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國內外木塑復合材料的研究進展

所屬欄目:機械論文 發布日期:2019-05-28 10:22 熱度:

   摘要:闡述了木塑復合材料在21世紀的研究進展,涉及國內外在近幾年的主要研究成果,介紹了包括界面相容性的改善方法、加工工藝的改進以及木塑復合材料的相關性能探討,并提出了我國木塑復合材料今后的發展方向。

  關鍵詞:木塑;復合材料;研究進展

國內外木塑復合材料的研究進展

  木塑復合材料是國內外近年蓬勃興起的一類新型復合材料,指利用聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等,代替通常的樹脂膠粘劑,與超過50%以上的木粉、稻殼、秸稈等廢植物纖維混合成新的木質材料,再經擠壓、模壓、注射成型等塑料加工工藝生產出的板材或型材。主要用于建材、家具、物流包裝等行業。將塑料和木質粉料按一定比例混合后經熱擠壓成型的板材,稱之為擠壓木塑復合板材。

  1 國內木塑復合材料研究進展

  木塑復合材料這種新興的環保材料產品在世界范圍得到越來越多的關注和認可,其生產量和使用量都在逐年快速增加。我國在木塑復合材料方面的研究也一直處于進步狀態,進行了大量有益的試驗并取得不少成果。 2001年賀德留[1]等在低溫和中溫環境中進行兩個階段的化學反應引發聚合固化,實驗中以速生劣質材楊木為基材,以有機單體甲基丙烯酸甲酯作為浸滯劑,并著以適當顏色,在真空狀態下作浸滯處理,處理件在石蠟包圍下,制造出木塑復合材料。該技術實際應用中出現的問題有很多,但在此工藝基礎上,通過制作楊木木塑復合材料地板試驗已基本解決。研究得出相關結果有:木材的含水率需要達到一定的指數才可以進行浸注;采用甲基丙烯酸甲酯為浸注液時,偶氮二異丁腈的有機單體量也有一定規定,而且把偶談二異丁腈作為化學引發劑;微量加入還原劑亞鐵離子的方法可以改變和強化復合材料的性能,但須注意要定期往循環浸注液中補加亞鐵離子和化學引發劑;制作高硬度的木塑地板時可以在有機單體中加入色素(而且加入量是有一定的規定),這樣既改變了復合材料顏色,同時增強了復合材料的性能;浸注過程的真空度盡可能保持不變,當浸注真空度和浸注時間達到要求的數值時可以制作木塑復合材料地板同時也滿足材料的硬度要求很大時的情況;最后一步一定要及時進行石蠟包裹,石蠟油溫度在一定數值時才能達到理想的包裹效果;有機單體在木材內的聚合固化程序時間也在實驗中得到驗證。

  2002年殷小春[2]等論述了如何改善木塑復合材料界面相容性的問題,主要從工藝、原材料等幾方面進行探討,對國內外的研究方法和最新成果都進行了簡單介紹。相關研究表明,對纖維素纖維進行表面改性處理可以提高很多性能,比如:PVC與纖維之間的粘合性能、制品的孔隙率、其微孔發泡制品的沖擊強度、比斷裂伸長率等。而泡孔形態受很多因素影響,像發泡溫度、發泡時間等加工條件。泡孔形態易受影響,其宏觀物理性能也會因此受影響。泡孔的合并或氣體的散失都會在過高溫度或者過長時間下使泡孔密度減小,孔隙率降低。試驗中的樣品均為模壓下制備,所以其所得結論與實際情況有無區別還并不確定。 2003年李思遠[3]等研究了木塑復合材料的擠出成型工藝以及木粉用量對材料性能的影響。首先從擠出成型的機械設備出發,發現了一種可行方法解決了加料困難、體系分散不均勻等問題,即用雙螺桿擠出機代替單螺桿擠出機。這種設備變化之后所得的材料有很好的加工流動性,也呈現出了更好的混合、塑化效果。木粉用量則對木材性能的影響并不是很大,加工流動性和拉伸強度都沒有隨木粉用量的增加產生顯著變化。因此得出結論雙螺桿擠出機代替單螺桿擠出機擠出成型是個行之有效的方法,而木粉用量對材料的影響不大。

  2003年趙丹[4]等探討了塑料與木質碎料的混合比對木塑復合材料力學性能的影響,在其文章中介紹了木塑復合材料平壓法成型的工藝,過程中板坯的流動性和粘結性也得到了一定程度的研究。結果發現通過將塑料先加入一定量的木粉或將木質材料與混煉后的塑料混合后壓制成型可以使材料獲得良好的力學性能。 2005年李凱夫[5]等采用單因子試驗法通過ESEM (環境掃描電鏡)和FTIR(傅氏轉換紅外線光譜分析儀)等現代分析手段,揭示了鈦酸酯和鋁酸酯兩種偶聯劑的作用機制和對木塑復合材料界面相容性的影響規律。最后得出結論:木塑復合材料力學性能隨鈦酸酯或鋁酸酯用量增大呈現出先增大后減小的趨勢,且鈦酸酯對材料力學性能的影響效果顯著于鋁酸酯。 2005年崔益華[6]等成功研制出再生型的復合材料,十分環保。將固體廢棄物中的高密度聚乙烯(HDPE)回收后與木纖維復合制備而出。同時也研究了木塑復合材料的熱學和力學性能在面對木纖維長度變化和相容劑變化時的相應改變。對材料斷裂機制的分析研究則是通過觀察沖擊斷口形貌來進行的。通過實驗結果,得出了木纖維的含量改變確實會改變木塑復合材料的彎曲強度和沖擊強度,前者成正比關系,而后者呈反比關系。相容劑的加入是十分有效的方法,可以改善木纖維與基體樹脂之間的界面結合。與此同時,HDPE的結晶溫度和速度都會因木纖維的加入而呈下降趨勢。

  2007年王克儉[7]等采用有機插層的改性手法,制得有機蒙脫土(OMMT),結合木粉、聚氯乙烯制備了有機蒙脫土/木粉/聚氯乙烯(OMMT/WF/PVC)的納米復合材料。研究結果表明復合材料的彎曲性能和抗蠕變性最好的時候是在特定的條件下才可以得出的。對處理木粉的偶聯劑質量分數、OMMT質量分數也都有要求。同時,對提高復合材料性能有利的還有加入接枝木粉,它與OMMT分散在界面上可以起到增強作用。

  2 國外木塑復合材料的研究進展

  2008年Masahiro Takatani[8]等研究了填料含量高的木塑復合材料性能。重點報告了填料含量較高的木塑復合材料的制備和性能特點。用生物復合材料作為塑料填充,纖維素酯作為增溶劑,研究了提高耐氣候性的方法等。加入少量的纖維素酯和脂族羧酸有效改善了木塑復合材料。同時提出木材含量高的塑料的結晶速率減慢。對于改善木材/ PP復合材料的耐氣候性,頂涂層被發現是最有效的方法。 2009年James S. Fabiyi[9]等對風化的木材和聚合物基體的結合方式對木塑復合材料的成分影響進行了研究。木塑復合材料通過松綜纖維素纖維與高密度聚乙烯制備得來。這些復合材料在外面受氙弧加速風化總計超過100多天,對發生在木塑復合材料表面上的顏色和化學變化使用專業技術分析。對于松樹和采掘無松木填充的復合材料,結果表明,總體顏色亮度有變化并且氧化增多,木質素含量下降。隨曝光時間增加,復合材料中提取的高密度聚乙烯的重均分子量(Mw)與數均分子量(Mn)都有一定下降。然而,高密度聚乙烯在較長的曝光時間條件下結晶度增加。輕全息纖維素基木塑復合材料有所改變,但相比其他復合類型HDPE的結晶度的變化并不顯著。因此,綜纖維素為基礎的木塑復合材料可能是首選的色彩穩定性高優先級的應用。

  2011年Mbarek T.B[10]等通過3D圖像相關技術研究了木塑復合材料的機械性能。利用3D圖像技術通過全場應變測量方法研究使用添加劑對木塑復合材料的張力性能的影響。研究顯示出宏觀的縱向應變值接近那些由機械引伸使用標準的機械測試。嵌合實驗拉伸曲線的麥克斯韋Bingham模型所提供的彈性模量數分析得出幾個木塑復合材料的公式,取決于木材含量和是否使用添加劑。彩色地圖應變分布的空間也經過一定研究。此外,通過縱向應變場的空間的標準偏差也分析了損傷的行為和異質性的程度。 2012年Mohammad Golzar等通過數學方法研究木塑復合材料的流變力學性能構建融化立構方程。用高密度的聚乙烯做基質,用優良木屑顆粒做填充,用四種質量分數的木材內容分別研究。在一定溫度和轉速下,測試儲能模量、損耗模量和復數粘度。最后研究結果表明隨著木材含量的增加,所測試的數據都呈現增長的趨勢。 2012年Henrik Seefeldt等對木塑復合材料甲板板的燃燒性能進行了研究。主要調查研究了木塑復合材料制成的甲板板阻燃的基本知識,通過幾何形狀、材料組成和濕度這幾個方面來衡量,測試方法為圓錐量熱法。研究用中空的幾何形狀移動燃燒材料并且降低燃燒載荷,但持續增加火焰傳播。最后的結果表明最好使用木材含量高的材料,并且滑石粉的增加會降低燃燒強度。濕度也對燃燒性能有一定積極影響。

  3 小結

  中國人造板消費量在過去10年內迅速增加,尤其是家具制造的快速發展更是促進了人造板行業的迅猛增長。據不完全統計,截至2005年底,我國從事木塑復合材料產業從業人員已數萬人,木塑復合材料制品年銷售量已近20萬噸,年產值達億元人民幣。如今,木塑制品已趨向于高附加值制品發展,因此,我們應借鑒國外發展木塑產業的經驗,結合我國國情,制定我國木塑產業的發展方向,從合適的方面開拓前進。比如在生產加工方面,應從單一擠出加工成型材,向復合共擠、包裹共擠等各種加工成型材方向發展。同時相比較于國外的研究,我國對木塑復合材料的科研進展是比較緩慢的。尤其從近幾年的種種數據和報告可以看出,我國最新的研究成果比較缺乏,沒有太大的提高。不論是木塑行業還是進行木塑復合材料相關研究的機構都應該利用好現有的大環境,總結過去,規劃未來,要有知難而進的技術創新精神,采取有效措施,開展各種技術開發,通過方方面面的技術合作,將我國木塑復合材料的生產技術、產品質量推向更高水平,進而推進我國的木塑復合材料及其制品快速邁入國際市場,為國人增收,為國家創匯。

  [參考文獻]

  [1]賀德留,馬小琦.楊木木塑復合材料制作地板的研究[J].河南林業科,2001,21(1):12.

  [2]殷小春,任鴻烈.對改善木塑復合材料表面相容性因素的探討 [J].塑料,2002,31(4):28.

  [3]李思遠,楊偉,楊鳴波.木塑復合材料擠出成型工藝及性能的研究[J].塑料工業,2003,31(11):22-24.

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文章標題:國內外木塑復合材料的研究進展

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