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木塑復(fù)合材料加工工藝與設(shè)備的研究
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木塑復(fù)合材料兼有木材和塑料的雙重特性。它有著天然木材的外觀，可鋸、可釘、可粘結(jié)、可上漆。同時(shí)，它防蟲(chóng)，防腐，吸水性小，不易變形，不開(kāi)裂、機(jī)械性能好，具有堅(jiān)硬、強(qiáng)韌、持久、耐磨、尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，木塑復(fù)合材料的硬度較未處理的木材高2～8倍，耐磨性高4～5倍，甚至比大理石還高。而各種添加劑的應(yīng)用，又賦予它許多特殊的性能，比如向木塑復(fù)合材料的原料中加入發(fā)泡劑進(jìn)行發(fā)泡擠出，可以降低產(chǎn)品密度，提高其韌性和抗沖擊性能。此外，它還是一種環(huán)保材料，可回收重復(fù)使用，且原料廉價(jià)豐富，它在減少環(huán)境污染、保護(hù)森林資源、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面都有良好的效益，因而它受到了眾多研究者關(guān)注。20世紀(jì)90年代以來(lái)，北美、歐洲的許多國(guó)家對(duì)木塑復(fù)合材料已進(jìn)行了大量的研究，近年來(lái)國(guó)內(nèi)對(duì)它的研究也日益增多。同時(shí)它的生產(chǎn)和應(yīng)用也得到了迅速增加，北美和歐洲2002年消費(fèi)的木塑復(fù)合材料達(dá)到68萬(wàn)t，并預(yù)計(jì)到2010年前將以14%和19%的速度增長(zhǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同期塑料工業(yè)的總體增長(zhǎng)率。
1 木塑復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)與成型方法
根據(jù)木塑復(fù)合材料的研究與應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展，可以預(yù)計(jì)其加工技術(shù)主要有如下發(fā)展趨勢(shì)：(1)原料多樣化；(2)木粉填充量超高化；(3)設(shè)備工藝專(zhuān)業(yè)化；(4)產(chǎn)品高檔化。
目前其工業(yè)化生產(chǎn)中所采用的主要成型方法有：擠出成型、注射成型和熱壓成型。由于擠出成型加工周期短、效率高、成型工藝簡(jiǎn)單，它在工業(yè)化生產(chǎn)中與其它加工方法相比有著更廣泛的應(yīng)用。
木塑復(fù)合材料的擠出成型可分為一步法和多步法。一步法是木塑復(fù)合材料的配混、脫揮及制品擠出在一個(gè)設(shè)備或一組設(shè)備內(nèi)連續(xù)完成。多步法是木塑復(fù)合材料的配混、脫揮和制品擠出在不同設(shè)備中完成，可以先將原料配混制成中間木塑粒料，然后再擠出加工成制品。采用一步法時(shí)，若脫揮、脫水不佳將使產(chǎn)品因有氣泡而力學(xué)性能大幅度降低；同時(shí)，它要求制品的結(jié)構(gòu)不能太復(fù)雜。所以，實(shí)際加工過(guò)程中一步法常常由于木粉含水量高和制品結(jié)構(gòu)復(fù)雜而受到限制。目前國(guó)內(nèi)外工業(yè)化生產(chǎn)所采用的主要是多步法。北京化工大學(xué)塑機(jī)所在這方面已進(jìn)行了多年研究，并有多條生產(chǎn)線已投入了工業(yè)化生產(chǎn)。
2 需解決的關(guān)鍵問(wèn)題
木塑復(fù)合材料加工的關(guān)鍵技術(shù)是保證木粉在高填充量的前提下如何確保材料有高的流動(dòng)性和滲透性，從而能促使塑料熔體能充分地粘接木粉，達(dá)到共同復(fù)合的力學(xué)性能及其他方面的使用性能，最終用較低的生產(chǎn)成本生產(chǎn)出具有較高的使用性能的制品。因此在擠出成型過(guò)程中需解決以下三個(gè)方面的問(wèn)題：
(1)原材料—如何提高塑料與木粉之間界面的相容性；
(2)制品的成型設(shè)備及成型工藝—如何保持穩(wěn)定加料、進(jìn)行有效脫揮、提高木粉在體系中共混分散、設(shè)定合適的擠出溫度及建立足夠的成型壓力保證產(chǎn)品的性能；
(3)成型模具的設(shè)計(jì)與冷卻定型技術(shù)。
3 成型工藝
3.1 材料配方的選擇
3.1.1 聚合物的選擇
用于木塑復(fù)合材料加工中的塑料可以是熱固性塑料和熱塑性塑料。熱固性塑料如環(huán)氧樹(shù)脂。熱塑性塑料如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)及聚氧乙烯(PVC)。但是，由于木纖維熱穩(wěn)定較差，只有加工溫度在200℃以下的熱塑性塑料才被廣泛使用，尤其是聚乙烯。塑料聚合物的選擇主要依據(jù)有：聚合物的固有特性、產(chǎn)品需要、原料可得性、成本及對(duì)其熟知的程度。如：聚丙烯主要用于汽車(chē)制品和日用生活品等，聚氯乙烯 主要用于建筑門(mén)窗、鋪蓋板等。此外，塑料的熔體流動(dòng)速率(MFI)對(duì)復(fù)合材料性能也有一定影響，在相同加工工藝條件下，樹(shù)脂的MFI較高，木粉的總體浸潤(rùn)性較好，木粉的的分布也越均勻，而木粉的浸潤(rùn)性和分布影響復(fù)合材料的機(jī)械性能，尤其是沖擊強(qiáng)度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前市場(chǎng)上仍以PE木塑復(fù)合材料為主，大約占65%。PVC木塑復(fù)合材料占16%左右，PP木塑復(fù)合材料占14%左右。
3.1.2 添加劑的選擇
由于木粉具有較強(qiáng)的吸水性，且極性很強(qiáng)，而熱塑性塑料多數(shù)為非極性的，具有疏水性，所以?xún)烧咧g的相容性較差，界面的粘結(jié)力很小，常需使用適當(dāng)?shù)奶砑觿﹣?lái)改性聚合物和木粉的表面，以提高木粉與樹(shù)脂之間的界面親和能力。而且，高填充量木粉在熔融的熱塑性塑料中分散效果差，常以某種聚集狀態(tài)的形式存在，使得熔體流動(dòng)性差，擠出成型加工困難，需加入表面處理劑來(lái)改善流動(dòng)性以利于擠出成型。同時(shí)，塑料基體也需要加入各種助劑來(lái)改善其加工性能及其成品的使用性能，提高木粉和聚合物之間的結(jié)合力和復(fù)合材料的機(jī)械性能。
3.1.2.1 偶聯(lián)劑
偶聯(lián)劑能使塑料與木粉表面之間產(chǎn)生強(qiáng)的界面結(jié)合；同時(shí)能降低木粉的吸水性，提高木粉與塑料的相容性及分散性，所以復(fù)合材料的力學(xué)性能明顯提高。常用的偶聯(lián)劑主要有
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