高档木塑复合材料挤出成型工艺及装备的研究
作者：徐绍宏 江波
我国森林资源严重不足，政府已明令禁止滥伐森林。越来越多的塑料制品等高分子材料废弃物对环境造成严重的 “白色污染”[1]。如何满足人民的生活需求，又要保护森林资源，维护国家的可持续性发展，日益成为我们需要立即解决的难题。另外，大量的人造板材所造成的室内甲醛污染令人怵目惊心：每年我国由室内空气污染引起的死亡人数达11.1万人！近90%的小儿白血病患者家中近期都曾装修过！因此，在自然资源日渐缺乏、环保要求日益高涨的今天，研发木塑复合材料（WPC），不仅具有经济效益，更有深远的社会效益[4]。WPC应用于建材、装饰、汽车、包装、运输等方面[5]。
木塑料的配混研究已有80多年的历史，但国外真正开始研究并应用才十几年的时间。目前，WPC在北美地区的使用已具相当的规模，其应用的领域也由比较简单的低附加值产品如托盘，向相对复杂的高附加值产品如房屋、建筑、管材等方向发展，WPC技术也因市场的发展而日趋成熟，特别是在混料、成型、温控、速度、切割、配方等方面进行了大幅度的革新和改进，使之更加适合原料来源现状，并有效地提高了强度，降低了成本。木塑复合材料的研究在我国起步较晚[6]，近几年，经过多个企业和学校的研发，单组分废旧PE、PP的低档木塑制品技术已趋于成熟，所生产的木托制品、铺板等大多数出口到北美。但附加值高的用于室内的高档PVC木塑制品到目前为止几乎处于空白。主要表现为：木粉含量处于较低的水平，制品表面质量和制品强度不理想，加工稳定性差。 2.WPC的加工工艺和装备
木塑复合的特点是把两类差别较大的材料相互混合在一起，即木纤维和塑料合二为一。但木纤维粉与基体树脂的相容性较差，在熔融的热塑性塑料中分散效果较差，造成流动性差和挤出成型加工困难并容易产生降解[2]。因此，如何使配方、配方工艺、加工设备和加工工艺更加合理，成为我们研发木塑复合制品的关键。
北京化工大学机电工程学院橡塑研究所近两年来一直致力于高档木塑制品的研发，从配方、工艺到专用机械，充分考虑中国国情和特点，成功开发出高档PVC木塑制品。经国家化学建筑材料测试中心测试[报告编号2006:(S)0132]，性能如下：拉伸强度：25.1Mpa；断裂伸长率：2%；弯曲强度：59.6Mpa；悬臂梁无缺口冲击强度：8.5KJ/m2；氧指数：25.4。样品的木粉含量为60%，冷硬层厚度3.5mm，可加工成薄壁异型材。 3.开发过程中的部分试验
我们在开发过程中，完全采用工业化生产线规模，如锥形双螺杆采用65型，高速搅拌机采用100升并改型，相应模具所试制出的制品具有实际应用价值等。测试样条由制品铣削而成，更能反映制品的实际性能。
3.1 原料
自制的有：相容剂；复合偶联剂；复合流动改性剂；复合处理剂。
市售的有：PVC粉料：S5型和S7型，北京化二；木粉：60～80目；石蜡：工业级；钙锌复合稳定剂，工业级；抗氧剂：工业级，汽巴嘉基；增塑剂；EVA和EAA：Dow化学；SBS；CPE。
3.2 设备
自制的或改进的有：木粉表面处理动态干燥机；专用锥形双螺杆挤出机及成型模具；成型模具涂覆装置。
通用的有：高速混合机；SJ-45单螺杆挤出机；SHJ-35平行双螺杆挤出机；粉碎机；万能材料试验机；无级变速拉伸机；冲击试验机；电子天平；扫描电镜；烘箱；
3.3 制品性能测试
按有关国家标准进行性能测试：GB/T 1040-1992，GB/T 1043-1993，GB9341-1988等 4 试验结果与讨论
由于是实用制品的研发，我们的实验数据非常多。对于常规性的如木粉含量、偶联剂含量等对性能的影响我们不加以讨论。图2、图3、图4、图5、图6中（1）（2）（3）（4）（5）（6）分别对应论文中相应的工艺处理方法 4.1 水分处理工艺的影响
木粉是易吸湿、受潮的材料，水分的存在造成材料收缩率大、内部缺陷增多，严重影响材料的性能[3]。因而在制品成型前，必须去除木塑混配料中的水分。对木粉进行如下处理：（1）静态95℃烘干1小时+木粉处理；（2）静态95℃烘干3小时+木粉处理；（3）静态95℃烘干6小时+木粉处理；（4）静态95℃烘干9小时+木粉处理；（5）未静态烘干+木粉处理；（6）未静态烘干+木粉处理+动态烘干；在这六种处理方法下，用60%的木粉、40%的PVC和同样份量的处理助剂进行异型材成型挤出。水分处理工艺对产品性能的影响见图2、图3和图4。从图中可以看出，木粉经过干燥处理后能提高产品的性能，但并不是越干燥越好。木粉干燥1小时后，既经济又达到提高性能的目的。继续干燥，必须增加助剂的份量，才能达到所需要的性能。即时木粉经过很长时间的干燥，在超过5～7小时后，性能没有很大的提高，但却对助剂的浸润能力加大，使得助剂的使用量增加，而性能却没有明显的提高。因此，我们提倡采用（6）未静态烘干+动态烘干木粉处理，不仅助剂使用量少，节省能源，处理更充分均匀，产品的性能也有很大的提高。另外，在挤出时，木粉经过静态烘干处理的产品其表面质量比动态处理的表面质量差。 4.2 木粉处理工艺的影响
采用自制的专用设备进行动态干燥，在投入木粉后，助剂的投入循序和时间非常重要。由于助剂很多，我们在此仅以I：相容剂；II：复合偶联剂；III：复合流动改性剂为例，简单说明。（1）木粉投入后，随即加入I，高速旋转15分钟，加入II，再高速旋转10分钟，最后加入III，高速旋转5分钟出料；在与PVC混合时，加入其他助剂，并高速混合，出料后加入锥双挤出成型；（2）时间不变，加料循序为II、III、I；（3）时间不变，加料循序为III、II、I；（4）木粉投入后，高速旋转15分钟，随即加入I，高速旋转10分钟，加入II，高速旋转5分钟，最后加入III，高速旋转5分钟出料。木粉处理工艺对制品性能的影响见图5。从图中可以看出，采用（4）处理工艺可使制品的强度有一个全面的提高。 4.3 复合协同处理与单组分处理的影响
采用自制的复合处理剂，其复合协同效应使制品的性能优于单组分处理剂。分别采用（1）复合处理剂；（2）偶联剂I；（3）偶联剂II；（4）相容剂对木粉进行处理，结果见图6。
4.4 模具涂覆工艺的影响
模具涂覆后，不仅表面质量非常好，挤出速度提高，而且制品有一层非常明显的冷硬层。 5 结论
高档PVC木塑制品的研究在国内尚处于起步阶段，其加工工艺、配方工艺和加工设备均比低档木塑制品的生产有着本质的区别。我们采用了以制品研发为目的的实验方法，对影响制品性能的诸多方面进行了仔细的研究。动态干燥处理木粉及其处理工艺可以使制品的性能有一个质的飞跃；自制的复合处理剂高效经济，远远好于单一的处理剂；而特殊的成型模具涂覆工艺使制品质量从表面质量、挤出效率、制品硬度等均有较高的提高。 参考文献
1． 李华. 塑料废物利用[J]. 塑料开发，1992，（1）：99
2． 蔺艳琴，揣成智，张立平. 聚丙烯/木纤维复合材料增强改性研究，现代塑料加工与应用，2000，（1）：14
3． 尹以高，夏成林，钟圣兆. 塑木复合材料的研制和性能，塑料工业，2002（6）：20-21
4． 李云. 木粉填充HDPE的力学性能[J]，塑料加工，1999，27（1）：36-37
5． 张明珠，薛平，周甫萍. 木粉/再生热塑性塑料复合材料性能的研究，塑料，2000(5)：39-40
6． 秦特夫.改善木塑复合材料界面相容性的途径，世界林业研究，1998（3）：46-51
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