论文部分内容阅读
摘要：介绍了发泡木塑复合材料的基本原料及发泡方法，同时对发泡木塑复合材料的主要成型工艺及其影响因素进行了说明，在此基础上指出了发泡木塑复合材料的研究趋势。 本文简述了发泡木塑复合材料的独特优点，归纳总结了木粉处理、配方、成型工艺、及成型设备等关键技术，并就当前的发展情况，提出了发泡木塑复合材料的发展方向。
关键词：木塑复合材料；发泡；pvc
1 为何而来——发展背景
木塑复合材料（WPC）是以木材为主要原料（形式有锯末、木屑、竹屑、稻壳、麦秸、大豆皮、花生壳、甘蔗渣、棉秸秆等），经过适当的处理使其与各种塑料（用于木塑复合材料的热塑性塑料主要有聚氯乙烯（PVC}，聚乙烯PEA，聚丙烯（PPS），聚苯乙烯（PST），聚甲基丙烯酸甲酷（CPMM），以及聚乙烯（PE），聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）等）按一定比例混合并添加特制的助剂，如偶联剂、分散剂、增塑剂、润滑剂等加工助剂，经高温、挤压、成型等工艺制成的一种新型复合材料，是一种高性能、高附加值的绿色环保复合材料。所选用的塑料可以是新料，也可以是回收的废旧塑料，添加的植物纤维来源丰富，价格低廉，并且可以回收利用。
2 是什么——发泡木塑复合材料的概念
发泡木塑复合材料是在木塑复合材料的基础配方上按一定质量比例混合入发泡剂、成核剂、发泡助剂等，同样经塑料成型设备加热熔融成为一种带连续均匀分布发泡微孔的复合材料。
3 怎么造——发泡木塑复合材料生产工艺
3.1 木粉处理
木粉的选择对木塑复合材料的发泡性能有重要影响。木粉粒径减小，发泡容易；但是颗粒过小则容易团聚，且物理性能变差，故一般粒径选择150微米左右。木粉含量增加使加工温度升高，但木粉含量越高则越不容易发泡。
3.11 木粉处理原因
未经处理的木粉与pvc相容性差，界面的粘结力小，分散效果差，导致材料的力学性能和发泡性能差。要获得性能优异的木塑产品，必须对木纤维进行表面处理。
3.12 木粉处理方法
物理法：
物理方法不改变纤维的化学成分，但改变纤维的结构和表面性能，从而改善纤维与集体聚合物的物理粘合。
化学法：
通过改变木粉的化学结构来改善其极性，提高纤维与基体树脂的界面粘结，也有利于纤维在集体中的均匀分散，是目前木粉处理的主要方法。
3.2 pvc木塑发泡配方
3.21 发泡剂
分为AC、NaHCO3、OBSH、AC/NaHCO3几种发泡剂，其中AC/NaHCO3复合发泡剂制得的复合材料发泡性能最优。并且AC用量为0.5%-1%时最佳。
3.22 助发泡剂
要获得泡孔比较均匀的发泡材料，首先发泡剂的分解温度与树脂的熔融温度接近，其次是发泡剂应在树脂达到适宜粘度的温度范围内均匀放气。纳米ZnO粒子作为的助发泡剂，将AC突发温度降至130-160℃的范围内，且发泡稳定迅速，用量为AC的10%-30%。
泡孔调节剂ZB-530和K-400对PVC体系有促进塑化、改善表观质量、提高熔融强度和延展度的作用。
3.23 增塑剂
增塑剂DOP有助于降低PVC木塑复合材料的加工温度，减少木粉分解，改善PVC和木粉的亲和性以及熔体流动性，最终改善材料的力学性能和加工性能。其他常用的增塑剂有丙烯酸、邻苯二甲酸二丁酯、癸二酸二辛酯等。最佳用量为6%-8%。
3.3 成型工艺及设备
良好的加工工艺和设备应保证物料和发泡剂混合均匀，并保持足够高的、稳定的机头压力，使口模压力足够大和压力降足够快，以获得形态良好的泡孔。
3.31 工艺分类
两步法：先造粒后成型。此法有利于提高复合材料的力学性能。
一步法：省去造粒工序，采用表面改性后的木粉与PVC粉经高速混合后加料挤出。
3.32 成型温度
成型温度应考虑到物料在挤出机机筒内的物理作用和化学反应。加料段温度既要保持物料能够快速熔融，组织分解气体的逃逸，又要防止发泡剂提前分解；压缩段和计量段温度设定则需要考虑到化学发泡剂分解温度和分解速率，木粉烧焦和PVC分解等因素；机头温度应使熔体保持良好流动性的同时，具有足够的熔体粘度，以维持机头内的熔体处于高压下，使之在机头内不发泡。加料段温度应控制在165℃以下，压缩段和均化段在160-180℃之间，机头和口模设在160℃以下。
3.33 螺杆转速
转速越高，挤出机内压力越大，从而越有利于成核，成核的泡孔数目也越多，发泡率就越高，但过高就会抑制泡孔生长；转速越高，剪切作用越强，容易使泡孔合并或破裂，影响发泡体质量和低密度泡沫塑料的形成；转速过高或过低，停留时间过短或过长，容易发生提前发泡或发泡剂分解不充分等现象，不利于形成均匀细密的泡孔结构。螺杆转速的最佳值一般在12-18r/min之间。
3.34 挤出压力
挤出压力不足会造成制品表面粗糙、强度低，挤出压力过高对泡孔的生长不利。调节机头压力，可以通过调节螺杆转速、机头温度和口模形状来实现。
3.35 成型设备
单螺杆挤出机：主要靠摩擦运送物料，混炼效果差，木粉在机筒中停留时间长，易焦。结构简单，挤出压力高，可以承受大扭矩，投资少，维护费用低，目前仍占有一定的木塑设备市场。
锥形螺杆挤出机：物料停留时间短、停留时间分布窄、熔体温度控制效果好。是国内外木塑成型的主要机种。
平衡螺杆挤出机：可在很高转速下工作，脱挥性能好，添加各种混合和剪切元件后，混炼能力很强。目前广泛用于木塑的混炼造粒。
4 发泡木塑复合材料的独特优点
4.1 与木材相比
耐水、耐腐蚀、使用寿命长，较好的抗压、抗弯曲等机械强度，形状尺寸可调性好、尺寸稳定性好、不怕虫蛀
4.2 与塑料相比
冲击强度是其2～3倍，韧度是其5倍，疲劳寿命是其5倍，强度重量比是其3～5倍，并具有良好的热稳定性较低的介电常数及良好的绝缘性能等，可回收利用，对环境友好
4.3 与普通木塑复合材料相比
密度低（密度可降低2O%～45%），更高的抗冲击强度、韧性、疲劳周期和热稳定性。尺寸变化性更大
5 發泡木塑复合材料的发展情况及发展方向
作为一种发展迅速的新型木塑复合材料，微孔发泡木塑复合材料具有优异的性价比和较好的比强度，且加入添加剂可赋予其更多性能，使其有极其宽广的应用领域，并且可回收性、环境友好性成为该类材料的发展方向。近年来，随着技术水平的不断升级以及人们对其了解的逐渐深入，微孔木塑复合材料的应用领域不断扩大。此外，充分利用计算机资源，将软件模拟与实验研究相结合，将先进的计算机模拟技术引入到发泡木塑复合材料的配方设计中，也是赋予其更卓越性能的重要方法。当然改善木纤维与塑料基体的界面相容性，如何更降低成本、节约能源，完善加工设备使之能工业化生产等，也是要进一步进行的研究。相信发泡木塑复合材料会以其巨大的优势占据材料市场的一席之地。
参考文献：
[1]康智勇，刘万蝉，项爱民，等；木塑复合材料的研究与应用[J]； 广东塑料，2004，（124）；17-22
[2]苑会林，李军，马沛岚；表面处理对木粉增强PVC发泡复合板材性能的影响[J]；工程塑料应用，2003，31（8）；22-25
[3]吴正元，斯庆，张燕媛；塑木工业发展新动向[J]；塑料制造，2007（3）；30-32
关键词：木塑复合材料；发泡；pvc
1 为何而来——发展背景
木塑复合材料（WPC）是以木材为主要原料（形式有锯末、木屑、竹屑、稻壳、麦秸、大豆皮、花生壳、甘蔗渣、棉秸秆等），经过适当的处理使其与各种塑料（用于木塑复合材料的热塑性塑料主要有聚氯乙烯（PVC}，聚乙烯PEA，聚丙烯（PPS），聚苯乙烯（PST），聚甲基丙烯酸甲酷（CPMM），以及聚乙烯（PE），聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）等）按一定比例混合并添加特制的助剂，如偶联剂、分散剂、增塑剂、润滑剂等加工助剂，经高温、挤压、成型等工艺制成的一种新型复合材料，是一种高性能、高附加值的绿色环保复合材料。所选用的塑料可以是新料，也可以是回收的废旧塑料，添加的植物纤维来源丰富，价格低廉，并且可以回收利用。
2 是什么——发泡木塑复合材料的概念
发泡木塑复合材料是在木塑复合材料的基础配方上按一定质量比例混合入发泡剂、成核剂、发泡助剂等，同样经塑料成型设备加热熔融成为一种带连续均匀分布发泡微孔的复合材料。
3 怎么造——发泡木塑复合材料生产工艺
3.1 木粉处理
木粉的选择对木塑复合材料的发泡性能有重要影响。木粉粒径减小，发泡容易；但是颗粒过小则容易团聚，且物理性能变差，故一般粒径选择150微米左右。木粉含量增加使加工温度升高，但木粉含量越高则越不容易发泡。
3.11 木粉处理原因
未经处理的木粉与pvc相容性差，界面的粘结力小，分散效果差，导致材料的力学性能和发泡性能差。要获得性能优异的木塑产品，必须对木纤维进行表面处理。
3.12 木粉处理方法
物理法：
物理方法不改变纤维的化学成分，但改变纤维的结构和表面性能，从而改善纤维与集体聚合物的物理粘合。
化学法：
通过改变木粉的化学结构来改善其极性，提高纤维与基体树脂的界面粘结，也有利于纤维在集体中的均匀分散，是目前木粉处理的主要方法。
3.2 pvc木塑发泡配方
3.21 发泡剂
分为AC、NaHCO3、OBSH、AC/NaHCO3几种发泡剂，其中AC/NaHCO3复合发泡剂制得的复合材料发泡性能最优。并且AC用量为0.5%-1%时最佳。
3.22 助发泡剂
要获得泡孔比较均匀的发泡材料，首先发泡剂的分解温度与树脂的熔融温度接近，其次是发泡剂应在树脂达到适宜粘度的温度范围内均匀放气。纳米ZnO粒子作为的助发泡剂，将AC突发温度降至130-160℃的范围内，且发泡稳定迅速，用量为AC的10%-30%。
泡孔调节剂ZB-530和K-400对PVC体系有促进塑化、改善表观质量、提高熔融强度和延展度的作用。
3.23 增塑剂
增塑剂DOP有助于降低PVC木塑复合材料的加工温度，减少木粉分解，改善PVC和木粉的亲和性以及熔体流动性，最终改善材料的力学性能和加工性能。其他常用的增塑剂有丙烯酸、邻苯二甲酸二丁酯、癸二酸二辛酯等。最佳用量为6%-8%。
3.3 成型工艺及设备
良好的加工工艺和设备应保证物料和发泡剂混合均匀，并保持足够高的、稳定的机头压力，使口模压力足够大和压力降足够快，以获得形态良好的泡孔。
3.31 工艺分类
两步法：先造粒后成型。此法有利于提高复合材料的力学性能。
一步法：省去造粒工序，采用表面改性后的木粉与PVC粉经高速混合后加料挤出。
3.32 成型温度
成型温度应考虑到物料在挤出机机筒内的物理作用和化学反应。加料段温度既要保持物料能够快速熔融，组织分解气体的逃逸，又要防止发泡剂提前分解；压缩段和计量段温度设定则需要考虑到化学发泡剂分解温度和分解速率，木粉烧焦和PVC分解等因素；机头温度应使熔体保持良好流动性的同时，具有足够的熔体粘度，以维持机头内的熔体处于高压下，使之在机头内不发泡。加料段温度应控制在165℃以下，压缩段和均化段在160-180℃之间，机头和口模设在160℃以下。
3.33 螺杆转速
转速越高，挤出机内压力越大，从而越有利于成核，成核的泡孔数目也越多，发泡率就越高，但过高就会抑制泡孔生长；转速越高，剪切作用越强，容易使泡孔合并或破裂，影响发泡体质量和低密度泡沫塑料的形成；转速过高或过低，停留时间过短或过长，容易发生提前发泡或发泡剂分解不充分等现象，不利于形成均匀细密的泡孔结构。螺杆转速的最佳值一般在12-18r/min之间。
3.34 挤出压力
挤出压力不足会造成制品表面粗糙、强度低，挤出压力过高对泡孔的生长不利。调节机头压力，可以通过调节螺杆转速、机头温度和口模形状来实现。
3.35 成型设备
单螺杆挤出机：主要靠摩擦运送物料，混炼效果差，木粉在机筒中停留时间长，易焦。结构简单，挤出压力高，可以承受大扭矩，投资少，维护费用低，目前仍占有一定的木塑设备市场。
锥形螺杆挤出机：物料停留时间短、停留时间分布窄、熔体温度控制效果好。是国内外木塑成型的主要机种。
平衡螺杆挤出机：可在很高转速下工作，脱挥性能好，添加各种混合和剪切元件后，混炼能力很强。目前广泛用于木塑的混炼造粒。
4 发泡木塑复合材料的独特优点
4.1 与木材相比
耐水、耐腐蚀、使用寿命长，较好的抗压、抗弯曲等机械强度，形状尺寸可调性好、尺寸稳定性好、不怕虫蛀
4.2 与塑料相比
冲击强度是其2～3倍，韧度是其5倍，疲劳寿命是其5倍，强度重量比是其3～5倍，并具有良好的热稳定性较低的介电常数及良好的绝缘性能等，可回收利用，对环境友好
4.3 与普通木塑复合材料相比
密度低（密度可降低2O%～45%），更高的抗冲击强度、韧性、疲劳周期和热稳定性。尺寸变化性更大
5 發泡木塑复合材料的发展情况及发展方向
作为一种发展迅速的新型木塑复合材料，微孔发泡木塑复合材料具有优异的性价比和较好的比强度，且加入添加剂可赋予其更多性能，使其有极其宽广的应用领域，并且可回收性、环境友好性成为该类材料的发展方向。近年来，随着技术水平的不断升级以及人们对其了解的逐渐深入，微孔木塑复合材料的应用领域不断扩大。此外，充分利用计算机资源，将软件模拟与实验研究相结合，将先进的计算机模拟技术引入到发泡木塑复合材料的配方设计中，也是赋予其更卓越性能的重要方法。当然改善木纤维与塑料基体的界面相容性，如何更降低成本、节约能源，完善加工设备使之能工业化生产等，也是要进一步进行的研究。相信发泡木塑复合材料会以其巨大的优势占据材料市场的一席之地。
参考文献：
[1]康智勇，刘万蝉，项爱民，等；木塑复合材料的研究与应用[J]； 广东塑料，2004，（124）；17-22
[2]苑会林，李军，马沛岚；表面处理对木粉增强PVC发泡复合板材性能的影响[J]；工程塑料应用，2003，31（8）；22-25
[3]吴正元，斯庆，张燕媛；塑木工业发展新动向[J]；塑料制造，2007（3）；30-32