微發(fā)泡木塑復(fù)合材料

1、微發(fā)泡木塑復(fù)合材料木塑復(fù)合材料具有一系列優(yōu)于木材和塑料的特殊性能；有木質(zhì)外觀以及類似木材的二次加工性。但尺寸穩(wěn)定性要比木材好，且吸小性小，不怕蟲蛀、不會(huì)象木材那樣產(chǎn)生裂縫和翹曲變形；具有熱塑料性塑料的加工性，但硬度比塑料高，耐磨、耐老化、耐腐蝕。各種助劑的加入可以賦予其更多特殊性能：如抗菌性、阻燃性、抗強(qiáng)酸強(qiáng)堿性等。如加入著色劑、覆膜或復(fù)合表層可制成具有各種色彩和花紋的美觀制品。尤為值得一提的是，木塑復(fù)合材料不但加工原料可采用回收的廢塑料和廢木材，其本身也可回收再利用，對(duì)減少環(huán)境污染，保護(hù)森林資源意義重大。通過氣體核將非常小的泡孔引入到木塑復(fù)合材料中形成的微發(fā)泡木塑復(fù)合材料除具備上述木塑復(fù)合材

2、料的優(yōu)點(diǎn)外，因材料內(nèi)部存在良好的泡孔結(jié)構(gòu)可以鈍化裂紋尖端，阻止裂紋的擴(kuò)展；從而可有效地克服一般木塑復(fù)合材料脆性大、延展性和抗沖擊應(yīng)力低的缺點(diǎn)，并且降低了材料的密度，不僅節(jié)省原料，而且隔音、隔熱性能也較好。在建筑結(jié)構(gòu)材料，汽車內(nèi)飾、航天、物流。園林。室內(nèi)裝潢等方面得到極為廣泛的應(yīng)用。目前微發(fā)泡木塑復(fù)合材料的主要成型方法是連續(xù)擠出成型和注塑成型法。連續(xù)擠出成型法由于具有加工周期短。產(chǎn)量大、效率高、成型工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)化生產(chǎn)中與其它加工方法（模壓成型、注射成型）相比有著更廣泛的應(yīng)用。目前可用于微發(fā)泡木塑復(fù)合材料擠出成型的設(shè)備主要是單、雙螺桿擠出機(jī)。本文綜述了聚乙烯（PE）/木纖維、聚丙烯（PP

3、）/木纖維、聚苯乙烯（PS）/木纖維四種微發(fā)泡木塑復(fù)合材料的研究進(jìn)展。1、國(guó)內(nèi)外研究狀況木纖維因含有大量的極性羥基和酚羥基等官能團(tuán)，表面表現(xiàn)出很強(qiáng)的極性，與非極性塑料的相容性差，且易吸水，分散性差。加入木纖維對(duì)復(fù)合材料的發(fā)泡及最終制品的物理機(jī)械性能將產(chǎn)生不同程度的影響。因此國(guó)內(nèi)外的研究主要圍繞改善界面相容性以及影響復(fù)合材料發(fā)泡程度和泡孔結(jié)構(gòu)的因素展開。1.1 PE/木纖維LIQX等研究了化學(xué)發(fā)泡劑的類型、用量對(duì)高密度聚乙烯（HDPE）/木粉復(fù)合材料的影響，發(fā)現(xiàn)化學(xué)發(fā)泡劑類型對(duì)復(fù)合材料的泡孔尺寸基本上沒有影響；但隨著發(fā)泡劑用量的增加，復(fù)合材料的空隙率增加并在發(fā)泡用量為一定量時(shí)達(dá)到最大；進(jìn)一步增大

4、發(fā)泡劑用量，空隙率基本保持不變。RodrigueD等證實(shí)木粉可作為泡孔成核劑，發(fā)現(xiàn)在一定的范圍內(nèi)增加木粉的用量不但有助于提高泡孔密度，而且減小了泡孔的平均尺寸。蔡劍平發(fā)現(xiàn)木粉中的水分在物料擠出過程中可以起到發(fā)泡劑的作用，可以使制品獲得均勻的泡孔結(jié)構(gòu)。但當(dāng)木粉中水分超過一定量時(shí)，會(huì)降低物料的粘度，破壞了發(fā)泡劑所形成的均勻泡孔，使制品泡孔大小不一；且在模頭出口仍有大量水汽逸出，影響了表面結(jié)皮；另外，牽引易斷裂，導(dǎo)致成型困難。因此，對(duì)木粉進(jìn)行適度干燥處理，利于擠出牽引、提高發(fā)泡程度。用平行雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行PE/木粉復(fù)合材料的發(fā)泡擠出可得到密度較精確地控制在0.6-0.7g/CM3的制品。ZhangH

5、等發(fā)明了一種在加工過程中對(duì)木粉具有即時(shí)除濕功能的串聯(lián)式擠出系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)通過物理發(fā)泡生產(chǎn)出了具有良好泡孔結(jié)構(gòu)的HDPE/木粉復(fù)合材料。MatuanaLM等發(fā)現(xiàn)HDPE/木粉復(fù)合材料中的空隙率與擠出機(jī)機(jī)頭溫度、螺桿轉(zhuǎn)速以及木粉中的水分有很大關(guān)系。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為120R/MIN、木粉中水量控制在12%、擠出機(jī)機(jī)頭溫度為170c時(shí)不使用化學(xué)發(fā)泡劑也能生產(chǎn)出高空隙率的復(fù)合材料。1.2 PVC/木纖維MatuanaLM等發(fā)現(xiàn)氨基硅烷處理過的木纖維具有很強(qiáng)的堿性和供電能力，而PVC經(jīng)氨基硅烷處理后具有更強(qiáng)的酸性，使PVC與木粉在界面處發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而成為PVC/木粉復(fù)合材料有效的偶聯(lián)劑。苑會(huì)林等發(fā)現(xiàn)，用

6、鋁酸酯偶聯(lián)劑和丙烯酸丁酯偶聯(lián)劑處理木粉可顯著提高木粉/PVC發(fā)泡材料的力學(xué)性能。木料經(jīng)過表面處理后，不但有助于其在樹脂中的分散；而且增加了樹脂與木粉間的粘合力。放熱型發(fā)泡劑偶氮二甲酰胺（AC）分解產(chǎn)生的氮?dú)庠赑VC基體中的溶解性要比吸熱型發(fā)泡劑NaHCO3的主要分解產(chǎn)物。2低，且其分散性也比CO2要好。鐘鑫等發(fā)現(xiàn)，采用表面接枝甲基丙烯酸甲酯的方法處理木纖維，可增強(qiáng)其與PVC樹脂的界面粘合性用硝酸鈾鏤作引發(fā)劑在木纖維表面羥基處形成自由基，這些自由基與甲基丙烯酸甲酯發(fā)生反應(yīng)，形成接枝物。MengelogluF等研究了用吸熱型和放熱型發(fā)泡劑擠出發(fā)泡成型硬質(zhì)PVC/木粉復(fù)合材料的過程。發(fā)現(xiàn)放熱型發(fā)泡劑

7、得到的泡孔尺寸比吸熱型發(fā)泡劑的小，發(fā)泡后復(fù)合材料的延展性得到提高，空隙率可達(dá)35%;但與此同時(shí)，也造成拉伸彈性模量和拉伸強(qiáng)度的降低。MatuanaLM等用木纖維中的水分作發(fā)泡劑來發(fā)泡成型硬質(zhì)PVC/木粉復(fù)合材料，研究了木纖維中的水量、丙烯酸酯改性劑用量、化學(xué)發(fā)泡劑AC用量及機(jī)頭溫度對(duì)發(fā)泡過程的影響。發(fā)現(xiàn)木纖維中的水量和AC用量之間沒有協(xié)同增效作用；在硬質(zhì)PVC/木粉復(fù)合材料的發(fā)泡配方中加入丙烯酸酯，可明顯降低制品密度；而且如果丙烯酸用量合適，機(jī)頭溫度設(shè)定合理，不用任何化學(xué)發(fā)泡劑也可使硬質(zhì)PVC/木粉復(fù)合材料發(fā)泡成型。陳立軍等研究了尿素、碳酸鋅檸檬酸、醋酸鋅、硫酸銘和甘油等助發(fā)泡劑活化后對(duì)AC發(fā)

8、泡劑熱分解的影響。發(fā)現(xiàn)活性物質(zhì)通常都能夠增加單一AC發(fā)泡劑的發(fā)氣量。但不同的活性物質(zhì)對(duì)AC發(fā)泡劑的活化作用不同。MatuanaLM等通過試驗(yàn)證實(shí)，增塑劑DOP可以降低PVc/木粉復(fù)合材料熔融粘度，有利于氣體在基體中的擴(kuò)散和泡孔的生長(zhǎng)，有助于增加聚合物的彎曲和拉伸能力；但同時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果增塑劑用量過大會(huì)導(dǎo)致粘度過低，加速氣體從發(fā)泡材料的表面溢出，反而不利于形成較高的孔隙度。苑會(huì)林等發(fā)現(xiàn)，在PVC/木粉復(fù)合材料中加入增塑劑DOP有助于降低加工溫度，減少木粉分解和發(fā)煙，改善PVC和木粉的親和性以及熔體流動(dòng)性，最終改善了材料的力學(xué)性能和加工性能。研究還發(fā)現(xiàn)增塑劑的加入使材料的玻璃化溫度和脆化溫度降低，且

9、隨著DOP用量的增加，材料的韌性增強(qiáng)，使其在斷裂前吸收了更多能量，從而使材料的沖擊強(qiáng)度幾乎呈線性提高。MatuanaLM等發(fā)現(xiàn)，改性劑CPE可提高PVC木塑復(fù)臺(tái)材料的沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度。丙烯酸酯ACR用作PVC的抗沖改性劑，能促進(jìn)硬質(zhì)PVC的塑化，使塑化時(shí)間縮短。與CPE相比，具有優(yōu)良的抗沖擊效果，玻璃化溫度低，低溫沖擊性能好；其加工溫度范圍寬，易操作，成品率高，生產(chǎn)穩(wěn)定性好；產(chǎn)品表面光澤度和尺寸穩(wěn)定性好，且適合高速擠出。ShahBL等發(fā)現(xiàn)，采用甲殼素和殼聚糖作為偶聯(lián)劑，能大大提高復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度，彎曲模量及儲(chǔ)能模量。MatuanaLM等通過分步發(fā)泡法制備PVC/木纖維發(fā)泡復(fù)合材料

10、時(shí)發(fā)現(xiàn)，為了良好的泡孔結(jié)構(gòu)，在生產(chǎn)過程中需嚴(yán)格控制發(fā)泡時(shí)間和溫度。過長(zhǎng)的發(fā)泡時(shí)間或過高的發(fā)泡溫度會(huì)導(dǎo)致泡孔合并，從而不利于獲得最佳的孔隙度。美國(guó)的Battenfeld公司生產(chǎn)的一種行星輻輪雙螺桿擠出機(jī)，采用計(jì)量加料，溫控精確，混煉效果好，適合熱敏性復(fù)合材料的加工。木纖維的種類對(duì)PVC/木纖維復(fù)合材料的發(fā)泡性能有很大的影響。北京化工大學(xué)塑料研究所分別研究了PVC/竹粉，PVC/楊木粉，PVC/砂光粉等木塑復(fù)合材料的發(fā)泡性能。砂光粉里因含有較多的粘合劑和石膏粉，大大增加了復(fù)合材料的發(fā)泡難度，研究發(fā)現(xiàn)采用復(fù)配助劑和發(fā)泡劑可成功發(fā)泡PVC/砂光粉木塑復(fù)合材料，發(fā)泡后復(fù)合材料的密度可控制在0.70.85

11、g/cm3。1.3 PP/木纖維BledzkiAK等采用乙?；磻?yīng)處理木粉，即通過乙酰劑中疏水性的乙?；c半纖維和木質(zhì)素的羥基反應(yīng)，生成酯類化臺(tái)物，從而降低木纖維表面的極性和親水性，提高其與非極性基體樹脂的相容性。用冰醋酸處理木粉，也可改善木粉與PP的界面相容性，提高其力學(xué)性能。當(dāng)木粉與PP的質(zhì)量比為5:100冰醋酸用量不超過75mL時(shí)，隨著冰醋酸用量的增加，木塑復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度上升。BledzkiAK等發(fā)現(xiàn)高熔體質(zhì)量流動(dòng)速率的PP基體樹脂有助于改善泡孔的形態(tài)及其分布；且木纖維的長(zhǎng)度，幾何形狀及其用量對(duì)復(fù)合材料中泡孔的大小形狀及分布有一定影響。ZhangSW等成功生產(chǎn)出平均泡孔尺寸小于100

12、um的微發(fā)泡PP/木粉復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)在一定的條件下木粉中的水分參與了泡孔的形成和生長(zhǎng)，只要水量控制合適，利用水分發(fā)泡制備具有良好泡孔形態(tài)的發(fā)泡復(fù)合材料是可行的。MatuanaLM等研究了工藝參數(shù)對(duì)微發(fā)泡木塑復(fù)合材料泡孔結(jié)構(gòu)和性能的影響。發(fā)現(xiàn)孔隙度與螺桿轉(zhuǎn)速無關(guān)，但隨著擠出機(jī)的口模溫度的上升而增大。RachtanapunP等采用分步發(fā)泡法制得了HDPE/PP/木纖維的微發(fā)泡復(fù)合材料。先將HDPE/PP木纖維復(fù)合物浸泡在CO2中;然后將已浸透了CO2的試樣迅速放入熱的甘油浴中，在不同的發(fā)泡溫度下發(fā)泡，發(fā)泡一定時(shí)間后迅速將試樣放人冷水中冷卻。發(fā)現(xiàn)木纖維的加入不但降低了CO2在復(fù)臺(tái)材料中的溶解度而

13、且還加速了CO2在發(fā)泡時(shí)的溢出，不利于微泡體結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。BledzkiAK等通過注塑成型制得了木纖維增強(qiáng)PP微發(fā)泡復(fù)合材料。發(fā)現(xiàn)在注塑過程中熔體流速越快密度越?。磺易⑺軠囟壬咭灿兄诮档筒牧系拿芏仍黾涌紫抖?。楊治偉等將納米氧化鋅/AC復(fù)合發(fā)泡劑應(yīng)用于PP發(fā)泡，發(fā)現(xiàn)納米氧化鋅的加入不但降低了AC的分解溫度，且提高了AC的分解速度和發(fā)泡倍率。林群芳等在木粉中添加適量玻璃纖維，改善了復(fù)合材料的力學(xué)性能，且隨著玻璃纖維用量增大，復(fù)合材料的性能得到提高。1.4 PS/木纖維RizviC等利用術(shù)纖維中的水分來擠出發(fā)泡PS冰纖維復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)通過控制木粉含水量，設(shè)置合適的擠出加工溫度可獲得約20%的體積膨

14、脹率，復(fù)合材料中的平均泡孔量為105106個(gè)/cm3,而且水分的凝結(jié)不會(huì)導(dǎo)致PS冰纖維復(fù)合材料終止發(fā)泡。加入少量的礦物油有助于PS/木纖維復(fù)臺(tái)材料的成核但不會(huì)改變體積膨脹率。DoroudianiS等采用物理發(fā)泡法生產(chǎn)PS冰纖維復(fù)合材料，研究復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度及拉伸性能與發(fā)泡過程和泡孔結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系。發(fā)現(xiàn)木纖維用量對(duì)拉伸強(qiáng)度和沖擊模量的影響最大。當(dāng)木纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度提高了近3倍。DoroudianiS等比較了物理發(fā)泡中浸透壓力及木纖維含量對(duì)CO2、氣體在復(fù)臺(tái)材料中的溶解及擴(kuò)散能力的影響，發(fā)現(xiàn)氣體的壓力的影響比較顯著。復(fù)合材料中的木纖維不利于氣體的溶解和擴(kuò)散；但隨著浸透壓

15、力的增加，溶解系數(shù)和擴(kuò)散率增加明顯。ZhouJH等發(fā)現(xiàn)，在擠出發(fā)泡過程中加入具有高揮發(fā)率的第二種發(fā)泡劑，如戍烷，乙酸乙酯等，能增加成核密度，提高氣體的溶解性。最終提高泡孔密度。他們認(rèn)為可以通過調(diào)整揮發(fā)性發(fā)泡劑的量來控制材料的發(fā)泡程度。2.分析與總結(jié)國(guó)內(nèi)外對(duì)微發(fā)泡木塑復(fù)合材料的研究?jī)?nèi)容包括木粉及塑料的表面改性、木粉用量、發(fā)泡劑類型及用量、加工助劑、工藝參數(shù)等對(duì)復(fù)合材料發(fā)泡程度、泡孔結(jié)構(gòu)及其分布，以及最終對(duì)制品力學(xué)及其它性能的影響，如拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、耐候性及阻燃性能等。2.1 已取得的研究成果1）在改善界面相容性方面通過對(duì)木纖維表面極性官能團(tuán)進(jìn)行酯化、酸化、接枝共聚、表面包覆等非極性

16、化處理，對(duì)聚合物表面進(jìn)行極性化處理以及使用相容劑提高了木質(zhì)填料與聚合物基體的界面粘接程度；2）較全面地考察了影響泡孔結(jié)構(gòu)的因素，包括擠出機(jī)各段的溫度、擠出壓力及螺桿轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)，發(fā)泡劑的類型及用量、木粉用量；3）木粉吸水性及用量對(duì)復(fù)合材料性能的影響及處理措施。木粉極易吸水影響其分散性，最終影響復(fù)合材料的性能，一般工藝需在加工前對(duì)木粉進(jìn)行干燥預(yù)處理。而且隨著木粉用量的增加，熔體的流動(dòng)性和滲透性變差，熱塑性熔體不能充分地粘接木粉，使得復(fù)合材料力學(xué)性能變差，延展性和耐沖擊性降低，材料變脆，吸水率增加；4）各種不同類型的助劑對(duì)木塑復(fù)臺(tái)材料性能的影響5）泡孔減弱了木纖維和聚合物基體之間的連接，使得微發(fā)

17、泡木塑復(fù)合材料的有些強(qiáng)度有所降低，通過加入一定量的第二增強(qiáng)纖維可以使復(fù)合材料的性能得到改善；6）利用含有一定水量的木粉中的水分作為發(fā)泡劑，成功生產(chǎn)出微發(fā)泡術(shù)塑復(fù)合材料。2.2 今后的研究方向1）_改善木纖維與塑料基體的界面相容性的研究還有待深入開展2）提高微發(fā)泡木塑復(fù)合材料中的木粉用量并對(duì)木纖維的定向、長(zhǎng)度及分布對(duì)微泡孔結(jié)構(gòu)的影響、以及加工過程中熔體的流動(dòng)情況進(jìn)行研究3）提高發(fā)泡倍率、改善泡孔結(jié)構(gòu)、開發(fā)質(zhì)輕性能優(yōu)的微發(fā)泡木塑復(fù)合材料；4）對(duì)第二增強(qiáng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能的機(jī)理以及對(duì)復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)影響的研究有待開展；5）對(duì)木粉中的水分與木粉的結(jié)合方式以及結(jié)合力的性質(zhì)和大小有待開展深入的研究，開發(fā)利用術(shù)粉中的水分進(jìn)行發(fā)泡的工業(yè)化技術(shù)，降低生產(chǎn)成本，節(jié)約能源6）對(duì)發(fā)泡劑偶聯(lián)劑抗沖擊改性劑、木粉表而改性劑等對(duì)復(fù)合材料的流動(dòng)性能及其它力學(xué)性能的綜合影響的系統(tǒng)研究有待深入開展。研究開發(fā)避免助劑之間副作用且能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能的復(fù)合助劑；7）開展對(duì)加工設(shè)備，包括成型模具專業(yè)化的研究，以完善工業(yè)化生產(chǎn)的加工工藝。3、前景展望微發(fā)泡木塑復(fù)合材料具有優(yōu)異的性價(jià)比和較好的比強(qiáng)度，且添加劑的加入可賦予其更多性能，因此在許多工業(yè)領(lǐng)域