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改性技术在塑木复合材料中的应用

时间: 2011-07-15 08:00 来源: 作者: 点击:

塑木复合材(WPC)的资源有效利用与环保的重要意义已被大家认可,其性能影响因素及加工机械设备和工艺方面的问题也已得到较充分的研究,生产线的规模和制品的产量也已初具端倪,但必须承认的是,性价比的高低和能否找到扬长避短的最佳用途仍然是实现产业发展、制品得到普遍认可的关键。

塑木复合材料(WPC)顾名思义是作为合成高分子材料的塑料与作为天然高分子材料的植物纤维经过混合与热成型而成的复合材料,从已掌握的材料性能看,它既不等同于填充或共混改性塑料,又与天然木材有着显著区别,因此既不能照搬通常的塑料改性和加工方法进行加工,又不能以天然木材的理念衡量要求,而是要用全新的视角来认识并采取得当的措施。

材料成本一定要低,不能指望国家的政策扶植

一次性泡沫塑料餐盒于上世纪末被封杀,当时多年被价格偏高问题压得喘不过来气的纸桨模塑或纸板餐盒被认为是环保的,自以为能大行其 道,八年过去了,得到政府全力扶持的所谓环保餐具仍然没能独领风骚,其根本原因就是高昂的价格不能被社会普遍接受。

材料性能一定要有特色

WPC材料的最大亮点是资源的充分利用和无甲醛危害。在倡导实施循环经济、可持续发展的科学发展观的今天,一定要在WPC的特色上做好、做足文章,让它深入人心,赢得社会认可。

成型加工工艺和设备越简单越好

无论是废旧塑料,还是木屑、秸秆粉、果壳粉等植物纤维材料,本身的性能不可能稳定,再精确的计量配混,再严格的工艺控制也不可能实现稳定的操作。我们的加工设备与工艺要求适应性强,对原料的状态、组分配比、杂质多少的敏感性越低越好,可加工的工艺条件越宽越好,这样不仅能节省设备投资、降低加工成本,而且材料的性能在一定范围内反而更趋于一致。

一定要选好用途

一方面各国的国情不同,WPC材料的用途、去向也不尽相同,另一方面制品用于不同场合,对材料的性能要求千差万别,一定要扬长避短,有针对性的设计配方及工艺。那种认为用同一种原料,同样一套设备和工艺制成可到处使用的材料的思路是不可取的。

上世纪九十年代就开始用WPC材料做托盘,尽管有它的依据和道理,但至今在该领域仍未立足和得以普及,尤其在合成树脂价格翻番,废旧塑料价格随风而涨的形势下,WPC材料更难有竞争优势。

改性技术在WPC材料中的应用

影响WPC材料性能及加工性的因素很多,本文仅就与改性技术有关的一些因素和改性效果加以讨论。

木质粉体的含水问题及处理对策

将木屑、竹粉、果壳粉、秸杆粉等称之为木质粉体不一定十分准确,这里沿用非金属矿粉体的叫法仅仅是为了表述方便而已。

木质粉体无一例外地含有大量水份,而水在塑料加工过程中遇热汽化,极易在材料内部形成气孔,或致使制品表面粗糙。对某些塑料如PET、PC、PA等,还有可能因为水的存在催化降解,在进入加工设备前,往往花费大量能耗将原料干燥到水份含量0.1%以下。

干燥是必要的,但过度干燥不仅不能将水份去除干净,反而会造成严重后果。在有氧的环境下,木质素在200℃左右时会剧烈发烟,木质粉体色泽明显加深,称之为“烧”,而纤维素在高温下很容易热降解,聚合度剧烈下降。当聚合度从几千下降到700℃以下时,纤维本身强度已下降到很低的程度。聚合度降到200℃以下时则不再具有纤维特征。

因此无论从节能的角度,还是从材料的性能优化的角度,都应当鼓励木质粉体不经干燥或仅仅稍加干燥就直接使用的工艺技术。

木质粉体的表面处理

虽然木质粉体是天然的高分子物质,但因纤维素和半纤维素(聚戊糖)分子上遍布羟基,致使它们既不能与大多数合成树脂的大分子相容,又不同于碳酸钙等非金属矿物粉体,因此所用的表面处理剂和处理工艺也不能照搬以往传统的办法。

由于木质粉体颗粒表面多羟基特征与淀粉相似,而淀粉的表面处理已趋于成熟,因此在淀粉塑料加工过程中所使用的表面处理技术和助剂对塑木体系也应当是适合的。

最近重庆嘉世泰化工有限公司研制成功一种专门适用水份含量高或多羟基表面的粉体使用的偶联剂,已经在水份含量较高的非矿粉体制造填充母料的过程中应用成功,也在塑木材料的生产中初步试用,获得令人鼓舞的效果。

这种新型偶联剂由于引入具有亲油亲水的基团,可将水分子束缚在亲水基团周围,减少了水在加工过程中汽化的机会,同时该基团与水分子的结合物与基体树脂又有良好的相容性,不仅填充体系的力学性能好,而且成型制品表面光洁,还有利于塑料薄膜保持较好的透光性。

木质粉体的粗细

从填充改性理论上讲,填料的粒径越小,在得到充分分散的前提下,在同样的试验条件下,填充体的性能更佳。但是从木质粉体与基体塑料两相界面的结合要求来看,从塑木复合材料原材料成本及加工成本来看,木质粉体的粒度越细,颗粒表面所需要包覆的助剂和树脂就越多,而在很多场合,对塑木材料的力学性能并不一定要求很高,过度追求其粒径的大小是没有必要的。尤其是当前合成树脂价格趋高,降低塑木材料生产成本的最佳办法就是减小塑料在复合材料中所占的比例,用量少而又要保持较好性能的办法(对同一种塑料而言)就是使用大尺寸的木质粉体,使其两相界面总面积大大减少。中国林业科学研究院木材工业研究所瞄准量大面广的刨花板,仅用30%的塑料就可生产出符合国标要求的高质量环保型刨花板(不使用会释放出甲醛的脲醛粘合剂),见表1。

塑料组分的改性

用新的合成树脂做塑木复合材料的原料不太现实,用废旧塑料为原料更能体现其资源性和环保性,但面临着种类多、杂质多、废旧程度即老化程度千差万别等不可逾越的一系列问题,特别是当不同种类塑料混杂在一起时,问题就更严峻。

不同种类的塑料有可能完全不相容,如PE和PVC,是不可以直接用于加工制品的;既使能有一定的相容性,也可能因熔融温度、熔体粘度不同而导致加工过程不稳定;同一种类的塑料因牌号不同,加工流动性能有可能存在巨大差异;同一种类同一牌号的塑料也有可能因老化程度不同,即交联或降解的程度不同而导致加工性能的不同。

塑料组分的不稳定,特别是在一定温度下熔体剪切粘度的变化将造成塑木复合材料熔融物料的料流不稳定,直接影响挤出成型制品的尺寸、外观和物理力学性能。

针对塑料组分可能出现的问题,下面几种对策是必要的。

◆ 选择单一品种、老化一致的废旧塑料,尤其是某种正规塑料制品加工产生的边角料;
◆ 如果遇到混杂的废塑料,或老化程度不同的同一种废塑料,应选用适当的相容剂和加强混炼效力,使其性能尽可能均一;
◆ 如现有塑料组分的某些性能尚不足以使塑木复合材料满足使用性能要求,可以适量加入其它成分;
◆ 当废旧塑料很难通过以上途径达到性能均一时,应考虑更为宽容的熔融压制工艺。

北京石油化工学院陆晓中等人针对以城市固体废弃物塑料包装袋为主要成分的混杂塑料的不确定性,研制成功高效相容剂,并加入适量其它成分,使价格低廉的混杂回收塑料的性能有很大提高,见表2。

从表2中可以看出,混杂料经改性后强度和刚度有所上升,韧性有所下降,热变形温度有显著提高,更适合于制作要求刚性高的托盘一类的塑木制品。

无机粉体材料的特性与改性作用

在塑木复合材料性能不尽人意,或在某些方面希望有所提高的时候,借鉴无机粉体材料填充改性塑料的经验是十分必要的。填充改性常用的填料有碳酸钙(重钙、轻钙、纳米钙等)、滑石粉、硅灰石粉、云母粉、高岭土等,玻璃纤维因其突出的增强效果,用玻纤提高基体塑料的强度称之为增强改性。将这样填充材料与木质粉体掺混使用,可以看作用填料改性过的塑料与木质粉体的复合材料,一方面这是完全可行的,另一方面应力求达到1+1>2的协同效应。表3和表4分别列出不同填料对塑料性能的影响规律和它们的技术经济特征。表5举例说明不同填料及表面处理对填充PP材料拉伸强度的影响。

需要加以说明的是上面表中所列的内容仅仅是一般规律,实际影响的结果还与填料的粒径大小、表面处理情况、其它组分状况以及混合混炼加工的过程有关。寻找合适种类的填料、进行必要的表面处理,通过最佳的工艺流程,是可以得到性价比高、某些性能达到预期要求的多元塑木复合材料的。

从塑料改性的角度出发,只要能较好地解决木质粉体与塑料的界面亲和问题,较好地解决加工温度及冷却的均一问题,并且避免强烈的剪切和长时间的高温过程,在保证一定的生产效率(即单位设备投资的产量)的前提下,什么工艺和设备都是应当纳入选择范围的。对于面积较大的板材以及较为简单的型材,热压成型工艺及设备是可取的。

加工工艺及设备

当前塑木制品的成型加工多采用挤出成型工艺及设备。通过多年的实践,人们认识到塑木的挤出成型要比纯塑料复杂得多、困难得多,也比无机粉体填充的塑料加工困难得多。一方面木质粉体不能经受长时间高温,另一方面又不能经受强烈的剪切;一方面要求料流要稳定,另一方面又要求尽可能提高挤出线速度;一方面要求组分的均匀性以保证挤出制品的尺寸的准确与性能的均一,另一方面又要求对物料组分要宽容,尽可能提高原料适用性,此外由于挤出制品截面的复杂性和热传导的局限性,为避免将来制品在使用过程中不规则收缩变形,必须缓慢而彻底地加以定型冷却。无论是一步法还是两步法,都要求更为专业化、更为有针对性的全新设计制造的成套设备,利用原有加工一般塑料的挤出成型机加工塑木材料是不现实的。

尤其是一些生产人造板的木材加工厂,如果转产塑木复合板材,原有设备只要稍加调整就可以使用了。

我国2007年共生产人造板(胶合板、刨花板、纤维板)8400万立方米,按密度为每立方米1吨计算,即8400万吨,既使只有1%用塑木复合材料来代替,也是将近100万吨的市场容量,已经超过了我们现在每年生产的各种挤出塑木型材的总和。因此应当高度重视塑木复合材料的热压成型工艺及设备,尽快成熟并推广。

几种值得关注并加以推广的塑木制品及加工技术

多年来的实践证明,我国塑木产业的发展必须从我国的国情出发,选择好塑木制品应用的主攻方向,用具有中国特色的加工技术及装备,生产出具有市场竞争优势、得到社会普遍认可的塑木制品,才能真正使塑木产业“热”起来,迅速成长和发展,发挥出应有的经济和社会效益。

加有30%木粉的PVC塑木微发泡装修线材

廊坊市神龙金海塑木科技有限公司研制成功微发泡PVC/木粉复合材料。他们在生产纯PVC微发泡材料的基础上,通过使用自制的复合型表面处理剂、加工流变剂和具有吸放热均衡特征的发泡剂,改进了加工设备和设计制造了二次减压可调节成型模具,在木粉含量达30%的情况下,所制造的微发泡WPC材料基本上达到QB/T 2463.1-1999《硬质聚氯乙烯低发泡板材》的要求。表6列出该公司生产的纯PVC微发泡材料和加入30%木粉的PVC/木粉微发泡复合材料的性能,表7为该公司产品与国外同类产品的性能对比。

表6 两种微发泡PVC塑料材料的性能

注:(1)因无木塑复合材料的相关国家标准或行业标准,故仅以硬质PVC低发泡板材的行业标准所规定的试验方法作为依据进行检测,其性能指标完全可以根据用户具体要求进行适当调整,QB/T 2463.规定的指标可做参考。(2)本检测由国家塑料制品质量监督检验中心进行并提供结果。

表7 几种PVC/木粉复合材料性能对比

以注塑成型的、可做为工程塑料使用的高档WPC材料

香港知知科技有限公司推出麻纤维增强塑料,这是一种瞄准玻璃纤维增强塑料而研制的高端塑木复合材料,价格虽高,但因具有玻纤增强塑料的性能同时又能避开玻纤种种缺点,特别是其绿色环保的特色,使其在工程塑料中独树一帜。GG天然麻纤维增强PP的力学性能见表8。

表8 GG麻纤维增强聚丙烯的性能

压制成型的低成本塑木托盘

托盘是量大面广的工业产品,现在每年新增数量约1.5亿个,按25kg/个计算,其总量为250万吨。之所以多年来塑木材料做托盘始终不能如愿,主要问题仍然是价格上缺乏竞争力。解决的办法一是降低原材料成本,二是提高生产效率。

北京石油化工学院以城市固体垃圾包装袋为主的混杂废塑料为原料,不经分类、清洗和造粒,直接用于塑木复合托盘的制造,通过加入自行合成的高效相容剂及增强材料,兼顾材料的力学性能、成型加工流动性能和可回收性,采用混合 — 扛合 — 压制工艺生产塑木托盘,不仅性能好,而且生产效率也比较高。据测算,生产一个1m×1.2m托盘(约重25kg)仅需5min,明显少于挤出法加工并组装而成塑木托盘所需的时间。表9 列出最新研制成功的低成本压制成型塑木托盘的测试结果。

表9 低成本压制成型塑木托盘的性能测试结果

塑木复合刨花板及生产技术

中国林业科学研究院木材工业研究所多年从事人工林木与合成高聚物复合材料制造技术的研究,不仅列入国家863计划,于2005年通过验收,而且获“环保型胶合板生产工艺”发明专利及“无甲醛胶合板”、“木塑复合刨花板”两项国家重点新产品证书。他们利用木材加工行业现有设备,将传统使用的能释放出甲醛的粘合剂用废旧塑料代替,不仅环保意义突出,板材性能全面达到国家标准《刨花板》(GB/T 4897)的各项要求,而且具有良好的耐水性及可回收性,其生产成本和使用环保型粘合剂制造的板材相当,在人造板生产企业极具推广价值。

该技术最大亮点是无须将木质材料(碎木、秸杆等)粉碎到很细的程度,从而可使塑料组分的用量下降到30%以下,具有工艺流程简单、可利用原有人造板加工设备、板材密度可控、加工能耗低、生产效率比较高等特点。

结束语

塑木产业是新世纪有着光明发展前景的朝阳产业,是在科学发展观指引下,实现资源有效利用、促进经济与环保和谐发展、有利于社会民生的重大举措。塑木产业发展成败的关键在于思维创新、技术创新和产品创新,要勇于面对和正视已经出现和将会出现的各种问题,要理直气壮地宣传,为产业发展开道,又要用技术的、经济的成果赢得人心,赢得社会的认可。当我们数百万吨的塑木制品出现在普通百姓生活之中时,塑木复合材料的春天才真正到来,才真正可以说,这种资源节约型、环境友好型的全新高分子材料为人类社会的发展做出了巨大贡献。(end)

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