木塑复合材料挤出成型工艺的研究进展

木塑复合材料挤出成型工艺的研究进展

木塑料（wpc）通常指木材材料和亲水塑料材料。WPC比相应的塑料具有更好的拉伸强度、模量、硬度、弯曲性能和耐蠕变性能,更自然的外观,比木材具有更好的尺寸稳定性、耐水性、可维护性和加工性能,有一定的生物降解性和可回收性,环保性较好;可大量利用废旧塑料和木粉、秸杆、稻糠等农、林业的废弃物,成本低廉。因此,推广使用WPC,对于节约资源、减少白色污染、促进“低碳”经济发展具有重要的现实意义。WPC可利用挤出、热压、挤压和注塑等方法成型加工。挤出成型由于能使物料均匀混合、复合效果好,生产效率高、劳动强度低,且制品应用范围广泛,已成为WPC最主要的成型加工方法。挤出成型生产的WPC板材、棒材、异型材等可通过二次加工制造地板、铺板、栅栏、家俱、门窗、装饰材料、包装箱等产品,应用范围十分广泛。1生产工艺1.1表面性能和力学性能木粉是易吸湿、受潮的材料,水分的存在会导致WPC在挤出过程中内部出现泡孔、表面出现水迹、生成不稳定的分解产物,使材料表面性能和力学性能劣化。因此,WPC在挤出成型前,木粉必须进行干燥处理。木粉一般在100℃左右鼓风干燥数小时即可达到成型要求。动态干燥由于能动态更新干燥表面、加快热交换,比静态干燥效果更好。徐绍宏等在制备聚氯乙烯(PVC)基WPC时发现,与静态干燥相比,木粉经动态干燥后,WPC的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度和表面质量均变好。1.2机体温度的影响机筒温度和机头温度对WPC的挤出成型影响很大,机筒温度主要影响物料的塑化,机头温度则对定型有重要影响。较高的机筒温度有利于增加物料的流动性,但温度过高可能造成物料粘度过低而不能产生足够的机头压力,使挤出的型材不密实,并会导致木纤维分解烧焦,从而影响制品的内在和外观质量。温度过低则会使物料塑化不良,复合效果差,也会影响制品的机械性能。原则上在满足物料充分塑化的前提下应尽量降低机筒温度。机头温度与机头压力、制品质量有直接关系。当机头温度过低而螺杆转速较高时会出现排气口冒料现象,螺杆所承受的扭矩急剧增加,主机电流上升,机头基本不出料;当机头温度过高时,机头压力降低,挤出制品有很明显的撕边现象,尺寸稳定性变差,甚至会造成物料无法定型。因此,机头温度应根据物料的具体情况确定一个合理的范围。另外,为保证挤出顺利进行,机头的温度应分段控制,即温度逐渐降低。由于木粉在200℃左右即分解变色,因此,WPC的挤出温度不宜>200℃。1.3出温度和冷却能力提高螺杆转速可以有效地增加挤出产量、降低成本和提高生产效率,但转速的提高受主机功率、塑化质量、挤出温度和冷却能力等诸多因素的制约。螺杆转速很小时,物料以层流向前推进,挤出物出口模后制品表面光滑,但产量很低。螺杆转速提高后,产量可以提高,但螺杆转速过高,易带来受热历程缩短,导致物料塑化不良;复合效果变差;木纤维被过多地切断;物料来不及冷却即被顶出,导致制品因冷却不均而表面出现波纹等弊端。1.4操作的压力上限在适当的范围内,机头压力越高,挤出制品越密实,挤出质量越好。机头压力过低时,制品表面出现条纹,并产生分段现象,得不到连续的外观质量好的制品。但机头压力并不是越大越好。对于排气挤出机,机头压力的上限与计量段的充满长度有关。当充满长度超过排气口时,挤出机的螺杆扭矩上升并且从排气口冒料,影响挤出的稳定性。机头压力的建立主要与两方面因素有关:一是机头本身的建压能力,主要取决于机头的压缩比;二是机头温度,较低的温度有利于机头压力的提高。1.5熔喷法非织造布的制备排气效果对制品质量也有影响。木粉亲水,其结合水很难通过简单干燥完全除掉,这些水分在塑化段会汽化。同时未造粒的松散物料会从加料段带入大量的空气。另外,物料在熔融塑化的高温下会部分分解产生一些气体。这些气体如不及时排去,会在制品内部产生气泡,或在制品表面造成凹坑,降低制品质量。因此,WPC在挤出过程中必须抽真空排气。熔融物料在料筒内被送至排气孔时,必须均匀塑化并覆盖螺杆表面,以免被真空吸出。如有必要可以进行多阶排气。1.6不同类型发泡剂的研制WPC经发泡特别是微孔发泡后,由于泡孔结构可钝化裂纹尖端并有效阻止裂纹的扩张,其韧性会得到改善,且其密度也可降低。用于WPC的发泡剂可以是物理发泡剂,也可以是化学发泡剂,目前用得较多的是偶氮二甲酰胺(AC)和NaHCO3等化学发泡剂。一般认为,吸热型发泡剂可冷却基体和稳定气泡结构,而放热型发泡剂可能导致不可控制的温度升高并降低熔体粘度,造成气泡合并或产生大气泡。因此,采用吸热型发泡剂通常得到良好的气泡结构,而采用放热型发泡剂通常得到较差的气泡结构和大尺寸的气泡。但Mengeloglu等在研究PVC基WPC的挤出发泡时发现,与吸热型发泡剂NaHCO3相比,使用放热型的AC发泡剂能得到尺寸更小的泡孔。挤出温度、螺杆转速和机头压力对WPC的化学发泡有重大影响。挤出温度与发泡剂的分解温度要匹配,过高会使发泡剂提前分解,过低则会造成发泡不足。螺杆转速和机头压力均存在一个最佳值。螺杆转速过高会抑制泡孔生长,导致泡孔合并或破裂、造成发泡剂分解不充分;螺杆转速过低会造成熔体压力不足,导致提前发泡。机头压力不足会造成制品表面粗糙、强度低,而较高的挤出压力不仅能控制机头内的含气熔体不提前发泡,而且使口模内外有一个较大的压差,有利于气泡成核和增大发泡倍率。机头压力可通过调节螺杆转速、机头温度和口模结构来控制。WPC也可通过木粉所含水份来发泡。Matuana等的研究发现,全水发泡制得的PVC基WPC的密度可低至0.4g/cm3,但发泡的成功强烈依赖于丙烯酸发泡改性剂的使用和挤出机头的温度。1.7统一配置利用共挤出技术可制备表面光滑、色彩鲜艳的WPC制品。通常用主机挤出WPC材料,用规格较小的辅机挤出装饰用的包覆薄膜。2设备的挤出2.1非织造材料的挤出单螺杆挤出机加料特性较差,分散、混合能力较弱,但造价低,能耗低,挤出压力高,可以承受大扭矩。单螺杆挤出机主要用于WPC的混炼造粒,小型企业也可将其用于WPC制品的生产。用于WPC挤出的单螺杆挤出机其螺杆需进行特殊设计,使其具有较强的物料输送和塑化能力。胡圣飞等的研究表明,利用单螺杆挤出机一步挤出WPC时,加大螺杆长径比、压缩比,并增设强混合单元有利于木粉的输送与混合;延长机头平直段长度、增加机头压缩比可得到致密的WPC材料。2.2高速、高能耗“配混”设备目前,双螺杆挤出机是WPC的主要成型设备,分同向平行双螺杆挤出机、异向平行双螺杆挤出机和锥型双螺杆挤出机3种类型。同向平行双螺杆挤出机被称为高速、高能耗“配混”型设备,分散、混合能力强,功率高,产量高。但正位移输送能力低,建压能力较低,高转速时不适合对剪切敏感产品的加工。异向平行双螺杆挤出机螺杆转速低,适合对剪切敏感产品的加工,正位移输送,建压能力强;但功率低,产量低,分散、混合能力较弱。锥形双螺杆挤出机被称为低速、低能耗“型材”型设备,具有良好的加料特性,计量段剪切速率小,适合对剪切敏感产品的加工;但产量低,分散、混合能力弱。2.3热压挤出机复合用于高粘度复合材料加工串联式磨盘螺杆挤出机是北京化工大学特种挤出中心研发的一种新型挤出机,由单螺杆挤出机和磨盘挤出机的结构有机组合而成,因此不仅具备单螺杆挤出机结构简单、挤出压力高、可以承受大扭矩的特点,而且具备磨盘挤出机超强的破碎、分散、剪切、混合和塑化的性能优势。此外,在该机内还设置有特殊结构的排气装置和可以计量控制的强制喂料装置,部分弥补了单螺杆挤出机排气功能和加料特性较差的缺陷。这种挤出机特别适用于WPC等高粘度复合材料的共混改性。张金斌等比较了串联式磨盘螺杆挤出机和异向平行双螺杆挤出机对WPC的加工性能,发现在木粉含量较低时,前者加工的WPC弯曲强度要低于后者,而拉伸强度和缺口冲击强度要稍高于后者;但在木粉含量较高时,前者加工的复合材料的力学性能显著高于后者。3加工换向3.1热解决温度和初始热降解温度木质填料遇热易分解变色。任凤梅等的研究表明,普通木粉、杨木粉、竹粉在145℃左右开始失重,稻壳粉在165℃左右开始失重。因此,WPC的加工温度不宜高于200℃。这就限制了塑化温度高的树脂用于制备WPC。有学者尝试了利用接枝改性来改善木质填料的热稳定性。Amar等在黄麻纤维上接枝了丙烯腈,发现接枝丙烯腈后,黄麻纤维的初始热降解温度从170℃提高到280℃。Magdy等的研究表明,在剑麻纤维上接枝丙烯腈后,其初始热降解温度升高,热降解速率下降,总失重减小。3.2润滑剂的使用塑料中加入木质填料后,熔体流动性变差,挤出生产效率降低,加工成本增加,而且制品表面质量变差。因此,WPC挤出成型时必须加入润滑剂。WPC常用的润滑剂包括乙撑双硬脂酰胺(EBS)、硬脂酸锌(ZnSt)、脂肪烃蜡和氧化聚乙烯等。一般采用兼具内、外润滑作用的复配润滑剂。如EBS和ZnSt按1∶1的比例复配得到的润滑剂曾被称为WPC用工业标准润滑剂。由于硬脂酸金属皂会使马来酸酐接枝聚合物类增容剂失效,一些不含金属皂的新型润滑剂已被开发出来,如低熔点的不饱和芳香烃聚合物、脂肪醇和脂肪酸酯混合物、改性烷基酚醛树脂等润滑剂被证明对WPC有