浅论木塑复合材料的组成及其性能

1、本科毕业论文(设计)题 目：浅论木塑复合材料的组成及其性能学 院： 应用技术学院 专 业： 高分子材料与工程 姓 名： 张翠美 指导教师： 孙桂滨 2012年 5 月 8 日浅论木塑复合材料的组成及其性能张翠美(青岛大学 应用技术学院 山东 青岛)摘要：综述了近年来国内外PVC、PP、PE基木塑复合材料的配合技术的研究进展。对包括基体塑料的组成，木质材料的品种、用量，添加剂等影响木塑复合材料的性能的主要因素进行了分析。关键词： 木塑复合材料 影响因素 力学性能 Abstract: Reviewed the recent domestic and foreign PVC, PP, PE comp

2、osite with technology research progress. Included on the plastic matrix composition, wood material, dosage, additive effect of wood-plastic composite material performance and analyses the main factors.Key words： Wood-plastic composite material Influence factors Mechanical properties 目录本科毕业论文(设计)11 前

3、言41.1木塑复合材料的特点51.2 木塑复合材料的组成51.3 木塑复合材料的应用61.4 木塑复合材料研究的当前问题及改善方法71.5 木塑复合材料在国内外的发展现状和发展趋势82不同树脂基木塑复合材料的性能对比102.1 HDPE基wpc的性能102.2 PP基wpc的性能112.3 PVC基wpc的性能122.4 总结133 木质材料对木塑复合材料性能的影响143. 1 木粉来源的影响143.2 木粉粒径的影响163.3 木粉用量的影响163.4 木粉碱化处理的影响183.5 总结204 偶联剂对木塑复合材料界面相容性的影响214.1硅烷偶联剂用量的影响214.2钛酸酯及铝酸酯偶联剂用

4、量的影响225 相容剂品种对木塑复合材料性能的影响225.1 POE-g-MAH对材料力学性能的影响235.2 POE-g-MAH 用量对木塑复合材料力学性能的影响246 总结25参考文献26谢词27附录28 1 前言 木材是一种可以循环使用的材料,而且,适用范围比较广泛,因此,得到人们所广泛应用。木材的性能优异、加工耗能低及污染环境小 ,因此被人们称为是绿色环保材料，但也存在很多不足和缺点，像易腐朽、易变形和易虫蛀等。塑料材料在人们日常生活中成了一种不可缺少的材料 ,因为存在许多缺陷易于变形、较低的热稳定性等的缺点，所以在生产生活中的应用受到了限制。木塑复合材料具有硬度大、强度高、尺寸稳定性

5、好、耐磨、美观等优点1,将木粉与常用或再生塑料复合形成新一种性能比较优异的新型材料，这样不仅可以很好地解决一种材料在性能方面的一些缺陷 ,而且这种复合材料也得到广泛应用，主要用在建筑、工程领域。对于废弃塑料的回收和长期使用问题的解决也是一种十分有效的措施。这种木塑复合材料的主要材料是木粉和木材，其在一定条件下经过处理后使其与热塑性塑料混合，通过不同的加工工艺生成的材料，具有高性能和高附加值的绿色环保的材料。这种复合材料缓解了当今所面临的一个困难的问题：木材资源短缺和塑料废弃物回收利用减少对环境的污染。许多木塑产品可以广泛的应用在建筑、汽车、管材、地板、家电室内装饰和运输等多个领域。在过去的几十

6、年间木塑复合材料技术已经得到了开发和利用, 但是一直没有引起人们的重视，所以在应用情况上其效益和规模并没有达到人们预想的效果。 随着木塑复合材料新产品的不断问世，人们在加工技术方面得到了很大的提高, 从而对木塑复合材料的生产开发的重视度逐渐提高。木塑复合材料的加工过程:就是将木材经过加工后所剩废弃的木粉和适当的聚合物以一定的比例通过高速混合机，混合在一起然后经过造粒、注射而成的材料。如废弃的木屑, 聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯或经回收而得的再生料,加入各种添加剂如润滑剂、相容剂、增塑剂、着色剂、粘结剂等。目前人们对生态问题和资源危机越来越重视，因此，人们在木塑复合材料的研究方面也掀起了一阵新的热潮

7、，在不断出现的新型材料中木塑复合材料的应用前景最好。木塑复合材料出现后, 自然资源得到了充分的利用,减少了由于废旧塑料和废旧家具及废旧木产品引起的环境污染问题2。目前国家所生产的木塑复合材料的年增长率为26%。虽然我国在这方面起步比较晚，但发展速度非常快，工业化生产的PE基木塑复合材料和PP基木塑复合材料的生产加工技术也逐渐的走向成熟。1.1木塑复合材料的特点1）易于加工。在木塑复合材料中含有聚酯键，其加工性能比较好，跟木材相似，因此使用木材加工时所用的工具，就可以制得所需的形状。2）耐候性好、力学性能好。木塑复合材料的硬度比较高，材料中含有木粉的木质纤维，因此其力学性能比较好，在室外使用时,

8、耐候性比普通木质材料好。3）耐水、耐腐蚀性。木塑复合材料抗强酸、强碱性好，耐水、耐腐蚀性好。4）调整性好。通过加入不同的助剂，使得木塑复合材料的强度、密度、外观等性能发生改变，有抗老化，阻燃等特殊性能。5）原料的来源非常广泛。木塑复合材料除了使用一定量的添加剂外，大部分的原料均为比较容易获得的聚酯和木质纤维。6)通常可以在比较低的温度下使用；不腐烂、不翘曲或开裂等。1.2 木塑复合材料的组成 原料：在木塑复合材料加工中的使用的树脂主要包括热固性塑料和热塑性塑料。其中热固性树脂主要有环氧树脂、酚醛树脂等。而热塑性树脂主要包括PVC、PP及PE等。但是因为木质纤维的稳定性比较差，加工温度在200以

9、下的热塑性树脂才能被用作木塑复合材料的基体树脂广泛使用，尤其是聚乙烯3。 树脂选择的依据是：树脂所具有的固有特性、产品规定、原料的来源及对其熟知的程度。如聚丙烯主要应用于生活用品和汽车制品等。据统计表明，目前，市场上主要以聚乙烯木塑复合材料为主，占64%左右，而聚氯乙烯木塑复合材料大约占17%4，聚丙烯木塑复合材料大约占13%。 添加剂：为了减少生产中我们遇到的困难，并且能够得到性能比较良好的木塑复合材料，一般在加工的过程中我们要加入一些需要的添加剂3，目的是用来提高制品的力学性能。添加剂主要包括增塑剂、润滑剂、着色剂、分散剂、发泡剂、相容剂、光稳定剂、阻燃剂等5。为了提高木塑材料填充相与基体

10、相间的相容性、提高填充相的分散性需要添加一些助剂，一般需要加入偶联剂、相容剂和抗冲击改性剂等助剂6。 1.3 木塑复合材料的应用1) 托盘、包装制品木塑复合材料主要用于包装行业像是托盘、包装箱等，据日本统计，每年大约有8100万个托盘在日本使用7。这些年来，亚洲托盘的使用量大约有4亿个，但进口货物所使用的木质包装要经过高温消毒处理。木塑复合材料的产品在亚洲市场也将得到广泛的使用。2) 仓储制品耐腐、耐潮、防虫蛀是木塑复合材料的特点，所以在仓储行业得到很好的应用于像木板、地板等8。虽然木塑材料在我国起步比较晚，但是在2002年，木塑材料在军事领域中的应用已经超过20万立方米，在制药业方面也得到了

11、广泛的应用，仓储铺板的应用已超过8万多平方米。3) 室外栈道、座椅等城建用品木塑复合材料已经制成了具有防潮性、防腐蚀的座椅、花盆等制品，其寿命长，价格低廉，在北美很普遍，在我国，WPC取代木材的趋势也慢慢增加。4) 房屋、建筑模板等建材用品近年来，使用WPC制作的房屋、阳光房等产品正在不断的增加，每年产值高达上亿美元。各种板材、门框、栅栏、围墙等建材用品的市场是增长的比较快的。5) 汽车内装饰、管材等产品由于WPC的技术水平不断提高，产品的应用领域也不断扩大，汽车内装饰、复合管材等产品研发已从论证阶段进入到应用测试阶段9，木塑复合材料在汽车上的应用如美国“福特”、德国“奔驰”、“奥迪”等名牌轿

12、车的内装饰基材。近几年推出的轿车零部件，主要是采用木塑复合材料制造的，其已成为此类产品发展的趋势。1.4 木塑复合材料研究的当前问题及改善方法木塑复合材料的应用广泛，使用寿命长，价格低廉，并且对环境的污染小，因此越来越受到人们的重视，但是目前对木塑复合材料的研究正处在发展阶段，所以想要生产出在各方面性能都十分优异的产品仍然需要解决很多问题。其中最主要原因有：(1)木粉中含有大量的亲水性基团(羟基基团),它的极性很强, 但是常见的树脂通常为非极性、不亲水的材料，因此,植物纤维和树脂基体之间的相容性很差, 界面粘结性低, 从而影响了 WPC 的力学性能。(2)因为羟基间能够形成氢键, 使得植物纤维

13、之间有很强的相互作用, 使得其在树脂基体中的分散性极差, 想要达到均匀分散较为困难10。(3)成型加工过程中植物填料比较容易降解,温度升高时, 树脂基体也会发生热降解, 在材料的混合和加工过程中如果加工的条件不适宜将会导致 WPC 的力学性能和使用性能下降。所以生产 WPC制品的关键问题是在树脂材料中植物纤维的填充量很高时,怎样使得WPC具有高的加工流动性,并且在树脂与木粉之间保持良好的相容性, 从而达到很好的力学性能, 最终使生产成本在最低的情况下生产出的具有较高使用性能的产品10。木质材料是天然高分子材料,它是由纤维素、木素以及各种抽提物组成, 由于木质材料是一种性能不均匀的材料, 因此界

14、面的特性很复杂。因为木质材料是由含有大量的极性羟基和酚羟基官能团的成分组成，所以木质材料的表面化学极性非常强。在生产木塑材料时，提高极性木质表面与非极性塑料界面间的相容性为急需解决的问题，只有这样才能将木质材料与塑料表面层之间相互融合11。把两种性质不同的材料复合在一起，这种新型材料的性能要优于未复合前的材料。前人在这方面进行了许多的研究。改进两种不相容材料的界面相容性能可以采用两种途径来实现:一种是通过加入相容剂来改善两种互不相容聚合物之间的相容性。这种方法主要是根据相容剂中的亲水结构与其中的另一种亲水结构相容, 另外使相容剂中的亲油基团与其亲油的部分相容, 从而使得两种聚合物之间的界面结合

15、力增强,达到二者相容目的。这种方法同样可以用在高分子材料的填充体系中, 用来改善木材填充物和高分子材料之间的相容性。虽然用这种方法不能完全使两种不相容的材料相容, 但它却可以降低界面之间的结合力,使木粉与高分子材料之间的界面之间的结合力达到很好效果12。另一种减小木塑复合材料两相界面的界面结合力的方法是对木材或是大分子材料表面进行一定的处理, 使得两种材料得表面极性和溶解度相近, 在复合过程中实现两界面间实现分子间的融合，通过把极性官能团酯化、醚化和接枝共聚来进行改性，生成疏水的非极性化学官能团，使木粉表面和塑料表面的溶解度相近，以降低塑料基材和木质材料表面间的相斥力5，提高界面的粘合性。实验

16、中常用乙酰化处理使木材酯化，加入的已酰酐或烯酮会使木材表面的极性羟基被非极性的已酰基取代产物为酯。乙酸酐冰乙酸硫酸是工业中常用的混合液，可以用于甲基醚和羟乙基醚混合液对木材进行醚化处理。在木材的表面生成甲基醚，实验室常用甲基氯跟碱化处理后的木粉反应。木材在碱性条件下与环乙烷反应可得到羟乙基醚。对木材进行接枝处理的研究方法是, 将经过碱预处理的木材用丙烯溴在50 65条件下处理0. 5 2.5 小时,使木材表面丙烯基化。用这种方法进行的木材表面接枝反应, 根据红外光谱测定表明, 木材表面的羟基官能团被丙烯基官能团以醚键方式取代,这种醚化反应不仅能在木材中的纤维素上进行, 而且也能够在木素上进行,

17、 这必然在木材表面生成均匀的表面层提供条件。木材经丙烯基化接技处理后, 表面即具有热流动性和粘合性, 表面与表面之间可直接热压成型, 也可以在引发剂的存在下与苯乙烯复合共聚成型12。但是否与常用热塑性高聚物形成好的界面还不明确。对木塑复合材料起润滑作用的助剂,在瑞士的一家公司近年来开发出一种名为Glycolube wp 2200的润滑剂，在加工过程中可以应用。该公司声称，在聚乙烯基木塑复合材料的挤出过程中，这种润滑剂要明显好于复合润滑剂（石蜡/硬脂酸锌）使得木塑复合材料的挤出过程变得容易且挤出产率也有大幅度的提高（10%-35%）这种润滑剂能改善所得产品的机械性能，提高产品表面得光滑度。此外这

18、种润滑剂是有机物，不像金属润滑剂那样与偶联剂一起使用时会出现的不相容的问题。1.5 木塑复合材料在国内外的发展现状和发展趋势木塑复合材料是一类涵盖面很广、产品种类繁多、形态结构多样的基础性材料, 由于它的循环经济、资源利用、健康环保等的体现,从而促进了可持续发展的经济,由于它的大多数产品都具有资源综合利用并带来保护环境的功能, 所以人们对其越来越重视。目前我国政府“循环经济”和“建设节约型社会”理念的提出,更是给我国木塑行业的发展带来了强大的推动力量13。目前, 国内木塑材料的研究有结构类、装饰类和特型类等几大类型, 其中型材、板材和异型材等为主要的类型, 它的使用面可以涵盖所有原木、废旧塑料

19、，合金及一些类似的木塑材料现在应用的领域。综合各方面的情况, 我认为中国木塑复合材料产业已经到了新一轮的发展高度。中国市场与北美市场相比, 木塑复合材料及制品的增长还有相当大的空间, 预期国内木塑复合材料市场产量将超过百万吨, 产值超过10 亿元, 并形成新型木塑复合材料制品体系。 我国在植物纤维与热塑性塑料WPC开发方面与国外有着很大的差距，不过也有很大的进步。虽然，木纤维有很多-OH，与聚氯乙烯表面亲和性很差，但是，利用接枝反应，木粉与PVC两者界面粘着力得到提高，从而木粉在WPC中更易分散。从而大大提高了复合材料的拉伸强度和冲击强度。从环保方面来讲， 一可以使废旧塑料、并再利用废旧的木材

20、，减少污染，二木材得到了节省，而且价格比较低廉，成本也降低了，所以WPC的产业化在国内市场很急需,现在我国也正在不断的发展新型材料，技术也有了很大的进步，相信木塑复合材料的应用越来越广泛。如2008 年北京奥运会就选用木塑材料作为部分的场馆和设施建设的专用材料, 而2010 年的上海世博会和广州亚运会场馆建设中, 也越来越多地使用了木塑复合材料。美国早在几十年前就开始了对WPC的使用，不过是在20 世纪80 年代开始大量的工业化应用，其也主要是在汽车内部装饰工业方面得到不断发展。国际性的WPC会议第一次在美国Madison 召开是1992 年。从1990 至今，美国的木塑材料的市场迅速增长，尤

21、其是近5年快速增长。20 世纪90 年代以来，外国对WPC不断地研究，木塑复合材料这几年在世界范围内也得到了迅速增加，欧洲和日本的木塑技术发展也很迅速，特别是在日本，WPC可以制作很多的产品如窗户、门等，而且很高档，价格贵，附加值高，而且许多的国家也得到了专利。利用植物纤维与树脂进行复合的研究具有较长的历史。矿物油处理的填料能显著提高冲击强度。脂肪酸处理过的填料能有效改善纤维的分布，提高拉伸模量。20世纪80 年代以来，国外一些学者从事了PVC/木粉研究，研究结果表明：氨基硅烷偶联剂处理木粉表面比较有效，其界面接触角提高，表面张力下降，木粉表面由亲水转变为疏水，因此，增强了木粉与树脂之间的联结

22、强度。世界木塑制品的生产和应用的最大国家是美国，美国制品用量最多的是铺板，生产工艺为挤出成型。在美国生产木塑复合材料产品的公司已超过50家，从事这方面研究的机构也有50多家，已形成一个从研发、原材料收集、设备制造、模具制成品到市场营销的完整产业14。作为一种新兴的环保材料，木塑复合材料同时兼有木材和塑料的优点，从外观上看，和纯正的木材十分相似，从性能方面来看，具有比木制品更高的尺寸稳定性，力学强度,而且在防腐、防潮等方面也比较优异；相比于纯塑料制品来说，WPC的硬度更高，而且在加工方面和木材比较相似，所以加工比较简便。正是凭借着成本和性能上的优势，近年来木塑复合材料的应用领域不断地扩大，进入新

23、的市场，越来越多的传统材料被木塑材料所替代15。虽然木塑复合材料有着塑料型材和木材无法比拟的优势，但在实际生产中却存在很多问题，所以在应用方面存在着许多不足之处。像如何选择助剂的种类和份数来改善物料的性能等问题还需要进一步的研究。林业资源的贫乏和废旧塑料的利用使我们不得不对木塑复合材料必需进行全面、深入和系统地研究，木塑复合材料在研究、生产技术、应用等方面仍然存在非常大的探索空间。2不同树脂基木塑复合材料的性能对比由于木塑复合材料中应用的木质纤维填料一般所能承受的最高加工温度为200，因此，木塑复合材料通常采用PE、PP、PVC等加工温度比较低的热塑性树脂，基体树脂不同，其性能差异较大。PE的

24、刚度、拉伸强度较小，与其他聚合物相比，PE具有抗曲挠性、耐水性、耐化学腐蚀和低温柔韧性的优良性能，加工性能好，价格低廉，其中，HDPE的拉伸强度、表面硬度和刚度要比LDPE高，随着人们生活水平的不断提高，人们对木塑复合材料性能、质感的要求也在提高，因此，目前以HDPE树脂为基体的木塑复合材料占了大部分，一般用于室外构件PP熔体的黏度小，温敏性不大，加工性能好，与HDPE相比，它具有较高的拉升强度、表面硬度、拉伸屈服强度和刚度，但在低温下易脆裂5。PP基木塑复合材料的耐候性不如PE基木塑制品，从而使它的的应用范围受到了一定的限制，PP基木塑复合材料主要应用于日用品、汽车内装饰制品、建筑型材等PV

25、C具有刚性大，强度高，价格低廉等优点，具有良好的粘结性和着色性，但是它的耐寒性、耐老化性及热稳定性差，加工性能差，这些缺点可以通过加入助剂来改善，如增塑剂、稳定剂、润滑剂、ACR抗冲击助剂。PVC熔体强度高，可用于制备木塑发泡复合材料，目前。PVC基木塑复合材料主要应用于室内装饰材料。2.1 HDPE基wpc的性能 HDPE基wpc的性能如表1： 表1 HDPE基wpc的性能 样号木质纤维类型密度g/cm-1拉伸性能弯曲性能简支梁缺口冲击强度热变形温度/拉伸强度/Mpa断裂伸长率/%弯曲强度/Mpa弯曲模量/Mpa/KJ/m-3/KJ/m-2WPE-3001木粉1.1623.851.5136.

26、1725325.224.6999.3WPE-3002稻糠1.1620.352.9334.6722524.464.06105.0WPE-3003竹粉1.1119.702.7633.3618285.204.94101.4WPE-3004稻草纤维1.1619.541.4034.6213495.144.58111.9WPE-3005麦秸纤维1.1520.761.6034.1113134.624.36114.0 采用相同的实验配方及相同加工工艺条件,用五种不相同的木质纤维分别制备五种不相同的HDPE基wpc的样本品，如表1所示，这五种不相同的木质纤维制备的HDPE基wpc的物理机械性能没有太大的区别，其

27、拉伸强度为1924Mpa，缺口冲击强度为4.05.0KJ/m，弯曲强度为3336Mpa，表1还可以看出，由于稻草纤维和麦秸纤维的刚性较低，这两种木质纤维制备的wpc弯曲模量明显偏低，但这两种材料的变形温度较高。2.2 PP基wpc的性能 PP基wpc的性能如表2： 表2 PP基wpc的性能样号木质纤维类型密度g/cm-1拉伸性能弯曲性能简支梁缺口冲击强度热变形温度/拉伸强度/Mpa断裂伸长率/%弯曲强度/Mpa弯曲模量/Mpa/KJ/m-3/KJ/m-2WPP-130木粉1.1116.011.9032.2324523.083.01134.6WPP-131稻糠1.0615.872.1030.68

28、26452.932.51126.6WPP-132竹粉1.1022.922.2441.1228624.143.36141.4WPP-133稻草纤维1.1418.201.8735.1022703.753.21145.4WPP-134麦秸纤维1.1218.912.3335.9325213.372.53139.8 使用相同试验配方及相同的加工条件，采用五种不相同的木质纤维分别制备五种不相同的PP基wpc的样品，如表2所示，五种不同的木质纤维制备的PP基木塑复合材料中，采用竹粉所制得的wpc的机械性能最好，其次是采用麦秸纤维和稻草纤维制备的复合材料。总的来说，采用不相同的木纤维所制备的PP基木塑复合材料

29、机械性能差异不大，其弯曲强度是3041Mpa16，拉伸强度是1622Mpa，弯曲模量为2.22.8Gpa，缺口的冲击强度为2.53.4KJ/m，热变形的温度为1251452.3 PVC基wpc的性能pvc基的性能如表3：表3 PVC基wpc的性能 样号木质纤维类型密度g/cm-1拉伸性能弯曲性能简支梁缺口冲击强度热变形温度/拉伸强度/Mpa断裂伸长率/%弯曲强度/Mpa弯曲模量/Mpa/KJ/m-3/KJ/m-2WPVC-330木粉1.4127.801.7452.0737453.263.3677.1WPVC-331稻糠1.4120.291.5445.5031493.513.5576.4WPVC

30、-332竹粉1.4019.171.9246.9542933.533.6874.3WPVC-333稻草纤维1.4516.192.2744.2336463.583.5274.3WPVC-334麦秸纤维1.4022.232.3352.7240453.684.1974.9 采用相同试验配方与相同加工条件，采用五种不相同木质纤维分别制备五种不同PVC基的复合材料的样品，如表3所示，五种不相同的木纤维所制备的聚氯乙烯复合材料的机械性能相差不大，弯曲强度是4353Mpa，拉伸强度是1627Mpa，弯曲模量是3.14.3Gpa，缺口的冲击强度是3.44.2KJ/m，热变形的温度是74772.4 总结 不相同的

31、树脂基wpc的性能所用木质纤维的质量分数均是50%，制备PE、PP、PVC基木塑复合材料，性能参数如表4所示16。 表4 不同树脂基木塑复合材料的性能样号密度g/cm-1拉伸性能弯曲性能简支梁缺口冲击强度热变形温度/拉伸强度/Mpa断裂伸长率/%弯曲强度/Mpa弯曲模量/Mpa/KJ/m-3/KJ/m-2PE1.1520.842.0434.5918554.934.53106.3PP1.1118.382.0935.1025503.452.94137.5PVC1.4121.141.9648.2937763.513.6675.8 由表4所示：三种wpc的密度比例是PE基：PP基：PVC基=1.0:0

32、.95:1.24。由于所使用的材料的配方的成本比例为PE基：PP基：PVC基=1.00：1.0:0.76，所以，可推算出以三种复合材料制造的样品的体积成本比例为PE基：PP基：PVC基=1.00:0.96:0.93，由此可以看出，PE基复合材料成本相对最高，PP基次之，PVC基木塑复合材料的成本最低。PVC基木塑复合材料的弯曲强度、拉伸强度均高于PE和PP基木塑复合材料的，但其热变形温度最低，因此，在制备耐热性能要求不高的木塑复合材料制品时，可以优先考虑采用PVC作为基体树脂，其制品性能比较好，成本相对较低，PP基木塑复合材料的弯曲强度、拉伸强度等性能指标与PE相近，但热变形温度最高，因此，制

33、备耐热性要求较高的木塑复合材料制品时，可以优先考虑PP作为基体树脂，PE基木塑复合材料抗冲击性能高于PPPVC基木塑复合材料，但弯曲强度要小于PP、PVC基木塑复合材料，热变形温度远不如PP基木塑复合材料的，加之其材料的相对成本较高，因此，PE在许多场合不是作为木塑复合制品的首选树脂。目前国内生产的木塑复合制品大多采用HDPE，由上述分析看来有些不恰当的地方，在实际应用中，PE基复合制品业蠕变问题较为严重，这情况可能与材料刚性较小、其热变形的温度偏低等性能缺陷有密切关系16。 PE基复合材料制造成本较高，其性能优点也不明显，PP基木塑复合材料的制造成本相对较低，其突出的优点是热变形的温度高，P

34、VC基木塑复合材料的制造成本最低，其弯曲强度最好16。3 木质材料对木塑复合材料性能的影响木塑复合材料在木质材料的选择上一般没有十分严格的要求，用于木塑复合材料的木质材料一般包括木粉、木纤维和非木材植物纤维等5。但是木粉和木纤维目前还没有明确的分类方法。木质材料品种非常多、其主要化学组成也存在差异。木纤维有刨花、废木粉，非木材植物纤维包括粉碎处理的稻杆、亚麻、果壳粉、竹粉等5。美国林业产品实验室将木粉和木纤维对聚丙烯的增强效果进行了比较。结果显示，在木粉和木纤维的含量为40时，木纤维的增强效果要比木粉好，采用热磨方法制备的木纤维蓬松、柔软、流动性非常差,需要采用高速混合机或开炼机等设备将木纤维

35、与塑料混炼好，然后采用注塑或模压法成型，而不适和于一步直接挤出成型工艺。挤出成型方法制造木塑复合材料有成本低效率高的优点，因此目前一般工业化生产中大多采用木粉填充、挤出成型的方法5。木塑复合材料是高填充的复合材料，木粉的种类、粒径、用量、是否预处理过因素对木塑复合材料的性能都会产生影响5。3. 1 木粉来源的影响 来源不同的木质材料其主要化学材料成分为：纤维素、半纤维素、木塑和抽提物等的含量存在差异，从而导致了木质填料本身力学性能的不同，从而使木塑复合材料的性能受到影响，研究发现，当木粉质量分数相同时，纤维状的木粉填充后所制得的产品力学性能最好，粒状木粉次之，锯末最差，这是因为纤维状的填料能起

36、增强作用而锯末只是起到填充的作用，但从成型角度看，纤维状木粉的填充体系在挤出时，下料比较困难；而锯末填充体系，挤出下料和物料均匀性都最好17。这是因为填料填充量很大，纤维状填料容易出现架桥现象，使挤出受到影响，给成型加工带来了困难。分别选取了不同粒径和类型的填充剂并分别与 聚丙烯制备木塑复合材料,以此来研究木粉粒径或木质填料种类对木塑复合材料力学性能的影响见表5。其基本配方: PP100 份 ,木质填料40 份 , PP-g-MAH 5 份 ,硬脂酸 0.6 份 ,石蜡 1.5 份。 表5 木粉粒径和木质填料对木塑复合材料的影响木粉种类冲击强度/(kJ . m2)弯曲强度/ MPa弯曲模量/

37、MPa拉伸强度/ MPa粒径0. 20mm木粉6.47.182.226. 5粒径0. 15mm木粉7.59.493.637.6粒径0. 20 mm竹粉6.13.288.130.4粒径0. 20 mm花生壳粉6.64.811.924.6粒径0. 20 mm稻壳粉6.88.363.422.9 由上表可以得出用粒径为 0. 15 mm 的木粉填充的复合材料其力学性能最好 ,而用竹粉填充的复合材料制得材料性能次之18 ,用稻壳粉填充所制得木塑复合材料力学性能最低。这是因为构成填充材料的主要化学成分不同,从而使得木质填料本身具有不同的力学性能，木粉的细度对复合材料的力学性能也有影响，这是因为当木粉的粒径

38、较小时，其表面积大,这样就会使得木粉与树脂基体的接触面积增大 ,因此复合材料力学性能随着木质填料种类和细度的变化而有发生变化。尽管用花生壳粉或是稻壳粉得到的木塑复合材料的力学性能不如用木粉填充时得到的复合材料的力学性能好 ,但其来源广泛 ,生产成本低，价格低廉 ,如果制的的产品能满足某些使用要求时,同样具有生产价值。3.2 木粉粒径的影响至今木粉粒径对木塑复合材料性能的影响，仍存在很多争议。大多数研究者认为随着木粉粒径的减小，木塑复合材料的弯曲强度、弯曲模量和冲击强度均增加。这主要是因为木粉的粒径越小，植物纤维与基体树脂表面的接触面积越大，界面结合力越大，混合越容易，复合材料的物理机械性能和力

39、学性能随之提高。同时，有些研究者认为随木粉的粒径的减小，纤维长度和长径比会大大下降，木材的强度主要取决于木质素，同时与木质素的取向度有着很重要的关系，木质素的取向程度越高，木塑复合材料的强度越好，刚性越强。木材经机械粉碎制得木粉，然而不同粒径的木粉在粉碎时所能受到的力也不同，因此不同粒径的木粉其表面粗糙度也不同，其长径比也不同，并且木材本身的结构所承受的载荷也不同15。一般来说木粉的表面粗糙度随粒径的增大而增大，木材的表面粗糙度对木塑复合材料的力学性能有很大影响。木粉粒径小时能很好的浸渍于塑料中；二是在两者界面扩散的扩散性很好。如果在两者界面不能形成界面扩散，意味着界面有空洞形成，会导致材料的

40、力学性能下降。我们通常采用60目、100目、300目的木粉填充PVC。随着木粉粒径的变化，PVC基木塑复合材料的耐冲击强度、弯曲强度均会呈先上升后下降的趋势， 60目的木粉，表面粗糙度比较高，结构疏松，PVC树脂不能很好的渗透到木粉中19，有较多颗粒裸露，因此木粉周围会形成很多空洞；300目的木粉，粒径很小，木粉容易发生团聚；这些缺陷容易使材料制品存在应力集中现象，即使在较小的力下也容易发生断裂。而100目的木粉，粒径大小适中，使得PVC树脂和木粉界面相容性非常好，所以，当采用100目的木粉时，木塑复合材料的冲击强度和弯曲强度会出现最大值。3.3 木粉用量的影响 木粉用量也是影响木塑复合材料力

41、学性能的因素之一。在其它组分的量不变的情况下，仅仅变化木粉的加入量，与聚丙烯制得一系列复合材料，来研究木粉加入量对材料力学性能的影响。基本配方：PP 100份，相容剂 6份 硬脂酸0.5份，石蜡1份当木粉加入量低时，随着木粉加入量的不断增加，材料的弯曲强度也相应的提高，这是因为复合材料中含有大量的木质纤维，与纯木材相近，同时木粉的主要成分为纤维素和木质素，此主要成分为刚性大分子，能增加材料的刚性，韧性降低。从微观结构上看，纤维素作为木质纤维的主要成分并且该物质中含有大量的氢键，这就使得纤维素是一类刚性比较强的分子，随木粉加入量的增加，复合材料的刚性会越来越高，材料抵抗变形的能力也越强，抗张强度

42、增加，弯曲强度不断提高。但木粉的加入量不能超过60%，因为这会导致塑料的加入量非常低，塑料在体系中不能呈连续相，不能把木纤维有效地连接在一起，导致木纤维在材料中大量聚集，团聚在一起，形成大量的特殊结构，在受到外力作用时在塑料与木纤维的界面处形成了大量的应力集中点 ,由于塑料含量太少 ,在外力继续增大的情况下 ,界面处就产生裂纹 ,使得弯曲强度降低。 图1木粉加入量对材料抗弯强度的影响在上图中列出了PP与两种木粉以不同比例混合后，经注塑成型的材料制品之间的抗弯强度的对比，加入木粉后的材料与纯材料相比其抗弯强度会明显的提高，此时也不用区分加入那一种木粉，结果都是相似的。图1材料的抗弯强度随木粉含量

43、的增加而相应的增加，最高可达68 MPa，比纯的PP的弯曲强度要高近60%。但木粉含量不能超过50%，不然其抗弯强度会呈下降趋势。 图2木粉加入量对材料抗拉强度的影响由图2可以看出木粉与PP以不同比例成型所制得复合材料的抗拉强度随木粉加入量的变化趋势。此变化趋势与抗弯强度相似，随木粉加入量的增加其抗拉强度也随之增大。最大值比纯PP塑料的高，然而在木粉加入超过30%时，抗拉强度会呈现下降趋势。木粉属于轻而质硬的颗粒材料，将少量的木粉填充于塑料基体时，所制得的木塑复合材料制品没有原木材材料的质感，且材料成本相对较高，所以只有在增加木粉用量时才能看出木塑复合材料的优点和价格优势。为了能使木塑复合材料

44、更有质感和价格低廉，人们在生产时尽量的增加木粉的填充量。但是木粉和塑料基体的相容性不好，木粉填充量过大时会使木塑复合材料的力学性能降低、加工难度增加。怎样才能达到木粉的高填充、木塑复合材料的机械性能、加工性能及制造成本的平衡，所以，木粉的用量是一个关键因素5。3.4 木粉碱化处理的影响许多灰尘杂质会吸附在木粉的表面，木粉含有分子较小的化合物，在混炼时，这些分子较小的化合物会渗出在木粉表面，在界面处能形成很弱的边界层，从而削弱界面间的相互作用,用NaOH处理木粉时，NaOH可以将这些杂质化合物淋洗掉，不仅可以减小弱边界层得影响，使相容剂中活性基团和木粉表面羟基的反应更加容易。纤维素的细胞壁是一个

45、典型的纤维/基质复合结构。纤维质微束有许多优点：高度规整、机械强度好，可以嵌入层状半纤维基质。然而半纤维塑的层间为木质素。木粉的弯曲性能和拉伸性能分别由木质素和纤维素决定。通过适当的碱化处理可以将木质素和半纤维素溶去，从而使木分的弯曲性能下降。在将半纤维素和木质素完全溶解后，增加了纤维素与塑料基质的有效面积，并且碱化处理还能使纤维素变得蓬松，使纤维素微束原纤化更加完全20。即碱化处理增大了纤维素纤维的长径比,因为纤维素也可溶解在浓NaOH 溶液中.所以在浓碱溶液中处理纤维素的时间不能太长。根据上诉分析，纤维素在碱溶液中的时间必须短所以纤维素只能少量被溶解。因此在木粉和内部孔隙表面出现很多的凹陷

46、，增加了木粉的粗糙度，木粉的表面粗糙度可以双方面的影响木塑复合材料20。在不添加相容剂的情况下，塑料材料是有机材料与木粉的相容性能差，所以木粉很难与塑料混合。提高木粉的粗糙度将会提高木粉与塑料的相容性，使二者混合效果更好，但是却降低了复合材料的力学性能，如果加入相容剂，基体与木粉间的相容性变好。在不加相容剂时，木粉经过碱化后其力学性能比没有经过碱化的木粉低。木粉经过碱作用，会在纤维素的表面形成大量的丝状物，这也进一步说明相容剂起到了很好的粘合作用，进而也说明木粉经过碱化处理后其材料的拉伸性能有了很大的提高。木粉经过碱化处理后能大大提高材料的拉伸强度，如下图3所示： 图3 相容剂的量及木粉是否处

47、理对材料拉伸性能的影响从上图可知，在相容剂加入量不断提高的情况下，图中的两条曲线都有明显的上升趋势，用经过碱化处理的木粉填充后的木塑复合材料，其拉伸强度有原来的18 MPa上升到 35 MPa，没有经过碱化处理后的木粉填充后的木塑复合材料，其拉伸性能从18 MPa提高到 28 MPa.这充分说明相容剂起到了非常优异的增容效果，对复合材料的拉伸性能有了较大提高。相容剂加入量增大增容的效果越好，而没有经过碱化处理的木粉填充的木塑复合材料的拉伸强度比纯树脂的拉伸强度提高了近50%，由此可得出以下结论：碱化处理后的木粉填充木塑复合材料其效果比未填充是的材料明显20。木粉经过碱化处理后能大大提高材料的弯

48、曲强度，如下图4所示： 图4 相容剂的量及木粉是否处理对材料弯曲性能的影响根据图4可以看出，当马来酸的加入量增加时，复合材料的弯曲强度会呈上升趋势。然而木粉经碱化处理再填充材料其弯曲强度下降。未经碱化处理的木粉跟经碱化处理的木粉对复合材料的弯曲性能的影响不同，表现出不同的最大值。图5相容剂的量及木粉是否处理对材料冲击性能的影响图5中 2条曲线都呈上升的趋势 ,不论木粉是否经过了碱化处理 , 随相容剂加入量的增加复合材料的冲击强度均有所提高。在相容剂的质量分数低于 4% 时 ,碱化处理了的木粉填充复合材料具有较低的冲击强度 ,但随 相容剂加入量的提高 ,冲击强度提高 ,最大值为 11 kJ /m

49、2,比未碱化处理的复合材料有所提高20。3.5 总结（1）粒径减小，木粉与树脂基体之间的界面面积增加， 二相之间的粘接性好21。复合体系的拉伸强度、弯曲强度及冲击强度等力学性能都随之提高。（2）木粉添加量的增加使材料的弯曲强度、拉伸强度和断裂伸长率增加，但使材料冲击强度下降。但随着木粉用量的继续增加，复合材料拉伸强度呈下降趋势21。（3）经过碱处理的WPC力学性能得到了提高, 木粉经过碱作用，会在纤维素的表面形成大量的丝状物，这也进一步说明相容剂起到了很好的粘合作用，进而也说明木粉经过碱化处理后其材料的拉伸性能有了很大的提高。木粉经过碱化处理后能大大提高材料的拉伸强度, 聚丙烯与木粉混合而制得

50、的复合材料均具有良好的耐水性12。4 偶联剂对木塑复合材料界面相容性的影响偶联剂是材料加工中必不可少的助剂，主要应用在无机材料和有机材料共存的场合由于亲水性的无机材料和亲油性的高分子材料有着必然的不相容性。无机材料难以均匀分散在聚合物基体中，两者复合后两相界面明显，界面层非常薄，所以相互作用力很小，另外，两者复合后有些性能会提高但是其他性能会下降，希望产生的作用并没有发生，甚至出现得不偿失的情况。用偶联剂处理无机材料的表面会使得无机材料的亲油性提高，可以均匀的分散在聚合物中，偶联剂在两相间也起到了纽带作用，使两相紧密的联系在一起使相互作用力增大，两相界面变得模糊，界面层得到加强，材料的综合力学

51、性能明显提高，在实际操作中偶联剂的用量很难控制，如果不足不能完全包裹材料表面，起不到应有的效果，用量过多时又在木粉表面形成多层膜，也会影响两相间的相互作用所以要根据具体的复合体系选用适量的偶联剂。木粉与塑料相容性的优劣直接影响木塑复合材料性能, 在木塑复合材料中加人偶联剂可以改善两种材料界面相容性22。 常用的偶联剂：常用的偶联剂可以分为两类，一类是硅烷偶联剂，另一类是钛酸酯偶联剂。4.1硅烷偶联剂用量的影响硅烷偶联剂含有能与木粉表面的官能团反应的基团，形成稳定的化学键，也有能与PP发生物理缠绕的基团，能够把木粉和树脂两极性差别大的物质结合在一起。偶联剂用量能够影响材料的力学性能。 在木粉及其

52、他条件一定的情况下，用不同量的硅烷偶联剂处理木粉，制成木塑复合材料，此实验的配方是：聚丙烯100份，木粉50份，石蜡1份，硬脂酸0.5份，由实验得出，复合材料的冲击强度随着偶联剂的加入量的增大而增大18，当达到最大值时随偶联剂的继续加入而减小。当偶联剂的加入量为0.7份时复合材料的冲击强度达到最佳，其增大的幅度是35%。加入偶联剂后对材料的弯曲强度也有很大影响，当偶联剂的加入量为0.7份时其弯曲强度也达到了最佳值18。拉伸强度和弯曲模量同样有所提高。经过考虑后，加入0.7份偶联剂是最佳选择。4.2钛酸酯及铝酸酯偶联剂用量的影响随着钛酸酯偶联剂的加入量的增大，复合材料的各项力学性能变化的趋势都是

53、先增加后降低。采用改性钛酸酯偶联剂对木纤维进行处理后,一般可提高复合材料的拉伸强度,但是会降低复合材料的拉伸断裂伸长率.究其原因，可能是由于钛酸酯与树脂基体分子间产生缠绕现象，分子间力增大，因而提高了复合材料的各项力学性能。另外，钛酸酯是一种偶联剂，它可以有效降低木粉与树脂基体之间的界面能，促进木粉与树脂基体更好的融合在一起，提高共混效果。偶联剂的用量要根据具体情况的不同而不同，其加入量并不是越大越好。加入过多反而可能使材料的力学性能降低。5 相容剂品种对木塑复合材料性能的影响木塑复合材料的相容性处理木塑复合材料由基体树脂和木粉两部分组成的，从微观角度说，复合材料包括三个互不影响的连续相，也就

54、是基体树脂相，木粉相和这两相之间的界面层。通常条件下，基体树脂相在复合材料中含量多，粘度小，是连续相；而木粉相是分散相，它分散在连续相中；树脂基体和木粉之间有相互作用，在这个作用下形成了界面层，这个界面层与树脂基体和木粉具有不同的结构和性能，它的结构和性能能够影响复合材料的力学性能。由于木塑复合材料有界面层，界面层会使复合材料产生协同效应。此效应会提高材料的力学性能，如果界面层厚，树脂基体和木粉填料可以发生粘结，其作用是：可以在复合材料内部传递，在外力作用下由于树脂基体的模量较小，可以吸收形变的能量。树脂基体和木粉填料的作用较高，界面层会阻止银纹的产生，在界面层存在的情况下物理性能不连续。而界

55、面的其他性能可提高材料的力学性能。 由于两相的相容相差，需加入相容剂进行处理。近几年，加入相容剂处理材料的方法有以下几种：1.提高树脂基体的机性以增大界面层的表面能2.降低木粉填料的极性，使树脂基体与木粉填料容易共混。解决的方法就是加入相容剂，加入相容剂后能够使树脂基体和木粉填料之间的相容性变好，起到了连接的作用。原因是，相容剂大部分处在相容剂的界面，对界面层的结构影响很大，可以提高两者之间的相互作用的面积，增加相互作用力。为了增加木粉与PP基之间的相容性，我们组采用了三种不同的相容剂分别是PP-g-MAH、POE-g-MAH、EPDM-g-MAH来进行实验，当相容剂的加入量为10份时，相容剂对木塑复合材料力学性能的影响23。不同相容剂必然对材料的性能产生不同的影响3。如图6和图7 所示： 图6 相容剂品种对材料冲击强度的影响 图7 相容剂品种对