文 献 综 述

1 前言

随着人们环保意识的加强，要求保护森林资源，减少利用新木材的呼声日趋高涨，因此回收利用低成本的废旧木材和塑料成为工业界和科学界普遍关注的问题。由于废木材和植物纤维以前都只能焚烧处理，产生的二氧化碳对地球有温室效应，因此木材加工厂也在努力寻找把其转化为高附加值新产品的有效方法^[1]。 同时，塑料回收再利用也是塑料工业技术重点开发的方向，塑料能否回收利用已成为塑料加工选材的重要依据之一。在这种情况下，木塑复合材料应运而生，人们也加大了对木塑复合材料（WPC）的研究和开发的力度，并取得了实质性的进展，其应用也呈加速发展趋势。

1.1木塑复合材料定义及特点

木塑复合材料（简称WPC）是国内外近年蓬勃兴起的一类新型复合材料，指利用聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等，代替通常的树脂胶粘剂，与木粉、稻壳、秸秆等废植物纤维混合成新的木质材料，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^[2]。主要用于建材、家具、物流包装，室内外装饰等行业。将塑料和木质粉料按一定比例混合后经热挤压成型的板材，称之为挤压木塑复合板材。

木塑复合材料的特点：

（1）良好的加工性能

木塑复合材料内含塑料和纤维，因此，具有同木材类似的加工性能，可锯、可钉、可刨，使用木工器具即可完成，且握钉力明显优于其他合成材料。机械性能优于木质材料。握钉力一般是木材的3倍^[3]。

（2）良好的强度性能

木塑复合材料内含塑料，因而具有较好的弹性模量。此外，由于内含纤维并与塑料充分混合，因而具有与硬木相当的抗压、抗弯曲等物理机械性能，并且其耐用性明显优于普通木质材料。表面硬度高，一般是木材的2~5倍^[4]。

（3）具有耐水、耐腐性能，使用寿命长

木塑复合材料与木材相比，可抗强酸碱、耐水、耐腐蚀，并且不繁殖细菌，不易被虫蛀、不长真菌。使用寿命长，可达50年以上^[5]。

（4）优良的可调整性能

通过助剂，塑料可以发生聚合、发泡、固化、改性等改变，从而改变木塑材料的密度、强度等特性，还可以达到抗老化、防静电、阻燃等特殊要求^[6]。

（5）具有紫外线光稳定性、着色性良好^[7]。

（6）可变废为宝，并可100%回收再生产。可以分解，不会造成”白色污染”，是真正的绿色环保产品^[8]。

（7）原料来源广泛

生产木塑复合材料的塑料原料主要是高密度聚乙烯或聚丙烯，木质纤维可以是木粉、谷糠或木纤维，另外还需要少量添加剂和其他加工助剂^[9]。

（8）可以根据需要，制成任意形状和尺寸大小^[10]。

2 国内外木塑复合材料的研究现状

我国对木塑复合材料技术也进行了多年的研究，并取得了一些阶段性的成果，但在如何保证拉伸、弯曲和冲击强度等物理机械性能与硬木相当的前提下，尽量降低生产成本，提高生产效率，以满足大规模工业生产的需要，一直是摆在科研人员面前的课题。

木粉的种类和木粉的填充量会很大程度的影响木塑复合材料的性能，为了得到最好的木粉填充比，北京工商大学的王澜等通过模压成型方法对聚氯乙烯/木粉木塑发泡制品进行了研究，分析了木粉的不同填充量，不同处理方法，不同增塑剂用量以及工艺条件对复合材料性能的影响。^[11]北京化工大学塑料机械塑料工程研究所的赵永生等采用电镜扫描观察了3种木粉的纤维细胞尺寸及其木粉微观形态^[12]。研究了木粉粒度、微观特性以及木粉添加量对于聚氯乙烯（PVC）木塑复合材料力学性能的影响。在木塑复合材料的生产过程中，偶联剂的选择会对木塑复合材料的性能产生很大的影响。为了解决这个问题，中国林业科学研究院的秦特夫等人以铝酸酯为偶联剂对木粉进行表面改性处理后制备的木粉/聚丙烯复合材料的力学性能和形态学特征进行了研究^[13]。

木塑复合材料的产业化推广源于上世纪80年代的美国，最初是作为改性塑料应用的。随着技术水平的提高，木塑逐渐具备了塑料、木材、金属等单质材料的优点，成为自成体系的新型材料。目前，各类木塑制品在欧美等国已得到较为广泛的应用，形成了比较规范的产业和市场。

北美是世界上木塑复合材料发展最快、用量最大的地区，主要用于风格粗犷的户外建筑。美国现有约50家木塑企业，年产量大都在万吨以上。美国的木塑复合材料研发机构也超过50家，形成了一个从产品研发、原料收集、设备制造、模具开发、制成品生产到市场营销的完整产业。

欧洲木塑产业总体发展不如北美地区，但近年来有加快趋势。木塑企业不多，产量和技术水平与国内企业相当，但其拥有强大的装备制造能力，发展潜力不可小视。欧洲人对木塑材料的要求比较细腻，对品种花色的需求也高于北美，室内装修装饰和户外建筑齐头并进，但应用技术和商品市场还不甚成熟，有高速增长的空间。

日本由于地理原因和环保意识，木塑材料的应用比较普遍，产品质量亦较优良。日本的木塑研究机构，经过十多年的努力开发出高品质的木塑材料。其产品具有自然的木材色泽和质感，已在房屋建设和内装饰领域得到广泛使用，是目前国际上品质最高的产品之一，代表了木塑材料替代天然木材的质量水平和发展方向^[14]。

2.1影响木塑复合材料性能的因素

（1）二者的相容性

（2）木粉的含量

（3）木粉的含水量

（4）木粉的细度：木粉的细度直接影响木粉与塑料混合的均匀程度,一般认为木粉的细度越细越容易混合均匀,压制的板材的性能越好^[15]。

（5）填料的种类

（6）偶联剂：偶联剂分子中的一部分基团能与木粉表面的官能团反应，形成强有力的化学键合，另一部分基团能与有机高聚物发生化学反应或物理缠绕，从而将两种极性差别很大的填料与树脂结合起来，偶联剂用量是影响木塑复合材料的一个重要因素^[16]。

（7）相容剂：相容剂可以在加工中直接加入，而不需对填料另做处理，在制备复合材料中得到广泛应用，而其加入量对复合材料的力学性能有很大影响^[17]。

2.2无机矿物填料的作用

无机矿物填料的主要作用是增量、增强和赋予功能。

（1）增量 添加廉价的无机矿物填料以降低制品的成本，例如，在塑料、橡胶、胶黏剂等中填充碳酸钙（包括重质碳酸钙和轻质碳酸钙）以降低有机树脂或高聚物的用量；在纸张中填充碳酸钙、滑石粉以减少纸浆或纸纤维的用量。这种无机矿物填料也被称为增量填充剂。

（2）增强 提高高聚物基复合材料，如塑料、橡胶、胶黏剂等的力学性能（包括弹性模量、拉伸强度、刚性、撕裂强度、冲击强度、摩擦系数、耐磨性等）。无机矿物填料的增强主要取决于对其粒度或比表面积和颗粒形状。粒径小于5um的超细无机矿物填料和硅灰石、透辉石、透闪石、石棉等针状无机矿物填料及云母、滑石、高岭土、石墨等片状无机矿物填料具有一定和不同程度的增强或补强功能。一般来说，各种填料的增强效果顺序为：纤维填料＞片状填料＞球状填料。反之，各种填料在基料中的流动性顺序大致为：球状填料＞片状填料＞纤维填料。

（3）赋予功能 无机矿物填料可赋予填充材料某些功能，如塑料和橡胶制品的尺寸稳定性、阻燃或难燃性、耐磨性、绝缘性或导电性、隔热或导热性、隔声性、抗菌性等；涂料的耐湿擦洗性、耐磨性、耐腐蚀性、耐候性、遮盖力、净化空气、调湿性等；纸品的优良吸墨性和印刷

等。此时，无机矿物填料的化学组成、晶体结构、光热、电、磁

等性质以及比表面积和颗粒形状起重要的作用^[18]。

2.3无机填料碳酸钙的使用

碳酸钙作为无机填料应用于塑料填充已有多年的历史。过去碳酸钙一般作为填料以降低成本为主要目的被广泛使用，并收到较好效果^[19]。近年来，随着生产上广泛的使用和大量的研究发现，填充大量的碳酸钙也可做到不明显降低制品的性能，甚至某些方面还会大幅度提高，如机械性能、热性能等。

我国具有丰富的碳酸钙资源，几乎分布于全国各地，其中四川、广西储存量最大。据统计，目前我国生产碳酸钙的企业有500多家，为了适应塑料、造纸和涂料等行业对碳酸钙市场需求，近几年还引进或自行开发了不少新设备、新生产线，生产微细、超微细和纳米级碳酸钙。我国目前年产3000t以上的纳米碳酸钙生产线已打16条。

2.4碳酸钙对材料的改性作用

重质碳酸钙可增加塑料产品体积,降低成本,提高硬度和刚度,减小塑料制品的收缩率,提高尺寸稳定性;改进塑料的加工性能、提高其耐热性、改进塑料的散光性、抗擦伤性、平滑度；同时对缺口抗冲击强度的增韧效果及混炼过程中的粘流性等方面都具有明显的效果^[20]。

2.4.1力学性能

填充碳酸钙后,由于碳酸钙的硬度大,会提高塑料制品的硬度和刚度,力学性能增强。制品的抗拉强度和抗弯强度得到改进,并使塑料制品的弹性模量显著提高,与玻璃钢相比它的抗拉强度、抗弯强度和抗弯模量与玻璃钢大致相同,热变形温度一般比玻璃钢高,唯一不如玻璃钢的是它的缺口冲击强度较低,但这一缺点可通过添加少量短玻璃纤维而被克服。对于管材,填充碳酸钙可提高它的几项指标,如拉伸强度、钢球压痕强度、缺口抗冲击强度、粘流性、耐热性等;但同时会降低它的几项韧性指标,如断裂延伸率、快速开裂、简支梁冲击强度等^[21]。

2.4.2热性能

加入填充料后,由于碳酸钙的热稳定性好,可使制品的热膨胀系数、收缩率在各方面相同下降,而不像玻璃纤维增强热塑性那样,在不同方面有不同的收缩率,加入填料后可使制品的翘度、弯曲度变小,这是与纤维填充料相比最大的特点,制品的热变形温度随着填充料的增加而增高^[22]。

2.4.3辐射性能

填充料对射线有一定的吸收能力,一般可吸收30%～80%入射紫外线,防止塑料制品的老化^[23]。

3 木塑复合材料的研究意义

我国是一个木材资源贫乏的国家同时又是造纸大国，在全国每年造纸工业的各种制浆过程中，产生了数千万吨的副产品#8212;木质素，具有极为丰富的资源。但时至今日，我国对木质素的应用仍然很少，约有95%的被用来燃烧产生热能，只有很少的一部分被用来做成材料应用。因此如何开发利用废液中的木质素，提高其回收利用价值是非常必要的，对改善环境有着积极的意义。环保新材料木质素塑料复合材料是以热塑性塑料与造纸副产品#8212;木质素磺酸盐为原料，开发出的可替代木材、普通人造板的木塑复合材料。由于木塑产品100%由可再生资源组成，在使用期后处理时，可以像处理木头一样，无后顾之忧，可任其腐烂或燃烧。因此该复合材料一方面提高废物利用，另一方面是木材和塑料的替代品，可缓解木材供需矛盾，减少石油消耗，充分体现了资源循环利用的目的与意义。同时该材料也有许多优点超过人工合成的热塑材料，尤其在精致饰面基底的模塑上^[24]。

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