（材料学专业论文）木塑发泡材料的制备与性能研究.pdf

木塑发泡材料的制备与性能研究 摘要 木塑复合材料是由热塑性聚合物与木屑或木粉、植物纤维粉等共混，并添加各种 加工助剂，经过高温混炼再经挤出、模压、注射等成型加工而制得的一种环保复合材 料。该材料成本低，可广泛应用于建筑、交通、轻工业等部门，具有广阔的市场前景 和环保价值。木塑复合材料也有一些不足，木塑复合材料的密度通常为实木材料密度 的两倍，而且由于木纤维作为填料加入导致复合材料延展性和冲击强度的下降。本课 题主要通过以下几个方面研究并制备了木塑发泡复合材料。 ( 1 ) 通过对比实验研究了p p 和p e 基木塑复合材料的配方。考察了木粉含量，相 容剂含量对复合材料性能的影响，得出的最佳配比为木粉含量为6 0 ，p p g m a h 含 量为8 ，。 ( 2 ) 选择合适的发泡剂对上面制得的木塑材料发泡，研究了发泡剂含量，木 粉含量对p p 和p e 基木塑材料的性能影响。结果表明：经发泡的木塑复合材料 的密度有了较大的下降，冲击强度得到提高。但是拉伸和弯曲强度会随着发泡剂含量 的增加而逐渐降低。发泡剂用量为1 5 时，p p 基复合材料的密度降低了1 7 ，冲击 强度达到2 3 3 k j m 2 。p e 基复合材料的密度降低了1 8 8 ，冲击强度提高了2 3 。p p 基复合材料的发泡剂应选用t a 。2 1 0 ，最佳用量为1 5 ，p e 基复合材料的发泡剂应选 用t a 6 0 0 ，最佳用量为1 。木粉含量增加小幅提高了材料的密度，降低了材料的力 学性能，但是由于木粉的加入能够大大降低材料的成本，所以可以综合考虑选择木粉 的添加量。 ( 3 ) 用自制的发泡母料对比经发泡剂发泡的复合材料，考察了加工条件对发泡材料 的性能影响，并用电镜观察了泡孔的结构。结果表明，用发泡母料发泡的复合材料的 性能要好于未通过发泡母料发泡的复合材料。发泡剂的用量决定发气量的多少，由于 本次实验为微孔发泡，并且发泡剂用量越多，性能下降越厉害，当发泡剂的量为o 5 时为最佳。成核剂的加入，可以增加气泡核的数量，使得泡孔分布均匀，孔径大小相 近，复合材料性能上升，但是当其加入量增多时，就会变成填料，导致性能下降。本 论文中以8 为佳。发泡木塑的生产中，控制因素很重要。本次实验中根据所用的树 脂性能，加工温度1 8 0 为最佳的，而为了保障其不补料，其操作步骤中在射出后先 让其样品冷却下来，再储料的方式。通过电镜的观察可知用发泡母料发泡过的复合材 料泡孔结构比未经发泡母料发泡的泡孔更加均匀且泡孔直径更小。 ( 4 ) 研究了回收塑料替代新料和竹粉稻壳粉替代木粉的性能。结果显示，在生产条 件未改变的前提下采用回收料代替新料制备发泡复合材料是可行的。完全采用回收料 替代新料制备的复合材料在力学性能上低于新料制备的复合材料。但性能差别不明 显。但用回收料可以减少废旧塑料对环境造成的影响还可以为企业降低生产成本。竹 粉替代的复合材料密度最大，弯曲性能最好，但稻壳粉替代的复合材料冲击强度最好。 表明本文的配方有着较强的适用性，在实际生产中有着比较好的指导意义。 关键词：木塑复合材料发泡性能聚丙烯聚乙烯 w o o d p l a s t i cc o m p o s i t ep r e p a r a t i o na n dp r o p e r t i e so ff o a m m a t e r i a l sr e s e a r c h a b s t r a c t w o o d p l a s t i cc o m p o s i t e s ( w p c s ) a r em a d ef r o mt h e r m o p l a s t i cp o l y m e rm i x e d w i t hs a w d u s to rw o o df l o u r ，p l a n tf i b e rp o w d e ra n dav a r i e t yo fp r o c e s s i n ga i d s a f t e rah i g h t e m p e r a t u r em i x i n g ，e x t r u s i o n ，m o l d i n g ，i n je c t i o nm o l d i n g ，ak i n d so f e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yc o m p o s i t em a t e r i a l sc a n b eo b t a i n e d b e c a u s et h em a t e r i a l i sl o wc o s t ，w p c sc a nb ew i d e l yu s e di nc o n s t r u c t i o n ，t r a n s p o r t a t i o n ，l i g h ti n d u s t r y a n dh a v eb r o a dm a r k e tp r o s p e c t sa n de n v i r o n m e n t a lv a l u e b u tt h ew o o d - p l a s t i c c o m p o s i t e sh a v es o m es h o r t c o m i n g s t h ed e n s i t yo fw p c s i su s u a l l yt w i c eo fw o o d a sar e s u l to ft h ea d d i t i o no fw o o df l o u r s ，n e g a t i v ee f f e c t so nd u c t i l i t ya n di m p a c t s t r e n g t ho ft h ew p c sa r eo b s e r v e d n l eo b j e c t i v eo ft h i ss t u d yi st oi n v e s t i g a t ea n d p r o d u c et h ef o a m e dw o o d p l a s t i cc o m p o s i t e si nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ( 1 ) o b t a i n e dt h ef o r m u l ab yc o m p a r e dw i t ht h ew p c m a d ef r o mp pa n dp e t h e e f f e c t so fw o o df l o u rc o n t e n t ，c o m p a t i b i l i z e rc o n t e n ta n dc o u p l i n ga g e n tc o n t e n to n t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw p c sa r eo b s e r v e d a tl a s tw eh a v et h eo p t i m u mr a t i o o f w o o df l o u r m a p po f6 0 ：8 ( 2 ) s e l e c t e dt h ea p p r o p r i a t ef o a mi nt h eo p t i m u mr a t i oo ft h ew p c s m e f f e c t s o ft h ef o a m i n ga g e n tc o n t e n t ，w o o df l o u rc o n t e n to nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e w p c sm a d ef r o mp pa n dp ea r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed e n s i t yo f f o a m i n gw o o d - p l a s t i cc o m p o s i t e sh a v eas i g n i f i c a n td e c r e a s ea n di m p a c ts t r e n g t hi s i m p r o v e d h o w e v e r ，t e n s i l ea n db e n d i n gs t r e n g t hd e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gt h e f o a m i n ga g e n tc o n t e n t w h e nf o a m i n ga g e n td o s a g ei s1 5 ，t h ed e n s i t yo ft h e w p c sm a d ef r o mp pr e d u c e db yl7 ，i m p a c ts t r e n g t hi s2 3 3 k j m 上a n dt h e d e n s i t yo ft h ew p c sm a d ef r o mp er e d u c et h ed e n s i t yo fb y 18 8 ，t h ei m p a c t s t r e n g t hi n c r e a s e db y2 3 t h ew p c sm a d ef r o mp ps h o u l db eu s e df o a m i n ga g e n t t a 210 a n dt h eb e s td o s a g ei s1 5 t h ew p c sm a d ef r o mp es h o u l db eu s e d f o a m i n ga g e n tt a 6 0 0 ，a n dt h eb e s td o s a g ei s1 t h ed e n s i t yo ft h ew p c sh a sa s l i g h t l yi n c r e a s ew i t ht h ea d d i t i o no f w o o df l o u r s ，w h i l et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f m a t e r i a l si sd e c r e a s e d b u tt h ec o s to fm a t e r i a l sc a nb er e d u c e ds i g n i f i c a n t l y ，s ow e c a na d daa p p r o p r i a t ea m o u n to fw o o df l o u r ( 3 ) c o m p a r e dt h ew p c su s i n gh o m e m a d ef o a m i n ga g e n ta n df o a m i n ga g e n t ， p r o c e s s i n gc o n d i t i o n s o nt h ef o a m i n gp r o p e r t i e so ft h em a t e r i a l o b s e r v e dt h e f o a mp o r es t r u c t u r eb ye l e c t r o nm i c r o s c o p y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r o p e r t i e s o f 。f o a mw p c si sb e t t e rt h a nt h ew p c sd i dn o tf o a m t h ea m o u n to ff o a m i n ga g e n t i sd e t e r m i n e dt h ea m o u n to fb u b b l e i no u rs t u d y ，t h ee x p e r i m e n ti sm i c r o f o a m t h em o r et h ef o a m i n ga g e n tu s e d ，t h em o r et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sd e c r e a s e d t h ea m o u n to fb l o w i n ga g e n to f0 5 i sb e s t t h ea d d i t i o no fn u c l e a t i n ga g e n t sc a n i n c r e a s et h en u m b e ro fb u b b l e ，m a k eb u b b l eh o l e se v e n l yd i s t r i b u t e da n dp o r es i z e u n i f o r mp e r f o r m a n c e ，s ot h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ew p c sc a nb ei n c r e a s e d i f n u c l e a t i n ga g e n t si n c r e a s es om u c h ，i tw i l lb e c o m eaf i l l e r t h e nt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e sw i l lb ed e c r e a s e d i nt h i sp a p e r ，t h ea m o u n to f8 i st h eb e s t t h e c o n t r o l l i n gf a c t o ri sv e r yi m p o r t a n ti nt h ep r o d u c t i o no fw o o d p l a s t i cf o a m a c c o r d i n gt ot h ep l a s t i c ，t h eb e s tp r o c e s s i n gt e m p e r a t u r eo ft h i se x p e r i m e n ti s18 0 b u ti no r d e rt op r o t e c tt h e i rn o n f e e d i n g ，l e tt h es a m p l ec o o ld o w na f t e rt h es h o t ， t h e n s t o r a g em a t e r i a l o b s e r v e db ye l e c t r o nm i c r o s c o p y ，f o a ms t r u c t u r eo ft h e w p c su s i n gf o a m i n ga g e n ti sm o r eu n i f o r ma n dt h eb u b b l eh o l ed i a m e t e rs m a l l e r t h a nt h ew p c sw i t h o u tt h ef o a m i n ga g e n t ( 4 ) t h i sp a p e rs t u d yt h ep r o p e r t i e so fw p c sm a d ef r o mt h er e c y c l e dp l a s t i c ，r i c e h u s kp o w d e ro rb a m b o op o w d e rt h a tr e p l a c ean e wp l a s t i ca n dw o o df l o u r t h e r e s u l t ss h o w e dt h a ti ft h ep r o d u c t i o nc o n d i t i o n sa r en o tc h a n g e d ，u s i n gr e c y c l e d m a t e r i a l si n s t e a do fn e wm a t e r i a l si sf e a s i b l e t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw p c s m a d ef r o mr e c y c l e dp l a s t i ci sl o w e rt h a nt h en e w b u tt h ed i f f e r e n c ei sn o to b v i o u s h o w e v e r ，r e c y c l e dm a t e r i a l sc a nr e d u c et h ew a s t ep l a s t i c si nt h ee n v i r o n m e n t a la n d c a na l s or e d u c ep r o d u c t i o nc o s t s t h ew p c sm a d ef r o mb a m b o op o w d e rh a st h e h i g h e s td e n s i t ya n dt h eb e n d i n gs t r e n g t h t h ew p c sm a d ef r o mr i c eh u s kp o w d e r h a st h eb e s ti m p a c ts t r e n g t h t h i ss h o wt h a tt h ef o r m u l ah a sas t r o n ga p p l i c a b i l i t y a n dh a sag o o dg u i d a n c ei nt h ea c t u a lp r o d u c t i o n k e y w o r d w p c f o a m p r o p e r t i e s p p p e 插图清单 图2 - 1 木粉含量与弯曲强度的关系1 1 图2 - 2 木粉含量与弯曲模量的关系1 2 图2 - 3 木粉含量与冲击强度的关系1 2 图2 - 4 木粉含量与拉伸性能的关系1 3 图2 5 木粉含量对密度的影响。1 3 图2 - 6p p g m h h 含量对弯曲强度的影响1 4 图2 - 7p p g m a h 含量对弯曲模量的影响1 4 图2 - 8p p g m a h 含量对冲击强度的影响1 5 图2 - 9p p g m a h 含量对拉伸强度的影响1 5 图2 - 1 0p p g m a h 含量对密度的影响1 6 图3 - 1n h 一1 0 0 热失重分析图谱1 8 图3 - 2p - 1 0 0 热失重分析图谱1 9 图3 - 3t a - 2 0 0 热失重分析图谱1 9 图3 - 4t a - 2 1 0 热失重分析图谱2 0 图3 - 5t h - 5 0 0 热失重分析图谱2 0 图3 - 6t a - 6 0 0 热失重分析图谱2 1 图3 - 7t h - 8 8 0 热失重分析图谱2 1 图4 - 1 发泡剂含量与p p 基复合材料弯曲强度的关系2 7 图4 - 2 发泡剂含量与p p 基复合材料弯曲模量的关系2 8 图4 - 3 发泡剂含量与p p 基复合材料冲击强度的关系2 8 图4 4 发泡剂含量与p p 基复合材料拉伸强度的关系2 8 图4 - 5 发泡剂含量与p p 基复合材料密度的关系2 9 图4 - 6 发泡剂含量与p e 基复合弯曲强度的关系2 9 图4 7 发泡剂含量与p e 基复合弯曲模量的关系2 9 图4 8 发泡剂含量与p e 基复合材料冲击强度的关系3 0 图4 9 发泡剂含量与p e 基复合材料拉伸强度的关系3 0 图4 一l o 发泡剂含量与p e 基复合材料密度的关系3 0 图4 1 1 成核剂含量对p p 基复合材料弯曲强度的影响3 1 图4 1 2 成核剂含量对p p 基复合材料弯曲模量的影响3 2 图4 - 1 3 成核剂含量对p p 基复合材料冲击强度的影响3 2 图4 - 1 4 成核剂含量对p p 基复合材料拉伸强度的影响3 2 图4 - 1 5 成核剂含量对p p 基复合材料密度的影响3 3 图4 - 1 6 成核剂含量对p e 基复合弯曲强度的影响3 3 图4 - 1 7 成核剂含量对p e 基复合弯曲模量的影响3 3 图4 - 1 8 成核剂含量对p e 基复合冲击强度的影响3 4 图4 - 1 9 成核剂含量对p e 基复合拉伸强度的影响3 4 图4 - 2 0 成核剂含量对p e 基复合密度的影响3 4 图4 - 2 1 未发泡木塑3 6 图4 - 2 2 未用发泡母料发泡3 6 图4 - 2 3 发泡母料发泡3 7 表格清单 表3 1 不同发泡剂对木塑复合材料的性能影响2 2 表3 2 不同发泡剂含量对复合材料的性能影响2 2 表3 3 不同木粉含量对复合材料的性能影响。2 3 表3 - 4 不同发泡剂种类对p e 基复合材料的性能影响2 3 表3 5 不同发泡剂含量对p e 基复合材料的性能影响2 4 表3 - 6 不同木粉含量对p e 基复合材料的性能影响2 5 表4 1 射出工艺参数。3 6 表4 2 储料工艺参数3 6 表4 3 配方列表。3 7 表4 4 回收l d p e 对材料的性能影响3 8 表4 5 不同填料对材料的性能影响3 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金月巴工业太堂 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：签字日期山f o 年汐月踞 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金蟹王些太堂 有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅或借阅。本人授权金胆王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 签字日翟之咔年彳且扬日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 签字日期 电话： 邮编： 特别声明 本学位论文是在我的导师指导下独立完成的。在研究生学习期间，我的导 师要求我坚决抵制学术不端行为。在此，我郑重声明，本论文无任何学术不 端行为，如果被发现有任何学术不端行为，一切责任完全由本人承担。 ：兰一域 签字日期m d 年幺月助日 致谢 感谢导师徐卫兵教授，本论文是在导师徐卫兵教授的悉心指导下完成的。 在指导论文的整个过程中，导师勤恳的工作作风、严谨的治学态度、刻苦钻研 的科学精神、让我体会到了一个园丁的无私奉献，感受到一位长者的关爱之情， 也让我明白了很多做人的道理。这一切都将对我今后的工作和学习产生深远的 影响。 我的课题的顺利完成离不开徐老师在生活上对我无微不至的关怀，在学习 和工作中对我孜孜不倦地指导和帮助；在论文修改中付出的大量心血，提出了 许多宝贵的建议。在此，再次向恩师致以最衷心的感谢和最崇高的敬意! 在本课题的完成过程中，周正发老师自始至终都给予了热诚地帮助和关 怀，在此一并致以最衷心的感谢和最崇高的敬意。 还要提及的是两位学长：欧阳彦辉，任崇荣的帮助和指导，对论文地完成 非常关键。另外实验室的其他成员的帮助对论文的完成也很重要。在此，也对 他们表示最忠实的感谢! 感谢我的父母，是他们给了我受教育的机会，同时对我的亲人们给予我的 精神及学习生活上的鼓励、关怀、支持和帮助也表示最诚挚的谢意! 最后，感谢一切曾经帮助过的朋友们! 作者：朱敏 2 0 1 0 年3 月 1 1 引言 第一章绪论 木塑复合材料，是一种以木粉或植物纤维与塑料为主要原料共混制成的复 合材料l lj 。经由聚合物木粉或植物纤维等共混，并添加各种加工助剂和改性剂， 经过高速混合再经挤出或模压注射等成型加工手段制得，由于该材料具有木材 和塑料的共同特点，能够被广泛应用于建筑装饰以及轻工业等部门，具有很高 的环保价值和市场前景怛j 。 由于木塑复合材料中木粉或植物纤维是强极性亲水性的，但聚合物是非极 性疏水性的，两者之间极性不相容且存在着较高的界面能差。因此，解决木粉 和聚合物之间的极性和相容性问题成为制备性能优良的木塑复合材料的关键技 术问题。有文献表明马来酸酐改性后的p e 蜡能有效改善木纤维与基体树脂的相 容性，但对复合材料的冲击强度改善不明显。但矿物油处理的木纤维能显著提 高冲击强度。脂肪酸处理过的木纤维能有效改善纤维的分布，提高拉伸强度。 国内外己对木塑复合材料进行了较深入的研究，开发了p e 木粉，p s 木粉，p p 木粉，p v c 木粉等多种木塑复合材料并实现了工业化生产。目前木塑材料的用 途包括汽车内饰，窗框，屋顶木瓦和住宅装饰。与木材相比，w p c 更持久耐用， 需要的维护较少，吸水量小，并有优越的抗真菌性。总之，木塑复合材料的研 究近几年得到了迅速发展，复合制品的性能也得到了很大的提高。 1 9 9 8 年以后，世界塑木工业保持年均2 5 的增长率【3 1 ，北美是世界塑木工 业最大的生产和应用市场，也是塑木技术最先进的地区。0 4 年其消费量为 1 0 0 0 k t ，0 9 年前北美的消费量保持了年均9 5 的增幅，0 9 年市场总量已达 1 6 3 0 k t 。发泡木塑是塑木工业的一个发展方向。发泡木塑也具有未发泡木塑的 可锯割、螺栓或钉子连接得特点，而且挤出发泡后的型材表面质量优于未发泡 木塑【4 1 ，发泡能大幅降低成本，最终制品的密度可以降低2 0 2 5 ，因为树 脂占型材材料的4 0 5 0 ，这些树脂占复合材料成本的8 0 - 9 0 ，因此发 泡后总成本能降低一半。最早的发泡木塑料复合材料的基础树脂是p s i4 1 ，2 0 世纪7 0 年代e m p i r 公司挤出生产的发泡p s 系w p c 铅笔杆，2 0 世纪8 0 年代中 期，美国m a r l e y m o u l d i n g 公司开始生产木粉填充p s 的发泡制品。近几年则出 现越来越多种类的发泡木塑制品，新增基础树脂有p e ，p p ，s a n ，和p v c 等， 主要产品有型材和形状复杂的大型注塑制品，制品的密度可以降低5 - 5 0 ， 木粉添加量能达3 0 - - 6 0 。发泡木塑占木塑总量的2 0 左右，其中大部分是 p v c 系木塑制品【5 】。基体树脂中无定型塑料比结晶型塑料更容易发泡。因为无 定型塑料熔体强度高，气泡不易挥发。而结晶型塑料的熔体强度低，有利于制 备高木粉含量的制品。无定型塑料浸渍木粉效果差且不利于木粉的均匀分散， 但其保持和固定气泡效果好。另外，发泡会降低制品的拉伸强度，弯曲强度和 硬度等力学性能。具体性能取决于泡孔直径、木粉添加量、加工工艺和树脂种 类。 目前，北京化工大学塑料研究所分别制备并研究了p v c 竹粉、p v c 杨木粉、 p v c 砂光粉等木塑复合材料的发泡性能。砂光粉中因含有较多的粘合剂和石膏 粉，增加了材料的发泡难度。经研究发现，采用复配助剂和发泡剂可成功发泡 4 0 填料含量的p v c 砂光粉木塑复合材料，材料发泡后的密度可控制在0 7 0 - 0 8 5 9 c m 3 之间。 1 2木塑复合材料的制备 1 2 1木塑复合材料的原料 ( 1 ) 木材及植物纤维 木塑复合材料所用的木纤维全部来自天然植物纤维【6 】。植物纤维具有可反 复加工、来源丰富、可生物降解、密度低、比表面积大等特点。此外，植物纤 维作为改性塑料中的填料具有很多优势，对加工设备磨损小，比强度高、硬度 低【l 】。最常用的植物纤维是木粉。国外已经工业化应用的原料有麦秸秆、稻草、 稻壳等。植物纤维原料的主要化学成分为纤维素、半纤维素和木质素，还有许 多其他次要成分，如蛋白质、树脂等【7 1 们。植物秸秆的纤维素含量一般较低【l ， 但有一些植物原料，如棉杆、麻杆、甘蔗渣等的纤维细胞含量却非常接近木材 中纤维的含量【1 1 02 1 。植物纤维作为填料也有很多缺陷，最主要的缺点是它与塑 料的极性不相容且界面相容性太差；其次，木纤维等高温易分解所以加工温度 不能过高这就限制了对塑料基体的加工温度；另外，木纤维在加工过程容易团 聚、以及它的吸水性等都是需要解决的技术问题。 ( 2 ) 聚合物 用于塑木加工的基体树脂可以是热固性也可以是热塑性树脂。树脂选择主 要依据有：产品的需要和树脂的基本性能以及原料成本等因素。热固性树脂主 要采用脲醛树脂、环氧树脂、等。热塑性树脂主要采用p e 、p p 及p v c 等。据 统计目前市场上仍以通用塑料为基体树脂制备木塑复合材料为主【1 1 1 。杜万里等 以纳米s i 0 2 改性的脲醛树脂为基体，杨木粉为填料，通过浸渍法制得木塑复合 材料，结果表明：复合材料性能比木材性能有很大提高。由于热塑性塑料具有 易加工用途广泛可以回收等特点，在适当的温度范围之内，热塑性塑料可以被 重复加工很多次，因此目前的木塑材料的主要原料为热塑性塑料。在常用的热 塑性塑料中，主要用p e ，p p ，p v c 等加工温度低于2 0 0 的塑料和木纤维混合 制备复合材料【1 2 】。这是因为大多数木纤维超过此温度，就会因分解导致刚性填 料损失使强度下降。 2 ( 3 ) 添加剂 由于木纤维等具有较强的极性，而热塑性塑料却是非极性或极性很小，这 就使树脂基体与填料间的界面粘合性极差【l3 1 ，添加剂就是改善界面相容性的方 法之一。添加剂在木塑复合材料的配方中起着改善相容性和改善加工性能稳定 体系降低材料密度和成本的作用，例如，配方都不同程度地使用了偶联剂、光 稳定剂、颜料、润滑剂【l4 1 、防腐剂和发泡剂【1 5 】等。其中偶联剂可分为有机偶联 剂、无机偶联剂、有机无机偶联剂3 大类。实验证明有机偶联剂效果较好。目 前最常用的偶联剂是马来酸酐和铝酸酯；润滑剂有脂肪酸及其酯类、脂肪酸酰 胺类、烃类和硅有机化合物。添加剂的用量虽然少，但对木塑复合材料的性能 及生产工艺条件却有很大影响，已成为改善复合材料性能和成本的重要手段， 是目前研究的热点【l 引。 1 2 2 木塑复合材料的生产工艺 在木塑的生产工艺方面，根据木纤维的组成、木塑的配方、产品用途和设 备的不同，木材和塑料复合制备木塑的生产工艺主要有3 类：挤出成型、热压成 型和挤压成型【l 引。 ( 1 ) 挤出成型工艺 在工业上，标准是使用双螺杆挤出机。双螺杆挤出机的使用，使复合材料具有高 模量和低吸水率。但是，没有太多的研究关于双螺杆挤出机的工艺参数对w p c 吸水性 的影响。这些参数包括：进料速度，螺杆转速，料简温度和螺杆尺寸。可能是因为w p c 的力学性能对这些参数不敏感，所以明显的疏忽了这些参数。对双螺杆的设计来说， 要保证木粉在挤出过程中不被炭化，可以考虑增加加料段，缩小均化段，降低 木粉在螺杆中的停留时间，同时口模的要求能合理分配流量。要求所选的挤出 机螺杆还要有很好的排气能力1 1 7 埔j 。 ( 2 ) 热压成型工艺 热压成型工艺可成型一定规格板材，但不能连续生产。y a o l i nz h a n g 等【l 引 利用热压复合法制备了p e 基木塑复合板材，发现不同的木粉材料制得的w p c 有不同的杨氏模量和拉伸应力。木粉含量增加，杨氏模量增加。然而，偶联剂 的对材料性能的影响依赖于它本本身的性能以及它与木粉间的相互作用。弹性 模量，与拉伸应力相反，木粉含量高弹性模量低，而且随着偶联剂含量增加而 提高，尤其是在高木粉含量时。一些变量也影响着断裂伸长率。木粉的加入能 提高w p c 的硬度，而同时断裂机理从韧性向脆性转变。偶联剂的加入提高了 木粉与树脂基体的表面特性。然而，偶联剂的含量应该控制在一定范围，这样 它不仅能提高w p c 弹性模量、拉伸强度，而且提高它的断裂伸长率。 ( 3 ) 挤压成型工艺：挤出机和压机联用的一种挤出和加压同步生产工艺。该 法成型的板材长度要大于热压成型板材。同时其制品综合性能优于挤出工艺的 板材制品。【l 训 木材用于住宅应用，如装饰。为防止环境和微生物的降解，是典型的用如铬化砷 酸铜( c c a ) 化学品处理的。然而，从2 0 0 4 年开始，美国环境保护局已逐步停止c c a 处理过的木材应用在建筑产品市场。替代产品是约5 0 的木粉分散到聚丙烯，聚乙烯， 聚苯乙烯，聚氯乙烯，或a b s 基体中加工成的木塑复合材料。聚合物基体中木材含量 越高，w p c 的外观类似天然木材，并首选的处理方法是异型压出或注塑成型。同样， 由于木材粒子是极性的( 亲水性的) ，水是从大气中吸收，这导致了其尺寸的变化和 真菌的生长。因此，w p c 的耐久性降低。可能解决这个问题的方法是引进添加剂，如 聚丙烯接枝接枝马来酸酐( p p - g m a h ) 。它可以和木粉表面的羟基反应，并占领属于 水分的地方。p p g m a h 添加到聚丙烯基木塑复合材料作为偶联剂，它通过增加木材和 非极性( 疏水性) 聚丙烯之间的粘结力，提高了材料的复合强度。虽然可以使用不同 的加工设备来生产w p c ，但是在工业上，用的最多的还是双螺杆挤出机。 1 3木塑发泡材料的制备和研究进展 木塑发泡过程是发泡剂分解的气体在高温高压下溶解在聚合物熔体中形成 均相体系，在这个均相体系脱离高温高压环境后气体在熔体中形成气泡【2 1 1 。 1 3 1以聚氯乙烯为基体的复合材料的发泡研究 木粉对p v c 木塑发泡复合材料的性能有重要影响。p v c 木塑发泡就是在原 木塑配方的基础上加入发泡剂以及各种助剂经挤出或注塑发泡成发泡制品 【2 2 1 ，木粉的填充量越高，由于木粉具有较强吸水性和极性与基体树脂不相容， 这就需要对木粉进行改性。木纤维的改性方法主要可以分为物理方法和化学方 法【2 3 1 。 ( 1 ) 物理方法 物理方法不改变纤维的化学成分。但改变纤维的表面结构，从而提高纤维 与基体树脂的物理粘合性。目前生产中常用的物理改性方法主要有热处理法和 碱处理法。热处理能够除去木纤维吸附的水分和小分子易挥发物质，但不能除 去大部分的果胶、木质素及半纤维素。由于植物纤维各组成热膨胀系数的差别 和水分等物质的挥发，导致纤维产生空洞和缺陷，导致木纤维拉伸强度、弹性 模量和冲击性能会随着热处理温度升高而下降【2 3 1 。碱金属溶液浸泡木粉后，能 漂洗掉木粉的木质素而且能提高木纤维的分散。乙酰化是在木粉表面通过对极 性官能团进行酯化、醚化等改性处理，使其生成疏水的非极性化学官能团，使 木粉表面与塑料表面的溶解度相近，以降低塑料基材与木质材料表面间的相斥 性，达到提高界面的粘合性的目的【2 4 】除了上述方法外，还有蒸汽喷发、辐射、 放电处理等方法。 ( 2 ) 化学方法 j 木粉的乙酰化、表面接枝和界面偶合等化学方法预处理，可以降低其表面 极性化程度，在一定程度上改善了木粉与树脂的相容性，提高复合材料的拉伸 强度、抗冲击强度和弹性模量等力学性质。其中使用偶联剂为现在国内p v c 木 4 塑加工的首选改性方法，偶联剂是两种不同物质晃面之间的分子桥，它能使塑 料与木粉表面之间产生较强的界面结合，提高木粉与塑料的相容性及分散性， 能明显提高复合材料的力学性。常用有钛酸醋类、铝酸醋类偶联剂1 25 。苑会林 【2 6 】等通过铝酸酯偶联剂改性木粉来制备p v c 木粉发泡材料，发现铝酸酯偶联剂 处理能提高p v c 木塑发泡板材的拉伸强度和冲击强度。刘涛【2 7 】等通过用油酸酰 胺、钛酸酯偶联剂、等对木粉进行处理，制备了p v c 木塑发泡复合材料，结果 显示复合材料的力学性能均得到了提高；而且经聚氨酯预聚体处理后的木粉在 制备木塑材料是还能明显改善复合体系的加工性能。f m e n g e l o g l u 2 8 j 等研究 了氨基硅烷处理过的木纤维，发现具经处理后的木粉有很强的碱性和供电子能 力，而p v c 经氨基硅烷处理后具有很强的酸性，这样就会使p v c 与木粉在界面 处发生化学反应从而提高p v c 与木粉的相容性达到提高材料力学性能的目的。 p c i y uk u o a 等【2 9 】采用p p g m a h 和硬脂酸锌改性了三种木粉。研究结果表明，木 粉塑料基体p p g m a h 硬脂酸锌比率为4 7 ：4 7 ：3 ：3 时复合材料的冲击强度明显提 高，材料的拉伸强度和m o r 值明显高于其他复合材料。p c h o ip o j 等采用杜邦公司的 f u s a b o n d ( 型号w p c - 5 7 6 d ) 来改性木粉，通过注塑发泡的方法来考查偶联剂对复合材料 的性能影响。结果显示，偶联剂的对材料性能的影响依赖于它本本身的性能以及它 与木粉间的相互作用而且随着偶联剂含量增加而提高，尤其是在高木粉含量时。一些 变量也影响着断裂伸长率。木粉的加入能提高w p c 的硬度，而同时断裂机理从韧性向 脆性转变。偶联剂的加入提高了木粉与树脂基体的表面特性。然而，偶联剂的含量应 该控制在一定范围，这样它不仅能提高w p c 弹性模量、拉伸强度，而且提高它的断裂 伸长率。 1 3 2以聚烯烃为基体的木塑复合材料的发泡研究 ( 1 ) 配方体系： 1 发泡剂 木塑发泡材料用的发泡剂主要分为物理发泡剂和化学发泡剂两大类。泡沫 细孔是通过某一种物质的物理形态的变化，即通过压缩气体的膨胀、液体的挥 发或固体的溶解而形成，那么这种物质就称作物理发泡剂【30 1 。木塑发泡用的物 理发泡剂主要产生惰性气体包括n 2 和c 0 2 ；还有一些低沸点的液体包括丁烷、 戊烷、二氯氟甲烷、等【3 1 1 。其中的丁烷、戊烷易燃易爆，在挤出过程中会由于 静电聚集放电产生火花容易引起火灾；而氯氟烃系列发泡剂则对地球臭氧层具 有破坏作用，各国已经禁用。超临界流体发泡技术【3 3 】是在加工的过程中聚合物 承受高温高压作用与c 0 2 发泡剂的超临界点相态区( c 0 2 超临界点的温度与压力 是31 1 ，7 3 m p a ) 是一致的。因此。在一定温度下采用临界点上的压力把c 0 2 从挤出机的熔融段中注入，使其能够溶解在聚合物中。形成浓度均匀的聚合物 气体饱和的均相体系。d o m u d i a n i 3 4 】等成功将h d p e 与牛皮纸浆、木粉进行混合， 经过造粒，注射成样条。然后向样条中注入c 0 2 达到饱和状态，最后快速加热 使其发泡。化学发泡剂经加热分解后能释放出二氧化碳和氮气等气体，并在聚 合物组成中形成细孔的化合物 3 0 】。可以分为吸热型发泡剂和放热型发泡剂也可 以分为有机和无机发泡剂，由于它们的热分解行为不同从而可以改变聚合物熔 体粘弹性和发泡材料的泡孔形态。吸热型发泡剂在发泡时吸收热量会提高熔体 粘度稳定气泡结构；而放热型发泡剂在分解时会释放大量热量会导致熔体温度 升高粘度降低，最后出现气泡合并或产生大气泡现象。综合考虑，现在的发泡 木塑复合材料的加工中大多采用a c 作为主发泡剂，用量一般在1 5 左右。为了 适应各种木粉和基体树脂的加工温度，需要添加各种不同的发泡助剂来提高或 降低a c 的分解温度或者与别的发泡剂复配改善a c 的热分解行为来改进发泡效 果。阎春绵【35 j 等研究了z n o 和z n ( s t ) 2 对a c 的影响，结果表明这两种助剂可以有 效降低a c 的分解温度使之与p e 挤出温度相适应。当二者配合比例为z n o ： z n ( s t ) 2 = 3 ：l 时，它对泡孔结构影响最大，随着其用量的增加，泡孔直径逐渐减 小，密度降低，当用量超过2 5 时，泡孔坍塌合并导致密度上升。盛旭敏 3 6 1 等用模压法制备木粉l d p e 发泡材料。通过d s c 分析，研究了纯a c 及其与z n o 共混物的热