木塑復合材料的研究及應用

方明鋒　黃　華

摘要綜述了木塑復合材料的研究和應用現狀，介紹了木質材料的種類、形態、數量和塑料樹脂種類對木塑復合材料性能的影響，以及改善二者相容性和分散性的方法。木塑復合材料在資源綜合利用與環境保護方面具有優勢，發展木塑復合材料，具有良好的經濟效益與環保效應。

關鍵詞木質材料；塑料；復合材料；應用；研究進展

中圖分類號TB322文獻標識碼A文章編號 1007-5739（2009）03-0008-03

資源危機和生態及環境問題引發了全世界對社會經濟可持續發展與保護生態和環境研究的熱潮，許多能滿足環保要求的新材料不斷涌現，其中木材-熱塑性塑料復合材料（木塑復合材料Wood-polymer Composites，WPC）就是一種很有發展潛力的新型材料。所謂木塑復合材料是將一定比例的木纖維（如木粉、秸稈粉、棉桿粉、竹粉、果殼粉等）經過預處理使之與熱塑性聚合物樹脂或其他材料結合而成的一種新型材料。它能廣泛利用農林廢棄物（如廢棄木材、農作物秸稈等），既有利于保護森林資源，又可增加農民收入，對構建環保節約型社會具有重要現實意義。此外，還將產生環境污染的廢舊塑料充分地利用起來，很好地化解了使用塑料產品廢棄后而帶來的一系列社會和生態問題[1]。木塑復合材料具有良好的尺寸穩定性，且吸水性小，不怕蟲蛀，不會像木材那樣產生裂縫和翹曲變形；同時具有熱塑性塑料的良好加工性，硬度比塑料高，耐磨、耐老化、耐腐蝕；各種助劑的加入可以賦予其更多特殊性能，如抗菌性、阻燃性、耐強酸強堿性等；加入顏料、覆膜或復合表層可制成具有各種顏色和花紋的制品[2]。

1塑料基體對木塑復合材料性能的影響

塑料在WPC中主要起粘結填料和傳遞應力的作用。用于制備WPC的熱塑性塑料主要有聚乙烯（PE）[3，4]、聚丙烯（PP）[5-7]、聚氯乙烯（PVC）[8，9]、聚苯乙烯（PS）[10]、丙烯晴/丁二烯/苯乙烯共聚物（ABS）[11]、聚甲醛（POM）[12]等種類。

WPC中塑料的性質對其性能影響顯著。PE有著柔韌性好、彎曲強度高、良好的耐水性和耐化學腐蝕性，加工性能優異，價格低廉，使得PE尤其是高密度聚乙烯（HDPE）及其廢舊回收料為基體的WPC應用最為廣泛，且多用于室外構件。PP具有更高的拉伸強度和表面硬度，但是沖擊強度低，低溫易脆裂，且耐候性較差，限制了PP基WPC的大規模應用。PVC價格低廉，剛性大，強度高，但是耐候性和穩定性較差，用作木塑復合材料的基體時需加入助劑改善PVC的穩定性和耐候性。一般而言，采用新料成本比較高，但是制得的WPC性能穩定，加工性能好，而采用再生的廢舊塑料成本較低，與新料相比，其力學性能有所降低。

王正、郭文靜等[13，14]分別制備了線型低密度聚乙烯（LLDPE）、PS、PP等3種WPC，其結果表明LLDPE性軟而韌，其WPC的彎曲強度和彈性模量都最低，但沖擊強度最高；PS性硬而脆，其WPC的彎曲強度和彈性模量都最高，但沖擊性能最差；而PP的特點是硬而韌，所以用其作原料的WPC的沖擊性能、彈性模量、彎曲強度及拉伸強度都相對居中，綜合性能最佳；將LLDPE和PS與木粉復合制得的三元復合材料，可以克服LLDPE和PS兩者存在的不足；在LLDPE與PS的質量比為5∶5，共混溫度為200℃時，三元復合材料物理力學性能最好，接近PP/木粉復合材料的力學性能，而且外觀質量更好。而回收PS、PE、PP制得的WPC中，回收PS制得的WPC綜合性能最好，回收PE的其次，回收PP的最差，這可能與回收PP的降解嚴重有關。

應偉斌等[12]的研究表明，POM/稻糠和HDPE/稻糠木塑復合材料相比，POM基WPC的拉伸性能、彎曲性能和耐熱性均優于HDPE基WPC，而沖擊性能則比HDPE基WPC要差。雷文等[15]制備了HDPE、PS、PP木塑復合材料，所制備的WPC拉伸模量、彎曲模量均可提高，斷裂伸長率下降，但拉伸強度、彎曲強度的變化趨勢有所不同。

2木質材料對復合材料性能的影響

木塑復合材料中木質材料是有機填料，可用鋸末、碎木片、刨花等為原料，經過簡單的干燥粉碎處理得到，來源非常豐富，價格低廉。我國每年木材加工業廢棄的木屑達數百萬噸，大米加工業產生的稻糠數千萬噸[2]，以及每年成千上萬噸被焚燒掉的秸稈，這些都是木塑復合材料中木質材料的廉價原料。木質材料的化學成分比較復雜，主要有四部分組成：42%～45%纖維素（cellulose）、27%～30%半纖維素（hemi-cellulose）、20%～28%木質素（lignin）、3%～5%抽提物。其中纖維素分子鏈剛性和極性都很大，且高度結晶并取向，能賦予復合材料較高的模量、拉伸強度和彎曲強度。木質材料對木塑復合材料的影響表現在品種、粒徑、含水率、是否預處理以及木質材料塑料用量比。

不同來源的木質材料其主要化學材料成分：纖維素、半纖維素、木塑和抽提物等的含量存在差異，導致了木質填料本身力學性能的不同，從而也影響到木塑復合材料的性能。趙娟[16]制備了木粉、竹粉、花生殼粉、稻殼等木塑復合材料，并比較了它們的力學性能，發現木粉最好，竹粉次之，花生殼粉比竹粉差，而稻殼制備的木塑復合材料力學性能最差。

木粉的粒徑對WPC的性能也有影響。這是因為木粉的細度使得木粉的比表面積不同，從而導致木質材料與基體樹脂塑料接觸面積不同而影響到木塑復合材料的性能。李蘭杰等[17]研究了木粉粒徑對HDPE基WPC性能的影響，結果表明，在100~850μm范圍內，粒徑較大的木粉有利于復合材料彎曲性能和沖擊性能的提高；拉伸強度隨木粉粒徑的增大呈現先上升后下降的趨勢，在粒徑200μm時出現最大值；在100~150μm范圍內，熔體流動速率（MFR）隨粒徑的增大而減小，在150~850μm粒徑范圍內，較大的粒徑有利于MFR的提高；綜合考慮，粒徑為180~250μm的木粉可賦予WPC較佳的綜合性能。趙永生等[18]比較了不同粒徑、不同樹種的木粉對聚氯乙烯（PVC）基WPC力學性能的影響，發現同為楊木，粒徑為150μm的木粉制備的WPC力學性能比212μm的要好；同為212μm的木粉，楊木粉制得的WPC力學性能比云杉木粉要差。

在木塑復合材料中，隨著木粉用量的增加，這時塑料含量降低，不易于填料的粘結以及能量的傳遞和擴散，降低了塑料基體吸收沖擊能量和變形能力，使得復合材料的韌性變差。另外，隨著木粉填充量的增加，木粉聚集現象加劇，顆粒引起的應力集中及產生缺陷的幾率加大，這反過來又將降低塑料的強度。應偉斌等[12]用稻糠分別與HDPE和POM制得了WPC，結果顯示隨稻糠含量的增加，2種復合材料的彎曲模量、熱變形溫度都明顯提高；拉伸強度、屈服強度和沖擊強度均明顯下降。稻糠的纖維短小，單用稻糠與塑料復合難以取得良好的力學性能，如果將稻糠與木粉混合，則可以通過較長纖維的木粉彌補稻糠纖維短小的不足，開發出較高強度的木塑復合材料。林建國等[19]將質量比為1∶1的稻糠/木粉混合填料與聚乙烯（PE）復合制得的WPC加工性能、彎曲強度、拉伸強度、沖擊強度和彈性模量均比全部用木粉制得的WPC要好。雷文等[20]研究聚丙烯木塑復合材料發現，復合材料的拉伸模量和彎曲模量均隨著木粉加入量的增加而逐漸升高。當木粉加入量為50%時，復合材料的拉伸模量和彎曲模量分別為2.772GPa和1.724GPa，比純聚丙烯的1.203GPa和1.100GPa分別提高了30.83%和56.36%；隨著復合材料中木粉含量的逐漸增加，復合材料的拉伸斷裂伸長率逐漸下降。

3木粉與塑料的相容性和分散問題

為了降低木塑復合材料的成本和木質感，必須實現木質材料的高填充。達到這點并不容易，因為木纖維中含有大量的羥基，具有很強的親水性，而樹脂大多具有疏水性，二者相容性差。另外，羥基間易形成氫鍵，木纖維之間的作用力很強，導致木纖維在樹脂基體中的分散性不好。解決這些問題的方法可簡單分為物理和化學方法。物理方法包括加熱烘干、蒸汽噴發、堿或酸處理法、有機溶劑法、表面放電處理法等；化學方法包括相容劑法、表面接枝法、偶聯劑法、乙?；幚矸ǖ萚21-24]。

對木質材料進行包括蒸汽噴發、放電處理、堿金屬溶液處理等物理方法改性，可減低其表面極性程度，增大它們和非極性樹脂塑料基體的相容性，可以提高復合材料的拉伸強度、抗沖擊強度和彈性模量等力學性質。堿金屬溶液浸泡木粉后，能漂洗掉木粉的木質素而且能提高木纖維的分散性。乙?；窃谀痉郾砻嫱ㄟ^對極性官能團進行酯化、醚化等改性處理，使其生成疏水的非極性官能團，使得木粉表面與塑料的極性相近，根據相似相容原理，從而提高塑料基體和木質材料表面間的相容性，達到提高界面粘合的目的。

這些改性方法中，向復合材料中添加偶聯劑法是一種比較行之有效的方法，它具有用量少、實用且高效等優點。WPC偶聯劑分為有機、無機和有機/無機雜合偶聯劑。有機偶聯劑包括有機硅烷、異氰酸酯、鈦酸酯、鋁酸酯、馬來酸酐、酰胺、環氧化物、亞油酸、丙烯酸酯等，無機偶聯劑相對較少，如硅酸鹽。最常用的是有機硅烷、鈦酸酯、異氰酸酯、馬來酸酐及經馬來酸酐改性的聚合物。

Lu等[25]研究了7種不同的偶聯劑及其濃度對木纖維/高密度聚乙烯（HDPE）復合材料的影響，這7種偶聯劑分為兩大類：一類為氧化高密度聚乙烯、氧化低密度聚乙烯和純聚乙烯；另一類為用馬來酸酐改性的LDPE、HDPE、LLDPE、PP，其官能團、相對分子質量、鏈結構、酸值都不一樣。結果表明，復合材料的彈性模量隨加入偶聯劑濃度的增加先增大而后減小，在3%處達到最大值；酸值、相對分子質量、濃度是3個最主要的影響因素；偶聯劑的分子骨架結構也能影響木塑界面結合力。在相同或相近的酸值和相對分子質量的條件下，將偶聯劑馬來酸酐改性的聚乙烯（MAPE）分別加入到LLDPE、LDPE、HDPE中，LLDPE的性能更優異一些，而LDPE和HDPE之間的性能沒有明顯的差異。Pickering等[26]利用2種硅烷偶聯劑對木纖維進行表面改性處理，再與PE進行熔融擠出，其界面性得到了明顯的改善。

劉濤等[27]使用鈦酸酯偶聯劑、油酸酰胺、聚氨酯預聚物3種表面改性劑處理木粉，結果表明，對木粉填料進行表面處理后，復合材料的力學性能有了不同程度地提高，在改性劑用量為4.0～6.0份時，力學性能出現峰值。綜合看來，當使用4.0份聚氨酯預聚物或6.0份油酸酰胺對木粉進行表面處理后的復合材料的力學性能高于其他體系。

Matuana等[28]也以PVC為基體塑料，木質纖維素為填充物，分別以丙氨基三乙氧基硅烷、二氯二甲基硅烷、鄰苯二甲酸酐、馬來酸酐改性的聚丙烯為偶聯劑，考察了相應的復合材料的性能。研究表明，復合材料的力學性能與木纖維和PVC的酸、堿特征（即接受或貢獻電子的能力）有關，其中丙氨基三甲氧基硅烷與PVC滿足酸堿對相互作用，在這4種偶聯劑中，丙氨基三甲氧基硅烷的表現最優。Chotirat等[29]分別以異丁烯酸丙氧基三甲氧基硅烷（KBM503）和乙氨基丙氨基三甲氧基硅烷（KBM603）為偶聯劑，研究了木材鋸末/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）復合材料的性能，KBM603與ABS也滿足酸堿對相互作用，所以KBM603的復合材料的性能更優。因此，偶聯劑與基體是否滿足酸堿對相互作用可以作為設計或選擇偶聯劑的一個重要參數。

接枝改性聚合物型界面相容劑添加到木塑復合材料中可以顯著地提高材料的力學性能，它是一種最行之有效的界面相容劑，有大量的文獻對此類相容劑進行了報道[30-33]。它不僅可作為木塑復合材料的界面相容劑，而且還可改善其他共混聚合物的界面結構[34]。這類界面相容劑是熱塑性彈性體或聚烯烴表面接枝極性單體，如丙烯酸（AA）、馬來酸酐（MAH）、甲基丙烯酸甲酯（MMA）、甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）、丙烯酸丁酯及丙烯酸酰胺等，特別是接枝馬來酸酐單體最為普遍。這類馬來酸酐接枝聚合物界面相容劑品種較多，如馬來酸酐接枝聚乙烯（PE-g-MAH）、馬來酸酐接枝聚丙烯（PP-g-MAH）、馬來酸酐接枝乙丙三元橡膠（EPDM-g-MAH）、馬來酸酐接枝苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三元嵌段共聚物（SBS-g-MAH）。如陳國昌等[35]研究了PP-g-MAH用量對PP/木粉復合材料的影響時發現，隨PP-g-MAH用量的增加，復合材料的斷裂伸長率、拉伸強度、彎曲強度、加工流動性能、維卡軟化溫度、硬度和沖擊強度均有不同程度的提高；當PP-g-MAH用量超過10份后，對熱變形溫度、沖擊強度、拉伸強度和斷裂伸長率影響不大；PP-g-MAH用量在10份左右復合材料的綜合性能最佳。有學者研究發現[36]，PP-g-MAH中MAH的接枝率高，PP分子量大，能更好改善PP和木粉的界面相容性。

4木塑復合材料的應用及前景

木塑復合材料運用最廣泛的是結構性能要求較少的建材，約占木塑復合用品總額的75%[31]，主要用在復合門窗框、扶梯、軟質百葉窗、地板等。在汽車上用作底板、儀表板、頂板、門板、后擱物板、頂蓬、高架箱汽車護板等。按照行業的不同，木塑復合材料的應用范圍可分為以下領域[37-42]：①建筑及汽車方面應用，室內外各種鋪板、建筑模板、防潮隔板、樓梯板、扶手、路板等；也可以制成各種裝飾材料，成為裝飾材。在汽車內飾行業運用較多，占木塑復合材料總量的8%。②物流方面的應用，各種規格的運輸托盤和出口包裝托盤，倉庫鋪墊板、各類包裝箱、運輸玻璃貨架等。北美地區托盤用量高達2億多個，木塑托盤產品已經占到近一半市場。③園林方面應用，室外桌椅、庭院扶手及裝飾板、露天鋪地板、廢物箱等。④室內裝璜方面應用，各種裝飾條、裝飾板、窗簾圈及裝飾件、天花板、壁板等。⑤交通運輸方面應用，高速公路噪音隔板、防護欄；船舶座艙隔板、辦公室隔板、儲存箱、活動架、百葉窗；鐵道防護欄、鐵軌枕木等。⑥農業方面可用作大棚支架、槽、水桶等。⑦軍工方面可用作子彈箱等。

我國對木塑復合材料的開發研究起步比較晚，在這方面的開發和研究只是近10年的事情。與國外相比，我國對木塑復合材料的開發及應用差距還是很大。國家已經意識到差距并對WPC的開發和研究加大了投入，2002年國家科技部“863”項目和國家林業局“948”計劃將木塑復合材料列入了生物質重組課題；2001～2007年國家發改委將木塑復合材料項目列入“國家高科技產業化新材料專項”；北京奧組委早在2006年9月就推薦WPC作為部分場館、設施建設的專用材料；北京奧運會世奧森林公園破例為WPC指定了一處近2 000m2的空地搭建實驗建筑。目前上海世博會也開始采用WPC作為建設用材。

當前我國經濟發展迅速，各行各業對國外普遍采用的WPC的需求十分迫切，這就為WPC的應用提供了廣闊的市場。另外，由于我國是一個森林資源匱乏的國家，由于樹木過度采伐，綠色屏障遭到破壞，政府特別重視資源循環利用和對生態環境的保護，這為WPC產品的發展提供了一個良好的大環境。加之WPC產業的發展前景被世界看好，不僅是因為產品本身的優良特性，更重要的是其資源循環利用的意義和對環境保護的重要貢獻所決定的。因此，木塑復合材料的研究和應用在我國前景非常廣闊。

總而言之，WPC是一類涵蓋面廣、產品種類多、形態結構多樣的材料，在它身上充分體現了循環經濟、資源利用、健康環保、節約替代等可持續發展經濟的先進理念，是一種極具發展前途的環保型復合材料，能夠創造良好的經濟效益和社會效益。

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