WPC木塑复合材料的制备及其性能的研究文档623

2023年4月20日发(作者：活动集装箱房子多少钱一个)

1.1 概述

塑料作为一种新型材料在上个世纪五十年代商业化以后，逐渐在机械、电子、

交通工具、家用电器和日常生活中得到广泛应用。但人们在使用塑料制品的同时，

塑料废弃物的问题越来越引起人们的注意。塑料产品在现代产量很高，但是大多

数是不具有可降解性。我国的塑料产品在市场生存后只有30％左右被回收利用，

剩下的几乎都成为环境垃圾，严重污染着人们的生活环境。

近年来木塑复合材料引起了科技界和工业界的极大关注，其原因是世界上大

多数国家因乱砍滥伐造成森林资源缺乏，木材的供应量减少。人们已经认识到森

林在保护环境，维持生态平衡中的重要作用，很多国家都已明令禁止森林的砍伐，

随着经济的发展，木材的需求量又在不断增加；同时木材的综合使用率相当低，

浪费较大，尤其在我国，仅废弃的木屑每年就有200万吨左右，造成一定程度的

环境污染。因此，自七十年代以来，高分子材料科技工作者及工业界一直在作

[1]

不懈的努力，进行“以塑代木”的研究和开发工作。

木塑复合材料(Wood-plastic 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，经挤出或压制成型为型材、板材或其他制品，替

代木材和塑料制品。木纤维塑料配混料研究己有80多年历史，但一直未能工业

[2]

化，直到上世纪九十年代初，才有很少量用于低值的吸声制品。由于环境观念的

加强，美国建筑工业开始寻找木材的替代材料(不腐蚀、不翘曲、维修方便，外

观与木材相似)，而韩国和日本的纸张和木材加工厂对锯木粉、废木屑等废料的

充分利用，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应用最活跃的，新的应用开发也层出不穷，然

而尽管木纤维塑料配混料已有几十年的研究历史，但由于WPC巨大的潜在应用

市场，因此正受到人们普遍关注。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”。

[3,4]

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和PVC，

包括新料、回收料和二者混合料。木塑复合材料的结构可以看作热塑性塑料充

[5]

当连续相(软段)，不可塑的木粉充当分散相(硬段)从而形成两相结构，两相问经

过化学手段(接枝、偶联等)有机地结合，使得木塑复合材料兼具塑料和木材的双

1

重特性，具有塑料的耐水、防腐、抗病虫害、易着色等优势，更有木质的感观，

[6]

并可像木材一样进行切、削、钻、钉、刨等二次加工。

1. 2 木塑复合材料的特性

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，木塑材

料可充分利用资源，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。木塑复合材料的主要特性可归结如下：

[7]

(1)耐用、寿命长，有类似木质外观，比塑料硬度高，无甲醛等有害气体释

放；

(2)具有优良的物理性能，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；

(3)机械性能好，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；

(4)具有良好的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；

[8]

(5)化学性能好，耐酸碱、耐化学品、耐盐水性好，可以在低温下使用，不

会吸湿变形；

(6)能重复使用和回收再利用，利于保护环境；

[9]

(7)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。木塑复合材料是一种应用广泛、附加值高的新型环境

友好材料，它是现代材料工业发展的主要方向之一。

[10]

1. 3 木塑复合材料的加工工艺

1.3.1 原料

WPC的主要成分有4种：(1)热塑性塑料；(2)木材纤维／木粉／N花；(3)相容

剂；(4)添加剂。

[11]

热塑性塑料具有受热熔融，冷却固化的特点，循环使用对其性能影响不大。

在限定的加热温度范围之内，这个过程可以被重复很多次，因此近年来国际上着

重研究用热塑性塑料作为WPC的原料。在这些热塑性塑料中，主要用PE, PP，PVC

和PS等熔融温度低于200C的塑料和木材进行复合。这是因为大多数木材纤维

o[12]

2

的降解温度在200C以下，超过此温度，木纤维的强度将因降解而下降。

o

木材与塑料复合时，它们的形状、大小、树种对复合材料强度均有影响。其

中，纤维状包日花的增强作用最好，它增强了塑料的强度，使复合材料成为一个

不可分割的垫子，从而更好地保留了塑料和木材的原始特征。木材纤维的增强作

用次之，最后是木粉。目前木粉／刨花／木材纤维的常用大小为20-400目。树种

对复合材料的强度影响不是很大，主要的区别在于阔叶材和针叶材，一般由阔叶

材所得到的木粉／木材纤维／刨花的复合材料的强度要大于以针叶材为原料制

得的复合材料。单纯的木材和塑料相结合，他们的界面相容性比较差，因此我

[13]

们通常加入相容剂以提高木纤维／热塑性塑料的界面相容性。

添加剂包括抗氧化剂、润滑剂、着色剂、抗紫外线剂等，这些添加剂是塑料

生产中常用的助剂。还可以加入氢氧化铝来提供阻燃性能，添加氧化镁使木材不

易热解等有特殊作用的助剂来进一步改善材料的性能。

[14]

1.3.2 生产工艺

木塑复合材料的生产工艺依木材与塑料的重量比例(简称木塑比)，以及木材

和塑料的不同形态，归纳起来大概有以下四种：

(1)挤出成型：

这种成型工艺主要是采用传统的塑料制品生产工艺，如图1.1所示。该工艺

适于木塑比较小的场合，木材以木粉的形式出现，要求其粒径一般在20-100目之

间。由于要求木、塑混合物有一定的流动性才能够顺利地从挤出机出料，故这种

方法一般不另加树脂进行胶合，而是靠塑料成熔融状与木材纤维的交联，但必须

加入一些表面活性剂和相容剂等填加剂。木塑复合材料对于温度与物料在机筒

[15]

内停留时间和机头压力都有严格要求。温度过高或停留时间过长会烧糊木粉，破

坏制品外观；温度过低或停留时间过短，会使塑化效果不好；机头压力过低，挤

出将导致制品成型效果不好。对机头的设计来说，要保证流道设计的圆滑过渡、

合理的流量分配以及建压能力与温度控制精度。所选的挤出机还必须具有很好的

混炼效果和排气、脱挥能力。

3

图1-1挤出成型工艺流程

（2)压制成型：

这种方法采用类似于普通刨花板或干法MDF的生产工艺，通常这种生产

[16]

工艺适合于木塑比较高的复合材料的生产，其工艺流程如图1.2所示。该法与挤

出成型工艺生产出的复合材料通常称为木塑复合材料。

图l-2压制成型工艺流程

(3)非气流铺装成型：

该工艺中将木纤维与塑料或树脂在常温下混合。木材纤维(束)及其它纤维状

材料经混合后通过一个针刺工段，用薄型无纺布衬托而制成纤维相互缠绕的低密

度板坯，可根据最终产品的需求和要求，将一块或数块板坯热压成最终产品， 如

图1.3所示。

图1-3 非气流铺装成型工艺流程

(4) 注入单体聚合法：

该方法研究的历史相对早些。具体方法是将化学单体注入到木材或是单板，

然后再用高能辐射或加热催化等方法制成一种复合材料。这种产品多称为木材塑

4

料或是塑合木，其主要工艺如图1-4所示。使用的树脂单体有：苯乙烯、甲基丙

烯酸甲酯、乙酸乙烯、丙烯睛等的乙烯类单体、不饱和聚酯以及丙烯类低聚物，

[17]

可单独或混合使用。

1.4 木塑复合材料的研究进展

1.4.1 国外研究进展

在国外，木塑复合材料的商业应用始于20世纪中期。20世纪80年代，使用50％

的木粉和50％的PP混合而成的Wood-stock木塑复合材料在意大利兴起，具有价格

低廉、强度好、硬度高等特点，成为福特汽车的内衬板材，至今仍然被广泛使用。

2004年，欧美和日本等开始禁止木制托盘的使用，木塑托盘是最佳替代品；木塑

轨枕代替木轨枕和混凝土轨枕，作为第三代铁路轨枕被各国看好，已经在美国有

少量应用。到了20世纪90年代，植物纤维／塑性塑料成了木塑复合材料的首选品，

其产品进入了实际应用阶段，但当时的产品主要用于托盘、包装箱等场合。近年

来，国外木塑复合材料制品的技术开发和应用发展又上了一个台阶，高份额的木

粉填充改性塑料在近几年有较大的发展。日本有名的“爱因木”就是该类产品；

加拿大的协德公司也开发出类似的木塑制品(采用挤出或热压工艺)；奥地利辛辛

那提公司开发出各种木塑板材制品(采用挤出工艺)；韩国的大山株式会社利用挤

压联用工艺开发出了木塑板材制品；美国的一些公司也正积极开发和推广这类产

品。木塑复合材料在西方发达国家已经实现了产业化，其典型的产品是轿车内衬

件，如美国的福特、通用，德国的大众、奔驰，日本的本田、丰田，瑞典的沃尔

沃等公司的多种汽车的门护板、后搁板、仪表板骨架、行李箱衬垫等均不同程度

地使用了这种材料。

目前国外木塑复合材料研究的重点主要是木粉的预处理、复合材料的增韧增

强、材料的吸水性及回收废旧塑料的应用等几个方面。Adrain等制备了木粉复合

材料，比较了用马来酸处理木粉和直接加入马来酸酐接枝聚丙烯对材料性能的不

同影响，结果表明两种方法都能提高木粉在材料中的分散性，而MAPP的加入提高

了材料的抗蠕变能力。Ichazo等研究了木粉的处理及偶联剂对木塑复合材料力学

性能、微观结构、热性能及熔体流动速率(MFR)的影响。结果表明：氢氧化钠

(NaOH)浸渍处理木粉可以改善木粉在树脂基体中的分散性，而硅烷偶联剂和

MAPP的加入不仅使分散性得到改善，而且提高了界面相容性，使复合材料的拉伸

5

强度得到一定的提高。Qingxiu Li等通过挤出方法制备了发泡HDPE／木粉复合材

料，研究了化学发泡剂(CFAs)种类以及偶联剂的加入对纯HDPE和HDPE／木粉

复合材料泡孔结构及孔隙率的影响，结果表明偶联剂的加入使复合材料具有较高

的空隙率，而不管使用何种发泡剂其最佳用量均为0.5％。Bin Xu等研究了木粉

填充PS／HDPE共混复合体系，发现随着木粉含量增加，材料的弹性模量增加；

扫描电镜(SEM)观察和热分析表明PS相和木粉颗粒有一定的相互作用；PS组分的

加入使复合材料的抗蠕变性能得到提高，在PS：HDPE为75：25木塑复合材料的

制备、结构与性能时材料的蠕变最小。Mehd等研究了几种不同的天然纤维填

i[20]

充PP复合材料，吸湿性研究表明废旧报纸复合PP的吸水性高于木粉和木纤维／

PP复合材料，作者认为木纤维的低吸水性是因为与树脂基体具有较好界面相容

性。Kristiina等对PP／木粉复合材料进行了增韧研究，加入的乙丙橡胶(EPDM)

[21]

和氢化苯乙烯－丁二烯－苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)提高了材料的冲击性能，而通

过马来酸改性的EPDM和SEBS大大的提高了材料的韧性。EPDM－g－MAH均匀

的分散于PP树脂基体中，橡胶直径在0.1－1mm 之间。

1.4.2 国内研究进展

我国对木塑复合材料的开展研究起步比较晚，在这方面的研究只是近十来

年的事情。我国木塑复合材料主要用于建筑领域的门框、模板、地板、吊顶和

屋面板，包装领域的搬运垫板和托盘，交通领域的铁路轨枕和高速公路的噪音

隔板等。我国对木塑复合材料的开发以及在汽车工业领域中的应用与国外差距

还是很大。当今我国对轿车内衬件的需求量越来越大，厂家对国外普遍采用的

木塑复合材料的需求十分迫切，这就为木塑复合材料的应用提供了广阔的市场。

研究开发木塑复合材料是木材工业史上最有革命性的发展，是现代材料工业发展

的主要方向。到20世纪80年代中期，福建林学院杨庆贤等才率先在国内进行WPC

的研究，对木粉和废旧塑料的复合进行了初步的探索研究并开发了几种产品。20

世纪80年代末，中国林科院木材工业研究所开始了对木纤维和PP纤维复合材料的

研究，研究的内容包括材料的机械性能、加工设备和生产工艺等方面。进入90

[22]

年代以后，我国的科研工作者在木塑复合材料方面做了大量的工作，对各种树脂

基体的复合材料、界面相容性、挤出加工的实现等问题都进行了大量的研究。北

京化工大学的朱晓群等研究了木粉／HDPE复合材料的力学性能与流动性能，考

[23]

6

察了木粉含量、粒度、界面相容剂用量对复合材料力学性能、流动性的影响。浙

江大学的方征平等研究了乙烯一丙烯酸共聚物(EAA)对线型低密度聚乙烯

[24]

(LLDPE)／木粉复合材料力学性能影响，发现EAA对体系有良好的增容作用。四

川大学杨鸣波等使用了一种含有酯键的表面活性剂处理秸秆，制备了秸秆填充

PVC、PP复合材料，从复合材料的力学性能、流动性、微观结构等方面进行了研

究，所选处理剂对复合材料的性能有较好的改善作用。袁新恒等进行了废报纸填

充聚丙烯材料的研究，通过加入EPDM－g－MAH 来改善报纸与PP基体的相容

性，并针对报纸填充后材料变脆的问题，用EPDM 和乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)

对材料进行增韧，均取得了显著的效果。苑会林等对木粉填充聚氯乙烯发泡体

[25]

系进行了研究，实验结果表明用铝酸酯和丙烯酸丁酯处理木粉可以提高复合材料

的力学性能，SEM观察显示在木粉和PVC之间形成了高强度的界面层。崔文瑾等

从配方、挤出模具、工艺等几个方面研究了PVC／木塑复合材料的制备方法。

虽然我国对木塑复合材料的研究取得了一些阶段性的成果，但是仍有许多突

出问题，其中复合材料界面相容性差、综合性能不高是最主要的。此外，如何保

证拉伸、弯曲和冲击强度等物理机械性能与硬木相当的前提下，尽量降低生产成

本，扩大原材料的供应范围以满足大规模工业生产的需要也一直是摆在科研人员

面前的课题。

直接气体注射和气体辅助注射成型结构泡沫。日本EIN株式会社开创了木塑

材料加工方面的多项领先技术，据称其独有的木粉干燥技术可使木粉的含水率为

0。北京未来远景环保技术开发公司以农业废弃物秸秆与废旧塑料为原料，添加

特定的功能性助剂，在特殊结构的加工设备中采用高分子改性技术开发了木塑材

料。

1.5.2 木塑复合材料的发展趋势

(1)原料选用向广域方向发展。使回收的废旧塑料(PE、PEPVC、ABS等)清洗

后，加入特定的改性剂即可进行木塑产品的加工制造；

(2)加工工艺的开发。加工方式由单一的螺杆挤出向其它传统塑料加工方向发

展，由水冷成型向空气冷却成型发展；

(3)产品由低档(如木塑托盘、仓储地板)向高档方向(如建筑装饰材料)发展；

(4)专用设备的开发。

7

总之：木塑复合材料的开发已成为废旧木材和塑料的有效合理利用的新途

径。由于木塑复合材料具有单纯的木材和塑料无法比拟的诸多优点，正日益受到

国内外更广泛的关注。这项技术的深入发展和应用具有广阔的市场前景和良好的

经济效益和社会效益。

资源综合利用技术，将是世纪各个国家重点发展的技术之一。木塑制品材料

是新世纪的新型环保材料，它对保护环境和森林资源的合理利用起到非常积极的

促进作用。尽早进行木塑材料的开发一定会给企业带来好的回报，特别是我国包

装、建材生产企业更应积极行动起来，研究开发该材料的各种应用性能及生产工

艺流程，制定我国的木塑材料相关标准，使我国在木塑材料领域走在世界前列。

1.6 本课题研究的主要内容与意义

1.6.1 研究的主要内容

针对三和公司的生产状况和发展规划，采用植物纤维木材、竹粉、淀粉、木

材废弃物或者农业废弃物用来做木塑材料，通过改善配方，添加适量的增强剂，

以提高木塑复合材料的强度，扩展该材料的应用领域，以最大限度的利用生物质

资源，避免造成严重污染和资源浪费。

本课题是对植物纤维木材、竹粉、淀粉、木材废弃物或者农业废弃物用来做

木塑材料为原料的木塑复合材料进行深入研究的基础。通过对该课题的研究可以

了解该类复合材料的基本生产工艺、生产设备以及该材料的物理力学性能。研究

结果对进一步提高材料的流变性，物理性能和发泡性能具有指导意义。为今后进

一步研究该类材料积累经验。

本文从选择废弃塑料种类、控制温度、转速，调整植物纤维种类、植物纤维

用量，相容剂不同用量等因素来研究其对木塑复合材料加工流变性能的影响；在

体系中加入不同的相容剂（自制）来改善复合材料的性能。

具体研究内容是：

(1)针对不同废弃塑料、不同植物纤维对原料的不同配方进行试验，制出各

种不同配比的复合材料；

(2)考察不同复合材料的加工流变性能；

(3)考察不同的相容剂对复合材料性能的影响，从而选出最佳的相容剂品种。

并且通过不同加入量对复合体系的多种性能(力学性能、热性能和吸水率)的测试

8

找出它的最佳用量；

拟解决的关键问题是：

(1)改善植物纤维与废弃塑料的界面相容性，寻找最佳的相容剂；并且通过

对相容剂的用量的研究，寻找出最佳的用量。

(2)为企业生产建立坚实的实验数据基础，为企业拓展木塑复合材料的应用

范围提供理论基础和详实的数据支持，从而节约生产资料，降低生产，更好的为

企业服务。

1.6.2 研究的意义

随着塑料的日益广泛应用，塑料制品已经成为人们生活的重要组成部分，塑

料的应用已经渗透到生产和社会的各个方面。废旧塑料必然成为塑料制品消

费过程中的必然产物，同时也是优质物质资源的一种存在形式。目前，全世界

塑料总产量已经超过1亿吨，我国每年塑料树脂产量已超过1000万吨，塑料制

品更超过1500万吨。我国已经是世界第二位塑料大国，废塑料的产量是可想而

知的，它具有一定的利用价值，如能有效地将其利用，就可节约能源，净化环

境，具有重大的社会意义。

目前，木材行业面临着越来越多的压力，木材资源困乏、质量下降、木材价

格越来越高以及社会环保意识逐渐高涨，都对木材的应用提出了限制；其次木材

作为工业材料自身存在易燃、易腐、易虫蛀、绝对强度低、容易吸水吸潮并引起

较大尺寸变形的缺点。使得林产品工业感到迫切地需要寻找木材的替代品。

本课题所采用世界上最重要的通用塑料材料：PP、PE和PVC,研究新型的

树脂基木塑复合材料，以较低的成本将我国目前尚不能形成规模处理的废旧材料

变为高附加值的木材替代品，可将废旧木材及农作物秸秆再利用，也减少了对

环境的污染。利用农林木产品工剩余物等生产塑木复合材料，不仅有利于固体废

弃物的资源化和高价值化，也有利于环境保护和节能。本项目依托公司已取得的

专利技术、科技成果，实施塑木复合材料产业化，对于我国塑木复合材料研究、

开发及产业发展都将带来积极作用和影响，为现代园林景观、时尚家居、健康生

活提供理想选择，体现绿色环保理念，同时也能给企业带来良好的经济效益。

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