木塑复合材料产业化现状及前景.doc

木塑复合材料产业化现状及前景贺晓军 李星云（长岭分公司技术开发处 414012） 摘 要：介绍了木塑复合材料的性能及应用领域，阐述了该材料的加工过程及生产现状。并结合行业现状，对项目投资机会进行了分析。关键词：木塑复合材料 应用 产业化 现状 前景木塑复合材料（Wood-Plastic Composites，WPC）是国内外近年蓬勃兴起的一类新型复合材料，指利用聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚氯乙烯（PVC）等，代替通常的树脂胶粘剂，与超过50以上的木粉、稻壳、秸秆等废植物纤维混合成新的木质材料，再经挤压、模压、注射成型等塑料加工工艺，生产出的板材或型材称为WPC。WPC同时具备植物纤维和塑料的特性，被誉为“用塑非塑无塑之弊，聚木非木有木之利”。WPC的应用范围非常广泛，几乎可涵盖所有原木、塑料、塑钢、铝合金及其他类似复合材料的使用领域。WPC产业化上个世纪80 年代起源于美国，WPC所具有的各种优点不仅非常符合建筑业、家具业、物流业、包装业等领域的使用要求，同时也解决了塑料、木材行业废弃资源的再生利用的问题。目前，我国WPC年产量约15万吨，居世界第二位。随着WPC制造技术的逐步成熟，各类木塑（制品）已进入建筑、装修、景观、园林、物流、包装、体育、军事等领域，北京奥运会场馆设施也采用了WPC。目前，由我国自主创新的木塑（制品）的部分性能指标已领先世界水平，木塑产业因此成为目前国内制造业中为数不多、可与欧美发达国家平等对话的新兴产业。1 木塑复合材料的性能特点WPC所用原料为木材加工剩余物和废旧塑料。这有利于材料的循环使用和环境保护，产品既保持了木质材料原有的优良品质，又兼具有热塑性高分子聚合物的一些特性，因而具有独特的性能特点，可以归纳如下： 良好的加工性能 WPC内含塑料和纤维，因此，具有同木材相类似的加工性能，可锯、可钉、可刨，使用木工器具即可完成，且握钉力明显优于其他合成材料。机械性能优于木质材料。握钉力一般是木材的3倍，是刨花板的5倍。 良好的强度性能 WPC内含塑料，因而具有较好的弹性模量。此外，由于内含纤维并经与塑料充分混合，因而具有与硬木相当的抗压、抗弯曲等物理机械性能，并且其耐用性明显优于普通木质材料。表面硬度高，一般是木材的25倍。 具有耐水、耐腐性能，使用寿命长 WPC及其产品与木材相比，可抗强酸碱、耐水、耐腐蚀，并且不繁殖细菌，不易被虫蛀、不长真菌。使用寿命长，可达50年以上。 优良的可调整性能 通过助剂，塑料可以发生聚合、发泡、固化、改性等改变，从而改变WPC的密度、强度等特性，还可以达到抗老化、防静电、阻燃等特殊要求。 具有紫外线光稳定性、着色性良好。 其最大优点就是变废为宝，并可100回收再生产。可以分解，不会造成“白色污染”，是真正的绿色环保产品。 原料来源广泛 生产WPC的塑料原料主要是PE或PP等，木质纤维可以是木粉、谷糠或木纤维，另外还需要少量添加剂和其他加工助剂。 可以根据需要，制成任意形状和尺寸大小。 2 木塑复合材料应用领域及市场及前景我国是一个森林资源相对贫乏的国家，森林覆盖率12.7%，人均森林面积居世界的134 位，不足世界平均水平的四分之一，人均森林蓄积量仅为世界平均水平的八分之一。人均年木材消耗量仅0.25立方米，为世界平均水平的43%、发达国家的10%。而另一方面，木质制品的市场需求量却与日俱增，每年要进口木材约2000万立方米。我国钢材产量也不高，人均仅为美国、日本等国家的几分之一，缺口较大，迫切需要以塑代钢、以塑代木、创造“第二森林”。据预测，WPC制品在北美市场最终容量可达1000万吨/年，目前WPC制品年增长率已高达60%。在我国若能将回收的近250万吨/年各种废旧塑料全部用于生产各种WPC，产量可达600900万吨/年。产值超过50亿元/年，按照中国市场与北美市场规模相当且比北美更缺乏木材来预计，WPC在中国将以年增长率50%以上的速度发展，最终将形成产量1000万吨/年的庞大的新型工业体系，而且生产WPC的原料充足、制品技术性能可靠且价格低廉、制品的应用范围广泛。WPC制品主要应用领域见表1：表1 WPC制品主要应用领域应用领域主要具体应用家具桌椅板凳、沙发、茶几、床柜、衣柜、书柜、屏风、盆架、栅栏、报纸架等。建筑活动板房、窗框、门板、门槛、楼梯扶手、混凝土模板、墙壁板、天棚、地板、装饰型材等。工业化工及公共场所使用的耐腐工棚、装饰板、地板、通道台架以及铸造模型、电器用材等。车辆船舶火车道枕木、汽车内装饰材料、仪表架等部件、船舶内装饰材料、隔热材料等。包装运输工业用各种规格托盘及搬运用周转盘、插车货板、包装箱等。其它农用大棚支架、枪托、球拍、高尔夫球棒、水产包装箱等。3 木塑复合材料的生产3.1 生产工艺在工业生产领域主要有以下4种工艺路线生产WPC。1)连续挤出成型工艺这种成型工艺是采用传统的塑料制品挤出生产工艺，如图1。木材以木粉的形式出现，要求其粒径一般在20100目之间。由于木/塑混合物需有一定的流动性才能够顺利地从挤出机出料，故这种方法一般不另加树脂进行胶合，而是靠熔融状塑料与木粉的熔混。图1连续挤出成型工艺过程连续挤出成型又可分为一步直接挤出法和预先造粒两步法。采用一步直接挤出法，物料在挤出机内被混合均化，通过模具部件的几何形状成型产品。这对挤出机提出了更高的要求，挤出机设计需要独特的压缩和低速剪切混合能力，充分优化给料区表面积，使螺杆对原材料的热传导过程更快、更均匀。在螺杆设计时需提供一个较大的给料区，用于松散物料和在加工时施加自然压缩力，木粉被更有效地“浸湿”。在减小剪切力的同时，双螺杆间的深螺槽和紧凑的相交齿空隙优化挤出料混合。在低螺杆转速状态下的高扭矩处使用轻柔的低剪切力融化和混合，降低木粉分解速率。2)热压成型工艺此工艺可生产一定规格的不连续板材，加工工艺类似于中密度纤维板的成型工艺。热压成型工艺过程，如图2。图2热压成型工艺过程3)挤压成型工艺即挤出机和压延机联用的一种边挤出边压制的工艺。该工艺成型的制品主要是板材，板材长度要长于热压成型的板材的长度，而且挤压成型板材制品的综合性能要好于挤出工艺的板材制品，如图3。图3挤压成型工艺过程4)注射成型工艺这种成型工艺是将原料加热到固化状态然后经压力由注塑机注入到模具，从而得到产品。注射成型工艺过程，如图4。图4注射成型工艺过程 3.2 生产设备在以上所述生产工艺中大多数工艺所用设备都是通用机械，如高速混合机、粉碎机、干燥机、开炼机、注射成型工艺中用到注射机、热压成型工艺中用到硫化机等，而WPC的专用生产设备主要应用在挤出成型中。WPC的挤出设备主要有以下几种：单螺杆挤出机单螺杆挤出机造价低、能耗低、速度慢、适用于生产规模小的企业，大中型企业一般都使用双螺杆挤出机。双螺杆挤出机WPC加工业将双螺杆挤出机又分为同向平行双螺杆挤出机和异向锥型双螺杆挤出机。同向平行双螺杆挤出机为高速、高能耗型设备，一般为组合式螺杆，可调节螺杆长径比和构型(捏合块角度及其块数、不同捏合块组合方法)，灵活设置排气口，可以直接加工木粉或植物纤维，完成木粉干燥后与熔融的树脂混合再连续挤出，即木粉干燥和树脂熔融分开进行，因此往往是由双阶挤出机组成。与同向平行双螺杆挤出机比，异向锥型双螺杆机被称之为低速、低能耗型设备，非组合式螺杆与一般锥型双螺杆机比，为适应热敏树脂加工需要，要求螺杆设计适应较宽的加工范围，对木纤维的切断作用小，树脂少时仍能均匀分散并与物料完全熔融。串联式磨盘螺杆挤出机串联式磨盘螺杆挤出机是国际上20世纪研究成功的最新型混炼装备之一，它不仅具备了单螺杆挤出机结构简单、挤出压力高、承载扭矩大的优点，而且具备磨盘挤出机超强的破碎、分散、剪切、混合和塑化性能优势，同时还可以通过动盘和定盘结构形式的选择、间隙的调节以及工艺条件的变化等手段实现对混炼工艺过程进行控制，因此用它可以制取一般混炼装置难以加工的特殊高分子材料和高填充复合材料。串联式磨盘螺杆挤出机的主要特点:在加料段采用大直径螺杆，增强了螺杆的刚性和强度，适用于大功率，高扭矩挤出；采用深槽、大直径螺杆加料，可大幅度增加产量；采用多组磨盘反复研磨物料，其破碎、分散、剪切、混合、塑化性能卓越；采用组合式结构，磨盘和螺杆元件的形状及组合形式可以多种多样，适用范围广；采用可调式磨盘间隙，适用于多种物料的加工。3.3 原材料lvE,E在WPC中用作基材的塑料一般有PE（特别是HDPE）、PVC和PP，有时候也用到PS和ABS塑料。根据成本、原料来源和性价比的要求，回收塑料和新塑料都会在复合材料制备中用到。塑料的使用方法因地区而异，例如，PVC在北美的使用就比在西欧要多。PE复合材料被广泛用于室外家具，而PP则被用于汽车制造和日用消费品，PVC常用来制作窗户边框。表2所列WPC的各种应用及相应所用的塑料。表2 WPC的各种应用及相应所用的塑料应用使用树脂复式平台LDPE、HDPE仿木质鹅卵石PVC门窗PVC、 PS、 LDPE、 HDPE垫板HDPE花瓶花盆PP浴缸侧壁PP工具把手PP车用内部件PP原木颗粒，如木粉，常用于WPC的填料，木纤维也经常用到。木地板的等级一般是根据颗粒粒径（从20目粗到400目特细）来划分的。枫木、橡木和松木是比较好的原料。木纤维一般占到复合材料重量的50，也可以增加的70之多。3.4 添加剂在WPC生产中正确选择添加剂无论是对WPC固有性能的提高还是对加工性能的改善都是一个关键的因素。翘曲、开裂、污点问题有时会出现在材料的表面上，这时就需要添加剂的帮助。在复合材料挤出线上，要获得合适的挤出速度和光滑的表面从而避免所谓的边缘开裂也需要添加剂来一展身手。 在各种添加剂的选择中，交联剂、润滑剂、着色剂、化学发泡剂和杀菌剂对WPC的质量影响最大。而对于WPC专用添加剂来说，不同的基体树脂需要开发出专门的添加剂来满足复合材料制品性能或者加工性能的要求，因此，WPC添加剂种类繁多，选择正确的添加剂，对复合材料的生产至关重要。WPC常用的添加剂及其在复合材料中所起的作用见表3：中国木塑专业网 - 中国资源综合利用协会木塑复合材料专业委员会l,i Wj Bo表3 常用的添加剂及其在复合材料中所起的作用添加剂作用举例热稳定剂防止加工过程中聚合物降解酚醛树脂（主要）亚磷酸盐 (次要)光稳定剂防止紫外光对聚合物的伤害HALS (阻胺光稳定剂)；紫外光吸收剂偶联剂改善木塑界面结合，提高强度，减少吸水，保持机械性能马来酸酐改性聚烯烃润滑剂改善流动性能，提高生产效率，减少边缘磨损硬脂酸锌、乙烯基而硬脂酰胺色素美化制品表面，并有一定紫外防护能力混合染料杀虫剂防止细菌真菌侵蚀异噻唑类物质发泡剂减小材料密度和制品重量放热型(偶氮碳胺)，吸热型（碳酸氢钠)4木塑复合材料在国内外的发展现状4.1木塑复合材料在国外的发展 北美是世界上WPC发展最快、用量最大的地区，主要用于风格粗犷的户外建筑。美国WPC市场19902000年的年增长率都在10%以上，近几年增长尤快。在建材如码头、护栏、路标和门窗等大约占了WPC市场的75%。美国康涅狄格州Norwalk的从事工业研究和市场分析的商务通讯公司(BCC)的专题研究报告“塑料和木纤维/天然纤维复合材料”指出，北美WPC工业不仅技术领先，而且是世界WPC应用和市场最大的地区，居主导地位。2004年消费量为100万吨，2009年前将保持年均9.5%的增幅，2009年市场消费量约为160万吨。北美WPC市场约占世界总量的85%。美国的WPC研发机构也超过50家，形成了一个从产品研发、原料收集、设备制造、模具开发、制成品生产到市场营销的完整产业。 欧洲木塑产业总体发展不如北美地区，但近年来有加快趋势。木塑企业不多，产量和技术水平与国内企业相当，但其拥有强大的装备制造能力，发展潜力不可小视。2005年欧洲市场总量为10万吨，2008年增大为14.5万吨，年均增长率接近10%。欧洲人对WPC的要求比较细腻，对品种花色的需求也高于北美，室内装修装饰和户外建筑齐头并进，但应用技术和商品市场还不甚成熟，有高速增长的空间。 日本由于地理原因和环保意识，WPC的应用比较普遍，产品质量亦较优良。日本的WPC研究机构，经过十多年的努力开发出高品质的WPC。其产品具有自然的木材色泽和质感，已在房屋建设和内装饰领域得到广泛使用，品质较高，代表了WPC替代天然木材的质量水平和发展方向。4.2木塑复合材料在国内的发展WPC在中国已经经历了10多年的发展过程。经过多年来艰苦的探索和磨砺，木塑产业的雏形已在国内形成。为推动WPC在国内的发展，国家出台了一系列政策：2002年WPC的研究工作列入中国科学院2002高技术发展报告；2003年国家发改委将WPC列入“国家高技术产业化新材料专项项目”；2005年国务院下发了关于做好建设节约型社会近期重点工作的通知，该通知就完善资源综合利用和废旧物资回收利用的税收优惠政策等方面提出了一系列具体的指导性意见；国民经济“十一五”规划纲要和“十一五”资源综合利用指导意见，其专用挤出设备也荣登2007国家鼓励发展的环保设备(产品)目录。在国家循环经济政策的鼓励和企业潜在效益需求双重动力的推动下，全国性的“木塑热”正悄然兴起。据不完全统计，目前我国直接或间接从事WPC研发、生产和配套的企事业单位已逾170家，从业人员有数万人之众，生产能力大幅度提高，木塑制品年产量约在15万吨左右，全行业年产值约20亿元人民币。从企业的地域分布看，东部远远超过中、西部，其中以珠三角和长三角地区的木塑企业最为集中;以工艺水平论，东部个别企业技术较为领先；南方企业则占有产品数量和市场的优势。据悉，一些跨国集团也在密切关注中国木塑产业的动态。木塑产业作为还处于发展阶段的新兴产业，其单项技术水平和个别产品已能与国外一些同行相媲美，从而成为目前中国制造业中为数不多的能够与欧美发达国家平等对话的产业之一。虽然说目前中国木塑产业的真正潜力还未完全挖掘出来，但其发展前景值得我们期待。不过，目前国内对木塑产业的规划及投资有一些过热倾向，如果没有强有力的创新技术支撑，简单的外延扩大不利于我国木塑产业的健康成长。5 国内木塑复合材料生产存在的问题国内WPC工业化生产起始于本世纪初，晚美欧发达国家1020年，目前处在工业试生产和技术充实完善阶段。普遍的情况是产品附加值不高，企业生产能力有限，实际产量过万吨的企业基本没有。此外，受人才、技术、资金、设备和市场推广能力的诸多限制，导致多数企业产品单一、生产效率低，且生产成本高，质量稳定性差，从而制约了WPC的开发进程。综观国内木塑产业的全局，其主要问题可以概括为：现国内木塑企业普遍弱小且分散，行业内能够形成产业化、规模化、集约化的企业数量还太少，尤其缺少大型骨干企业的支撑，更不能形成一定规模的产业集群，从而无法产生群体拉动和相应的市场推广效应。大多数企业工艺技术薄弱，缺乏创新能力，产品品质不高，成套产品尤其短缺；不少产品尚属于粗笨、简单的低端材料，生产成本高，产品附加值低，规模效益无从体现，仅有优势倾向尚不能形成具有战略性、决定性的市场胜势。目前的木塑生产设备基本都是从塑料行业改头换面而来，对木塑材料的特性及加工工艺要求的把握、理解严重不足，生吞活剥。有利即图的投机行为屡见不鲜，木塑生产设备的先天畸形已经成为制约其发展的“短板”。由于木塑材料市场化程度较低，导致了木塑材料商业化推广的严重缺位，信息通道不很畅通，闭关自守的心理比较普遍。市场的不成熟和应用群体的陌生，使木塑行业很容易处于一种孤芳自赏的状态。目前，木塑材料仅有一个不甚成熟的行业（板材）标准，木塑专业委员会领衔起草的奥运工程木塑型材/板材质量检测技术指南适用范围有限，故木塑标准的制定对木塑产业的发展虽至关重要但又亟待落实。各方面对木塑产业研发的投入总量均显不足，且布局不合理。诸多研发机构缺乏与木塑企业的有效沟通、协调和合作机制，相互间的交流不多，为数不多的相关科研成果的转化情况不甚理想。6 木塑复合材料生产需要解决的关键技术问题WPC的制造关键技术是如何保证木粉的高填充量，木粉填充量高达80%90%以达到制品有较低的生产成本和较高的使用性能。作为在高填充量的前提下如何确保材料有高的流动性和渗透性，从而能促使热塑熔胶能充分的粘接木粉，达到共同复合的力学性能及其他方面的使用性能。主要需要解决如下几个方面的问题： 原材料(塑料、木粉种类)的选择及如何提高塑料与木粉之间界面结合力：因为对于两相复合界面往往成为应力集中区。因此提高复合材料力学性能的关键是提高界面的相容性。 制品的成型设备及成型工艺如何提高木粉在体系中共混分散的能力及建立足够的成型压力。 成型模具的设计与冷却定型技术：产品的质量与产量提高的关键因素。7 投资机会分析WPC能够体现源于自然，归于自然的循环使用特征，符合“资源产品废弃物再生资源”的反馈式循环过程，可以更有效地利用资源和保护环境，实现国家所倡导的“以尽可能小的资源消耗和环境成本，获得尽可能大的经济效益和社会效益，从而使经济系统与自然生态系统的物质循环过程相互和谐，促进资源永续利用”。因此，WPC产业的发展前景无用置疑。作为一个需要发展壮大的企业，如何在该领域找到投资机会，找准切入点，保证在竞争中立于不败之地，除需要对上述行业现状仔细分析外，还需结合下面几点进行深入研究，拿出合适各自企业的具体方案和对策。提高对WPC性能的正确认识在对WPC定位的问题上，一些人长期存在着一个误区，那就是没有把WPC当成一种具有独特性能的新型材料，而总是把它看成某种材料的延伸甚至替身，比如说它是“改性塑料”、“代木材料”或“代塑材料”等等。在这种观点的引导下，往往容易因为片面追求被替代物的某种外观的、表面的东西，从而掩盖甚至抹杀了WPC本身的种种优点。从WPC的原料构成、工艺要求、设备性能以及产品特点来看，它已经逐步成为一种自成体系的新型材料，而不是某一类材料的替身或附庸。WPC及其制品在某种场合，确实可以替代某些材料，但这仅仅是局部性的表现，而不能是全局性的概括。木塑可以代木，但它毕竟不是木料；木塑可以代塑，但它毕竟不是塑料；木塑还可以代铝，难道能说它是金属？从技术层面说，WPC正是因为自身具备了诸如塑料、木料、金属等材料的诸多优点，才可能形成自己独特的魅力。由于WPC已经在原料、工艺、设备、产品及其应用领域形成了自己特有性能和风格，它才能够在循环经济的大环境下立得住，站得稳，真正走上一条独树一帜自立自强的道路。找准WPC产业的技术支撑点随着WPC工业发展，国内科研单位对WPC研究也很活跃。尽管科研成果转化成工业生产不多，但也有一些对工业生产是指导性的技术成果。如能找准这类成果并能将它消化吸收，必将取得有益的帮助。看准木塑产业的发展方向国内WPC产业已经到了新一轮发展的临界点。如果看不准发展方向，完全有可能出现南辕北辙、事倍功半的结果。目前，WPC正朝着如下五个方向发展。原料通用化：即根据木塑制品的原料分类、使用性能和用途，制订一个具有通用性的木塑原料的适用性标准，以方便各企业生产、使用及保证产品质量。装备专业化：尽快改变当前WPC仅凭感性沿用塑料设备的状况，改进、完善木塑制品的生产装备，使其专业化、系列化、规范化和标准化。产品高端化：以木塑制品的良好加工性能为依托，生产性能良好、做工精细、形态复杂、表面美观的型材以及成套产品和组合产品，增强木塑竞争能力。研发市场化：我们需要的是市场有需求、性能有特色、使用有长处、价格有优势的产品，期待科研成果的迅速转化，促进木塑新产品与市场的接轨。使用普遍化：主要是指木塑制品在品种、质量上的突破后的大面积推广和使用，使之