塑木复合材料的制备实验方法优化

塑木复合材料（Wood Plastic Composites，简称WPC）是指利用废弃的锯末、竹屑、稻壳、麦秸、大豆皮、花生壳、甘蔗渣等木质纤维为主要原料，与聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等热塑性材料混合后，再经挤出、模压、注射成型等塑料加工工艺，得到的一种新型环保材料。

塑木复合材料兼顾了植物纤维和塑料的特点，其主要优点包括：

①有木材的外观，比木材尺寸稳定性好，不会产生裂纹、翘曲，无木材节疤、斜纹等缺陷；

②硬度比塑料制品高，具有热塑性塑料的加工性，容易加工成型，用一般塑料加工设备（或稍加改造）便可进行成型加工，便于推广应用；

③有木材的二次加工性，可锯、可刨、可粘结、可用螺钉固定，并且容易维护，产品规格形状可根据用户要求进行调整，灵活性大；

④可单独使用，也可通过覆膜或复合表层等工艺制成外观绚丽的制品；

⑤不怕虫蛀，耐老化、耐腐蚀、吸水性小，不会吸潮变形；

⑥刚性好、强度高、耐用、使用寿命长；

⑦能重复使用和回收再利用，对环境友好。

目前，各类塑木制品已经应用于如下多个领域：

①建筑装修：活动板房、集成墙板、窗户附框、门板、楼梯扶手、天棚、地板、排水管槽及配件、室内装饰型材等；

②景观园林：公园座椅、花箱、栅栏、路标、廊桥、葡萄架、亭台等；

③家具：桌椅板凳、沙发、茶几、床柜、衣柜、书柜、屏风、盆架、报纸架等；

④交通运输：公交站台、道路中央隔离栏、火车道枕木、汽车船舶内装饰材料、仪表架等；

⑤物流包装：工业用各种规格的运输托盘、包装托盘，以及仓库铺垫板、车用货板、包装箱等；

⑥其他：商品陈列架、食品容器、球拍、枪托、电器用材等。

4.3.1 木粉的表面改性实验

4.3.1.1 实验目的

（1）了解塑木复合材料用植物纤维的表面改性的目的与作用。

（2）了解塑木复合材料用植物纤维的表面改性的方法。

（3）掌握利用硅烷偶联剂对木粉表面进行改性的操作过程。

4.3.1.2 实验原理

以稻糠、木粉等为代表的农、林边角料的主要成分是富含羟基的纤维素、木质素、半纤维素以及果胶、蜡质等。羟基使得这些植物纤维具有很强的极性和亲水性，而塑料大多是憎水性的，当利用木粉等天然植物纤维与高密度聚乙烯（HDPE）等塑料复合制作塑木复合材料制品时，纤维与塑料两种材料之间由于极性上的差异而存在着较高的界面能差，表面很难达到充分的融合，由此直接制作出的制品力学强度较低，达不到应用要求。因而，提高塑木复合材料中植物纤维与塑料基体之间的界面相容性十分重要。通常是采取适当的方法对植物纤维进行表面改性，改善其表面极性，主要方法有物理处理法、化学处理法、生物处理法等。其中，物理处理法常作为其他方法的前处理，单独使用并没有特别明显的效果；生物处理法主要采用微生物处理和酶液对植物纤维进行处理；化学处理法则应用较多，它又分很多方法，应用最多的就是碱处理法和偶联剂法。

①碱处理法：利用氢氧化钠等碱性溶液对植物纤维进行浸泡处理，去除纤维表面的果胶、木质素、半纤维素以及蜡质等组分，改变纤维的表面形貌和晶体结构，降低纤维的亲水性，增加纤维的粗糙度和表面积，从而可有效地提高纤维与塑料基体的相容性，改善复合材料的综合性能。

②偶联剂法：偶联剂在塑木复合材料中起着“桥”的作用，其分子的一端含有亲水性的极性基团，另一端含有亲油性的非极性基团，因而能够将极性差别很大的植物纤维和树脂基体结合起来。偶联剂的使用可以改善材料的界面相容性，提高复合材料的力学强度。用于塑木复合材料的偶联剂种类繁多，常见的有硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、锆酸酯偶联剂、异氰酸酯偶联剂等，其中硅烷偶联剂应用的最为普遍。

硅烷偶联剂的通式可表示为Y（CH2）nSi X3，其中Y表示烷基、苯基以及乙烯基、环氧基、氨基、巯基等有机官能团，常与胶粘剂基体树脂中的有机官能团发生化学结合；X表示氯基、甲氧基、乙氧基等。硅烷偶联剂对植物纤维的偶联过程可采用以下四步反应模型来描述：第一步，与硅原子相连的X基团水解，Si—X转变成Si OH；第二步，Si—OH之间发生脱水缩合，生成含Si OH的低聚硅氧烷；第三步，低聚硅氧烷中的Si OH与纤维表面的OH形成氢键；第四步，加热固化过程中，伴随脱水反应而与植物纤维之间形成共价键连接，从而实现硅烷偶联剂两端分别和基体树脂及植物纤维各自形成较强的结合，即使得极性的植物纤维和非极性的塑料基体之间产生一定结合力，所得到的塑木复合材料力学等性能得到明显的改善。

硅烷偶联剂品种众多，对于不同植物纤维、树脂复合体系，所选择的硅烷偶联剂可能彼此不同。

硅烷偶联剂的使用效果与硅烷偶联剂的种类及用量、纤维的特征、树脂或聚合物的性质以及应用的场合、方法及条件等有关。一般来说，硅烷偶联剂处理植物纤维有两种使用方法，即表面处理法及整体掺混法。前者是先将硅烷偶联剂稀释，然后通过浸渍、喷雾等方式，利用偶联剂稀释液对纤维表面进行处理；后者则是将硅烷偶联剂原液或溶液直接加入到由聚合物及填料配成的混合物中，因而特别适用于需要搅拌混合的物料体系。总体说来，前者的改性效果更好，因而更为常用。

（1）表面处理法

根据硅烷偶联剂种类的不同，采用水、乙醇、异丙醇等溶剂将偶联剂进行充分稀释。在稀释过程中，为了得到最佳的偶联效果，大多数情况下可以采用醋酸调节偶联剂稀释液的pH大小（一般控制在3.5～5.5范围内），必要时还可以加入一些非离子型表面活性剂。稀释后，偶联剂溶液的总量增大，有利于与植物纤维之间更加均匀地分散开。

稀释后的偶联剂溶液可通过浸渍、喷雾等方法对植物纤维进行处理，其中最为常见的是浸渍法，即将植物纤维在偶联剂溶液中浸没一段时间后取出并烘干。

（2）整体掺混法

将硅烷偶联剂原液先混入到树脂或聚合物内，然后再将纤维和树脂复合，在复合过程中实现硅烷偶联剂从聚合物迁移到植物纤维表面，随后完成水解缩合反应。由于塑木复合材料在生产过程中使用的是热塑性聚乙烯、聚丙烯粒料或粉料，将硅烷偶联剂和它们直接掺混很难达到均匀分散的效果，因而很少采用此方法。

本实验介绍表面处理法对木粉的表面改性，主要包括硅烷偶联剂溶液的配制方法以及使用硅烷偶联剂对木粉进行表面处理的具体工艺。所用的硅烷偶联剂为KH570硅烷偶联剂，分子式为CH2＝C（CH3）COOC3H6Si（OCH3）3。KH570硅烷偶联剂为微黄色或无色透明液体，其主要技术参数如下：

①密度（ρ）：1.043～1.053g/cm3（20℃）；

②折光率（n D）：1.4285～1.4310（25℃）；

③沸点：255℃；

④纯度：≥97.0％。

需要注意的是，塑木复合材料的界面改性方法有很多，在实际应用过程中一般不单独使用，而是两种或多种方法结合使用。具体的改性方法还要依据纤维的特性和选取的基体的种类等因素而定。

4.3.1.3 仪器与原料

本实验所使用的仪器主要有电热鼓风干燥箱、电动搅拌器、电子天平、烧杯（2000m L），主要原料有木粉、KH570硅烷偶联剂、乙醇（化学纯）、乙酸（化学纯）。

4.3.1.4 实验步骤

（1）称取10～20g的硅烷偶联剂，并将硅烷偶联剂溶于1000m L水中配成硅烷偶联剂水溶液。

（2）利用乙酸将硅烷偶联剂水溶液的p H大小调至3.5～4.0。

（3）称取500g木粉，再用上面配制的硅烷偶联剂溶液浸渍30～45min。在浸渍过程中，要利用电动搅拌器进行搅拌，确保硅烷偶联剂在木粉表面分散均匀。

（4）将浸渍了硅烷偶联剂的木粉放入鼓风干燥箱中，在110～ 120℃下干燥至恒重。在恒温干燥过程中可适时翻动木粉，缩短其干燥时间。

（5）取出盛装木粉的烧杯，待自然冷却后放入干燥箱中备用。

4.3.1.5 实验数据记录与处理

（1）硅烷偶联剂型号：________________________

生产厂家：________________________

外 观 ：________________________

（2）硅烷偶联剂质量：________________________

pH：________________________

干燥温度：________________________

干燥时间：________________________

4.3.1.6 注意事项

（1）木粉的干燥温度不宜过高，110℃左右即可；为了加快干燥速度，在干燥过程中每隔一定时间可进行搅拌；干燥时间不定，以木粉干燥到质量几乎无变化为准。

（2）利用偶联剂处理木粉时，偶联剂的用量一般较少，仅为木粉质量的1％～5％；为了提高偶联剂在木粉中的分散性，提高改性效果，偶联剂在使用前一般要进行稀释，且不同的偶联剂所用的稀释剂可能不同。

4.3.1.7 思考题

（1）使用硅烷偶联剂对木粉进行表面改性的机理是什么？

（2）常见的硅烷偶联剂有哪几种？选择硅烷偶联剂的原则是什么？

（3）使用硅烷偶联剂处理木粉的方法有哪些？各有何优缺点？

4.3.1.8 预习要求

（1）了解复合材料用偶联剂的种类，特别是硅烷偶联剂的种类。

（2）了解KH570硅烷偶联剂的化学结构及其偶联机理。

（3）熟悉KH570硅烷偶联剂处理木粉的操作步骤。

4.3.2 塑木复合材料之原料混炼实验

4.3.2.1 实验目的

（1）巩固双辊炼胶机的使用方法和混炼工艺。

（2）了解塑料基复合材料的混炼和橡胶混炼工艺上的区别。

（3）掌握塑料基复合材料混炼的基本操作。

4.3.2.2 实验原理

制作塑木复合材料所使用的原料除塑料、植物纤维外，往往还有多种填料或助剂。当采用模压工艺制备塑木制品时，由于塑木配方中植物纤维、填料含量高会导致树脂流动性不好，因而模压得到的制品中就可能存在各个组分分配不均的现象，从而影响制品的性能。为了克服上述不足，提高配方中各个组分间的混合均匀性，确保模压制品性能，有必要采用适当的方法在模压前将各组分先行混合均匀。

利用双辊炼胶机对制作塑木复合材料所使用的原料进行混炼即能达到上述效果。对于塑料混炼来说，它和橡胶混炼在工艺上一个最大的区别在于塑料的混炼需要在一定的高温下进行，因此混炼前需对辊筒进行预热，而橡胶的混炼则无需预热辊筒。

双辊炼胶机又叫开放式炼胶机、开炼机，其混炼塑木原料时，先将原料放置在具有一定热量、能够相对旋转运动的两个辊筒之间（两个辊筒的表面温度略有差别），辊面上的原料由于受到辊筒热传导和摩擦作用而逐渐变软，并粘在辊筒表面上随辊筒一道旋转；当这些原料被带至两个辊筒之间的间隙时，由于辊面的间隙很小，再加上两个辊筒的转速不同，从而使得这部分物料受到强烈的挤压、剪切和捏合，物料间的混合趋向均匀；同时，在混炼过程中，操作者还会不断地对物料进行裁切、翻动，进一步确保了各个物料间能够更加混合均匀及塑化。经过混炼的物料再应用于模压成型时，所得制品的性能便能均匀分布。

4.3.2.3 仪器与原料

本实验所用仪器为双辊炼胶机、裁刀、电动搅拌器、电子天平，主要原料有HDPE、MAPE、木粉、碳酸钙粉、硬脂酸。(www.xing528.com)

4.3.2.4 实验步骤

（1）打开双辊炼胶机电源及加热电源，将辊筒表面温度加热至120℃。

（2）按质量比40∶（5～10）∶（20～30）∶（5～15）∶（3～5）分别称取HDPE、MAPE、木粉、碳酸钙粉及硬脂酸，并将HDPE、MAPE电动搅拌混合均匀。

（3）将搅拌混合均匀的物料铺放在双辊炼胶机的两个辊筒之间，然后逐渐升高辊筒温度至150℃左右，待混合料软化后，用双辊开炼机混炼至完全塑化。

（4）加入木粉、碳酸钙粉及硬脂酸，继续在150℃左右的温度下混炼15 20min，直至木粉、碳酸钙粉及硬脂酸在塑料基体中均匀分散。

4.3.2.5 实验数据记录与处理

（1）塑木混炼料配方（见表6）

表6 塑木混炼料配方

（2）混炼工艺条件（见表7）

表7 混炼工艺条件

（3）混炼料质量评判（见表8）

表8 混炼料质量评判

4.3.2.6 注意事项

（1）操作双辊炼胶机时必须注意安全，头发长的同学应将长发盘起并戴上帽子，操作时不能戴手套。

（2）辊筒温度会影响混炼效果，在混炼过程中应控制好温度；塑木原料在混炼过程中辊筒温度不能过高，以防止塑料、木粉等原料发生降解、炭化。

（3）为了提高混合效果，应在混炼过程中使用裁刀对包覆在辊筒上的混炼料进行“×”式裁切，将混炼料从辊筒上剥离、翻动后再重新放置辊筒间进行混炼。

4.3.2.7 思考题

（1）塑木混炼料中各组分的作用是什么？

（2）辊筒温度过高或过低对实验结果有何影响？

（3）辊筒间隙过大或过小对混炼效果有何影响？

（4）混炼料质量如何影响塑木制品的最终性能？

4.3.2.8 预习要求

（1）复习双辊炼胶机的基本结构，了解其基本操作方法。

（2）了解塑木复合材料的基本配方组成以及各组成在塑木复合材料中的作用。

（3）了解影响原料混炼效果的因素。

4.3.3 塑木复合材料的模压成型实验

4.3.3.1 实验目的

（1）熟悉模压成型工艺的过程及基本操作。

（2）掌握HDPE基塑木复合材料的模压成型过程。

（3）了解成型工艺参数对HDPE基塑木复合材料性能的影响。

4.3.3.2 实验原理

在常规的模压成型中，塑木混合料被加热至一定的温度，其中的塑料成分会出现熔融状态，从而将植物纤维及其他填料包裹在其中，再进一步地进行混合、塑化，均匀后随着树脂的流动而充满模具的各个部位，然后熔体冷却，便形成了复合材料制品。为了增强塑料与其他组分的混合效果，本实验在开始之前已事先采用混炼的方法将各组分混合均匀，模压时只要将混炼好的组合料（一般以片材方式）平铺在模压模具中，然后进行模压成型。

塑木复合材料的基本配方组分包括：

①塑料：常见的有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、ABS、聚氯乙烯等，其中室外地板最常用的是聚乙烯，而发泡塑木所用的绝大多数是聚氯乙烯。塑料在塑木复合材料中起到胶黏剂的作用，在实心塑木中使用量较少，一般在30％以下，且大多使用回收塑料；但在发泡塑木复合材料中，为了更加有效地发泡，塑料的使用量一般较高，且大多使用新料。

②植物纤维：使用最多的是木粉和稻糠粉，其他如秸秆粉也有使用。植物纤维的使用可使塑木复合材料外观具有木材的效果，其在塑木中的使用量可达60％以上。

③无机填料：主要有碳酸钙粉、滑石粉等。无机填料的使用，一方面可大幅度降低塑木材料的成本，另一方面可改善塑木材料的刚性，防止塑木材料在使用过程中发生弯曲变形。

④相容剂：由于塑木复合材料中使用的塑料大多是非极性的、亲油性的，而植物纤维、无机填料等表面往往带有羟基等极性基团，因而亲水性较强。在塑木复合材料成型过程中会涉及两相界面相容性的问题，而较差的相容性将降低复合材料的力学等性能，从而影响其使用寿命。为了克服上述不足，在塑木复合材料成型过程中往往使用相容剂，比如马来酸酐接枝聚乙烯等，利用界面相容剂结构上同时具有亲水端和亲油端的特性，从而可在塑料基体和植物纤维、无机填料之间架“桥”，即亲水端通过氢键等作用与植物纤维、无机填料表面上的羟基等极性基团形成较强的结合，亲油端通过范德华力等作用与塑料基体间形成较强的结合，从而使得复合材料整体结合紧密，具有良好的综合性能。

⑤润滑剂：在塑木复合材料挤出成型过程中，由于植物纤维及无机填料的使用使得塑料在熔融流动时所受到的剪切阻力增大，加工流动性将下降。为了改善加工流动性能，减少物料与加工机械之间的摩擦阻力，削弱分子间的相互作用，使挤出成型能够顺利进行，在塑木的基本配方中往往还要使用润滑剂，工业白油是其中最常用的润滑剂之一。

⑥抗氧剂或紫外线吸收剂：室外工程是塑木复合材料制品一个十分重要的应用市场，由于光、紫外线等的作用，户外用塑木制品容易发生老化，比如颜色改变、表面龟裂、强度下降等，从而影响塑木材料的外观和使用。因而，在塑木制品生产过程中，往往还会使用一些抗氧剂或紫外线吸收剂。

⑦增韧剂：植物纤维及无机填料的加入可以较大幅度降低塑木制品的成本，但同时也会导致其力学性能的下降，韧性变差。而增韧剂的使用就是为了克服上述不足，使塑木制品具有较高的抗冲击强度。

⑧着色剂：赋予塑木制品不同的颜色，常见的有铁红、铁黄等，根据塑木制品具体使用需要可进行颜色调配。

⑨其他：包括发泡剂、发泡助剂、稳定剂等。

4.3.3.3 仪器与原料

本实验所用仪器为平板硫化机（1台）和模具（1套），所用原料为HDPE基塑木混炼料和PC薄膜。

4.3.3.4 实验步骤

（1）根据模具型腔长（L）、宽（W）、高（H）尺寸计算型腔体积（V＝L×W×H）。

（2）设计HDPE基塑木复合材料的密度（ρ），计算其质量（m＝ρV）。

（3）将模具带型腔的下半模放置在平板硫化机的下模板（动模板）上，并在型腔底部涂上脱模剂或铺放一张尺寸为L×W的PC薄膜（脱模纸）。

（4）称取质量为m的1.03倍的HDPE基塑木混炼料，均匀铺放在模具的型腔中。

（5）打开模板加热开关，设置上、下模板温度为155～160℃。

（6）在155～160℃下预热20～30min，然后在混合料表面再覆盖一层L×W的PC薄膜（脱模纸），合上上半模。

（7）模具闭合后加压，并在8～10MPa下保压20～30min。

（8）关闭电热开关，待模具自然冷却至室温后降下下模板并将模具移出。

（9）打开模具，取出塑木制品。

4.3.3.5 实验数据记录与处理

（1）模具型腔尺寸（见表9）

表9 模具型腔尺寸

（2）模压工艺条件（见表10）

表10 模压工艺条件

（3）塑木制品密度

设计值：____________ ；实测值：____________ 。

（4）塑木制品的外观质量评判（见表11）

表11 塑木制品的外观质量评判

4.3.3.6 注意事项

（1）放入模具型腔中混炼料的量应根据型腔尺寸进行确定，考虑到模压过程中可能有小分子逸出，因而实际的加入量应比计算值高3％左右。

（2）模压塑木复合材料制品时，可在模具型腔内壁预涂脱模剂，也可使用PC薄膜作脱模纸。

（3）成型不同塑料基塑木复合材料时，模压温度应根据塑料特性进行差别性选择，过高或过低对模压成型过程及最终产品质量均不利。

4.3.3.7 思考题

（1）模压压力如何影响塑木复合材料制品的密度？复合材料制品的密度对其力学性能有影响吗？如何影响？

（2）实验中，PC薄膜的作用是什么？可否用PE薄膜替代？为什么？

（3）为何放入型腔中的原材料的质量要比理论值高3％左右？

4.3.3.8 预习要求

（1）熟悉平板硫化机的工作原理及基本操作方法。

（2）了解塑木复合材料的性能特点及其模压成型步骤。

（3）了解塑木复合材料的主要配方组成及各组分的作用。