热塑性复合材料增强木质材料的措施研究*

李晓昕

（河南广播电视大学，郑州 450000）

热塑性复合材料FRTP（Fiber Reinforced Thermo Plastics）是目前市场上较为常见的热塑性树脂。由于其基础特性之间存在着明显差别，因此其商业用途及性能存在较大差异。本文旨在通过研究热塑性复合材料的分类、加工技术和应用范围，提出热塑性复合材料增强木质材料的措施，为热塑性复合材料在木材加工领域的推广应用提供理论支撑。

1 热塑性复合材料基本分类

热塑性复合材料的发展，主要是以有效区分纤维相对含量为主，自20世纪七十年代欧美国家开始进行热塑性复合材料基础研究开始，就有针对性地对纤维相对含量的有效比例进行深度分析，然而由于受到技术条件的限制和对于提取物中复合材料的成分不同影响，在技术以及相关工艺上一直处于技术研发的“瓶颈期”。当21世纪初，技术人员在环氧树脂基碳纤维的提取上取得了重大的技术突破之后，热塑性复合材料的发展就迅速发展，使其成为新型建筑材料中常见材料。从目前的工艺技术条件看，热塑性复合材料大致分为传统材料和CFT材料两种。

1.1 传统材料

碳纤维复合材料根据树脂基体的不同，可分为热塑性碳纤维复合材料和热固性碳纤维复合材料两大类。目前，市场上应用的还是以热固性碳纤维复合材料为主，尤其是以环氧树脂基碳纤维复合材料居多（如图1所示）。

之所以将热塑性复合材料归类为传统材料，主要是因为这种热塑性复合材料在突破了表面质量的基本要求，全面提升了高冲击强度之后，已经逐步成为一些传统金属组建、压铸件的替代品。这不仅可以全面降低其产品的废品率或者是报废率，还可以整体提高其在高温或者其它恶劣环境中的产品使用寿命。尤其是在一些建筑环境中，当有效载荷为恒定值时，抗蠕变性能够让热塑性复合材料比热固性材料及金属材料的稳定性更强，从而有效提升其综合性价比，全面拓展其基础适用范围。

图1 2018年全球主要地区热塑性复合材料市场份额Fig.1 Market share of thermoplastic composites in major regions of the world in 2018

1.2 CFT材料

自2015至2020年，受到全球城市基础建设不断增速的利好消息促进，玻璃纤维和碳纤维材质的热塑性复合材料市场份额以每年6.5%～7%的增速快速增长[1]。另外在综合研究基础上，Lucintel预测：航空航天领域有望呈现上述预测期内的平均增长率。

不过值得国内材料市场关注的是，就目前的生产技术工艺与水平来看,大部分CFT材料供应商为国外公司[2]，国外众多公司在中国大陆地区都开设有分公司，其生产线却没有在国内，所有材料仍须以进出口贸易的形式来引进[3]，直接增加了CFT材料的使用成本的同时，也在一定范围内局限了国内CFT材料的技术革新与优化能力[4]。

2 热塑性复合材料加工技术

《2019—2025年全球及中国热塑性复合材料行业发展现状调研及投资前景分析报告》显示，2018年全球热塑性复合材料生产量为735.2万t[5]，该报告预计到2025年，全球热塑性复合材料市场有望达到1 864亿元[6]。如此庞大的材料市场在整合的过程中，其加工技术的优化备受关注，任何生产制造工艺的优化与调整，都会影响生产成本。

2.1 注射浸渍成型技术

这种技术在建筑材料的应用鲜见，常见于替代金属制品的相关行业，注射浸渍成型工艺接触低压成型工艺的特点是在热塑性复合材料的机加工过程中并不完全依赖机械化制作工艺方式，反而突出手工铺放增强材料[7]，从而使其能够全面提升浸渍树脂的基础效果，进而就能够让这些热塑性复合材料在接触成型后施加0.01～0.7 MPa压力[8]，最大压力不超过2.0 MPa。

在经过不断的技术革新后，市场上已经出现了以这种技术为主生产的浸渍纸层压木质地板（见图2），也称为强化木地板，是以一层或多层专用纸浸渍热固性氨基树脂，铺装在高密度纤维板等人造板基材表层，背面加平衡层，正面加耐磨层，经热压、成型的地板。

图2 强化木地板图解Fig.2 Laminate flooring structure

2.2 TRM工艺技术

从短期来看，热塑性复合材料的大批量市场应用基础已经成熟，而其技术革新的拓展空间也的确较大[9]，尤其是考虑到热塑性复合材料的生产工艺基本被国外垄断的情况下，其技术的“国产化”前景较为乐观。

考虑到热塑性复合材料的产品性能稳定性还有待提升，国内在热塑性复合材料的工艺优化上提出了TRM工艺技术。吉林某些大学申请了以碳纤维和玻璃纤维为增强体，以PP、PE、PA6、PA12、PA1212 为基体的连续纤维增强热塑性预浸渍的制备方法[10]。尤其是在当下这种热塑性复合材料全新生产制作工艺仍在持续优化的时期，碳纤维增强热塑性预浸材料的应用价值主要体现在具体的产品应用中，如果其能适用于更大范围和领域，尤其是在替代传统金属制品方面具有成本可行性[11]，那么它对飞机制造、轻轨交通、高端医疗，甚至是传统的工业发展都有一定的推动作用。

3 热塑性复合材料应用范围

市场基本需求是生产的源动力，美国复合材料制造者协会（ACMA）对未来热塑性复合材料的市场应用进行了有效估算，还在其明确提出的“复合材料增长计划”中专门开设了一个技术研发小组，用于热塑性复合材料应用推广的阶段性实验工作，经过一段时间的实验室数据汇总，已经为热塑性复合材料的拓展应用范围积累了较为丰富的数据。

3.1 替代金属材料

在航天、航空领域中使用的热塑性碳纤维复合材料，其树脂基体的Tg值须大于177，在机械强度方面，通常要求抗拉强度大于70 MPa，抗张模量大于2 GPa，个别情况下要求能分别达到100 MPa和3 GPa[12]，另外，材料良好的韧性决定了更好的损伤容限和更轻的结构，这对于飞机控制表面和机身之类的薄型结构尤为重要。在此情况下，高性能热塑性碳纤维复合材料较为适用。

3.2 替代热固性塑料

热固性塑料在建筑生产材料中已经被广泛应用，采用热塑性复合材料替代热固性塑料，能够全面增强其单位面积内的有效载荷[13]，从而全面提升产品的使用寿命，这是热塑性复合材料的优势所在，但由于热塑性复合材料生产及制作工艺基本由国外垄断，国内相对使用成本明显偏高[14]，所以，现阶段只能从技术上形成有效突破之后，才能够从量产上突破产品的替代，否则，较高的产品成本，很难使其在终端消费市场上具备明显的竞争力。

4 热塑性复合材料增强木质材料的措施

4.1 用作木材包覆材料

目前美国的热塑性复合材料技术在工艺上实现了突破，但受技术条件的限制，要想真正实现商业化推广，在短期来看并不现实[15]。国内正在应用的碳纤维增强复合材料以环氧树脂为基体的热固性复合材料为主，这能够让热塑性复合材料中的理论纤维保留长度与木制品最终尺寸基本保持一致[16]。将这种技术应用于木材改性或者强化木地板上，将明显增强木材和木地板的力学强度。

4.2 提升木质材料力学性能

当单向玻璃纤维的抗冲击力特性得到明显提升之后，连续增强纤维同热塑性聚合物的全新组合方式已经极大地提升了产品的强度与刚度，结合热塑性复合材料的物理特性而言，这可以有效降低其基准重量[17]。虽然这种热塑性复合材料不能完全取代木质材料，但在木结构建筑中，增加热塑性复合材料的使用量，可明显降低建筑的基准重量，材料的抗震性效果以及稳定性可以得到一定程度的提升。

4.3 提高木质材料防腐性能

热塑性复合材料采用新工艺制作，即使作为木结构包覆材料，也已经实现了木质材料与周围环境的有效物理隔绝[18]，从而能有效延长产品使用寿命。另外，因为在热塑性复合材料的生产与制作过程中增加了碳纤维强度，其抗腐蚀性得到明显提升[19]，因此这种基于全新技术生产的材料防腐性能要优于传统建筑材料和热固性塑料产品。

5 结语

热塑性复合材料因其密度低、强度高、可回收、成本造价低等特点，其市场发展前景广阔。本文介绍了热塑性复合材料的基本分类，阐述了热塑性复合材料加工中的注射浸渍成型技术、TRM工艺技术，及其对于金属材料和热固性塑料的替代作用，进而提出了热塑性复合材料用作木质材料的包覆材料、增强材料等方面的措施[20]。基于此，对于热塑性复合材料市场应用前景进行展望,这有助于推动热塑性复合材料在木材加工行业的应用。