木塑复合材料(wood-plastics composites,简称WPC)是用木纤维或植物纤维填充、增强的改性热塑性材料,兼有木材和塑料的成本和性能的优点,经挤出或压制成型为型材、板材或其他制品,替代木材和塑料。木纤维塑料配混料研究已有80多年历史,但一直未能工业化,15年前左右,才很小量用于低值的吸声制品。由于环境观念的加强,美国建筑工业寻找象木一样的替代材料(不腐蚀、不翘曲、维修方便,外观与木材相似),推动和加速了WPC的研究和应用开发。把木粉填充配混料加工成建筑和结构用型材是目前挤出行业**活跃的部门之一,新应用开发也层出不穷,所以尽管已有几十年的研究历史,但由于WPC巨大的潜在应用市场,使其象一种新产品受到人们普遍关注。不少国家投入力量加快开发和应用步伐,尤其是型材的生产,被称为是一个“热门”市场。
发展WPC是越来越被重视的环境观念的结果,工业咨询家认为发展推动力来自合理利用地球有限资源的要求,减少原始木材用量,保护森林。木纤维和植物纤维来源丰富、价廉、质轻,对设备磨损小,尺寸稳定性良好,电绝缘性优,无毒,可反复加工,能生物降解。
中国是一个木材资源不丰富的国家,储量小,产量满足不了市场的需求。另外,自1998年2月开始,美国、加拿大和欧盟国家相继对我国出口货物的木质包装材料实施新的检疫标准,要求采取薰蒸或高温消毒处理,否则将拒绝入境,促进和推动我国采用木塑型材做包装用托盘为代表的制品发展。
一、性能
木塑材料可充分利用资源,而且可回收利用,而材料能否回收利用已成为工业界选材的重要考虑因素,因而前景看好,主要特点可归结如下:
⑴ 耐用、寿命长,有类似木质外观,比塑料硬度高;
⑵ 具有优良的物理性能,比木材尺寸稳定性好,不会产生裂缝、翘曲、无木材节疤、斜纹,加入着色剂、覆膜或复合表层可制成色彩绚丽的各种制品;
⑶ 具有热塑性塑料的加工性,容易成型,用一般塑料加工设备或稍加改造后便可进行成型加工,加工设备新投入资金少,便于推广应用;
⑷ 有类似木材的二次加工性,可切割、粘接,用钉子或螺栓连接固定,可涂漆,产品规格形状可根据用户要求调整,灵活性大;
⑸ 不怕虫蛀、耐老化、耐腐蚀、吸水性小,不会吸湿变形;
⑹ 能重复使用和回收再利用,环境友好;
⑺ 维修费用低。
二、生产工艺
木塑复合材料**先使用的生产工艺是混炼,再热压(或发泡压制)成平板或模压成型材。现在的生产工艺以挤出成型为主,并辅以注射成型。世界木塑制品生产和应用的**大国家是美国,其**大制品是铺板(decking),生产工艺为挤出成型,可以先配混成中间塑木粒料,然后再经单螺杆挤出机加工成制品。然而可能的话,也可越过造粒阶段,配混和挤出型材(板材)在一个设备或一组设备内连续完成。
木塑材料(包括制品)的制备过程对WPC的性能影响很大,研究早就表明不合适的加工会引起不良的纤维分散和浸润,而过分的配混则会使纤维严重破损,都会导致降低WPC力学性能。另外,要防止过分剪切或高温产生糊料、烧焦等问题,一步法连续工艺若脱挥(主要脱水)不佳将影响工艺的连续性和使产品因有气泡而性能大幅降低。目前主要的加工设备为双螺杆挤出机,物料在加工中停留时间比较窄,使木塑材料的加工热历史尽可能相近。
为获得感觉极似真木的木塑复合材料,且可承受螺钉和钉子,采用发泡技术产生的内压可以提供比非发泡材料更佳的表面清晰度和更光滑的表面轮廓。微孔发泡挤出技术的应用,大大节约了材料成木,且密度也降低了20%~35% ;其中可采用化学发泡和物理发泡,并以物理发泡为佳:即在机头模具注入超临界气体(如CO2而实现发泡。现在可以实现发泡料与表面层复合料的共挤,使材料具有优良的使用性能。另外,以聚苯乙烯/纤维为主材,由水作为发泡剂的木塑复合材料正在研究开发中。微孔发泡克服了木塑复合材料延展性和冲击强度不足之缺点,且成本降低。
近年来值得注意的动向是,在木塑复合材料的成型工艺方面,注射成型得到了迅速发展。木塑复合材料将逐渐广泛用于注射产品中。
三、全球应用和前景
北美是目前世界木塑复合材料市场**大的地区,产量节节攀升,2005年产量达到180万吨。其中铺板(包括平台、路板、站强台、垫板)用量就占总用量的60%以上。因其不开裂、翘曲,维修容易,外观好,耐用。除铺板外,还有护墙板、天花板、装饰板、踏脚板、壁板、高速公路噪音隔板、海边铺地板、建筑模板、防潮板;还可做装饰边框、栅栏和庭园扶手、包装用垫板和组合托盘; 家俱包括室外露天桌椅,船舶坐舱隔板、办公室隔板、贮存箱、花箱、活动架; 开发中的制品有披叠板、百页窗等。其它的被应用于工业、汽车和基本建设领域。
由于WPC是环境友好材料,尽管目前欧洲用量不大,但因为加工厂担心欧洲反对用PVC会由欧共体以法规形式有效地限用PVC,所以木塑窗框替代PVC窗框是个巨大市场和机会,因此有人认为木塑制品替代PVC和其他塑料制品会象以前塑料替代木制品一样,增长会相当快。在欧洲,WPC除了广泛应用于建材之外,突出的特点是应用于汽车工业。欧洲的汽车公司,包括大众、沃尔沃、奥迪、宝马等,在其生产的汽车里均采用了WPC。2005年,欧洲汽车工业消费的WPC达到7万吨,预计2010年将达到10万吨。由于汽车报废新法规的颁布,汽车厂家普遍对WPC良好的回收性表示出浓厚的兴趣。在欧洲,汽车的年产量在1600万辆左右,如果全部采用WPC,其需求量将达到8万~16万吨/年。
日本拥有WPC产业化的成套生产技术和设备,其制品广泛应用于水产养殖设施和运输业,特别是住宅建材领域。2004年,日本全国的WPC生产量已经超过20万吨。
近两年来,国内WPC产能方面的增长速度很快,年增长率高达50%以上。2004年,全国WPC产量在8万吨左右。专家们预测,在未来的10年内,我国WPC产量仍将以很快的速度增长,并发展成为一个年产量超过1000万吨,年产值达700亿元人民币的新兴产业。
总之,木塑复合材料是一种前景看好的环保型材料,加工技术将日趋成熟和多样化。
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