木塑复合材料的胶接技术研究进展*

贺 媚，邸明伟

（东北林业大学 材料科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨150040）

前 言

木塑复合材料（Wood-plasticcomposites，WPC）是国内外近年来蓬勃兴起的一类新型复合材料，是指利用聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等热塑性材料代替通常的树脂胶黏剂，与木粉、稻壳、秸秆等植物纤维混合，再经挤压、模压、注射成型等塑料加工工艺，生产出的板材或型材[1]，主要用于建材、家具、物流包装等行业[2]。

木塑复合材料在性能上具有如下优点：（1）良好的装饰性。木塑复合材料有类似木质的外观，但是没有木材常见的节疤、斜纹；加入着色剂、覆膜或复合表层后还可以制成各种色彩绚丽的制品。（2）易加工成型。木塑复合材料具有热塑性塑料的加工性，容易成型，可用一般的塑料加工工艺进行成型加工，设备投资少，便于推广应用，成品具有类似于木材的二次加工性，可切割、钻孔、用钉子或螺栓连接固定；可涂漆，产品规格外形可根据用户要求调整，灵活性大。（3）耐用、寿命长。木塑复合材料和木材相比不怕虫蛀，耐老化、耐腐蚀、吸水性小，不会吸湿变形；能重复使用或回收再利用，维护保养费用低廉[3]。

木塑复合材料的成分较为复杂，这样也给木塑制品的粘接带来了许多不便，尤其是作为木塑复合材料典型代表的聚乙烯木塑复合材料。通常的木塑复合材料中，木质成分所占的质量比约为60%；木质成分作为一种亲水性多孔天然高分子材料，富含各种官能团（如羟基），表面自由能约为40～60mJ/m2[4]；胶接时，木质成分作为基质可与胶黏剂形成机械咬合作用、吸附作用和化学键作用，从而易于胶合。而占木塑复合材料质量比约为30%的聚烯烃表面能较低（约为30mJ/m2），疏水性强，缺少极性官能团，且易形成光滑表面，因此极不利于粘接。此外，材料制造过程中使用的其他添加剂，尽管添加量较小，却也使得木塑复合材料的胶接更为复杂[5]。更重要的是，聚烯烃基的木塑复合材料由于受加工成型工艺的影响，表面大部分由非极性的聚烯烃组成，使得复合材料的表面能极低，不易进行表面粘接[6]。

要想通过胶接工艺实现聚烯烃基木塑复合材料的无缝连接，必须综合考虑所选用的胶黏剂、材料的表面处理方法以及胶接工艺等因素对其胶接的影响。本文重点介绍了实现及改善木塑复合材料胶接的胶黏剂、表面处理以及胶接接头耐久性等方面的研究进展。

1 胶黏剂对木塑复合材料胶接性能的影响

胶黏剂是影响木塑复合材料胶接性能的决定性因素之一，直接关系到木塑复合材料胶接接头的胶接强度、耐久性等性能。针对木塑复合材料的胶接，国内外的相关学者从众多胶黏剂中筛选出适合木塑复合材料胶接的胶黏剂，并对不同胶黏剂胶接的性能进行了考察，最终提出了不同使用环境中木塑复合材料胶接应选择的胶黏剂种类。

Cheng等[7]利用环氧树脂对聚氯乙烯/木粉复合材料进行了粘接，并通过沸水湿热处理、紫外老化处理等方法考察了胶接界面的耐候性。利用环氧树脂粘接的试件压缩剪切强度可达7.45MPa，约为木塑复合材料本身压缩剪切强度（10.41MPa）的72%。这一结果说明环氧树脂可以用于粘接聚氯乙烯基木塑复合材料。经过干湿循环的试件的压缩剪切强度仍能达到干强度的98.1%，而经过14d紫外老化处理的试件的压缩剪切强度约为未处理试件强度的87.7%。通过扫描电子显微镜观察发现环氧树脂胶层在经过湿热处理和紫外老化处理后粗糙程度均有不同程度的增加。

程瑞香等人[8]选用J-11环氧树脂、J-39丙烯酸酯、氯丁橡胶、WD2104聚烯烃胶、脲醛树脂、乳白胶等六种胶黏剂进行了聚氯乙烯/木粉复合材料胶合试件的拉伸强度剪切试验。结果表明：在试验所选择的6种胶黏剂中，J-11室温固化环氧树脂胶黏剂、J-39室温快速固化丙烯酸酯胶黏剂，以及乳白胶粘接强度相对较高，J-11环氧树脂胶接件的拉伸剪切强度平均为2.73MPa、J-39丙烯酸酯胶接件的拉伸剪切强度平均为2.37MPa、乳白胶胶合试件的拉伸剪切强度平均为2.35MPa。所以，这三种胶黏剂可作为粘接聚氯乙烯/木粉复合材料的胶黏剂使用。但考虑J-11环氧树脂胶黏剂和J-39丙烯酸酯胶黏剂均为结构用胶，强度高，且耐水性好，可用于室外；而乳白胶耐水性较差，在对耐水要求不高的场合可考虑使用。

对于聚乙烯基木塑复合材料来说，聚乙烯成分的非极性与低表面能，使得其胶接要难于聚氯乙烯基木塑复合材料。对未经任何处理的聚乙烯木塑复合材料，可以考虑采用SBS胶黏剂、EVA热熔胶等进行胶接[9]，但是其胶接强度较低。要想得到较高的粘接强度，就要对其表面进行处理或改性才能实现。

2 表面处理对木塑复合材料胶接强度的影响

粘接是发生在表面的现象，因而被粘物表面的状态和性质对粘接的效果具有重要的影响。聚乙烯材料难以粘接，就是因为其表面极性小、表面能低，要想获得较高的粘接强度，必须进行表面处理[10]。因此，为了改善木塑复合材料的胶接强度，表面处理是重要的工序之一。

2.1 单一表面处理

2.1.1 液相氧化处理

液相化学氧化表面处理作为一种用于改变材料表面惰性的表面处理方法，具有操作较为简单、处理效果好、不需要特殊设备、使用方便等特点[11]，在生产和实验中应用较为广泛，使用历史也比较长。表面惰性材料经过液相化学氧化处理后，能够在材料表面引入羰基、羧基、磺酸基等极性基团，以此增加表面极性；或者通过表面接枝形成岛状突起或通过强氧化剂对表面分子的撕扯而形成沟槽以使材料表面变得粗糙，从而改变这类材料的表面性质，改善其与其他材料的相容性或粘接性等性能[12]。

Gramlich等人[13]利用重铬酸、水浸泡、火焰等表面处理方法对聚丙烯/木粉复合材料表面进行了处理，并利用环氧树脂进行了粘接。结果表明，重铬酸处理和火焰处理的胶接试件的剪切强度比未处理试件的强度分别提高了97%和67%。而水处理试件的剪切强度提高了31%，这可能是水处理使试件表面的木材膨胀增加了胶接面积从而提高了胶接强度。

Oporto等人[14]以上述研究为基础，探索了重铬酸、机械打磨、火焰、水浸泡等多种表面处理方法对聚丙烯/木粉复合材料利用环氧树脂胶接性能的影响。研究证明多种表面处理方法均能提高木塑复合材料的胶接性能，处理后胶接试件的剪切强度比未处理试件的强度提高了100%以上。同时，该研究发现木塑复合材料制造过程中使用的润滑剂可能是其表面能过低的原因之一。

Gupta和Laborie[15]评价了重铬酸、火焰等表面处理方法对水基丙烯酸涂层与木塑复合材料粘接性能的影响。结果表明重铬酸处理试件的粘接性能最佳，而火焰处理试件的性能最差。经过不同表面处理后，胶接试件的剥离强度比未处理试件提高了1.5～2.5倍。

Laborie和Gupta[16]随后又探索了氧氟化处理（oxyfluorination）对水基丙烯酸涂层与木塑复合材料粘接性能的影响。通过氧氟化处理，木塑复合材料表面形成了含氧的官能团，从而提高了其与极性液体的润湿性。经过处理的试件剥离强度提高了179%。同时，研究发现含有马来酸酐接枝聚丙烯偶联剂的木塑复合材料试件粘接性能比未含偶联剂的试件差；而聚丙烯基木塑复合材料的粘接性能优于高密度聚乙烯基木塑复合材料的粘接性能，含松木的木塑复合材料试件的粘接性能优于其他树种的木塑复合材料。

陈志博等人[17]采用液相化学氧化方法对聚乙烯/木粉复合材料表面进行处理，利用FT-IR、XPS、接触角测定以及SEM等分析方法研究了不同处理时间复合材料表面性质的变化。结果表明：液相化学氧化处理后，聚乙烯/木粉复合材料表面有大量-OH、-C=O和少量-O-C=O生成，表面接触角有一定程度的减小，并在表面形成分布较为均匀的沟槽，聚乙烯/木粉复合材料表面的润湿性得以改善。

2.1.2 等离子体放电处理

等离子体处理技术是一种重要的科学与工程技术，广泛应用于高分子材料的表面改性中。经过等离子体改性的材料表面发生多种物理和化学变化，例如产生刻蚀，形成致密的交联层以及引入极性基团，使材料的亲水性、粘接性、染色性、生物相容性及电性能等得到改善[18,19]。

Wolkenhauer等人[20]通过等离子体对木塑复合材料进行表面处理，并研究了其对聚醋酸乙烯酯和聚氨酯胶黏剂粘接木塑复合材料性能的影响。原子力显微镜和接触角试验表明等离子体处理后木塑复合材料表面极性增加，表面能升高，表面粗糙度增加。因此，等离子体处理能够提高水型、溶剂型以及含油涂料在木塑复合材料表面的附着力。

Oporto等人[21]利用一种空气等离子体处理方法（ForcedAtmosphericPlasmaTreatment）处理木塑复合材料及玻璃纤维复合材料表面，以提高两者的粘接性能。经过表面处理后，木塑复合材料的胶接强度比未处理试件提高了50%。

Liu等人[22]利用等离子体对聚乙烯/木粉复合材料的表面进行处理，以提高其胶接性能。结果表明，等离子体处理后，木塑复合材料表面接触角减小，且等离子体放电功率越大接触角越小。红外光谱显示等离子体处理后木塑复合材料表面形成了许多极性基团，如羟基、羰基、羧基等。扫描电子显微镜和原子力显微镜结果说明等离子体处理后木塑复合材料表面粗糙度增加。光电子能谱结果显示等离子体处理后木塑复合材料表面的碳元素含量减少，而氧元素含量增加，且在一个较高的放电功率时达到平衡。由于上述活性基团的形成，等离子体处理后，木塑复合材料的胶接强度显著增加。

2.1.3 表面涂覆处理

表面涂覆处理是利用物理或化学作用在材料的表面涂覆一层其他成分，以此改变材料的表面性质。常用的表面涂覆剂是分子结构中含有不同化学性质基团的偶联剂，即一个是亲无机物的基团，易与无机物表面起化学反应；另一个是亲有机物的基团，能与合成树脂或其它聚合物发生化学反应或生成氢键溶于其中[23]。一般根据不同的材料以及所采用的胶黏剂而选择适宜的表面涂敷剂。

王辉等人[24]采用硅烷偶联剂KH-560对聚乙烯/木粉复合材料进行了表面涂覆处理，并探索了最佳的处理条件。结果表明：经机械打磨，硅烷偶联剂涂覆处理后，偶联剂与复合材料表面形成化学键接，并在材料表面引入了环氧基团，从而提高了环氧树脂胶黏剂与聚乙烯木塑复合材料的粘接强度。偶联剂的处理效果受偶联剂的质量分数、处理温度和时间的影响较大，当偶联剂质量分数为5%、处理温度120℃、处理时间为20min时，涂覆处理聚乙烯木塑复合材料的粘接性能最佳。

王辉等人[25]还采用磷酸酯偶联剂对木粉/聚乙烯复合材料进行表面涂覆处理以改善其胶接性能。并利用扫描电镜、接触角测试、红外光谱、X射线光电子能谱（XPS）和胶接强度测试研究了磷酸酯偶联剂对聚乙烯木塑复合材料胶接性能的影响。结果表明，经机械打磨并通过磷酸酯偶联剂涂覆处理后，复合材料的表面粗糙度增加，表面接触角增大。红外分析表明，复合材料表面-OH基团含量减少、C=C基团含量增加，且有C-O-P基团形成。XPS分析表明，复合材料表面引入了P元素，且表面元素的化学环境发生了改变。经机械打磨并磷酸酯偶联剂涂覆处理后，复合材料的表面引入了C=C，从而提高了丙烯酸酯胶黏剂对聚乙烯木塑复合材料的粘接强度。

尤来等人[26]采用多异氰酸酯对聚乙烯木塑复合材料进行表面涂覆处理，利用接触角测试、SEM、FTIR和XPS等分析方法对处理后聚乙烯木塑复合材料的表面性质进行了表征，研究了表面处理对木塑复合材料胶接性能的影响。结果表明：经异氰酸酯涂覆处理后，材料表面的粗糙度增加，表面润湿性得以改善；处理后复合材料表面的O元素含量相对增加，表面出现-OH、-C=O和-O-C等极性基团，且引入了异氰酸酯的N=C=O基团。表面性质的改变有利于胶黏剂的润湿与胶接，而异氰酸酯基团的引入又能提高聚氨酯热熔胶与复合材料的胶接强度，从而实现聚乙烯木塑复合材料的快速胶接。

2.2 协同表面处理

将几种不同的表面处理方法结合在一起对木塑复合材料进行协同表面处理，可以取得更好的处理效果。

Gramlich等人[13]采用水浸和火焰的结合处理对聚丙烯木塑复合材料进行表面处理以改善其胶接强度，结果表明水浸和火焰的结合处理表现出比单一处理更好的胶接性能，表明两种处理方法可能会存在有益于胶接的协同效应。

Moghadamzadeh等人[27]评价了火焰、电晕放电、机械打磨、机械打磨-电晕放电等多种表面处理方法对木塑复合材料胶接性能的影响。结果表明：将机械打磨和电晕放电相结合的表面处理方法对于胶接性能的提升尤为明显。经过机械打磨-电晕放电处理后，木塑复合材料胶接试件的剥离强度从未处理的0.2MPa提升到3.4MPa。红外光谱显示经过机械打磨-电晕放电处理的木塑复合材料表面形成了羧基、羟基等官能团。

邸明伟等人[28,29]采用硅烷偶联剂涂覆与等离子体协同处理的方法，对聚乙烯木塑复合材料进行表面处理，结果表明：利用偶联剂涂覆和等离子体放电的协同处理，可以同时改变复合材料中聚乙烯和木质成分的表面性质，既在材料表面引入极性含氧基团，又通过硅烷偶联剂的封闭作用减少了亲水的羟基。协同处理后木塑复合材料表面性质的改变有利于胶黏剂的润湿与胶接，胶接强度和耐水性能均得到大幅度的提高，表现出处理后的协同效应。

3 木塑复合材料的胶接耐久性能

与胶接接头的粘接强度相比，胶接接头的耐久性更能体现胶接材料的长期使用性能，因而，从木塑复合材料制品的长期使用性能出发，研究木塑复合材料胶接接头的耐久性，具有更重要的理论研究意义和实际应用价值。近年来，研究人员从液相铬酸氧化处理、低温空气等离子体处理和表面涂覆处理入手，研究了不同处理方法对聚乙烯木塑复合材料胶接接头耐久性能的影响，即水环境、热环境、紫外老化环境以及自然老化环境下经表面处理后的木塑复合材胶接接头的性能变化[30～35]。研究结果发现，不同的表面处理方法对聚乙烯木塑复合材的胶接性能影响不同。等离子体表面处理，处理时间短、处理效果明显，可以达到较高的胶接强度，但是处理效果具有时效性[36～39]，并且胶接接头的耐久性较差，尤其是水环境下的耐久性能；液相氧化处理，处理效果明显，胶接强度高，接头耐久性较好，但处理时间长，对材料外观损伤较大，并且处理液的后续处理麻烦；硅烷偶联剂涂覆处理，胶接强度高，耐久性好，但处理需要在高温下加热进行，处理时间较长；而偶联剂与等离子体协同处理的木塑复合材料表现出优异的耐久性能。

4 木塑复合材胶接接头的无损检测

无损检测是利用声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷的大小、位置、性质和数量等信息，进而判定被检对象所处技术状态（如合格与否、剩余寿命等）的所有技术手段的总称[40]。

无损检测技术也可用于材料的胶接接头。对胶接接头进行无损检测的方法有常规超声法[41]、频谱分析法[42]、振动法[43]、声-超声法[44]、兰姆波法[45]等。按大多数学者的看法，超声法和振动法可能是检测胶接接头最有前途的方法。目前，振动法已被用于预测木塑复合材料胶接接头的胶接状况。对木塑复合材胶接接头进行无损检测的目的是建立起胶接强度与动态性能之间的相关联系，在不破坏材料的情况下，通过测定其动态弹性模量，推测出该胶接接头是否能满足相应环境中的性能要求。如He等人[46]对木塑复合材料的胶接接头进行了无损检测，得到其动态弹性模量，再通过力学性能测试测得胶接强度，试图建立动态弹性模量与胶接强度之间的相关关系。结果表明：胶接强度与试件各因素之间存在较好的相关关系，可以达到在不破坏材料的情况下，仅通过测定其模量预测胶接强度的目的。

5 结语与展望

随着资源环境的日渐匮乏以及社会环保意识的不断加强，人们对于木材的有效利用提出了更高的要求，而木塑复合材料以其原料来源广、可循环使用等优点受到越来越多的关注。作为配套技术，木塑复合材料的胶接技术能够进一步拓宽其使用领域，提高经济附加值，符合经济、社会、环境等多方面的要求。今后，木塑复合材料的胶接技术研究将主要围绕以下几个方向：（1）开发更多适合胶接木塑复合材料的胶黏剂，并根据不同的木塑复合材料品种、不同的使用环境，选择不同的胶黏剂，同时降低胶黏剂的成本；（2）探索简便易用、经济高效的表面处理方法以改善木塑复合材料的胶接性能，尤其是能够获得优异胶接性能的快速表面处理方法；（3）木塑复合材料胶接耐久失效机制的深入研究以及胶接接头的自然老化寿命预测；（4）探索方便、快捷、准确的预测木塑复合材料胶接性能的方法，实现木塑复合材料胶接接头的无损检测。

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