木塑復(fù)合原料

木塑復(fù)合原料低成本利環(huán)保2008-04-1611:37一前言目前，市場上的塑料增強(qiáng)填料中，大多是碳酸鈣和玻璃纖維，分別占40%和31%，及其它一些無機(jī)填料如滑石粉、玻璃微珠等，這些傳統(tǒng)的填料使復(fù)合物發(fā)生很大的性能變化，且這些填料的成本較低。在過去的幾年內(nèi)，一些天然有機(jī)增強(qiáng)填料如纖維素填料正逐漸滲透到這個(gè)領(lǐng)域，因?yàn)樗鼈兊膬?yōu)點(diǎn)比許多一般的礦物填料要多，如原料易得，成本低，密度小，設(shè)備的磨損少，原料可循環(huán)利用，無污染，可降解等。此外，用這些有機(jī)填料替代無機(jī)填料可顯著降低制品重量，降低成本，但不會(huì)減小復(fù)合物的剛度.。在這些纖維素填料中木質(zhì)纖維最為顯著，正得以廣泛的應(yīng)用。木塑復(fù)合材料正在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的[1,2]。木塑復(fù)合材料兼有木材和塑料的雙重特性，產(chǎn)品不怕蟲蛀，不生真菌，抗強(qiáng)酸強(qiáng)堿，不吸收水分，不易變形，機(jī)械性能好，制品耐用性比單純的木質(zhì)材料高數(shù)倍，具有堅(jiān)硬，強(qiáng)韌，耐久，耐磨，尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。一般來說，木塑復(fù)合材料的硬度較為處理木材提高2至8倍，耐磨性可提高4至5倍，耐磨性甚至還比大理石高。其吸濕性和吸濕膨脹率也較低，耐大氣腐蝕能力較強(qiáng)。再加上各種添加劑的應(yīng)用，又賦予了木塑復(fù)合材料各種特殊的性能。此外，它也是一種環(huán)保材料，原料廉價(jià)豐富，可回收，在減少環(huán)境污染，保護(hù)森林資源，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面都有良好的社會(huì)效益和生態(tài)效益[3,4]。因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，木塑復(fù)合材料正在得到廣泛的應(yīng)用，具體包括家具桌椅，包裝托盤，風(fēng)景園林材料，柵欄，窗框，汽車內(nèi)飾件等。盡管木塑復(fù)合材料已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)，但制品性能上的缺陷使其不能應(yīng)用到其它工業(yè)領(lǐng)域，特別是在承受沖擊和承受加載結(jié)構(gòu)的工業(yè)方面，目前在應(yīng)用過程中還存在諸多問題。親水性的木纖維和疏水性的塑料之間的粘結(jié)力很小，結(jié)果導(dǎo)致了制品的力學(xué)強(qiáng)度比較低，木塑復(fù)合材料的拉伸和彎曲強(qiáng)度比未填充塑料要小。此外，木塑復(fù)合制品與未填充塑料相比，因?yàn)槟纠w維的模量較高，增加了復(fù)合材料的脆性，抗沖擊強(qiáng)度也相應(yīng)降低。而且，木塑復(fù)合材料的密度一般比純塑料和木材要高，密度也比傳統(tǒng)木質(zhì)品大近2倍，這主要是木纖維在加工過程中被壓縮致密引起的。為了擴(kuò)大木塑復(fù)合材料的應(yīng)用范圍，必須解決上述缺陷。為此研究者們進(jìn)行了大量的研究，如在配方中加入偶聯(lián)劑，對(duì)木粉進(jìn)行表面改性，可提高木塑復(fù)合材料的強(qiáng)度，使木塑復(fù)合材料的拉伸和彎曲模量能得到很大的提高。但仍不能提高復(fù)合材料的耐沖擊性和延展性，不能降低制品的脆性和密度。研究證明用連續(xù)或間歇式擠出發(fā)泡成型復(fù)合材料可有效克服上述缺點(diǎn)。通過發(fā)泡木塑復(fù)合材料可產(chǎn)生良好的泡孔結(jié)構(gòu)，這些泡孔可鈍化裂紋尖端并有效阻止裂紋的擴(kuò)張，從而顯著提高材料的抗沖擊性能和延展性，并且大大降低了制品的密度[5]。間歇式發(fā)泡過程產(chǎn)生泡孔結(jié)構(gòu)通常需要三步：氣體飽和，氣泡成核和氣泡生長。盡管氣泡成核和氣泡生長只需幾分鐘，但氣體達(dá)到飽和一般需要幾個(gè)小時(shí)或幾天。因此，間歇式發(fā)泡不是經(jīng)濟(jì)有效的發(fā)泡方法，很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。連續(xù)擠出發(fā)泡法以其成本低，效率高、耗時(shí)短和易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)，逐步取代間歇式的發(fā)泡法，成為發(fā)泡塑料成型的主要方法。對(duì)此許多研究者也作了大量的研究工作。Torres等人[6]研究了單螺桿擠出機(jī)擠出發(fā)泡過程中的泡孔結(jié)構(gòu)，他們得出結(jié)論，氣泡的泡孔結(jié)構(gòu)很大程度上依賴于木塑混合物的加料特性。如果木纖維在加料段很均勻分散，則最終制品能得到分布均勻的氣泡，否則氣泡分布不均且尺寸較大。Matuana等人[7]研究了用木纖維中的水分做發(fā)泡劑來發(fā)泡成型硬質(zhì)PVC/木粉復(fù)合材料。他們研究了木纖維中水分的含量，丙烯酸改性劑的含量，化學(xué)發(fā)泡劑（AC）的含量，及機(jī)頭溫度對(duì)發(fā)泡過程的影響。他們發(fā)現(xiàn)木纖維中的水分含量和AC含量之間沒有相互增效的作用。在硬質(zhì)PVC/木粉復(fù)合材料的發(fā)泡配方中加入丙烯酸，可明顯降低制品密度，此外，如果丙烯酸含量合適，機(jī)頭溫度設(shè)定合理，不用任何化學(xué)法劑也可發(fā)泡成型硬質(zhì)PVC/木粉復(fù)合物。Mengeloglu等人[8]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。他們發(fā)現(xiàn)放熱型發(fā)泡劑得到的泡孔尺寸要比吸熱型發(fā)泡劑的小。Mengeloglu[9]也研究了PVC/木粉復(fù)合材料發(fā)泡制品的機(jī)械性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)發(fā)泡后PVC/木粉復(fù)合材料的延展性得到了提高，空隙率可達(dá)35%，但這同時(shí)帶來了拉伸模量和拉伸強(qiáng)度的降低。QingxiuLi和Matuana[10]研究了高密度聚乙烯（HDPE）/木粉復(fù)合材料的擠出發(fā)泡，并討論了發(fā)泡劑的含量、類型、形式，及偶聯(lián)劑的類型對(duì)發(fā)泡物泡孔結(jié)構(gòu)的影響。對(duì)HDPE/木粉復(fù)合材料的擠出發(fā)泡，無論用什么類型的化學(xué)發(fā)泡劑，其含量對(duì)泡孔尺寸的影響并不大，而且化學(xué)發(fā)泡劑若用聚合物攜帶，可有效增強(qiáng)其分散性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，對(duì)HDPE/木粉發(fā)泡，在配方中加入適量的偶聯(lián)劑，發(fā)泡制品可得到較大的空隙率。Rizvi等人[11]研究了用木纖維中的水分作發(fā)泡劑來擠出發(fā)泡高抗沖聚苯乙烯（HIPS）/木粉復(fù)合材料。研究表明在合適的擠出加工溫度和木纖維的含水量下，可利用木纖維中的水分成功發(fā)泡HIPS/木塑復(fù)合材料，并可得到很大的體積膨脹率（可達(dá)20倍）。北京化工大學(xué)塑料機(jī)械及塑料工程研究所在成功開發(fā)出多種木塑復(fù)合材料的基礎(chǔ)上（包括PE，PP），與上海宸得塑膠制品合作公司合作經(jīng)過幾年的研究成功研制出PVC/木粉復(fù)合材料的擠出發(fā)泡成型，目前已研制出木塑地板、裝飾角線、門套、整體門等多種制品，市場前景看好。二PVC/木粉復(fù)合材料擠出發(fā)泡成型的加工難點(diǎn)1.混料和喂料由于木粉具有較強(qiáng)的吸水性,且極性很強(qiáng)，而PVC為非極性的,具有疏水性,所以兩者之間的相容性很差,界面的粘結(jié)力也很小。此外木粉的密度比較低，與其它礦物填料相比，與塑料基體混合較困難。而要得到良好的泡孔結(jié)構(gòu)，必須使木纖維在PVC塑料基體中分散均勻。親水性的木纖維有相互纏結(jié)的傾向，但與疏水性的聚合物之間卻沒有這種傾向。因此，木纖維在通過大多加工設(shè)備的較小的加料口時(shí)很容易堆積，而聚合物卻很容易加入擠出機(jī)中。這不僅導(dǎo)致木纖維在PVC塑料基體中的分散不均，而且有時(shí)還會(huì)堆料，堵塞擠出機(jī)。因此，為了均勻加料，需小心控制加料速率，并要防止加料過程的堵塞。此外，加入的木粉大部分為粉料,由于其結(jié)構(gòu)蓬松,不容易喂料，同時(shí)塑料基體與木粉之間不能形成理想的混合體，而均勻地加入擠出機(jī)中,這不可避免地會(huì)出現(xiàn)“架橋”現(xiàn)象。特別是木粉中含有水分較多時(shí),這一現(xiàn)象就更為明顯。加料的不穩(wěn)定不僅直接導(dǎo)致擠出產(chǎn)量低,還會(huì)使擠出出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象,造成擠出質(zhì)量降低。同時(shí)由于加料中斷,物料在機(jī)筒內(nèi)停留時(shí)間過長導(dǎo)致物料燒焦變色,影響制品的內(nèi)在質(zhì)量和外觀。因此必須對(duì)加料方式和加料量作嚴(yán)格的控制，一般采用強(qiáng)制加料裝置,以保證擠出的穩(wěn)定。[12]2.加工過程中的水分發(fā)泡擠出加工過程中的水分主要來自木纖維，木纖維所攜帶的水分有如下三種形式：細(xì)胞腔中的自由水、細(xì)胞壁中的結(jié)合水及分子結(jié)構(gòu)中以羥基形式存在的氫和氧。木纖維中的水分在木塑的擠出發(fā)泡過程中是一個(gè)很重要的問題，因?yàn)樗鼤?huì)引起泡孔結(jié)構(gòu)的惡化。水分對(duì)發(fā)泡過程影響顯著，可能使設(shè)備的腐蝕，產(chǎn)生較差的泡孔結(jié)構(gòu)，使制品表面有水跡，以及由于水分的凝縮導(dǎo)致制品尺寸的收縮等。在擠出發(fā)泡過程中，如果木纖維中的水分沒有及時(shí)排出，機(jī)筒最后一段釋放的水分和揮發(fā)物，在高溫和壓力下，會(huì)包裹在熔體中，一旦擠出到機(jī)頭處，此時(shí)由于熔體溫度還很高，當(dāng)壓力降低到大氣壓時(shí)，水分會(huì)立即揮發(fā)。在熔體冷卻前，高溫下這種快速膨脹會(huì)使氣泡壁很薄，導(dǎo)致氣泡破裂和氣泡合并的發(fā)生。而且，當(dāng)冷卻到100℃為了能夠控制氣泡成長和得到均勻的泡孔結(jié)構(gòu)，必須排除木纖維中的水分。而且，應(yīng)該在盡可能高的溫度下排除水分。另一個(gè)基本問題是無論多么干燥的木纖維，其水分和揮發(fā)物是逐漸釋放出來的。因此，最大程度的降低木纖維中的水分，對(duì)發(fā)泡過程是有利的[13]。3.加工過程中對(duì)溫度的精確控制擠出機(jī)各段的溫度分布與發(fā)泡制品的泡孔結(jié)構(gòu)和分布密切相關(guān)，并最終影響到發(fā)泡制品的密度和機(jī)械性能。更重要的是，為得到良好的泡孔結(jié)構(gòu)，必須精確控制擠出機(jī)各段的溫度。這自然對(duì)擠出設(shè)備和控制系統(tǒng)提出了更高的要求，特別是要有較好的控溫系統(tǒng)。4.發(fā)泡后，均勻規(guī)整的泡孔結(jié)構(gòu)可鈍化裂紋尖端并有效阻止裂紋的擴(kuò)張。因此制品的切口沖擊應(yīng)力和斷裂伸長率可顯著提高[19]。5.與未發(fā)泡PVC/木粉復(fù)合物相比，發(fā)泡后制品的拉伸應(yīng)力和拉伸模量有所降低，但仍比純PVC（未填充木粉）發(fā)泡的要大。6.它也是一種環(huán)保材料，原料廉價(jià)豐富，可回收，可減少環(huán)境污染，保護(hù)森林資源。五影響PVC/木粉擠出發(fā)泡制品的性能的主要因素5.1木粉的干燥處理由于木粉的吸水性強(qiáng)，一般含水率高達(dá)20％，而木纖維中的水分會(huì)對(duì)加工過程和最終的制品質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。它會(huì)嚴(yán)重影響制品泡孔結(jié)構(gòu)，使泡孔分布不均，制品表面質(zhì)量差，表面有水跡現(xiàn)象，最終導(dǎo)致PVC/木塑復(fù)合材料發(fā)泡制品機(jī)械性能的降低。此外，木粉中還含有易揮發(fā)物質(zhì)，擠出發(fā)泡會(huì)發(fā)煙和在表面產(chǎn)生不光潔現(xiàn)象，影響產(chǎn)品性能。因此，要提高發(fā)泡制品的機(jī)械性能，在混合前必須對(duì)木粉做干燥處理，有效地去除水分和揮發(fā)性物質(zhì)。5.2木粉的表面處理[20]因木粉具有較強(qiáng)的吸水性,且極性很強(qiáng)，而熱塑性塑料多數(shù)為非極性的,具有疏水性,所以兩者之間的相容性較差,界面的粘結(jié)力很小，應(yīng)力不能有效地從塑料基體傳給能承載的纖維，結(jié)果導(dǎo)致制品機(jī)械性能的降低。要提高制品的機(jī)械性能，可以使用偶聯(lián)劑對(duì)木粉表面進(jìn)行處理。因?yàn)榕悸?lián)劑能提高木纖維與塑料基體之間的粘結(jié)力，它通過化學(xué)鍵的結(jié)合、氫連接、酸基間的相互反應(yīng)、分子間的纏結(jié)等作用，使木纖維和塑料粘結(jié)在一起，從而提高制品的強(qiáng)度。5.3配方配方中各組分及其含量與最終發(fā)泡制品的性能密切相關(guān)，如化學(xué)發(fā)泡劑AC的用量不同，得到發(fā)泡制品中的泡孔密度也不同，而直接影響制品的密度。因此，必須在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上確定各組分的最佳用量。此外，高填充量木粉在熔融的熱塑性塑料中分散效果更差,常以某種聚集狀態(tài)的形式存在，使得熔體流動(dòng)性差,擠出成型加工困難，需加入多種添加劑以改善其加工性能及其制品的使用性能。5.3加工工藝條件5.3.1溫度[21]擠出機(jī)各段溫度的合理設(shè)置是影響擠出發(fā)泡正常進(jìn)行的重要參數(shù)之一。因?yàn)榘l(fā)泡率主要由氣泡數(shù)量和氣泡的生長決定，而氣泡的生長主要由發(fā)泡溫度和發(fā)泡時(shí)間決定，發(fā)泡溫度影響熔體強(qiáng)度和氣體的擴(kuò)散速度，而最終影響泡孔結(jié)構(gòu)?？偟膩碚f，擠出溫度應(yīng)根據(jù)PVC的熔融、分解溫度和發(fā)泡劑的分解溫度以及木粉燒焦降解的溫度來設(shè)定。擠出成型溫度的設(shè)定應(yīng)滿足PVC樹脂與助劑的混合物在擠出機(jī)筒內(nèi)的物理化學(xué)反應(yīng)過程的需要。加料段的溫度不應(yīng)過高，以避免化學(xué)發(fā)泡劑在加料段內(nèi)就提前分解。通過擠出溫度設(shè)定使PVC物料能快速熔融是必要的，目的是形成對(duì)喂料口的熔體密封，并且在發(fā)泡劑開始分解之前在機(jī)筒內(nèi)形成高壓，以防止化學(xué)發(fā)泡劑分解的氣體（即使在加料段內(nèi)發(fā)泡劑已開始分解）逸出并促進(jìn)氣體在熔體中溶解。因此，壓縮段和計(jì)量段溫度要足夠高以保證化學(xué)發(fā)泡劑的正常分解和PVC樹脂的充分塑化，但溫度設(shè)置也不能過高，否則會(huì)使AC發(fā)泡劑的分解速率過高或木粉的燒焦或PVC分解等等，影響口模處的擠出發(fā)泡效果。機(jī)頭溫度對(duì)發(fā)泡成型的影響尤其重要。一般要得到表面良好的擠出發(fā)泡過程是使含氣熔體在機(jī)筒內(nèi)和機(jī)頭處不發(fā)泡，直到離開機(jī)頭后，由于壓力突然釋放而使溶于熔體的氣體處于過飽和狀態(tài)，發(fā)生兩相分離而發(fā)泡。由此，在機(jī)頭內(nèi)使熔體粘度保持良好的流動(dòng)性同時(shí)，還要保證足夠的熔體粘度，以維持機(jī)頭內(nèi)熔體處于高壓下，使之在機(jī)頭內(nèi)不發(fā)泡。機(jī)頭溫度的高低勢(shì)必影響著機(jī)頭內(nèi)的PVC熔體粘度，從而影響發(fā)泡。5.3.2壓力擠出壓力不足會(huì)造成制品表面粗糙、強(qiáng)度差，擠出壓力增大，不僅能控制機(jī)頭內(nèi)的含氣熔體不提前發(fā)泡，而且使機(jī)頭口模內(nèi)外壓差大，從而壓降速率高，有利于氣泡成核，成核的氣泡數(shù)量增多，發(fā)泡倍率也隨之增大，有利于得到均勻細(xì)密的泡孔結(jié)構(gòu)。要得到適宜的機(jī)頭壓力，可以通過調(diào)節(jié)螺桿轉(zhuǎn)速和機(jī)頭溫度及口模形狀來實(shí)現(xiàn)。5.3.2螺桿轉(zhuǎn)速螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)擠出發(fā)泡的影響主要在以下幾方面：一方面是影響擠出壓力，轉(zhuǎn)速越高，擠出機(jī)內(nèi)壓力越大，從而越有利于成核，成核的泡孔數(shù)目也越多，發(fā)泡倍率也就越高，但壓力過高，成核的泡孔生長受到抑制，影響泡孔的充分生長；另一方面，螺桿轉(zhuǎn)速越高，剪切作用越強(qiáng)，剪切作用過強(qiáng)容易使泡孔合并或破裂，影響發(fā)泡體質(zhì)量和低密度泡沫的形成；此外，螺桿轉(zhuǎn)速過高或過低，使停留時(shí)間過短或過長，容易發(fā)生提前發(fā)泡或發(fā)泡劑分解不充分等現(xiàn)象，不利于均勻細(xì)密的泡孔結(jié)構(gòu)的形成。因此，在其它影響因素不變的情況下，螺桿轉(zhuǎn)速存在一個(gè)最佳值。六結(jié)論擠出發(fā)泡后的PVC/木粉復(fù)合材料，由于制品中存在良好的泡孔結(jié)構(gòu)可有效的彌補(bǔ)木塑復(fù)合材料的脆性大，密度高，延展性和抗沖擊應(yīng)力低的