改性技術(shù)在WPC塑木復合材料中的應用
塑木復合材（WPC）的資源有效利用與環(huán)保的重要意義已被大家認可，其性能影響因素及加工機械設備和工藝方面的問(wèn)題也已得到較充分的研究，生產(chǎn)線(xiàn)的規模和制品的產(chǎn)量也已初具端倪，但必須承認的是，性?xún)r(jià)比的高低和能否找到揚長(cháng)避短的最佳用途仍然是實(shí)現產(chǎn)業(yè)發(fā)展、制品得到普遍認可的關(guān)鍵。
塑木復合材料（WPC）顧名思義是作為合成高分子材料的塑料與作為天然高分子材料的植物纖維經(jīng)過(guò)混合與熱成型而成的復合材料，從已掌握的材料性能看，它既不等同于填充或共混改性塑料，又與天然木材有著(zhù)顯著(zhù)區別，因此既不能照搬通常的塑料改性和加工方法進(jìn)行加工，又不能以天然木材的理念衡量要求，而是要用全新的視角來(lái)認識并采取得當的措施。
材料成本一定要低，不能指望國家的政策扶植
一次性泡沫塑料餐盒于上世紀末被封殺，當時(shí)多年被價(jià)格偏高問(wèn)題壓得喘不過(guò)來(lái)氣的紙槳模塑或紙板餐盒被認為是環(huán)保的，自以為能大行其 道，八年過(guò)去了，得到政府全力扶持的所謂環(huán)保餐具仍然沒(méi)能獨領(lǐng)風(fēng)騷，其根本原因就是高昂的價(jià)格不能被社會(huì )普遍接受。
材料性能一定要有特色
WPC材料的最大亮點(diǎn)是資源的充分利用和無(wú)甲醛危害。在倡導實(shí)施循環(huán)經(jīng)濟、可持續發(fā)展的科學(xué)發(fā)展觀(guān)的今天，一定要在WPC的特色上做好、做足文章，讓它深入人心，贏(yíng)得社會(huì )認可。
成型加工工藝和設備越簡(jiǎn)單越好
無(wú)論是廢舊塑料，還是木屑、秸稈粉、果殼粉等植物纖維材料，本身的性能不可能穩定，再精確的計量配混，再?lài)栏竦墓に嚳刂埔膊豢赡軐?shí)現穩定的操作。我們的加工設備與工藝要求適應性強，對原料的狀態(tài)、組分配比、雜質(zhì)多少的敏感性越低越好，可加工的工藝條件越寬越好，這樣不僅能節省設備投資、降低加工成本，而且材料的性能在一定范圍內反而更趨于一致。
一定要選好用途
一方面各國的國情不同，WPC材料的用途、去向也不盡相同，另一方面制品用于不同場(chǎng)合，對材料的性能要求千差萬(wàn)別，一定要揚長(cháng)避短，有針對性的設計配方及工藝。那種認為用同一種原料，同樣一套設備和工藝制成可到處使用的材料的思路是不可取的。
上世紀九十年代就開(kāi)始用WPC材料做托盤(pán)，盡管有它的依據和道理，但至今在該領(lǐng)域仍未立足和得以普及，尤其在合成樹(shù)脂價(jià)格翻番，廢舊塑料價(jià)格隨風(fēng)而漲的形勢下，WPC材料更難有競爭優(yōu)勢。
改性技術(shù)在WPC材料中的應用
影響WPC材料性能及加工性的因素很多，本文僅就與改性技術(shù)有關(guān)的一些因素和改性效果加以討論。
木質(zhì)粉體的含水問(wèn)題及處理對策
將木屑、竹粉、果殼粉、秸桿粉等稱(chēng)之為木質(zhì)粉體不一定十分準確，這里沿用非金屬礦粉體的叫法僅僅是為了表述方便而已。
木質(zhì)粉體無(wú)一例外地含有大量水份，而水在塑料加工過(guò)程中遇熱汽化，極易在材料內部形成氣孔，或致使制品表面粗糙。對某些塑料如PET、PC、PA等，還有可能因為水的存在催化降解，在進(jìn)入加工設備前，往往花費大量能耗將原料干燥到水份含量0.1%以下。
干燥是必要的，但過(guò)度干燥不僅不能將水份去除干凈，反而會(huì )造成嚴重后果。在有氧的環(huán)境下，木質(zhì)素在200℃左右時(shí)會(huì )劇烈發(fā)煙，木質(zhì)粉體色澤明顯加深，稱(chēng)之為“燒”，而纖維素在高溫下很容易熱降解，聚合度劇烈下降。當聚合度從幾千下降到700℃以下時(shí)，纖維本身強度已下降到很低的程度。聚合度降到200℃以下時(shí)則不再具有纖維特征。
因此無(wú)論從節能的角度，還是從材料的性能優(yōu)化的角度，都應當鼓勵木質(zhì)粉體不經(jīng)干燥或僅僅稍加干燥就直接使用的工藝技術(shù)。
木質(zhì)粉體的表面處理
雖然木質(zhì)粉體是天然的高分子物質(zhì)，但因纖維素和半纖維素（聚戊糖）分子上遍布羥基，致使它們既不能與大多數合成樹(shù)脂的大分子相容，又不同于碳酸鈣等非金屬礦物粉體，因此所用的表面處理劑和處理工藝也不能照搬以往傳統的辦法。
由于木質(zhì)粉體顆粒表面多羥基特征與淀粉相似，而淀粉的表面處理已趨于成熟，因此在淀粉塑料加工過(guò)程中所使用的表面處理技術(shù)和助劑對塑木體系也應當是適合的。
最近重慶嘉世泰化工有限公司研制成功一種專(zhuān)門(mén)適用水份含量高或多羥基表面的粉體使用的偶聯(lián)劑，已經(jīng)在水份含量較高的非礦粉體制造填充母料的過(guò)程中應用成功，也在塑木材料的生產(chǎn)中初步試用，獲得令人鼓舞的效果。
這種新型偶聯(lián)劑由于引入具有親油親水的基團，可將水分子束縛在親水基團周?chē)?，減少了水在加工過(guò)程中汽化的機會(huì )，同時(shí)該基團與水分子的結合物與基體樹(shù)脂又有良好的相容性，不僅填充體系的力學(xué)性能好，而且成型制品表面光潔，還有利于塑料薄膜保持較好的透光性。
木質(zhì)粉體的粗細
從填充改性理論上講，填料的粒徑越小，在得到充分分散的前提下，在同樣的試驗條件下，填充體的性能更佳。但是從木質(zhì)粉體與基體塑料兩相界面的結合要求來(lái)看，從塑木復合材料原材料成本及加工成本來(lái)看，木質(zhì)粉體的粒度越細，顆粒表面所需要包覆的助劑和樹(shù)脂就越多，而在很多場(chǎng)合，對塑木材料的力學(xué)性能并不一定要求很高，過(guò)度追求其粒徑的大小是沒(méi)有必要的。尤其是當前合成樹(shù)脂價(jià)格趨高，降低塑木材料生產(chǎn)成本的最佳辦法就是減小塑料在復合材料中所占的比例，用量少而又要保持較好性能的辦法（對同一種塑料而言）就是使用大尺寸的木質(zhì)粉體，使其兩相界面總面積大大減少。中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所瞄準量大面廣的刨花板，僅用30%的塑料就可生產(chǎn)出符合國標要求的高質(zhì)量環(huán)保型刨花板（不使用會(huì )釋放出甲醛的脲醛粘合劑），見(jiàn)表1。
塑料組分的改性
用新的合成樹(shù)脂做塑木復合材料的原料不太現實(shí)，用廢舊塑料為原料更能體現其資源性和環(huán)保性，但面臨著(zhù)種類(lèi)多、雜質(zhì)多、廢舊程度即老化程度千差萬(wàn)別等不可逾越的一系列問(wèn)題，特別是當不同種類(lèi)塑料混雜在一起時(shí)，問(wèn)題就更嚴峻。
不同種類(lèi)的塑料有可能完全不相容，如PE和PVC，是不可以直接用于加工制品的；既使能有一定的相容性，也可能因熔融溫度、熔體粘度不同而導致加工過(guò)程不穩定；同一種類(lèi)的塑料因牌號不同，加工流動(dòng)性能有可能存在巨大差異；同一種類(lèi)同一牌號的塑料也有可能因老化程度不同，即交聯(lián)或降解的程度不同而導致加工性能的不同。
塑料組分的不穩定，特別是在一定溫度下熔體剪切粘度的變化將造成塑木復合材料熔融物料的料流不穩定，直接影響擠出成型制品的尺寸、外觀(guān)和物理力學(xué)性能。
針對塑料組分可能出現的問(wèn)題，下面幾種對策是必要的。
◆ 選擇單一品種、老化一致的廢舊塑料，尤其是某種正規塑料制品加工產(chǎn)生的邊角料；
◆ 如果遇到混雜的廢塑料，或老化程度不同的同一種廢塑料，應選用適當的相容劑和加強混煉效力，使其性能盡可能均一；
◆ 如現有塑料組分的某些性能尚不足以使塑木復合材料滿(mǎn)足使用性能要求，可以適量加入其它成分；
◆ 當廢舊塑料很難通過(guò)以上途徑達到性能均一時(shí)，應考慮更為寬容的熔融壓制工藝。
北京石油化工學(xué)院陸曉中等人針對以城市固體廢棄物塑料包裝袋為主要成分的混雜塑料的不確定性，研制成功高效相容劑，并加入適量其它成分，使價(jià)格低廉的混雜回收塑料的性能有很大提高，見(jiàn)表2。
從表2中可以看出，混雜料經(jīng)改性后強度和剛度有所上升，韌性有所下降，熱變形溫度有顯著(zhù)提高，更適合于制作要求剛性高的托盤(pán)一類(lèi)的塑木制品。
無(wú)機粉體材料的特性與改性作用
在塑木復合材料性能不盡人意，或在某些方面希望有所提高的時(shí)候，借鑒無(wú)機粉體材料填充改性塑料的經(jīng)驗是十分必要的。填充改性常用的填料有碳酸鈣（重鈣、輕鈣、納米鈣等）、滑石粉、硅灰石粉、云母粉、高嶺土等，玻璃纖維因其突出的增強效果，用玻纖提高基體塑料的強度稱(chēng)之為增強改性。將這樣填充材料與木質(zhì)粉體摻混使用，可以看作用填料改性過(guò)的塑料與木質(zhì)粉體的復合材料，一方面這是完全可行的，另一方面應力求達到1+1>2的協(xié)同效應。表3和表4分別列出不同填料對塑料性能的影響規律和它們的技術(shù)經(jīng)濟特征。表5舉例說(shuō)明不同填料及表面處理對填充PP材料拉伸強度的影響。
需要加以說(shuō)明的是上面表中所列的內容僅僅是一般規律，實(shí)際影響的結果還與填料的粒徑大小、表面處理情況、其它組分狀況以及混合混煉加工的過(guò)程有關(guān)。尋找合適種類(lèi)的填料、進(jìn)行必要的表面處理，通過(guò)最佳的工藝流程，是可以得到性?xún)r(jià)比高、某些性能達到預期要求的多元塑木復合材料的。
從塑料改性的角度出發(fā)，只要能較好地解決木質(zhì)粉體與塑料的界面親和問(wèn)題，較好地解決加工溫度及冷卻的均一問(wèn)題，并且避免強烈的剪切和長(cháng)時(shí)間的高溫過(guò)程，在保證一定的生產(chǎn)效率（即單位設備投資的產(chǎn)量）的前提下，什么工藝和設備都是應當納入選擇范圍的。對于面積較大的板材以及較為簡(jiǎn)單的型材，熱壓成型工藝及設備是可取的。
加工工藝及設備
當前塑木制品的成型加工多采用擠出成型工藝及設備。通過(guò)多年的實(shí)踐，人們認識到塑木的擠出成型要比純塑料復雜得多、困難得多，也比無(wú)機粉體填充的塑料加工困難得多。一方面木質(zhì)粉體不能經(jīng)受長(cháng)時(shí)間高溫，另一方面又不能經(jīng)受強烈的剪切；一方面要求料流要穩定，另一方面又要求盡可能提高擠出線(xiàn)速度；一方面要求組分的均勻性以保證擠出制品的尺寸的準確與性能的均一，另一方面又要求對物料組分要寬容，盡可能提高原料適用性，此外由于擠出制品截面的復雜性和熱傳導的局限性，為避免將來(lái)制品在使用過(guò)程中不規則收縮變形，必須緩慢而徹底地加以定型冷卻。無(wú)論是一步法還是兩步法，都要求更為專(zhuān)業(yè)化、更為有針對性的全新設計制造的成套設備，利用原有加工一般塑料的擠出成型機加工塑木材料是不現實(shí)的。
尤其是一些生產(chǎn)人造板的木材加工廠(chǎng)，如果轉產(chǎn)塑木復合板材，原有設備只要稍加調整就可以使用了。
我國2007年共生產(chǎn)人造板（膠合板、刨花板、纖維板）8400萬(wàn)立方米，按密度為每立方米1噸計算，即8400萬(wàn)噸，既使只有1%用塑木復合材料來(lái)代替，也是將近100萬(wàn)噸的市場(chǎng)容量，已經(jīng)超過(guò)了我們現在每年生產(chǎn)的各種擠出塑木型材的總和。因此應當高度重視塑木復合材料的熱壓成型工藝及設備，盡快成熟并推廣。
幾種值得關(guān)注并加以推廣的塑木制品及加工技術(shù)
多年來(lái)的實(shí)踐證明，我國塑木產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必須從我國的國情出發(fā)，選擇好塑木制品應用的主攻方向，用具有中國特色的加工技術(shù)及裝備，生產(chǎn)出具有市場(chǎng)競爭優(yōu)勢、得到社會(huì )普遍認可的塑木制品，才能真正使塑木產(chǎn)業(yè)“熱”起來(lái)，迅速成長(cháng)和發(fā)展，發(fā)揮出應有的經(jīng)濟和社會(huì )效益。
加有30%木粉的PVC塑木微發(fā)泡裝修線(xiàn)材
廊坊市神龍金海塑木科技有限公司研制成功微發(fā)泡PVC/木粉復合材料。他們在生產(chǎn)純PVC微發(fā)泡材料的基礎上，通過(guò)使用自制的復合型表面處理劑、加工流變劑和具有吸放熱均衡特征的發(fā)泡劑，改進(jìn)了加工設備和設計制造了二次減壓可調節成型模具，在木粉含量達30%的情況下，所制造的微發(fā)泡WPC材料基本上達到QB/T 2463.1-1999《硬質(zhì)聚氯乙烯低發(fā)泡板材》的要求。表6列出該公司生產(chǎn)的純PVC微發(fā)泡材料和加入30%木粉的PVC/木粉微發(fā)泡復合材料的性能，表7為該公司產(chǎn)品與國外同類(lèi)產(chǎn)品的性能對比。
表6 兩種微發(fā)泡PVC塑料材料的性能
注：（1）因無(wú)木塑復合材料的相關(guān)國家標準或行業(yè)標準，故僅以硬質(zhì)PVC低發(fā)泡板材的行業(yè)標準所規定的試驗方法作為依據進(jìn)行檢測，其性能指標完全可以根據用戶(hù)具體要求進(jìn)行適當調整，QB/T 2463.規定的指標可做參考。（2）本檢測由國家塑料制品質(zhì)量監督檢驗中心進(jìn)行并提供結果。
表7 幾種PVC/木粉復合材料性能對比
以注塑成型的、可做為工程塑料使用的高檔WPC材料
香港知知科技有限公司推出麻纖維增強塑料，這是一種瞄準玻璃纖維增強塑料而研制的高端塑木復合材料，價(jià)格雖高，但因具有玻纖增強塑料的性能同時(shí)又能避開(kāi)玻纖種種缺點(diǎn)，特別是其綠色環(huán)保的特色，使其在工程塑料中獨樹(shù)一幟。GG天然麻纖維增強PP的力學(xué)性能見(jiàn)表8。
表8 GG麻纖維增強聚丙烯的性能
壓制成型的低成本塑木托盤(pán)
托盤(pán)是量大面廣的工業(yè)產(chǎn)品，現在每年新增數量約1.5億個(gè)，按25kg/個(gè)計算，其總量為250萬(wàn)噸。之所以多年來(lái)塑木材料做托盤(pán)始終不能如愿，主要問(wèn)題仍然是價(jià)格上缺乏競爭力。解決的辦法一是降低原材料成本，二是提高生產(chǎn)效率。
北京石油化工學(xué)院以城市固體垃圾包裝袋為主的混雜廢塑料為原料，不經(jīng)分類(lèi)、清洗和造粒，直接用于塑木復合托盤(pán)的制造，通過(guò)加入自行合成的高效相容劑及增強材料，兼顧材料的力學(xué)性能、成型加工流動(dòng)性能和可回收性，采用混合 — 扛合 — 壓制工藝生產(chǎn)塑木托盤(pán)，不僅性能好，而且生產(chǎn)效率也比較高。據測算，生產(chǎn)一個(gè)1m×1.2m托盤(pán)（約重25kg）僅需5min，明顯少于擠出法加工并組裝而成塑木托盤(pán)所需的時(shí)間。表9 列出最新研制成功的低成本壓制成型塑木托盤(pán)的測試結果。
表9 低成本壓制成型塑木托盤(pán)的性能測試結果
塑木復合刨花板及生產(chǎn)技術(shù)
中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所多年從事人工林木與合成高聚物復合材料制造技術(shù)的研究，不僅列入國家863計劃，于2005年通過(guò)驗收，而且獲“環(huán)保型膠合板生產(chǎn)工藝”發(fā)明專(zhuān)利及“無(wú)甲醛膠合板”、“木塑復合刨花板”兩項國家重點(diǎn)新產(chǎn)品證書(shū)。他們利用木材加工行業(yè)現有設備，將傳統使用的能釋放出甲醛的粘合劑用廢舊塑料代替，不僅環(huán)保意義突出，板材性能全面達到國家標準《刨花板》（GB/T 4897）的各項要求，而且具有良好的耐水性及可回收性，其生產(chǎn)成本和使用環(huán)保型粘合劑制造的板材相當，在人造板生產(chǎn)企業(yè)極具推廣價(jià)值。
該技術(shù)最大亮點(diǎn)是無(wú)須將木質(zhì)材料（碎木、秸桿等）粉碎到很細的程度，從而可使塑料組分的用量下降到30%以下，具有工藝流程簡(jiǎn)單、可利用原有人造板加工設備、板材密度可控、加工能耗低、生產(chǎn)效率比較高等特點(diǎn)。
結束語(yǔ)
塑木產(chǎn)業(yè)是新世紀有著(zhù)光明發(fā)展前景的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，是在科學(xué)發(fā)展觀(guān)指引下，實(shí)現資源有效利用、促進(jìn)經(jīng)濟與環(huán)保和諧發(fā)展、有利于社會(huì )民生的重大舉措。塑木產(chǎn)業(yè)發(fā)展成敗的關(guān)鍵在于思維創(chuàng )新、技術(shù)創(chuàng )新和產(chǎn)品創(chuàng )新，要勇于面對和正視已經(jīng)出現和將會(huì )出現的各種問(wèn)題，要理直氣壯地宣傳，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展開(kāi)道，又要用技術(shù)的、經(jīng)濟的成果贏(yíng)得人心，贏(yíng)得社會(huì )的認可。當我們數百萬(wàn)噸的塑木制品出現在普通百姓生活之中時(shí)，塑木復合材料的春天才真正到來(lái)，才真正可以說(shuō)，這種資源節約型、環(huán)境友好型的全新高分子材料為人類(lèi)社會(huì )的發(fā)展做出了巨大貢獻。
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