木塑复合材料应用与性能检测-培训资料

1广州赫尔普复合材料科技有限公司技术培训资料木塑复合材料的应用与性能测试华南农业大学李凯夫木塑复合材料（wood-plasticcomposites，缩写为WPC）是一种主要由木材或者纤维素为基础材料与塑料制成的复合材料。纤维部分最初是以木粉为主要原材料，近几年逐渐向其他植物纤维材料拓展，如竹粉、稻壳、麦秸和棉秆等资源丰富的天然植物纤维材料。塑料部分使用的是热塑性塑料，主要有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）等聚烯烃和聚苯乙烃（PS）、聚氯乙烯（PVC）包括新料、回收料以及二者的混合料。将各种植物纤维和各种不同塑料为主要原料，通过一定的工艺而制成的一种可逆性循环利用的多用途绿色环保型材料。木塑复合材料在实际应用中，可根据用户和市场需求生产出不同性能和形状的制品。从20世纪90年代开始，木塑复合材料被作为替代实木材料应用在各个领域。一、木塑复合材料的分类及性能和用途木塑复合材料按使用不同塑料可分为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、ABS塑料及塑化木质材料等；按产品不同形态可分为线材、型材、板材、片材和异性材等；按不同制造工艺可为低发泡、中发泡、空心结构及实心材料等；按不同的使用性能分结构型、装饰型、专用型等。由于木塑复合材料兼有木材和塑料的特点，因而具有以下优良特性：（1）耐虫蛀、耐腐蚀、耐老化、吸水性小、不会吸水变形、寿命长；（2）外观类似木质材料、比木材尺寸稳定性好，不会产生裂缝、翘曲等缺陷，且无木材疤痕；有类似木材的二次加工性，可切割、粘贴、可用五金连接件固定；（3）制品表面光滑、平整、坚固，并可压制出立体图案和其他形状要求，加入各种着色剂或覆膜，能够生产色彩绚丽的各种制品，装饰效果好。（4）比塑料硬度高，具有热塑性塑料的加工性，能重复使用和回收再利用，也可生物降解，对环境友好（附表木塑复合材料物理性能表）。木塑复合材料用途广泛，适用于建筑产品方面，如地板、护墙板、建筑模板、门窗型材、护栏、百叶窗和屋面板等；汽车工业领域，如车门内装饰板、司机用杂物箱、备胎盖、座椅靠板、车顶内衬等；包装及运输业、家具业、园林景观、室内装潢、办公室设备和体育设备等诸多领域。木塑复合材料集木材和塑料的优点于一身，不仅有像天然木材那样的外观，而且克服了其不足，具有防腐、防潮、防虫蛀、尺寸稳定性高、不开裂、不翘曲等优点，比纯塑料硬度高，又有类似木材的加工性，可进行切割、粘接，用钉子或螺栓固定连接，可涂漆。正是凭借成本和性能上的双重优势，近年来木塑复合材料不断扩大应用领域，进入新的市场，越来越多地替代其他传统材料。北美是目前世界上木塑复合材料市场最大的地区，其中美国在开发和应用上走在最前列，美国PricipiaPartner咨询公司的专题报告《2001年木塑复合材料用作建筑的板材———充满活力的室外建筑应用》指出，2001年仅北美市场用量就达32万吨，预计2005年前需求以两位数速率递增，2005年2用量将增加为2001年的两倍。其中板材需求量最大，占总需求量60％以上。木塑复合材料主要应用于护墙板、壁板、装饰板、建筑模板、高速公路噪音隔板、海边路板、铁路轨枕、包装和物流用组合托盘、仓储架，还可做装饰边框、栅栏、楼梯扶手、舶船座舱隔板、办公室隔板、室外露天桌和长凳、存储箱、花箱、活动架、汽车内饰件(门内装饰板、底板、备用轮罩、座椅靠背、仪表板、手套箱、遮光板、头枕插件等)，正在开发中的材料还有披叠板、百叶窗、屋顶板等。住宅和商用建筑板材是木塑复合材料的最大用户，且呈上升势头，因此木塑复合材料加工建筑和结构用板材(包括异型材)也是塑料挤出行业最活跃的部分，需求增长率为两位数，其他工业／农业用和海边路板、码头站台板等设施用板材比较稳定。由于木板不耐海水腐蚀，易开裂和翘曲、寿命短，用木塑复合材料做的制品有明显的优势，美国海军每年用于维修、更换木板费用达2.5亿美元，因此启动了一个为期5年、总金额达1000万美元的木塑复合材料替代木材开发项目，由华盛顿州立大学承担。此外，在研究中还发现，木塑复合材料做建筑用屋面板性能超过木板，而成本为木材原料的85％～95％。用木塑复合材料制造铁路轨枕目前虽然用量不大，但却是一个上升较快的应用领域，其市场份额从1998年的不到1％上升为2000年的2％～4％，最近更是有向传统的木质轨枕发动挑战的势头。传统的轨枕要选用优质木材用杂酚油处理，不仅寿命短(5～10年)，污染环境，而且成本高，而塑料轨枕保质期长达50年。因此美国芝加哥运输局估计10年内塑料轨枕在其轨枕份额将上升至25％～30％。美国大量运输系统和主要运输干线正在大量安装这种新轨枕。北美目前每年更换轨枕1200万根，未来2～5年会进一步提高为1400～1600万根／年。塑料轨枕可以采用木质轨枕同样的紧固件，也能与木质轨枕混合使用，推广方便，成本低。塑料轨枕用原料50％以上是可回收HDPE。著名的美国咨询公司Freedonia集团预计2006年前美国木塑复合材料需求年均增长率为13％，2006年总产值将达20亿美元，增长较快的市场为各种板材、窗框、门框和栅栏、围墙市场。其中用量最大的板材市场从2001年的4.10亿美元增加为2006年的9亿美元，靠不断改进性能和公众对高压处理木材利弊认识的提高，栅栏和围墙同期从1.63亿美元提高为3.15亿美元，而窗框和门框也将从2001年仅0.65亿美元，提高到2006年1.35亿美元。二、木塑复合材料在家具中的应用近几年随着人们环保意识的加强和能源短缺问题的加剧，木塑复合材料开始逐渐成为家具制造的材料之一，受到了全球的关注。但由于木塑产业与家具行业还缺乏必要的沟通和了解，所以木塑家具的大面积推广尚有待时日。尽管如此，木塑家具的发展已经是势在必行，探究木塑复合材料自身特点及其目前在家具市场应用主要集中在以下几个领域：1）户外家具由于木塑复合材料有很好的耐候性，较强的耐老化性，从而使木塑家具在户外有较长的使用寿命。从经济角度分析，木塑复合材料损耗低、免油漆、可以做到免维护，因此，木塑户外家具得到了很多国家的认可，正在逐步替代木材在户外家具的使用。32）卫浴家具木塑复合材料具有优良的防水和防虫蛀性能，决定了其在潮湿的环境下具有独特的性能。日本EINEngineering公司还研制了具有抗菌作用的木塑复合材料，这些特点这大大地加快了木塑卫浴家具的脚步。目前木塑复合材料主要使用在桑拿房、浴缸架、脸盆架、换衣柜和换衣凳等卫浴家具上。随着卫浴家具的大量使用，木塑卫浴家具还有着更为广泛的市场。3）厨柜家具木塑复合材料优良的防水性能、耐阻燃性、表面耐油污、易清理和无毒害等特点，使其在目前高价位的整体厨房中赢得了一席之地。目前已有厂家开始生产木塑厨柜，随着人们开始大量使用，可以预言，木塑厨柜将成为未来厨柜家具的发展趋势。44）桌、凳类家具木塑复合材料具有天然木材的质感和美丽的木纹，较木材低的弯曲变形温度，可比较容易地得到弯曲的造型，并且可用五金件连接，这些都使木塑家具设计获得了更大的空间。1木塑材料在家具行业应用的限制因素1.1生产方式目前木塑材料的生产主要采用挤出成型，即把木粉和熔融的塑料混合后挤出模孔得到各种型材与板材，型材成长率远远高于板材。为了减少原料用量，企业多采用微发泡技术降低材料的密度和通过模具技术在型材中产生细小通孔。表面可采用喷漆或油墨印刷技术进行装饰和保护，其中印刷技术不仅可以得到非常逼真的木材、石材纹理，而且由于油墨渗透到材料内部，一定范围内的表面划伤不会对外观产生较大影响。木塑材料的生产方式对于家具设计制造有以下限制：（1）造型自由度低由于是挤出成型，木塑材料大多数情况下只能呈现直线状态，几乎没有曲线造型和圆滑的转折，因此难以体现出家具应有的亲和感和舒适感，用于家具生产的造型设计自由度大打折扣。从目前的状况来看，用木塑材料开发家具产品可采用的生产方式更接近于板式家具，外观也很类似，但成本稍高因而市场竞争力较弱。所以，如果外观不能具备实木家具的主要特征，木塑家具的开发就会受到很大的市场阻力。（2）端面处理要求高型材的通孔可以减轻重量、节约用材，是木塑材料使用成本较低的主要原因。但是，型材的端面部位强度较低，易遭受碰撞或局部受力产生破损，而家具的受力节点又往往在材料的端部，因此需要对其端部进行特殊的处理以增加强度，提高了成本和技术难度；另外，消费者在欣赏家具时对细节的要求较高，要求端面处理不仅考虑受力，还必须考虑形式的美观和变化、使用过程的清洁和舒适要求，这都为木塑材料在家具领域的使用带来困难。（3）联结方式有限目前木塑材料常用的联结方式是通过企口卡接，钉合、粘结。企口卡接可以很好的限制材料间两个维度的活动，结构可靠，但用途仅限于面的拼合，难以用作支撑结构；钉合要求有足够的铰钉深度，一般需要在中空的型材内部填充木块，生产效率偏低；粘结对接触面有较高要求，生产难以实现自动化，胶水可能流到表面影响美观。1.2表面质量（1）面平整度是家具质量的一个重要因素，无论实木家具还是板式家具对此都要求很高，对木塑材料来说，这个要求显得尤为苛刻。木塑材料从型孔挤出后会因内应力产生局部变形，虽然环境湿度的变化对木塑材料产生的影响微乎其微，但较大的温差却会导致平面薄板的翘曲变形。目前用木塑材料制做的办公5隔断在出口时碰到的难题就是产地和出口国的温差导致的产品变形。（2）木塑材料的表面硬度低也是影响其在家具行业应用的不利因素。家具在安装、运输和使用过程都可能会遭到各种冲撞，如果家具的表面硬度低，很容易就会产生表面缺陷。木塑型材的表面用钥匙甚至指甲就能划出痕迹，虽然印刷木纹可以起到掩饰作用，但作为家具材料毕竟是一个较大的不足。（3）采用印刷面饰的材料表面纹理受印刷辊轮直径限制形成规律性重复，大面积使用时影响其真实感。有些木材如榉木的纹理呈点状分布，没有大的图案化纹理，重复出现后不会有明显的人工化痕迹，而花梨木、酸枝木则有明显的线状纹理，同样的纹理重复出现后感觉很不自然。1.3消费价值观念现在大多数消费者都认为实木家具比板式家具高档，一方面是因为板式家具的大批量机械化生产使得其成本下降，市场价格远远低于实木家具，另一方面，由于森林资源危机造成人们对木材的价值判断提高，实木家具的身价也就不断增长。另外，一些企业为了提高自身的市场身价，将名贵木材和能师巧匠的超凡雕刻技艺结合，生产出几套镇店之宝，标出几十万的天价，引导消费者的价值判断。相比之下，密度板、胶合板等人造板材的价值感明显偏低，这种价值观决定了木塑家具很难以较大的利润空间挤进家具市场。没有较大的利润，新材料是很难进入市场的。2应对方案的提出2.1采用二次加工技术和适用塑料、五金件设计弥补生产技术的不足（1）木塑型材的弯曲试验证明木塑型材的单一直线风格可以得到改观，曲线造型和弯折都可以在木塑家具上出现。试验方法和过程如下：根据试点企业资料和初步测试，确定且变形温度范围在155度左右，参考金属弯管工艺和初步试验，确定选用填充热砂，在模具内弯曲的方法；根据设计目标确定弯曲半径和角度范围；根据前阶段试验确定最佳变形温度；根据每次试验结果调整弯曲技术；根据试验纪录分析得出结论。本次试验共弯曲型材39次，有记录价值的37次（部分试验样本照片附后）。经过分析得出结论：实心材料的最佳变形温度在摄氏155度左右；空心材料的最佳变形温度在摄氏162度左右；90度转角时的最小弯曲半径极限：JF11020为20mm，JF7040为40mm；45度转角时的最小弯曲半径：JF11020为31mm。从实验结果来看，木塑型材用于家具设计和生产的造型自由度和转角问题可以解决，弯曲工艺有利于产生造型特色。（2）发泡成型技术是试点企业已经成熟运用的生产技术，目前用于木塑房门的制造，基本原理是在两块木塑博板中间充入发泡剂，利用发泡剂产生的热量和压力使木塑板材紧压在模具内表面产生拉伸变形，冷却后自然粘结为整体门板。这样生产的门板可以预埋铰链、拉手、垫木和电路及锁具的管道，生产效率高、成本低廉、具有实木门的外观品质。这项技术稍加改进就可用于生产有预埋件的家具门板、面板、整体靠背椅等部件，不但成本低、效率高、便于安装，而且可以利用模具得到不同的浮