木塑复合材料成型工艺及对其性能影响的研究进展

杨薇　何小军　陈志文

【摘 要】木塑复合材料是以木纤维等植物纤维为主要原材料成分，经过适当处理后使其与各种热塑性聚合物或者其他材料通过不同的复合途径制备而成的优异的绿色环保复合材料。本文介绍了木塑复合材料传统成型工艺的分类及其应用，并对近年来成型工艺的发展趋势及其对性能影响的新进展进行综述。

【关键词】木塑复合材料；木纤维；环保；成型技术；性能

0 引言

木塑复合材料（wood-plastic composites，简称WPC）是近年来在国内外蓬勃兴起的一类新型复合材料[1]，这种材料既能发挥材料中各组分（木纤维、热塑性聚合物等）的优点，又能克服木纤维强度低、稳定性差及热塑性聚合物弹性模量低等造成的局限性，同时又能充分利用废弃的木材和塑料，减少木材的砍伐，节能减排。而在研究木塑复合材料的性能时发现其性能不仅仅取决于木塑材料各组分，其成型工艺也对材料的性能有着极为重要的影响。这是因为木纤维密度小，即使经过了物理或化学改性，在与树脂的熔融共混挤出过程中仍不易混合均匀。

1 木塑复合材料传统成型工艺的分类及其应用

1.1 挤出成型工艺

挤出成型是在挤出机螺杆的作用下促使高分子熔体通过一定形状的口模并冷却连续成型的一种成型工艺。具有效率高、应用范围广、投资少、制备简单、可连续化生产、占地面积少等优点。

杜华[2]采用挤出成型制备了稻壳粉（RH）/高密度聚乙烯（HDPE）木塑复合材料，并对不同RH含量的木塑复合材料的抗老化性能进行了研究，并通过一系列测试仪器如：FT-IR（傅里叶变换红外光谱仪）、XPS（X射线光电子能谱仪）等对其表面形貌以及性能变化进行分析。

1.2 热压成型工艺

热压成型主要是将物料注入已加热的模具中，并对熔融温度及时间加以调控，直至物料熔融后冷却硬化，再取出模具中成品，又称模压成型。

符彬等[3]采用模压成型工艺制备了麦秸纤维增强聚乙烯（PE）复合材料，并研究了模压成型工艺条件（热压温度）对复合材料力学性能的影响。结果表明随着模压温度的升高，聚乙烯流动性好，麦秸和聚乙烯混合的均匀性变好，力学性能得到改善；而热压温度过高，热压过程中聚乙烯在高温下可能出现了部分碳化现象，从而影响复合材料力学性能，最终在模压成型温度为170℃时麦秸纤维在聚乙烯中的分散性最好，且不会使聚乙烯降解，复合材料拉伸强度和冲击强度分别达到了最大值46.1MPa和13.8MJ/m2。

于旻等[4]用熔融共混、模压成型方法（热压温度为180℃，压力为 12.5MPa，时间为12min）制备麦秸秆/废弃PP木塑复合材料，探讨了麦秸秆不同表面处理方法制备 PP 木塑复合材料力学性能和吸湿吸水性能；同时采用显微镜对其复合材料的微观结构进行观察和分析。

覃宇奔等[5]研究了以造纸污泥为原料，PVC为塑料基体，采用热压成形技术制备木塑复合材料，探讨污泥填充量、热压时间、温度、压力和偶联剂用量等因素对复合材料力学性能的影响，并采用扫描电镜和红外光谱对复合材料和造纸污泥进行表征，综合考虑经济和工艺的因素，确定造纸污泥填充量为50%，硅烷偶联剂占污泥用量的2%，热压温度为180℃，热压时间为10min，热压压力为6MPa，在此条件下所制备复合材料的弯曲强度为35.73MPa，拉伸强度为12.75MPa，具有良好的力学性能。

叶翠仙等[6]通过热压成型工艺制备了实验分析轧孔尾巨桉单板/HDPE复合无醛胶合板（WPCP）的热压工艺条件（包括热压温度、热压压力及热压时间）对其物理力学性能的影响（包括胶合强度、静曲强度及弹性模量），实验结果表明热压温度对其物理力学性能的影响最大，其次是热压压力，最后是热压时间。

周鲁英[7]采用热压成型方法制备稻秸纤维增强聚乙烯木塑复合材料，并对其热压工艺条件（包括热压温度、热压压力及热压时间）进行了探讨，从实验结果得知，在试验的热压温度范围（140-170℃）内，稻秸纤维/聚乙烯复合板的静曲强度随热压温度的升高而降低，弹性模量随热压温度的升高先降低后稍升高，但弹性模量随温度的改变变化很小。在试验的热压时间范围（9-15min）内，其复合板的静曲强度随热压时间的延长而降低后稍升高，弹性模量随热压时间的延长先升高而后降低。在试验的热压压力范围（2-4MPa）内，其复合板的静曲强度和弹性模量随压力的增大，都呈现先增大后减小的趋势，但静曲强度的变化随压力的改变不大。至此，确定了本试验范围内最佳的热压工艺：热压温度140℃、热压时间5min、热压压力2MPa。

1.3 注射成型工艺

注射成型工艺是将原料加热到固化状态，然后经压力由注塑机注入到模具，从而得到产品。

田普建等[8]采用注塑成型工艺制备了秸秆/PP木塑复合材料，并通过调控秸秆粉的含量、偶联改性剂的种类及含量等因素制备出不同的木塑复合材料，进而研究上述因素变化对秸秆/PP木塑复合材力学性能（抗弯、抗拉伸、抗弯曲性能）的影响。

郭丹等[9]采用注射成型工艺制备了秸秆粉/聚乙烯木塑复合材料，并研究高能电子束辐射对该木塑复合材料各项力学性能及结构（如界面相容性、材料熔融行为）的影响。

2 近年来木塑复合材料成型工艺的发展趋势

2.1 共挤趋势

共挤成型最早产生于20世纪70年代[10]，其工艺过程表现为：不同类型的原材料分别加入通过多台挤出机，进行熔融塑化，并同时通过一个复合机头汇合，并在机头成型段挤出成型，再经冷却定型，从而得到所需形状的复合材料制品。

与传统复合成型工艺相比，共挤成型的工艺具有如下特点：

（1）共挤成型可以将各种不同特性的材料结合在一起，可以充分发挥各种材料的固有特性，生产出具有特殊用途的制品。其次，共挤成型周期短、能量消耗低。（2）共挤成型制品的种类多，使用范围广。结构不同的共挤出模可以生产出不同种类的复合制品。同时，不同颜色的材料进行共挤出，可以提高其外观质量，满足不同的需求。不同特性的材料进行共挤出，可以使一种制品兼有几种不同材料的优良特性[11]。

2.2 多种传统成型工艺复合趋势

宋艳江等[12]采用挤出混炼和注射成型的方法制备了LDPE基木塑复合材料。考察了木粉改性剂（马来酸酐、氧化二异丙苯）的含量及一步法与两步法制备工艺等对复合材料加工性能、力学性能及动态热机械性能的影响；并借助扫描电子显微镜分析了其作用机理。

葛正浩等[13]利用高密度聚乙烯（HDPE）、秸秆粉、发泡剂及偶联剂等多种原料，并在最佳配方条件下采用挤出成型、注塑成型以及压制成型（热压成型）等不同工艺分别制备出发泡木塑复合材料，实验结果表明压制成型法制备出的发泡木塑复合材料发泡效果及综合性能较佳。

2.3 其它成型工艺发展趋势

曾广胜等[14]以杨木粉作为填充增强剂，偶氮二甲酰胺及氧化锌复配物作为发泡剂，高密度聚乙烯为复合材料基材，并采用两步模压发泡法制备了高密度聚乙烯/木粉复合发泡材料。并探讨了不同含量的木粉及复配发泡剂对复合发泡材料的发泡性能（表观密度及含气率测定）、回弹性能（回弹率测定）及吸水性能（吸水率测定）的影响。

3 结束语

木塑复合材料从问世距今已有100多年的研究历史，然而，受到科学发展水平及技术的限制，仍存在许多性能上的缺陷，这大大限制了复合材料的应用。随着国家对木塑复合材料要求力度的加强，相信我国木塑复合材料成型工艺将出现技术的突破，从而使木塑复合材料的使用性能得以大大提高，木塑制品的市场得以大幅度开放。

【参考文献】

[1]杨冰冰.环保节能型木塑门窗的研究现状与发展趋势[J].木材加工机械，2015（06）：57-59.

[2]杜华.稻壳粉/高密度聚乙烯复合材料紫外老化降解机理研究[D].东北林业大学，2012.

[3]符彬，郑霞，潘亚鸽，等.麦秸纤维增强聚乙烯复合材料的制备及性能[J].中国塑料，2015（09）：17-21.

[4]于旻，何春霞，刘军军，等.不同表面处理麦秸秆对木塑复合材料性能的影响[J].农业工程学报，2012（09）：171-177.

[5]覃宇奔，郑云磊，胡华宇，等.造纸污泥/PVC木塑复合材料的制备工艺[J].包装工程，2014（03）：10-15.

[6]叶翠仙，杨文斌，徐剑莹，等.轧孔单板-塑料复合无醛胶合板的热压工艺研究[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2015（12）：76-82.

[7]周鲁英.稻秸纤维/聚乙烯复合材料的工艺研究及性能表征[D].中南林业科技大学，2012.

[8]田普建，葛正浩，石美浓，等.不同偶联剂对秸秆/PP复合材料力学性能的影响研究[J].陕西科技大学学报（自然科学版），2013（01）：37-40.

[9]郭丹，赵星，黄科，等.电子束辐射对农作物秸秆粉/聚乙烯木塑复合材料结构与性能的影响[J].高分子材料科学与工程，2016（06）：63-67.

[10]王卫东，冯刚，江平.共挤成型技术的研究与应用进展[J].工程塑料应用，2014（04）：131-134.

[11]黄益宾.聚合物气体辅助共挤成型的理论和实验研究[D].南昌大学， 2011.

[12]宋艳江，王宝云，羊海棠，等.LDPE基木塑复合材料制备工艺及性能研究[J].塑料工业，2012（10）：28-31.

[13]葛正浩，司丹鸽，张双琳.聚乙烯/秸秆粉发泡木塑复合材料的压制成型及性能[J].塑料，2015（04）：115-118.

[14]曾广胜，黄鹤，张礼.HDPE/杨木粉复合发泡材料的制备及其性能研究[J].塑料工业，2015（10）.

[责任编辑：汤静]