塑木复合材料及其制备加工

塑木复合材料及其制备加工 唐伟家　吴汾 (南京聚隆工程塑料有限公司) 摘要：介绍了用木粉或植物纤维填充、增强的塑料——塑木复合材料的发展、性能、制备和加工、市场和应用前景，重点讨论和比较了配混和加工用的二种重要设备——同向平行双螺杆挤出机和异向锥型双螺杆挤出机的特性和优缺点。 关键词：塑木复合材料　双螺杆挤出机　配混　填充塑料   1. 塑木复合材料的发展和背景 　　塑木复合材料（wood-plastics composites,简称WPC）是用木纤维或植物纤维填充、增强的改性热塑性材料，兼有木材和塑料的成本和性能的优点，经挤出或压制成型为型材、板材或其他制品，替代木材和塑料。木纤维塑料配混料研究已有80多年历史，但一直未能工业化，15年前左右，才很小量用于低值的吸声制品。由于环境观念的加强，美国建筑工业寻找象木一样的替代材料（不腐蚀、不翘曲、维修方便，外观与木材相似），而韩国和日本的纸、木材加工厂为寻找锯木粉、废木屑等的应用，都推动和加速了WPC的研究和应用开发。把木粉填充配混料加工成建筑和结构用型材是目前挤出行业最活跃的部门之一，新应用开发也层出不穷，所以尽管已有几十年的研究历史，但由于WPC巨大的潜在应用市场，使其象一种新产品受到人们普遍关注。不少国家投入力量加快开发和应用步伐，尤其是型材的生产，被称为是一个“热门”市场。　 　　美国著名塑料配混机生产厂Farrel公司⑴认为发展WPC是受越来越被重视的环境观念的结果,以往废木屑、边角料只能燃烧或作为固体垃圾处理，工业咨询家认为发展推动力来自合理利用地球有限资源的要求，减少原始木材用量，保护森林，回收再利用旧木粉和塑料。木纤维和植物纤维来源丰富、价廉、质轻，对设备磨损小，尺寸稳定性良好，电绝缘性优，无毒，可反复加工，能生物降解。木纤维有废木粉、刨花、锯木，植物纤维为粉碎处理过的稻杆、花生壳、椰子壳、甘蔗、亚麻、泽麻、黄麻、大麻等。热塑性塑料主要为PE、PP、PS等聚烯烃和PVC，包括新料、回收料和二者混合料。 中国是一个木材资源不丰的国家，储量小，产量满足不了市场的需求。另外，自1998年2月开始，美国、加拿大和欧盟国家相继对我国出口货物的木质包装材料实施新的检疫标准，要求采取薰蒸或高温消毒处理，否则将拒绝入境，促进和推动我国采用塑木型材做包装用托盘为代表的制品发展。 2. 塑木材料性能 　　木纤维和植物纤维最初作为低成本、提高塑料刚性的改性填充材料，塑木塑料可充利用资源，而且可回收利用，而材料能否回收利用已成为工业界选材的重要考虑因素，因而前景看好，主要特点可归结如下： 　　⑴ 耐用、寿命长，有类似木质外观，比塑料硬度高； 　　⑵ 具有优良的物性，比木材尺寸稳定性好，不会产生裂缝、翘曲、无木材节疤、斜纹，加入着色剂、覆膜或复合表层可制成色彩绚丽的各种制品； 　　⑶ 具有热塑性塑料的加工性，容易成型，用一般塑料加工设备或稍加改造后便可进行成型加工，加工设备新投入资金少，便于推广应用； 　　⑷ 有类似木材的二次加工性，可切割、粘接，用钉子或螺栓连接固定，可涂漆，产品规格形状可根据用户要求调整，灵活性大； 　 　　⑸ 不怕虫蛀、耐老化、耐腐蚀、吸水性小，不会吸湿变形； 　　⑹ 能重复使用和回收再利用，环境友好； 　　⑺ 维修费用低。   　　缺点是韧性低于塑料母体树脂，加工设备、下游装置、模具均需作相应调整和改造。  3. 配混和加工 　　世界塑木制品生产和应用的最大国家是美国，其最大制品是铺板（decking），生产工艺为挤出成型，可以先配混成中间塑木粒料，然后再经单螺杆挤出机加工成制品。然而可能的话，也可越过造粒阶段，配混（包括脱挥）、挤出型材（板材）在一个设备或一组设备内连续完成。  　　塑木材料（包括制品）的制备过程（历程）对 WPC 的性能影响很大，研究早就表明⑵不合适的加工会引起不良的纤维分散和浸润，而过分的配混则会使纤维严重破损，都会导致降低 WPC力学性能。另外，要防止过分剪切或高温产生糊料、烧焦等问题，一步法连续工艺若脱挥（主要脱水）不佳将影响工艺的连续性和使产品因有气泡而性能大幅降低。目前主要的加工设备为双螺杆挤出机，物料在加工中停留时间比较窄，使塑木材料的加工热历史尽可能相近。可分为同向平行双螺杆挤出机和异向锥型双螺杆挤出机。  3.1 同向平行双螺杆挤出机 　　塑木材料加工业称同向平行双螺杆挤出机为高速、高能耗“配混”型设备，一般为组合式螺杆，可调节螺杆长径比和构型（捏合块角度及其块数、不同捏合块组合方法），灵活设置脱气口，可以直接加工木粉或植物纤维，完成木粉干燥后与熔融的树脂混合再连续挤出，即木粉干燥和树脂熔融分开进行，因此往往是由双阶挤出机组成。但一般要求废木屑含水量为4%～7%，这种工艺要求有大量符合要求水含量的木粉，并在严格条件下运输和贮存，这种双阶挤出机称之为“木材用挤出机”。与此相类似的方法还有用含水6%～8%木粉加入挤出机主料口，挤出机前段作为脱水、脱挥装置，然后通过侧加料器加入塑料树脂、添加剂，因此挤出机相对长，长径比（L/D）可达44～48，其中2/3用于除水和脱挥。 　　美国Strandex公司⑶在塑木复合材料建筑和结构加工设备方面居材料领先地位，已经进行了近10年的工作，已在美国、加拿大、日本发放了8个专利许可证，并看好在欧洲的应用前景，已与18家以上未来欧洲用户洽谈技术转让许可事宜。意大利ICMA公司有其挤出三层板的专利技术，美国Davis-Standard、Krupp W&P 等公司也生产塑木加工用同向双螺杆挤出机。 3.2 异向锥型双螺杆挤出机 　　与“配混”型设备比，异向锥型双螺杆机被称之为低速、低能耗“型材”型设备，非组合式螺杆。与一般锥型双螺杆机比，为适应热敏树脂加工要求，有许多新的特点和要求⑷，要求螺杆设计适应的加工范围宽，对木纤维切断少，树脂少时仍能均匀分散和物料完全熔融。由于木粉、植物纤维比重小、填充量大，加料区体积比常规型号的大和长。若木粉、植物纤维加入量大，熔融树脂刚性大，要求耐高背压齿轮箱，螺杆推动力强，采用压缩和熔融快、计量段短的螺杆，确保木纤维停留时间短，防止其断裂和劣化。 　　生产这种设备的主要为Cincinatti Milacron 公司，包括在美国的Extrusion Tek Milacron公司，在德国的SMC公司Cincinatti分公司。据称前者在WPC挤出机设计和工程化方面很有经验，实际投放使用的设备已超过100台,拥有世界最大的机型,加工能力为770kg/h。德国Cincinatti 挤出机公司已公开展示其WPC用锥型双螺杆挤出机“Titan”系列产品。Titan系列产品型号、参数及产量见表1。 表1 Titan锥型双螺杆机型号和产量 挤出机型号 电机 /KW 螺杆最大转速 γ /min 最大挤出量 kg/h 最大挤出制品产量 UPVC 异型材 Kg/h UPVC 管 Kg/h Titan 45R 20.0 45.2 60.0 120.0 170.0 Titan 58R 39.0 43.3 120.0 200.0 320.0 Titan 68R 60.0 40.0 170.0 270.0 500.0 Titan 80R 78.0 38.2 300.0 350.0 800.0 Titan 90R 144.0 34.7 400.0 600.0 1200.0 　　另外 , 据称意大利 Bausano 公司和 ICMA San Giorgio 公司在上世纪 70 年代便开始从事木粉填充塑料配混料加工设备工作，而且 ICMA 公司用异向锥型双螺杆机生产 50% 木粉和 50%PP 的能热成型的板材。 　　除此之外，德国 SMS 塑料技术分公司 Battenfeld 公司(5)在德国的 K2001 展览会展出了塑木材料加工用新的设备组合方法，扩大服务和应用范围，组合二台行星滚轮式挤出机（或其中一台为双螺杆挤出机），即从一台行星滚轮式挤出机出料到下一台行星滚轮式挤出机或双螺杆机，利用行星滚轮式挤出机的有效控制冷却作用，最佳化热敏性塑料配混料的冷却。 4. 应用和前景 　　北美是目前世界塑木复合材料市场最大的地区，据美国Pricipia Partners 咨询公司的专项报告“2001年塑木复合材料用作建筑用铺板——充满活力的室外建筑应用”中指出，2001年仅北美市场用量就达32万t，预计2005年前需求以两位数速率递增，2005年用量将比2001年翻番，其中铺板（包括平台、路板、站强台、垫板）用量就占总用量的60%以上⑴⑹。因其不开裂、翘曲，维修容易，外观好，耐用。除铺板外，还有护墙板、天花板、装饰板、踏脚板、壁板、高速公路噪音隔板、海边铺地板、建筑模板、防潮板，还可做装饰边框、栅栏和庭园扶手、包装用垫板和组合托盘，家俱包括室外露天桌椅，船舶坐舱隔板、办公室隔板、贮存箱、花箱、活动架，开发中的制品有披叠板、百页窗等。 　　由于WPC是环境友好材料，Strandex公司指出⑶，尽管目前欧洲用量不大，但因为加工厂担心欧洲反对用PVC会由欧共体以法规形式有效地限用PVC，所以塑木窗框替代PVC窗框是个巨大市场和机会，因此有人认为木塑制品替代PVC和其他塑料制品会象以前塑料替代木制品一样，增长会相当快。 　　总之，塑木复合材料是一种前景看好的环保型材料，加工技术日趋成熟和多样化。 参　考　文　献 　　　　　　　　　1.　Peter Mapleston.Modern Plastics International,K Show Daily,2001-10-31(9) 　　　　　　　　　2.　Kit L.Yam,Binoy K.Gogo.Polymer Engineering and Science,1990,30(11):693 　　　　　　　　　3.　Peter Maplaston.Modern Plastics International,2001,31(10):49 　　　　　　　　　4.　柏山晃毅，前田直实 . プぅスチッヶス ,2001,52(5):26 　　　　　　　　　5.　Plastics Tachnology,2001,47(9):63 　　　　　　　　　6.　Peter Mapleston.Modern Plastics,2001,78(6):49