新型绿色建材-再生木塑复合材料的研究发展

新型绿色建材—再生木塑复合材料的研究进展赵行志[1]王正[2]郭文静[2]张双保[2](1北京林业大学北京100083；2中国林科院北京100091)摘要：木塑复合材料是一种新型的环保绿色建材，具有体积轻、强重比大、耐水性能好、可循环使用等优点，具有代木代塑的优良品质，能广泛应用于轿车内衬件、家具构件、建筑及包装材料等领域，并为解决白色污染和木材资料质量下降开辟新的途径，有效缓解中国轿车内衬件长期依赖国外进口的局面。本文结合木材科学与技术学科特点，主要论述了九十年代以来国内外专家在再生回收木塑复合材料方面的研究进展及其发展趋势。关键词：木塑复合材料，环保绿色建材、白色污染AdvancesInRecycledWood-PlasticComposite——AnewenvironmentalfriendlybuildingmaterialZhaoXingzhi[1]，WangZhen[2],GuoWenjing[2],ZhangShuangbao[1](1BeijingForestryUniversity,Beijing,China,100083;2ResearchInstituteofWoodIndustry,ChineseAcademyofForestry,Beijing,China,100091)ABSTRACT:Wood-plasticcomposite(WPC)isanewenvironmentalfriendlybuildingmaterialandhasmoreperfectpropertiesthanwoodorplasticonlyandcanbeusedasanidealsubstituteforwoodorplastic.Thesepropertiescoversmallvolumeratio,greatstrength-to-weightratio,highresistancetomoistureandrecycledability,andcanbewidelyappliedtomanyfields,suchasautomobileandtruckparts,furniturecomponents,buildingmaterials,packagesandfilters.Compoundingwoodandplasticseparatedfromsolidwasteopensanewapproachtodecreasepotentialwhitepollutionandcanefficientlyalleviatethetensionsituationofimportingexpensiveautomobileparts.Basedonthecharacteristicsofwoodscienceandresearch,theresearchsituationathomeandabroad,prospectanddevelopmenttrendofwood-plasticcompositesweremainlydiscussedinthispaper.KEYwords:Wood/plasticcomposites,environmentalfriendlybuildingmaterial,Whitepollution随着世界人口的增加和城市工业化进程的推进，固体废弃物的处理已越来越受到重视。据分析[1]，城市垃圾中木质材料约占总量的40%，塑料约占总量的10%，相PDF文件以PDF制作工厂试用版创建。在我国最近的15年内，城市生活垃圾量以每年8%的速度增长，北京和上海更以每年10%的速度增加。与此同时，传统的废弃物处理方法已经不能满足环境的要求。可以预见，未来的几十年内，废弃木质材料和塑料的处理将成为我国大中城市中的一个非常棘手的问题。木塑复合材料是以木质纤维为主要原料，经过适当的处理使其与合成纤维复合成的高性能、高附加值的绿色环保复合材料，是当代工业基础材料废物利用的最佳科研成果在工业生产上的应用。这种新型可循环使用的耐久性材料，既克服了木材强度低和变异性等使用局限性，又具有比单一高分子聚合材料更好的力学性质，克服有机材料的低模量等缺点，可以充分发挥用以复合的不同材料的优点，改进材料的物理力学性能和加工性能。同时，木塑复合材料的出现有利于缓解和解决木材资源匮乏和废弃物回收利用的问题，提高产品的附加值,可以广泛应用于汽车工业、建筑行业、室内装饰和运输等方面。木塑复合材料在西方国家已经实现了产业化，其典型产品是轿车内衬件[2]~[3]，如门护板、后搁板、仪表板骨架、顶棚、行李垫等。国外专家认为[4]~[6]，研究开发木塑复合材料，是木材工业史上最有革命性的发展，是现代材料工业发展的主要方向之一。1木塑复合材料的分类及国内外研究情况：木塑复合材料通常有两种复合方式，一种是70年代发展起来的混合复合型木塑复合材料，一种是早期的塑化复合工艺复合材料。前者是将木粉或木纤维与热塑性高分子聚合物混合制成的材料。这种复合材料是利用木质纤维填料的（包括木粉、木纤维、秸杆纤维、稻壳等）和热塑性塑料为主要原料，外加一些加工助剂，经过高温混炼再经成型加工而制得的复合材料。后者是在实体木材中，浸渍单体或酚醛树脂、尿醛树脂、聚酯树脂[7]。在使用塑料单体做为浸渍体时，由于这些单体都是非极性化合物，与木材中的极性羟基不会发生化学反应，只有在自由基和热辐射的引发下才使塑料单体聚合，并在木材中聚合，形成高分子聚合物填充于木材管胞或纤维的胞腔中。以下就木塑复合材料这两个大的分类，简要介绍一下这两类材料的发展情况：1.1混合复合型木塑复合材料的国内外研究情况木塑混合复合是指木材与塑料之间的结合是通过适当的胶粘剂进行胶合。木材与塑料在固化后仍保持各自的形态。对于木塑材料的复合，通常认为木材表面有大量的亲水性的极性羟基和酚羟基官能团，而塑料表面具有疏水性，两者之间存在着较高的界面能差，使得木纤维很难和热塑性材料形成良好的“融合”体系[7]。因此，PDF文件以PDF制作工厂试用版创建在木塑复合材料的过程中必须使亲水的木材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，保证木材表面层与塑料的表面层分子之间容合，从而复合成比单一材料性能优良的复合体系。在这一领域内，有不少学者做了研究：1.1.1关于偶联剂的研究偶联剂是根据共聚物融合剂中的一个组分与另一种组分相容，其它组分与另一种聚合物相容，最终达到两聚合物之间容合这一原理进行的[7]~[11]。这种方法同样可以用于木质材料与聚合物基材之间的粘合性能。使用偶联剂可以虽不能使两种材料表面达到完全的容合，但它被认为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达到较好的粘合。在早期的研究中，通常采用苯乙烯丁二烯苯乙烯（SBS）共聚物作为融合剂，使木粉与低密度（LDPE）之间的相互作用得到改善。OksmanK[5]选用苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯（SEBS1）三元共聚物、苯乙烯组分由顺丁烯地酸酐改性的苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯（SEBS2）三元共聚物、顺丁烯二酸酐聚乙烯共聚物（MAPE）和离子型聚合物做为木材与线性低密聚乙烯（LLDPE）的偶联剂，通过研究发现SEB2有很好的偶联接合能力，离子型聚合物能提高拉伸强度，但对冲击强度无显著作用。使用SEBS1和MAPP作为偶联剂的木塑复合材料，在木材和LLDPE基材之间的相互作用没有得到改善，扫描电镜研究表明，MAPE没有与木材的结构相容合，这可能是这种复合材料力学性能较差的原因。此外，在用水浸泡65小时后进行的断裂强度测定表明，无论使用何种偶联剂，水浸对断裂强度基本没有影响。这说明用不同的偶联剂制成的复合材料都具有很好的耐水性.Sean[6]采用异氰酸酯盐偶联剂处理木材和塑料纤维，结果表明添加偶联剂使木材和纤维之间有很强的界面接合性。1.1.2关于对木材或塑料进行改性的研究对木材或塑料进行表面改性处理，使两种表面的极性和溶解度相近，在复合过程中使两界面间实现分子间的融合，从而改善两界面间的粘合性能。在木材表面主要通过对极性羟基进行酯化、醚化和接枝共聚等改性处理，使其生成疏水的非极性化学官能团并具有流动性，以降低塑料基材与木质材料表面间的相斥性，达到提高界面粘合性的目的。Makoto[8,9]为使木材进行无胶胶合，对木材表面进行了乙酰化处理，通过电子显微镜观察木材与塑料的接触面密不可分。在国内，中国林科院木质纤维复合材料专题组[12~15]对木纤维与合成纤维中木材与塑料改性的研究做了一些工作。闫昊鹏，王建军[13]采用了木纤维酯化改性及胶粘剂改性两种方法，对两种纤维过程中所发生的物理、化学变化及纤维结合方式进行了初步研究。研究表明，木纤PDF文件以PDF制作工厂试用版创建维能和顺丁烯二酸酐(MA)和丁二酸酐进行酯化反应，从而降低木纤维的表面极性，提高板材的耐水性，化学改性后的木纤维能与合成纤维进行良好的复合。而改性胶粘剂对板材的静曲强度影响不大，只增加了纤维之间的紧密结合。对塑料基材的化学改性是在自由基存在的条件下用顺丁二烯二酸酐（MA）对线性低密聚乙烯（LLDPE）进行加成反应，通过红外光谱及接枝率的测定[13]显示出非极性LLDPE分子中极性基团的存在。1.1.3其它对木塑复合机理及热压工艺的研究：杨庆贤[16,17]提出，由于木屑中含有大量的短切纤维和木质素.而木纤维具有较高的机械强度和弹性，木素具有较好的硬度和刚性，它们均可做为改性剂在复合材料中起增强作用。木屑的比表面积和孔隙率都很大，使得木屑与液态树脂基体之间具有很大的接触面积[18]~[22]。秦特夫[23]通过表面自由能和电子显微镜（SEMS）观察得出，酯化处理改变了木材表面化学成分与极性，使木材表面自由能降低，从而改变了木塑复合界面的相容性，使在复合过程中，聚丙烯能有效地附着在木材表面。同时，由于木材是多孔性材料，在复合过程中处于熔融状态的聚丙烯在高压下进入木材的细胞腔和细胞壁上的纹孔，产生胶钉效应，形成镶嵌结构和网状结构形态，以此来增加木塑间的结合，改善木塑复合材料的物理力学性质。也就是说，在木塑复合过程中，界面之间的化学结合与木塑之间的相互嵌入的物理结合，对木塑复合材料的物理力学性能的改善均起着重要的作用。Youngquist和Rowell[1]在1989年论述了木材与各种非木质材料（如塑料、玻璃、金属、合成纤维等）复合情况。Youngquist[1]研究了三种不同木材纤维与合成纤维配方（90%铁杉-10%聚乙烯（90H/10PE）；90%铁杉-10%聚丙烯（90H/10PP）；80%铁杉-10%聚乙烯-10%酚醛树脂（80H/80PE/10PR））制做无纺织型复合材料，研究结果表明80H/10PE/10PR配方设计的板材机械性能和吸水性能均优于其它两种配方。在国内，中国林科院木工所[13~15]和北京化工大学[24]对木材与塑料配方及复合工艺进行了大量的研究。中国林科院木工所木质纤维复合材料专题组对木塑合材料的工艺进行了大量的研究，对复合时胶粘剂的配方[12~15]、热压的工艺条件及工艺参数[23]及模压性能都进行较深入