统人造板的改性剂也完全替代了传统人造板的粘合剂，该法适于植物纤维含量比较高的复合材料的生产[2]。

实木浸注法即以木材为基质的塑合木，将塑料单体或低聚合度树脂浸入到实体木材中，通过加热或辐射引发塑料单体或者低聚合度树脂在木材中进行自由基聚合。此方法研究的历史较早，采用的树脂单体有苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、乙酸乙酯、丙烯腈等乙烯类单体。然而此种方法制备工艺复杂，不利于商业化应用。Loo-Teck Ng等[3]采用γ-射线引发注入木材中的MMA自由基聚合，制作木塑材料。RashmiR.Devi,Iliao Ali等[4]采用在软木中注入单体苯乙烯、交联剂GMA、引发剂AIBN等引发聚合交联对软木进行改性。

4.木塑复合材料加工的难点

WPC用途广泛，价格便宜，但是要生产出各方面性能优异的产品却不容易，主要原因是：1）木质材料羟基大量存大，产生强极性和强吸水性具有很高表面积，因而与低表面能的塑料相容性很差。2）木质材料的添加量越高，在熔融的热塑性塑料中分散效果越差。3）木质材料的添加量越高，在熔体中混合分散后其熔体流动性越差4）木质材料结构蓬松，加料时易出现架桥和抱杆现象，进而易产生挤出波动现象。5）木质材料中所带有的小分子挥发物质和水分，极易给制品带来缺陷，而前处理又不易清除它们。因而挤出设备上的排气装置极为重要，不仅要有排气口，而要推广多阶排气。可以说，排气效果越好，制品质量也越好。所以生产WPC制品的关键技术是在保证植物纤维高填充量的的前提下，如何确保WPC的高加工流动性，树脂与木粉之间的良好相容性，以达到最佳力学性能，最终用较低的生产成本生产出具有较高使用性能的WPC制品。