木塑復合材料擠出成型工藝的研究進展

木塑復合材料擠出成型工藝的研究進展

木塑料（wpc）通常指木材材料和親水塑料材料。WPC比相應的塑料具有更好的拉伸強度、模量、硬度、彎曲性能和耐蠕變性能,更自然的外觀,比木材具有更好的尺寸穩(wěn)定性、耐水性、可維護性和加工性能,有一定的生物降解性和可回收性,環(huán)保性較好;可大量利用廢舊塑料和木粉、秸桿、稻糠等農(nóng)、林業(yè)的廢棄物,成本低廉。因此,推廣使用WPC,對于節(jié)約資源、減少白色污染、促進“低碳”經(jīng)濟發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。WPC可利用擠出、熱壓、擠壓和注塑等方法成型加工。擠出成型由于能使物料均勻混合、復合效果好,生產(chǎn)效率高、勞動強度低,且制品應用范圍廣泛,已成為WPC最主要的成型加工方法。擠出成型生產(chǎn)的WPC板材、棒材、異型材等可通過二次加工制造地板、鋪板、柵欄、家俱、門窗、裝飾材料、包裝箱等產(chǎn)品,應用范圍十分廣泛。1生產(chǎn)工藝1.1表面性能和力學性能木粉是易吸濕、受潮的材料,水分的存在會導致WPC在擠出過程中內(nèi)部出現(xiàn)泡孔、表面出現(xiàn)水跡、生成不穩(wěn)定的分解產(chǎn)物,使材料表面性能和力學性能劣化。因此,WPC在擠出成型前,木粉必須進行干燥處理。木粉一般在100℃左右鼓風干燥數(shù)小時即可達到成型要求。動態(tài)干燥由于能動態(tài)更新干燥表面、加快熱交換,比靜態(tài)干燥效果更好。徐紹宏等在制備聚氯乙烯(PVC)基WPC時發(fā)現(xiàn),與靜態(tài)干燥相比,木粉經(jīng)動態(tài)干燥后,WPC的拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度和表面質(zhì)量均變好。1.2機體溫度的影響機筒溫度和機頭溫度對WPC的擠出成型影響很大,機筒溫度主要影響物料的塑化,機頭溫度則對定型有重要影響。較高的機筒溫度有利于增加物料的流動性,但溫度過高可能造成物料粘度過低而不能產(chǎn)生足夠的機頭壓力,使擠出的型材不密實,并會導致木纖維分解燒焦,從而影響制品的內(nèi)在和外觀質(zhì)量。溫度過低則會使物料塑化不良,復合效果差,也會影響制品的機械性能。原則上在滿足物料充分塑化的前提下應盡量降低機筒溫度。機頭溫度與機頭壓力、制品質(zhì)量有直接關(guān)系。當機頭溫度過低而螺桿轉(zhuǎn)速較高時會出現(xiàn)排氣口冒料現(xiàn)象,螺桿所承受的扭矩急劇增加,主機電流上升,機頭基本不出料;當機頭溫度過高時,機頭壓力降低,擠出制品有很明顯的撕邊現(xiàn)象,尺寸穩(wěn)定性變差,甚至會造成物料無法定型。因此,機頭溫度應根據(jù)物料的具體情況確定一個合理的范圍。另外,為保證擠出順利進行,機頭的溫度應分段控制,即溫度逐漸降低。由于木粉在200℃左右即分解變色,因此,WPC的擠出溫度不宜>200℃。1.3出溫度和冷卻能力提高螺桿轉(zhuǎn)速可以有效地增加擠出產(chǎn)量、降低成本和提高生產(chǎn)效率,但轉(zhuǎn)速的提高受主機功率、塑化質(zhì)量、擠出溫度和冷卻能力等諸多因素的制約。螺桿轉(zhuǎn)速很小時,物料以層流向前推進,擠出物出口模后制品表面光滑,但產(chǎn)量很低。螺桿轉(zhuǎn)速提高后,產(chǎn)量可以提高,但螺桿轉(zhuǎn)速過高,易帶來受熱歷程縮短,導致物料塑化不良;復合效果變差;木纖維被過多地切斷;物料來不及冷卻即被頂出,導致制品因冷卻不均而表面出現(xiàn)波紋等弊端。1.4操作的壓力上限在適當?shù)姆秶鷥?nèi),機頭壓力越高,擠出制品越密實,擠出質(zhì)量越好。機頭壓力過低時,制品表面出現(xiàn)條紋,并產(chǎn)生分段現(xiàn)象,得不到連續(xù)的外觀質(zhì)量好的制品。但機頭壓力并不是越大越好。對于排氣擠出機,機頭壓力的上限與計量段的充滿長度有關(guān)。當充滿長度超過排氣口時,擠出機的螺桿扭矩上升并且從排氣口冒料,影響擠出的穩(wěn)定性。機頭壓力的建立主要與兩方面因素有關(guān):一是機頭本身的建壓能力,主要取決于機頭的壓縮比;二是機頭溫度,較低的溫度有利于機頭壓力的提高。1.5熔噴法非織造布的制備排氣效果對制品質(zhì)量也有影響。木粉親水,其結(jié)合水很難通過簡單干燥完全除掉,這些水分在塑化段會汽化。同時未造粒的松散物料會從加料段帶入大量的空氣。另外,物料在熔融塑化的高溫下會部分分解產(chǎn)生一些氣體。這些氣體如不及時排去,會在制品內(nèi)部產(chǎn)生氣泡,或在制品表面造成凹坑,降低制品質(zhì)量。因此,WPC在擠出過程中必須抽真空排氣。熔融物料在料筒內(nèi)被送至排氣孔時,必須均勻塑化并覆蓋螺桿表面,以免被真空吸出。如有必要可以進行多階排氣。1.6不同類型發(fā)泡劑的研制WPC經(jīng)發(fā)泡特別是微孔發(fā)泡后,由于泡孔結(jié)構(gòu)可鈍化裂紋尖端并有效阻止裂紋的擴張,其韌性會得到改善,且其密度也可降低。用于WPC的發(fā)泡劑可以是物理發(fā)泡劑,也可以是化學發(fā)泡劑,目前用得較多的是偶氮二甲酰胺(AC)和NaHCO3等化學發(fā)泡劑。一般認為,吸熱型發(fā)泡劑可冷卻基體和穩(wěn)定氣泡結(jié)構(gòu),而放熱型發(fā)泡劑可能導致不可控制的溫度升高并降低熔體粘度,造成氣泡合并或產(chǎn)生大氣泡。因此,采用吸熱型發(fā)泡劑通常得到良好的氣泡結(jié)構(gòu),而采用放熱型發(fā)泡劑通常得到較差的氣泡結(jié)構(gòu)和大尺寸的氣泡。但Mengeloglu等在研究PVC基WPC的擠出發(fā)泡時發(fā)現(xiàn),與吸熱型發(fā)泡劑NaHCO3相比,使用放熱型的AC發(fā)泡劑能得到尺寸更小的泡孔。擠出溫度、螺桿轉(zhuǎn)速和機頭壓力對WPC的化學發(fā)泡有重大影響。擠出溫度與發(fā)泡劑的分解溫度要匹配,過高會使發(fā)泡劑提前分解,過低則會造成發(fā)泡不足。螺桿轉(zhuǎn)速和機頭壓力均存在一個最佳值。螺桿轉(zhuǎn)速過高會抑制泡孔生長,導致泡孔合并或破裂、造成發(fā)泡劑分解不充分;螺桿轉(zhuǎn)速過低會造成熔體壓力不足,導致提前發(fā)泡。機頭壓力不足會造成制品表面粗糙、強度低,而較高的擠出壓力不僅能控制機頭內(nèi)的含氣熔體不提前發(fā)泡,而且使口模內(nèi)外有一個較大的壓差,有利于氣泡成核和增大發(fā)泡倍率。機頭壓力可通過調(diào)節(jié)螺桿轉(zhuǎn)速、機頭溫度和口模結(jié)構(gòu)來控制。WPC也可通過木粉所含水份來發(fā)泡。Matuana等的研究發(fā)現(xiàn),全水發(fā)泡制得的PVC基WPC的密度可低至0.4g/cm3,但發(fā)泡的成功強烈依賴于丙烯酸發(fā)泡改性劑的使用和擠出機頭的溫度。1.7統(tǒng)一配置利用共擠出技術(shù)可制備表面光滑、色彩鮮艷的WPC制品。通常用主機擠出WPC材料,用規(guī)格較小的輔機擠出裝飾用的包覆薄膜。2設備的擠出2.1非織造材料的擠出單螺桿擠出機加料特性較差,分散、混合能力較弱,但造價低,能耗低,擠出壓力高,可以承受大扭矩。單螺桿擠出機主要用于WPC的混煉造粒,小型企業(yè)也可將其用于WPC制品的生產(chǎn)。用于WPC擠出的單螺桿擠出機其螺桿需進行特殊設計,使其具有較強的物料輸送和塑化能力。胡圣飛等的研究表明,利用單螺桿擠出機一步擠出WPC時,加大螺桿長徑比、壓縮比,并增設強混合單元有利于木粉的輸送與混合;延長機頭平直段長度、增加機頭壓縮比可得到致密的WPC材料。2.2高速、高能耗“配混”設備目前,雙螺桿擠出機是WPC的主要成型設備,分同向平行雙螺桿擠出機、異向平行雙螺桿擠出機和錐型雙螺桿擠出機3種類型。同向平行雙螺桿擠出機被稱為高速、高能耗“配混”型設備,分散、混合能力強,功率高,產(chǎn)量高。但正位移輸送能力低,建壓能力較低,高轉(zhuǎn)速時不適合對剪切敏感產(chǎn)品的加工。異向平行雙螺桿擠出機螺桿轉(zhuǎn)速低,適合對剪切敏感產(chǎn)品的加工,正位移輸送,建壓能力強;但功率低,產(chǎn)量低,分散、混合能力較弱。錐形雙螺桿擠出機被稱為低速、低能耗“型材”型設備,具有良好的加料特性,計量段剪切速率小,適合對剪切敏感產(chǎn)品的加工;但產(chǎn)量低,分散、混合能力弱。2.3熱壓擠出機復合用于高粘度復合材料加工串聯(lián)式磨盤螺桿擠出機是北京化工大學特種擠出中心研發(fā)的一種新型擠出機,由單螺桿擠出機和磨盤擠出機的結(jié)構(gòu)有機組合而成,因此不僅具備單螺桿擠出機結(jié)構(gòu)簡單、擠出壓力高、可以承受大扭矩的特點,而且具備磨盤擠出機超強的破碎、分散、剪切、混合和塑化的性能優(yōu)勢。此外,在該機內(nèi)還設置有特殊結(jié)構(gòu)的排氣裝置和可以計量控制的強制喂料裝置,部分彌補了單螺桿擠出機排氣功能和加料特性較差的缺陷。這種擠出機特別適用于WPC等高粘度復合材料的共混改性。張金斌等比較了串聯(lián)式磨盤螺桿擠出機和異向平行雙螺桿擠出機對WPC的加工性能,發(fā)現(xiàn)在木粉含量較低時,前者加工的WPC彎曲強度要低于后者,而拉伸強度和缺口沖擊強度要稍高于后者;但在木粉含量較高時,前者加工的復合材料的力學性能顯著高于后者。3加工換向3.1熱解決溫度和初始熱降解溫度木質(zhì)填料遇熱易分解變色。任鳳梅等的研究表明,普通木粉、楊木粉、竹粉在145℃左右開始失重,稻殼粉在165℃左右開始失重。因此,WPC的加工溫度不宜高于200℃。這就限制了塑化溫度高的樹脂用于制備WPC。有學者嘗試了利用接枝改性來改善木質(zhì)填料的熱穩(wěn)定性。Amar等在黃麻纖維上接枝了丙烯腈,發(fā)現(xiàn)接枝丙烯腈后,黃麻纖維的初始熱降解溫度從170℃提高到280℃。Magdy等的研究表明,在劍麻纖維上接枝丙烯腈后,其初始熱降解溫度升高,熱降解速率下降,總失重減小。3.2潤滑劑的使用塑料中加入木質(zhì)填料后,熔體流動性變差,擠出生產(chǎn)效率降低,加工成本增加,而且制品表面質(zhì)量變差。因此,WPC擠出成型時必須加入潤滑劑。WPC常用的潤滑劑包括乙撐雙硬脂酰胺(EBS)、硬脂酸鋅(ZnSt)、脂肪烴蠟和氧化聚乙烯等。一般采用兼具內(nèi)、外潤滑作用的復配潤滑劑。如EBS和ZnSt按1∶1的比例復配得到的潤滑劑曾被稱為WPC用工業(yè)標準潤滑劑。由于硬脂酸金屬皂會使馬來酸酐接枝聚合物類增容劑失效,一些不含金屬皂的新型潤滑劑已被開發(fā)出來,如低熔點的不飽和芳香烴聚合物、脂肪醇和脂肪酸酯混合物、改性烷基酚醛樹脂等潤滑劑被證明對WPC有