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木塑復合材料在市場的發展現狀

木塑復合材料(wood-plasticscomposites,簡稱WPC)是用木纖維或植物纖維填充、增強的改性熱塑性材料,兼有木材和塑料的成本和性能的優點,經擠出或壓制成型為型材、板材或其他制品,替代木材和塑料。木纖維塑料配混料研究已有80多年歷史,但一直未能工業化,15年前左右,才很小量用于低值的吸聲制品。由于環境觀念的加強,美國建筑工業尋找象木一樣的替代材料(不腐蝕、不翹曲、維修方便,外觀與木材相似),而韓國和日本的紙、木材加工廠為尋找鋸木粉、廢木屑等的應用,都推動和加速了WPC的研究和應用開發。把木粉填充配混料加工成建筑和結構用型材是目前擠出行業最活躍的部門之一,新應用開發也層出不窮,所以盡管已有幾十年的研究歷史,但由于WPC巨大的潛在應用市場,使其象一種新產品受到人們普遍關注。不少國家投入力量加快開發和應用步伐,尤其是型材的生產,被稱為是一個“熱門”市場。

發展WPC是越來越被重視的環境觀念的結果,以往廢木屑、邊角料只能燃燒或作為固體垃圾處理,工業咨詢家認為發展推動力來自合理利用地球有限資源的要求,減少原始木材用量,保護森林,回收再利用舊木粉和塑料。木纖維和植物纖維來源豐富、價廉、質輕,對設備磨損小,尺寸穩定性良好,電絕緣性優,無毒,可反復加工,能生物降解。木纖維有廢木粉、刨花、鋸木,植物纖維為粉碎處理過的稻桿、花生殼、椰子殼、甘蔗、亞麻、澤麻、黃麻、大麻等。熱塑性塑料主要為PE、PP、PS等聚烯烴和PVC,包括新料、回收料和二者混合料。

中國是一個木材資源不豐富的國家,儲量小,產量滿足不了市場的需求。另外,自1998年2月開始,美國、加拿大和歐盟國家相繼對我國出口貨物的木質包裝材料實施新的檢疫標準,要求采取薰蒸或高溫消毒處理,否則將拒絕入境,促進和推動我國采用木塑型材做包裝用托盤為代表的制品發展。

性能

木纖維和植物纖維最初作為低成本、提高塑料剛性的改性填充材料,木塑塑料可充分利用資源,而且可回收利用,而材料能否回收利用已成為工業界選材的重要考慮因素,因而前景看好,主要特點可歸結如下:

⑴耐用、壽命長,有類似木質外觀,比塑料硬度高;

⑵具有優良的物性,比木材尺寸穩定性好,不會產生裂縫、翹曲、無木材節疤、斜紋,加入著色劑、覆膜或復合表層可制成色彩絢麗的各種制品;

⑶具有熱塑性塑料的加工性,容易成型,用一般塑料加工設備或稍加改造后便可進行成型加工,加工設備新投入資金少,便于推廣應用;

⑷有類似木材的二次加工性,可切割、粘接,用釘子或螺栓連接固定,可涂漆,產品規格形狀可根據用戶要求調整,靈活性大;

⑸不怕蟲蛀、耐老化、耐腐蝕、吸水性小,不會吸濕變形;

⑹能重復使用和回收再利用,環境友好;

⑺維修費用低。

缺點是韌性低于塑料母體樹脂,加工設備、下游裝置、模具均需作相應調整和改造。

生產工藝

木塑復合材料最先使用的生產工藝是混煉,再熱壓(或發泡壓制)成平板或模壓成型材。現在的生產工藝以擠出成型為主,并輔以注射成型。世界木塑制品生產和應用的最大國家是美國,其最大制品是鋪板(decking),生產工藝為擠出成型,可以先配混成中間塑木粒料,然后再經單螺桿擠出機加工成制品。然而可能的話,也可越過造粒階段,配混和擠出型材(板材)在一個設備或一組設備內連續完成。

木塑材料(包括制品)的制備過程對WPC的性能影響很大,研究早就表明不合適的加工會引起不良的纖維分散和浸潤,而過分的配混則會使纖維嚴重破損,都會導致降低WPC力學性能。另外,要防止過分剪切或高溫產生糊料、燒焦等問題,一步法連續工藝若脫揮(主要脫水)不佳將影響工藝的連續性和使產品因有氣泡而性能大幅降低。目前主要的加工設備為雙螺桿擠出機,物料在加工中停留時間比較窄,使木塑材料的加工熱歷史盡可能相近。可分為同向平行雙螺桿擠出機和異向錐型雙螺桿擠出機。

同向平行雙螺桿擠出機

塑木材料加工業稱同向平行雙螺桿擠出機為高速、高能耗“配混”型設備,一般為組合式螺桿,可調節螺桿長徑比和構型(捏合塊角度及其塊數、不同捏合塊組合方法),靈活設置脫氣口,可以直接加工木粉或植物纖維,完成木粉干燥后與熔融的樹脂混合再連續擠出,即木粉干燥和樹脂熔融分開進行,因此往往是由雙階擠出機組成。但一般要求廢木屑含水量為4%~7%,這種工藝要求有大量符合要求水含量的木粉,并在嚴格條件下運輸和貯存,這種雙階擠出機稱之為“木材用擠出機”。與此相類似的方法還有用含水6%~8%木粉加入擠出機主料口,擠出機前段作為脫水、脫揮裝置,然后通過側加料器加入塑料樹脂、添加劑,因此擠出機相對長,長徑比(L/D)可達44~48,其中2/3用于除水和脫揮。

美國Strandex公司在塑木復合材料建筑和結構加工設備方面居材料領先地位,已經進行了近10年的工作,已在美國、加拿大、日本發放了8個專利許可證,并看好在歐洲的應用前景,已與18家以上未來歐洲用戶洽談技術轉讓許可事宜。意大利ICMA公司有其擠出三層板的專利技術,美國Davis-Standard、KruppW&P等公司也生產塑木加工用同向雙螺桿擠出機。

異向錐型雙螺桿擠出機

與“配混”型設備比,異向錐型雙螺桿機被稱之為低速、低能耗“型材”型設備,非組合式螺桿。與一般錐型雙螺桿機比,為適應熱敏樹脂加工要求,有許多新的特點和要求,要求螺桿設計適應的加工范圍寬,對木纖維切斷少,樹脂少時仍能均勻分散和物料完全熔融。由于木粉、植物纖維比重小、填充量大,加料區體積比常規型號的大和長。若木粉、植物纖維加入量大,熔融樹脂剛性大,要求耐高背壓齒輪箱,螺桿推動力強,采用壓縮和熔融快、計量段短的螺桿,確保木纖維停留時間短,防止其斷裂和劣化。

生產這種設備的主要為CincinnattiMilacron公司,包括在美國的ExtrusionTekMilacron公司,在德國的SMS公司Cincinnatti分公司。據稱前者在WPC擠出機設計和工程化方面很有經驗,實際投放使用的設備已超過100臺,擁有世界最大的機型,加工能力為770kg/h。德國Cincinatti擠出機公司已公開展示其WPC用錐型雙螺桿擠出機“Titan”系列產品。

為獲得感覺極似真木的木塑復合材料,且可承受螺釘和釘子,采用發泡技術產生的內壓可以提供比非發泡材料更佳的表面清晰度和更光滑的表面輪廓。微孔發泡擠出技術的應用,大大節約了材料成木,且密度也降低了20%~35%;其中可采用化學發泡和物理發泡,并以物理發泡為佳:即在機頭模具注入超臨界氣體(如CO2而實現發泡。現在可以實現發泡料與表面層復合料的共擠,使材料具有優良的使用性能。另外,以聚苯乙烯/纖維為主材,由水作為發泡劑的木塑復合材料正在研究開發中。微孔發泡克服了木塑復合材料延展性和沖擊強度不足之缺點,且成本降低。

近年來值得注意的動向是,在木塑復合材料的成型工藝方面,注射成型得到了迅速發展。木塑復合材料將逐漸廣泛用于注射產品中。
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