辐射法制备木塑复合材料的研究和产业化

辐射法制备木塑复合材料的研究和产业化彭伟北京三强核力辐射工程技术有限公司

成都2012.11内容木塑复合材料简介木基木塑复合材料的制备方法WPC辐射法与挤出法比较WPC辐射法与化学法比较辐射WPC性能成本和效益分析产业化过程中存在的问题结论和展望木塑复合材料简介木塑复合材料WPC（wood-plasticcomposites）ASTM定义为“一种主要由木材或者纤维素为基础材料与塑料（或多种塑料）制成的复合材料”聚合过程可采用化学法（触媒法）或辐射法WPC种类聚合物基木塑复合材料：将木纤维、木粉、刨花、锯末、植物纤维与热塑性塑料如PE、PP、PVC等混合，经过挤出成型或热压成型技术制成WPC木基木塑复合材料：将有机单体灌注入木材中通过辐射或热聚合成WPC本报告介绍的为后一种木基木塑复合材料木基木塑复合材料的发展木基木塑复合材料（也称塑合木）WPC问世于1961年，1964年被美国媒体称为当年十大科学成就之一。20世纪60年代，美国，加拿大，芬兰，前苏联，瑞典和南美一些国家对木基木塑复合材料WPC的研制取得了进展1966年美国AMF公司的Bowling分部安装了第一条化学法生产WPC生产线，主要用于制作台球的弹子棒此后又相继建成了多家化学法生产WPC的生产线，用于制造弓箭、高尔夫球棒、吉他音板等。1968年美国ARCO化学公司采用γ射线生产WPC，并很快推向市场，产品主要用于地板，从1978年到1982年5年中已经铺设了超过800万平方英尺的丙烯酸酯WPC地板。20世纪60年代中期至80年代初，美国建成了大约20多家WPC生产厂目前，Nydree公司是美国最大的使用辐射法制备木塑复合材料的公司它先后合并了Gamapa和PermaGrain。木基木塑复合材料的制备成型方法：化学法（触媒法）和辐射法两种方法都是将轻质木材浸渍在单体中，等单体进入木材内部孔隙后，再通过加热或辐射，使单体发生聚合、交联或者与木材间发生接枝反应。化学法与辐射法的对比化学法工艺较为复杂，加热温度及时间难以选择和控制。一方面容易导致浸渍液单体聚合不完全；另一方面加热聚合过程中，所产生的聚合热会使木材内部温度上升而损伤木材结构，可能会导致木材碳化，单体挥发，性能下降。另外，单体中需要加入引发剂，引发剂会与木材中的物质发生发应，会导致聚合深度不够等问题。而辐射法，不需要加引发剂，通过调整射线剂量，控制聚合过程，使之最后反应完全。国内外研究情况国内外对木基木塑复合材料有大量研究研究案例：以四川桦木地板坯为基材、浸渍MMA、St/UPE（30、20、30）为主体的多元混合浸渍液，采用Co-60γ-射线辐射聚合（剂量率10-15KGy/h，剂量大于50KGy）制备出了耐磨性提高3倍、冲击压痕提高3.7倍、硬度提高1.8倍、吸水率降低78.6%、抗胀缩率（ASE）为65.7%的WPC地板。虽然世界各国都进行了大量研究，但是真正大量工业化生产的，还是美国走在前列。20世纪60年代开始，美国橡树岭实验室做了大量的辐射法制备木塑复合材料的实验，对松木、橡木、糖枫、桦木等木材浸渍各种乙烯基单体后辐射聚合的情况及性能、条件等进行了系统研究，形成了像ORO-600,ORO-612,ORO-628等技术报告，并设计了中试厂，进行了试生产，为后来大型生产厂的建立奠定了基础。辐射法制备木塑复合材料WPC工艺流程：原木→毛坯→干燥处理→抽真空→浸渍→辐照→成品再加工工厂分区毛坯处理区，单体储存区，浸渍区，废液回收区，辐照区，成品储存加工区，控制区。具体工艺步骤毛坯处理区：毛坯表面处理，打磨，烘干燥处，使木材的含水率控制在8%左右，最后放在箱架中备用单体储存区：设有单体储罐、染料储存设备、缓冲罐和传输管道。用于储存和传输单体。浸渍区：将木材置于产品箱中，再将多个产品箱放入浸渍罐，接通气体和单体传输系统。然后将产品箱中的气体抽出，保持一定时间真空，真空度控制在设定值。通入单体，然后再通入氮气加压至设定值，保持一段时间。放掉多余单体。最后再充入氮气，将产品箱移出，通过悬挂链运到辐照区。主要设备：氮气钢瓶，耐压浸渍罐，产品箱，抽真空系统，单体传输系统。废液回收区：浸渍过的单体应该统一回收，进行再处理，以便再次利用。辐照区：一种是水下辐照，板源，在低剂量率下辐照，选取不同剂量率或者选取一定剂量率辐照，大约10小时；另一种为水淋辐照，采用十字型源。两种方式都要尽量除去辐照区的氧和臭氧。主要设备：钴源，轨道悬挂链，防火花装置，排臭氧装置，水循环冷却装置[6]。成品储存加工区：将辐照后的产品置于储存区，然后进行表面处理，及再加工。控制区：自动化控制。WPC辐射法与挤出法比较辐射法可辐照整块木材，木材是基体，聚合物是填料，其主要性能及表观仍为木材。挤出法则是将木粉或木纤维等等与塑料粒子混合，通过单螺杆或双螺杆挤出机挤出成型，其主要组分为塑料，性能和质地都偏于塑料，木粉仅起增强作用。WPC辐射法与化学法比较项目辐射法化学法（触媒法）钴源γ射线电子加速器聚合时是否加热不需要不需要必需单体使用时间含阻聚剂，使用时间长含阻聚剂，使用时间长短处理木材情况较厚木材均匀处理仅能处理薄木材，且易燃，焦烧

木材处理不均匀防护与技术辐射防护知识与特殊技术培训辐射防护知识与特殊技术培训通常防护聚合可完全聚合

聚合不完全聚合不完全温度和时间易于控制温度不易控制难于控制安全特殊屏蔽设计，辐照室外无辐射关机后无辐射常规辐射法制备的WPC性能力学性能显著提高WPC力学强度比木材大，抗剪强度高0.25-1.9倍，硬度高2-11倍，抗压强度提高0.7-2.3倍，耐磨性提高1-8倍[7]。尺寸稳定性好吸水性，吸湿性比木材大大降低，具有较好的尺寸稳定性可在单体中添加阻燃剂，聚合后制品具有阻燃性具有良好的表面光滑性和各种鲜艳色彩能保持木材固有的纹理具有较好的耐磨和耐候性具有良好的再加工性能样品阻燃试验

1.原木2,3秒后引燃木材表面烧焦WPC样品燃烧10s后，不燃，仅表面变黑用纸擦拭后，光亮如新辐射法制备WPC效益分析以装源300万居里，年生产木塑复合材料的能力可达100000m3的装置为例。以杨树的密度0.5g/cm3

计算，注入比为60％，则生产的木塑材料的密度为0.8g/cm3。若考虑制成20mm厚的板材，杨树板材原料的价格约为20元/m2（按照1000元/m3），塑料单体注入物的成本为90元/m2（单体价格按照15000元/吨），辐照成本为12元/m2，进一步的加工处理如打磨抛光成本低于10元/m2，添加剂成本约10元/m2综合以上，通过钴源辐照制20mm厚度的木塑复合板材的成本为142元/m2而市场上的普通实木地板价格一般在200元/m2以上。毛利润为58元/m2年生产能力为100000m3（即5000000m2）的辐照装置的毛利润可达3亿元。若生产毫米级的复合地板，年利润更加可观。产业化生产中存在的问题和机遇上世纪七八十年代，我国的一些厂家对该生产工艺很感兴趣，例如上海艺术品雕刻四厂，北京民族乐器厂等都进行了WPC批量生产，但是却一直未能规模化生产。（1）研究与合作。虽然科研院所做了大量研究，但是缺少与相关企业的合作。只有两者结合起来，才能促进该项技术成果的发展。（2）投资。因为本项目需要建造一座专用辐照站，而站内所用的放射源每年都需要补充，如果产品的量不够大，则运行会出现问题，所以会有很多研究机构和厂家感兴趣，却没有真正建造生产厂；（3）木材储量。上世纪国内优质木材储存量大，不需要通过该种方法提升木材品质，但是随着时间的推移，优质木材的砍伐必然会受到限制；（4）产品。国外大型生产厂主要使用软质木材生产木塑地板，而地板的需求量在国内外都是挺大的，对企业来说，市场有保障，企业利润大。而我国目前尚没有地板企业采用该技术；（5）工艺。

辐射法发展初期，工艺条件尚不成熟，不能大规模生产。

现在该技术在美国已经发展了几十年，生产厂也有多座，工艺成熟，自动化程度高，且产品满足环保等相关要求；（6）政策。目前，国家发改委已将“木基复合材料的技术开发”归入《产业结构调整指导目录（2005）》的鼓励类项目。国务院办公厅也在2005年年底向国家发改委等十二个部委下发了《关于加快推进木材节约和代用工作的意见》，国家正通过政策引导，技术支持的方式，鼓励发展木材节约和代用，这对辐射法制备木基木塑复合材料WPC是一个很好的契机。结论和展望经辐射法制成的木基木塑复合材料硬度高，耐磨性好，吸湿性小、抗腐蚀、尺寸稳定，加工后表面光滑，可保持木材的天然纹理和色泽，制成的产品使用时维护费用低，能够满足各种用途。辐射法制