木塑复合材料加工工艺与配方

　　木塑复合材料的加工成型要求主辅材料品质良好，工艺配方和模具设计合理，挤出设备及其辅助设备具有优良的性能。其工艺条件随着挤出机的结构、主辅材料质量、材料配比等的不同而不同。塑料基料在成型过程中受热和剪切力的作用，容易发生老化而引起材料降解，致材料脆性增大，强度下降；木质填料在成型过程中易被烧焦，也会使材料失去使用价值。因此，木塑复合材料成型的工艺条件以及原料的处理是工艺技术的关键。

　　1.1加工工艺

　　目前，工业化生产中所采用的主要成型方法有：挤出成型、注射成型和热压成型。由于挤出成型加工周期短、效率高、工艺简单，因此应用更广泛。挤出成型工艺由单螺杆或双螺杆挤出机挤出成型，可连续挤出任意长度的板材。该工艺又可分为单一挤出和复合挤出两种。复合挤出是在木塑板材的外表同步挤出一层纯塑料表层，成为特殊场合使用的木塑板材。

　　1.2工艺配方

　　配方是决定木塑复合材料性能的关键。根据塑料和木粉木纤维的特点以及木塑复合材料的使用要求及其成型加工工艺要求，设计配方时主要考虑：（1）木粉/木纤维：提高复合材料的刚度，并使之有木质感；（2）加强剂：提高复合材料的强度；（3）偶联剂：提高木粉/木纤维和基体树脂之间的界面结合力；（4）稳定性和抗氧化剂：减缓塑料和木粉/木纤维在加工过程中的降木塑复合材料应用与研究进展—改善复合界面相容性的方法

　　1.3改善复合界面相容性的方法

　　木质材料主要是由纤维素、半纤维素和木素组成的不均匀、各向异性的天然高分子复合材料，同时含有多种抽提物等成分，因此界面特性十分复杂。由于纤维素、半纤维素和木素等含有大量的极性。因此，在研制木质纤维—塑料复合材料时，需要解决是最大问题是如何使亲水的极性木质表面与疏水的非极性塑料基材界面之间具有良好的相容性，从而使木质材料的表面层与塑料的表面层之间达到分子间融合，产生比原来单一材料更加优良的性能。为达到这一目的，国内外在这方面开展了很多研究工作。

　　2.1界面融合剂处理

　　改进两种不同性质的界面融合性的一种方法是加入界面融合剂。其原理是界面融合剂中的一些组份与其中的一种聚合物相融，另一些组份与另一种聚合物相融，最终达到两聚合物之间的融合。这种方法同样可以用在木塑复合材料体系中，以改善木材填充物与聚合物基材之间的粘和性能。虽然用这种方法不能使两种材料达到完全的融合，但可以降低界面的能量，从而使木材与塑料聚合物之间的界面间达到较好粘和。

　　2.2 对塑料表面进行预处理

　　对塑料基材进行的化学改性方法有，在自由基存在条件下用顺丁烯二酸酐（MA）对聚乙烯进行加成反应，将MA上的极性基团引入到非极性的聚乙烯分子中，使改性后的聚乙烯具有一定的极性。在与木材复合时，用这种改性聚乙烯可提高木塑复合材料的力学强度。但这种改性方法在聚乙烯分子链上极性基团的接枝率较低，并在改性过程中容易产生MA或聚乙烯的自聚，在接枝共聚反应中存在许多反应，从而影响改性效果。

　　2.3 对木粉/木纤维表面进行预处理

　　预处理有物理方法和化学方法

　　其中物理方法由于放电处理，如低温等离子放电、溅射放电、电晕放电等。低温等离子放电处理主要引起化学修饰、聚合、自由基产生等变化。等离子体的作用包括质子的获得以及不稳定基团的生成，从而使醇、醛、酮、羧酸等的官能团发生变化；溅射放电处理主要引起物理方面的变化，比如表面变得粗糙等，以增强界面间的粘结性能；电晕放电是通过改变纤维素分子的表面能来降低复合材料的熔融粘度。放电处理可以降低纤维聚合物熔体的粘度以改善复合材料的力学性能。

　　其它的方法还有拉伸、压延、混纺等，用来改变纤维的结构和表面性质，以利于复合过程中纤维的机械交联。

　　化学方法主要是在木材表面通过对极性官能团进行酯化、醚化、接枝共聚等进行改性处理，使其生成费极性化学官能团并具有流动性，使木材表面与塑料表面相似，以降低塑料与木质材料表面之间的相斥性，达到提高界面粘合性的目的。木材是醚化包括甲基醚化和羟乙基醚化等。木材的甲基醚化，一般是通过甲基氯与经过碱处理的木材反应；羟乙基醚化是木材与环氧乙烷或2-氯乙醇在碱存在添加下反应。

　　2.4 化学处理

　　化学处理是通过化学反应减少木材表面基数目，在木材/聚合物之间建立物理和化学键交联。通过在木粉/木纤维表面形成一层憎水性薄膜从而提高其与聚合物的相容性和促进木粉/木纤维的均匀分散。目前常用的有采用偶联剂、增容剂和单体预浸渍聚合等方法。

　　2.4.1 偶联剂处理

　　目前有超过40种的偶联剂用于木塑复合材料制备。这些偶联剂可分为三类：有机类、无机类和有机无机杂化类。常用的有机偶联剂包括异氰酸酯、酸酐、酰胺、酰亚胺、硅烷、环氧化物、丙烯酸盐、有机酸等，一般偶联剂的添加量为木粉的添加量的1%~8%。

　　偶联剂能使塑料与木粉/木纤维表面间产生强的界面结合，同时能降低木粉/木纤维吸水性，提高木粉/木纤维与塑料间的相容性与分散性，是复合材料力学性能提高。如硅烷偶联剂可以提高塑料与木粉/木纤维的粘结力，改善木粉/木纤维的分散性，减少吸水性，而碱性处理木粉/木纤维则只能改善木粉/木纤维分散性，不能改善木粉/木纤维吸水性及与塑料的粘结性。

　　在解释硅烷作为偶联剂提高复合材料的性能的几种理论中，最普遍被接受的是化学键理论。这个理论认为，具有双官能团与聚合物连接，在复合材料的界面上形成由共价键连接的连续体。许多因素影响偶联剂的结构，进而影响复合材料的力学性能，这些因素包括硅烷的结构、干燥条件等。除硅烷的化学结构外，溶剂的分散性能、引发剂等都会引起各种化学反应以及界面间的物理作用。

　　另外，对于同一种偶联剂，不同的热塑性聚合物对复合材料性能的影响不同，影响程度与聚合物本身的结构有关。

　　2.4.2 接枝共聚

　　对塑料或木粉/木纤维进行接枝处理是一种有效的改性方法，即在引发剂作用下，马来酸酐、甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯等单体引发生成游离基，与合成高聚物或与木质材料表面接枝共聚，提高相容性。主要的官能性单体有马来酸酐（MA）,丙烯酸(AA)，缩水甘油基甲基丙烯酸（GMA）等。

　　阎昊鹏用H2O2引发苯乙烯单体分别接枝不同木粉及其三大主要成分。研究表明，在引发剂作用下，虽然木材中的纤维素和半纤维素不与苯乙烯反应，但由于木素与苯乙烯接枝共聚，改性后木材表面能降低，有利于提高木-塑相容性。

　　王澜用LDPE-g-MAH接枝物来改善木粉与聚乙烯之间的相容性，结果表明，LDPP-g-MAH接枝物的加入改善了木粉与聚乙烯之间的相容性。随其加入量的增加，材料的力学性能逐步提高，当它的加入量为总量的20%-30%时，材料的强度达到最高值。

　　2.4.3 碱金属溶液膨胀处理及取代

　　碱化处理是用碱金属溶液对木粉进行处理。其效果主要取决于碱金属溶液的类型及溶液的浓度。木粉表面常吸附一些灰尘杂质，且木粉含小分子化合物。在混炼过程中，这些小分子物质会渗出到木粉表面，从而在界面处形成弱边界层，削弱界面相互作用。在对木粉/木纤维的碱化处理过程中，这些杂质均可被碱消耗或者被淋洗掉，不仅减少了弱边界层的影响，而且有利于融合剂的活性基团与木粉表面羟基反应。

　　据报道，木质纤维填料在碱金属溶液中浸泡48小时后，未处理前的球状抽提物将消失，而形成许多空腔。这些空腔增强了聚合物与木粉填料的“锁紧力”。由于一些化学键的断裂，使复合材料的表面变得粗糙，这也增强了界面间的相容性。

　　研究表明，在融合剂（HMA100）超过总量2%后，碱化处理的木粉填充复合材料的拉伸强度比未碱化处理的高。

　　2.4.4 乙酰化法

　　通过对木粉/木纤维进行乙酰化处理，可降低木粉/木纤维表面的极性和亲水性，提高其与非极性基体树脂的相容性和分散性。

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