木塑复合材料的研究及应用

方明锋　黄　华

摘要综述了木塑复合材料的研究和应用现状，介绍了木质材料的种类、形态、数量和塑料树脂种类对木塑复合材料性能的影响，以及改善二者相容性和分散性的方法。木塑复合材料在资源综合利用与环境保护方面具有优势，发展木塑复合材料，具有良好的经济效益与环保效应。

关键词木质材料；塑料；复合材料；应用；研究进展

中图分类号TB322文献标识码A文章编号 1007-5739（2009）03-0008-03

资源危机和生态及环境问题引发了全世界对社会经济可持续发展与保护生态和环境研究的热潮，许多能满足环保要求的新材料不断涌现，其中木材-热塑性塑料复合材料（木塑复合材料Wood-polymer Composites，WPC）就是一种很有发展潜力的新型材料。所谓木塑复合材料是将一定比例的木纤维（如木粉、秸秆粉、棉杆粉、竹粉、果壳粉等）经过预处理使之与热塑性聚合物树脂或其他材料结合而成的一种新型材料。它能广泛利用农林废弃物（如废弃木材、农作物秸秆等），既有利于保护森林资源，又可增加农民收入，对构建环保节约型社会具有重要现实意义。此外，还将产生环境污染的废旧塑料充分地利用起来，很好地化解了使用塑料产品废弃后而带来的一系列社会和生态问题[1]。木塑复合材料具有良好的尺寸稳定性，且吸水性小，不怕虫蛀，不会像木材那样产生裂缝和翘曲变形；同时具有热塑性塑料的良好加工性，硬度比塑料高，耐磨、耐老化、耐腐蚀；各种助剂的加入可以赋予其更多特殊性能，如抗菌性、阻燃性、耐强酸强碱性等；加入颜料、覆膜或复合表层可制成具有各种颜色和花纹的制品[2]。

1塑料基体对木塑复合材料性能的影响

塑料在WPC中主要起粘结填料和传递应力的作用。用于制备WPC的热塑性塑料主要有聚乙烯（PE）[3，4]、聚丙烯（PP）[5-7]、聚氯乙烯（PVC）[8，9]、聚苯乙烯（PS）[10]、丙烯晴/丁二烯/苯乙烯共聚物（ABS）[11]、聚甲醛（POM）[12]等种类。

WPC中塑料的性质对其性能影响显著。PE有着柔韧性好、弯曲强度高、良好的耐水性和耐化学腐蚀性，加工性能优异，价格低廉，使得PE尤其是高密度聚乙烯（HDPE）及其废旧回收料为基体的WPC应用最为广泛，且多用于室外构件。PP具有更高的拉伸强度和表面硬度，但是冲击强度低，低温易脆裂，且耐候性较差，限制了PP基WPC的大规模应用。PVC价格低廉，刚性大，强度高，但是耐候性和稳定性较差，用作木塑复合材料的基体时需加入助剂改善PVC的稳定性和耐候性。一般而言，采用新料成本比较高，但是制得的WPC性能稳定，加工性能好，而采用再生的废旧塑料成本较低，与新料相比，其力学性能有所降低。

王正、郭文静等[13，14]分别制备了线型低密度聚乙烯（LLDPE）、PS、PP等3种WPC，其结果表明LLDPE性软而韧，其WPC的弯曲强度和弹性模量都最低，但冲击强度最高；PS性硬而脆，其WPC的弯曲强度和弹性模量都最高，但冲击性能最差；而PP的特点是硬而韧，所以用其作原料的WPC的冲击性能、弹性模量、弯曲强度及拉伸强度都相对居中，综合性能最佳；将LLDPE和PS与木粉复合制得的三元复合材料，可以克服LLDPE和PS两者存在的不足；在LLDPE与PS的质量比为5∶5，共混温度为200℃时，三元复合材料物理力学性能最好，接近PP/木粉复合材料的力学性能，而且外观质量更好。而回收PS、PE、PP制得的WPC中，回收PS制得的WPC综合性能最好，回收PE的其次，回收PP的最差，这可能与回收PP的降解严重有关。

应伟斌等[12]的研究表明，POM/稻糠和HDPE/稻糠木塑复合材料相比，POM基WPC的拉伸性能、弯曲性能和耐热性均优于HDPE基WPC，而冲击性能则比HDPE基WPC要差。雷文等[15]制备了HDPE、PS、PP木塑复合材料，所制备的WPC拉伸模量、弯曲模量均可提高，断裂伸长率下降，但拉伸强度、弯曲强度的变化趋势有所不同。

2木质材料对复合材料性能的影响

木塑复合材料中木质材料是有机填料，可用锯末、碎木片、刨花等为原料，经过简单的干燥粉碎处理得到，来源非常丰富，价格低廉。我国每年木材加工业废弃的木屑达数百万吨，大米加工业产生的稻糠数千万吨[2]，以及每年成千上万吨被焚烧掉的秸秆，这些都是木塑复合材料中木质材料的廉价原料。木质材料的化学成分比较复杂，主要有四部分组成：42%～45%纤维素（cellulose）、27%～30%半纤维素（hemi-cellulose）、20%～28%木质素（lignin）、3%～5%抽提物。其中纤维素分子链刚性和极性都很大，且高度结晶并取向，能赋予复合材料较高的模量、拉伸强度和弯曲强度。木质材料对木塑复合材料的影响表现在品种、粒径、含水率、是否预处理以及木质材料塑料用量比。

不同来源的木质材料其主要化学材料成分：纤维素、半纤维素、木塑和抽提物等的含量存在差异，导致了木质填料本身力学性能的不同，从而也影响到木塑复合材料的性能。赵娟[16]制备了木粉、竹粉、花生壳粉、稻壳等木塑复合材料，并比较了它们的力学性能，发现木粉最好，竹粉次之，花生壳粉比竹粉差，而稻壳制备的木塑复合材料力学性能最差。

木粉的粒径对WPC的性能也有影响。这是因为木粉的细度使得木粉的比表面积不同，从而导致木质材料与基体树脂塑料接触面积不同而影响到木塑复合材料的性能。李兰杰等[17]研究了木粉粒径对HDPE基WPC性能的影响，结果表明，在100~850μm范围内，粒径较大的木粉有利于复合材料弯曲性能和冲击性能的提高；拉伸强度随木粉粒径的增大呈现先上升后下降的趋势，在粒径200μm时出现最大值；在100~150μm范围内，熔体流动速率（MFR）随粒径的增大而减小，在150~850μm粒径范围内，较大的粒径有利于MFR的提高；综合考虑，粒径为180~250μm的木粉可赋予WPC较佳的综合性能。赵永生等[18]比较了不同粒径、不同树种的木粉对聚氯乙烯（PVC）基WPC力学性能的影响，发现同为杨木，粒径为150μm的木粉制备的WPC力学性能比212μm的要好；同为212μm的木粉，杨木粉制得的WPC力学性能比云杉木粉要差。

在木塑复合材料中，随着木粉用量的增加，这时塑料含量降低，不易于填料的粘结以及能量的传递和扩散，降低了塑料基体吸收冲击能量和变形能力，使得复合材料的韧性变差。另外，随着木粉填充量的增加，木粉聚集现象加剧，颗粒引起的应力集中及产生缺陷的几率加大，这反过来又将降低塑料的强度。应伟斌等[12]用稻糠分别与HDPE和POM制得了WPC，结果显示随稻糠含量的增加，2种复合材料的弯曲模量、热变形温度都明显提高；拉伸强度、屈服强度和冲击强度均明显下降。稻糠的纤维短小，单用稻糠与塑料复合难以取得良好的力学性能，如果将稻糠与木粉混合，则可以通过较长纤维的木粉弥补稻糠纤维短小的不足，开发出较高强度的木塑复合材料。林建国等[19]将质量比为1∶1的稻糠/木粉混合填料与聚乙烯（PE）复合制得的WPC加工性能、弯曲强度、拉伸强度、冲击强度和弹性模量均比全部用木粉制得的WPC要好。雷文等[20]研究聚丙烯木塑复合材料发现，复合材料的拉伸模量和弯曲模量均随着木粉加入量的增加而逐渐升高。当木粉加入量为50%时，复合材料的拉伸模量和弯曲模量分别为2.772GPa和1.724GPa，比纯聚丙烯的1.203GPa和1.100GPa分别提高了30.83%和56.36%；随着复合材料中木粉含量的逐渐增加，复合材料的拉伸断裂伸长率逐渐下降。

3木粉与塑料的相容性和分散问题

为了降低木塑复合材料的成本和木质感，必须实现木质材料的高填充。达到这点并不容易，因为木纤维中含有大量的羟基，具有很强的亲水性，而树脂大多具有疏水性，二者相容性差。另外，羟基间易形成氢键，木纤维之间的作用力很强，导致木纤维在树脂基体中的分散性不好。解决这些问题的方法可简单分为物理和化学方法。物理方法包括加热烘干、蒸汽喷发、碱或酸处理法、有机溶剂法、表面放电处理法等；化学方法包括相容剂法、表面接枝法、偶联剂法、乙酰化处理法等[21-24]。

对木质材料进行包括蒸汽喷发、放电处理、碱金属溶液处理等物理方法改性，可减低其表面极性程度，增大它们和非极性树脂塑料基体的相容性，可以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。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性。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官能团，使得木粉表面与塑料的极性相近，根据相似相容原理，从而提高塑料基体和木质材料表面间的相容性，达到提高界面粘合的目的。

这些改性方法中，向复合材料中添加偶联剂法是一种比较行之有效的方法，它具有用量少、实用且高效等优点。WPC偶联剂分为有机、无机和有机/无机杂合偶联剂。有机偶联剂包括有机硅烷、异氰酸酯、钛酸酯、铝酸酯、马来酸酐、酰胺、环氧化物、亚油酸、丙烯酸酯等，无机偶联剂相对较少，如硅酸盐。最常用的是有机硅烷、钛酸酯、异氰酸酯、马来酸酐及经马来酸酐改性的聚合物。

Lu等[25]研究了7种不同的偶联剂及其浓度对木纤维/高密度聚乙烯（HDPE）复合材料的影响，这7种偶联剂分为两大类：一类为氧化高密度聚乙烯、氧化低密度聚乙烯和纯聚乙烯；另一类为用马来酸酐改性的LDPE、HDPE、LLDPE、PP，其官能团、相对分子质量、链结构、酸值都不一样。结果表明，复合材料的弹性模量随加入偶联剂浓度的增加先增大而后减小，在3%处达到最大值；酸值、相对分子质量、浓度是3个最主要的影响因素；偶联剂的分子骨架结构也能影响木塑界面结合力。在相同或相近的酸值和相对分子质量的条件下，将偶联剂马来酸酐改性的聚乙烯（MAPE）分别加入到LLDPE、LDPE、HDPE中，LLDPE的性能更优异一些，而LDPE和HDPE之间的性能没有明显的差异。Pickering等[26]利用2种硅烷偶联剂对木纤维进行表面改性处理，再与PE进行熔融挤出，其界面性得到了明显的改善。

刘涛等[27]使用钛酸酯偶联剂、油酸酰胺、聚氨酯预聚物3种表面改性剂处理木粉，结果表明，对木粉填料进行表面处理后，复合材料的力学性能有了不同程度地提高，在改性剂用量为4.0～6.0份时，力学性能出现峰值。综合看来，当使用4.0份聚氨酯预聚物或6.0份油酸酰胺对木粉进行表面处理后的复合材料的力学性能高于其他体系。

Matuana等[28]也以PVC为基体塑料，木质纤维素为填充物，分别以丙氨基三乙氧基硅烷、二氯二甲基硅烷、邻苯二甲酸酐、马来酸酐改性的聚丙烯为偶联剂，考察了相应的复合材料的性能。研究表明，复合材料的力学性能与木纤维和PVC的酸、碱特征（即接受或贡献电子的能力）有关，其中丙氨基三甲氧基硅烷与PVC满足酸碱对相互作用，在这4种偶联剂中，丙氨基三甲氧基硅烷的表现最优。Chotirat等[29]分别以异丁烯酸丙氧基三甲氧基硅烷（KBM503）和乙氨基丙氨基三甲氧基硅烷（KBM603）为偶联剂，研究了木材锯末/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）复合材料的性能，KBM603与ABS也满足酸碱对相互作用，所以KBM603的复合材料的性能更优。因此，偶联剂与基体是否满足酸碱对相互作用可以作为设计或选择偶联剂的一个重要参数。

接枝改性聚合物型界面相容剂添加到木塑复合材料中可以显著地提高材料的力学性能，它是一种最行之有效的界面相容剂，有大量的文献对此类相容剂进行了报道[30-33]。它不仅可作为木塑复合材料的界面相容剂，而且还可改善其他共混聚合物的界面结构[34]。这类界面相容剂是热塑性弹性体或聚烯烃表面接枝极性单体，如丙烯酸（AA）、马来酸酐（MAH）、甲基丙烯酸甲酯（MMA）、甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）、丙烯酸丁酯及丙烯酸酰胺等，特别是接枝马来酸酐单体最为普遍。这类马来酸酐接枝聚合物界面相容剂品种较多，如马来酸酐接枝聚乙烯（PE-g-MAH）、马来酸酐接枝聚丙烯（PP-g-MAH）、马来酸酐接枝乙丙三元橡胶（EPDM-g-MAH）、马来酸酐接枝苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三元嵌段共聚物（SBS-g-MAH）。如陈国昌等[35]研究了PP-g-MAH用量对PP/木粉复合材料的影响时发现，随PP-g-MAH用量的增加，复合材料的断裂伸长率、拉伸强度、弯曲强度、加工流动性能、维卡软化温度、硬度和冲击强度均有不同程度的提高；当PP-g-MAH用量超过10份后，对热变形温度、冲击强度、拉伸强度和断裂伸长率影响不大；PP-g-MAH用量在10份左右复合材料的综合性能最佳。有学者研究发现[36]，PP-g-MAH中MAH的接枝率高，PP分子量大，能更好改善PP和木粉的界面相容性。

4木塑复合材料的应用及前景

木塑复合材料运用最广泛的是结构性能要求较少的建材，约占木塑复合用品总额的75%[31]，主要用在复合门窗框、扶梯、软质百叶窗、地板等。在汽车上用作底板、仪表板、顶板、门板、后搁物板、顶蓬、高架箱汽车护板等。按照行业的不同，木塑复合材料的应用范围可分为以下领域[37-42]：①建筑及汽车方面应用，室内外各种铺板、建筑模板、防潮隔板、楼梯板、扶手、路板等；也可以制成各种装饰材料，成为装饰材。在汽车内饰行业运用较多，占木塑复合材料总量的8%。②物流方面的应用，各种规格的运输托盘和出口包装托盘，仓库铺垫板、各类包装箱、运输玻璃货架等。北美地区托盘用量高达2亿多个，木塑托盘产品已经占到近一半市场。③园林方面应用，室外桌椅、庭院扶手及装饰板、露天铺地板、废物箱等。④室内装璜方面应用，各种装饰条、装饰板、窗帘圈及装饰件、天花板、壁板等。⑤交通运输方面应用，高速公路噪音隔板、防护栏；船舶座舱隔板、办公室隔板、储存箱、活动架、百叶窗；铁道防护栏、铁轨枕木等。⑥农业方面可用作大棚支架、槽、水桶等。⑦军工方面可用作子弹箱等。

我国对木塑复合材料的开发研究起步比较晚，在这方面的开发和研究只是近10年的事情。与国外相比，我国对木塑复合材料的开发及应用差距还是很大。国家已经意识到差距并对WPC的开发和研究加大了投入，2002年国家科技部“863”项目和国家林业局“948”计划将木塑复合材料列入了生物质重组课题；2001～2007年国家发改委将木塑复合材料项目列入“国家高科技产业化新材料专项”；北京奥组委早在2006年9月就推荐WPC作为部分场馆、设施建设的专用材料；北京奥运会世奥森林公园破例为WPC指定了一处近2 000m2的空地搭建实验建筑。目前上海世博会也开始采用WPC作为建设用材。

当前我国经济发展迅速，各行各业对国外普遍采用的WPC的需求十分迫切，这就为WPC的应用提供了广阔的市场。另外，由于我国是一个森林资源匮乏的国家，由于树木过度采伐，绿色屏障遭到破坏，政府特别重视资源循环利用和对生态环境的保护，这为WPC产品的发展提供了一个良好的大环境。加之WPC产业的发展前景被世界看好，不仅是因为产品本身的优良特性，更重要的是其资源循环利用的意义和对环境保护的重要贡献所决定的。因此，木塑复合材料的研究和应用在我国前景非常广阔。

总而言之，WPC是一类涵盖面广、产品种类多、形态结构多样的材料，在它身上充分体现了循环经济、资源利用、健康环保、节约替代等可持续发展经济的先进理念，是一种极具发展前途的环保型复合材料，能够创造良好的经济效益和社会效益。

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