方明鋒　黃　華

摘要綜述了木塑復(fù)合材料的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，介紹了木質(zhì)材料的種類、形態(tài)、數(shù)量和塑料樹脂種類對(duì)木塑復(fù)合材料性能的影響，以及改善二者相容性和分散性的方法。木塑復(fù)合材料在資源綜合利用與環(huán)境保護(hù)方面具有優(yōu)勢，發(fā)展木塑復(fù)合材料，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)保效應(yīng)。

關(guān)鍵詞木質(zhì)材料；塑料；復(fù)合材料；應(yīng)用；研究進(jìn)展

中圖分類號(hào)TB322文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào) 1007-5739（2009）03-0008-03

資源危機(jī)和生態(tài)及環(huán)境問題引發(fā)了全世界對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展與保護(hù)生態(tài)和環(huán)境研究的熱潮，許多能滿足環(huán)保要求的新材料不斷涌現(xiàn)，其中木材-熱塑性塑料復(fù)合材料（木塑復(fù)合材料Wood-polymer Composites，WPC）就是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ男滦筒牧?。所謂木塑復(fù)合材料是將一定比例的木纖維（如木粉、秸稈粉、棉桿粉、竹粉、果殼粉等）經(jīng)過預(yù)處理使之與熱塑性聚合物樹脂或其他材料結(jié)合而成的一種新型材料。它能廣泛利用農(nóng)林廢棄物（如廢棄木材、農(nóng)作物秸稈等），既有利于保護(hù)森林資源，又可增加農(nóng)民收入，對(duì)構(gòu)建環(huán)保節(jié)約型社會(huì)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。此外，還將產(chǎn)生環(huán)境污染的廢舊塑料充分地利用起來，很好地化解了使用塑料產(chǎn)品廢棄后而帶來的一系列社會(huì)和生態(tài)問題[1]。木塑復(fù)合材料具有良好的尺寸穩(wěn)定性，且吸水性小，不怕蟲蛀，不會(huì)像木材那樣產(chǎn)生裂縫和翹曲變形；同時(shí)具有熱塑性塑料的良好加工性，硬度比塑料高，耐磨、耐老化、耐腐蝕；各種助劑的加入可以賦予其更多特殊性能，如抗菌性、阻燃性、耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿性等；加入顏料、覆膜或復(fù)合表層可制成具有各種顏色和花紋的制品[2]。

1塑料基體對(duì)木塑復(fù)合材料性能的影響

塑料在WPC中主要起粘結(jié)填料和傳遞應(yīng)力的作用。用于制備WPC的熱塑性塑料主要有聚乙烯（PE）[3，4]、聚丙烯（PP）[5-7]、聚氯乙烯（PVC）[8，9]、聚苯乙烯（PS）[10]、丙烯晴/丁二烯/苯乙烯共聚物（ABS）[11]、聚甲醛（POM）[12]等種類。

WPC中塑料的性質(zhì)對(duì)其性能影響顯著。PE有著柔韌性好、彎曲強(qiáng)度高、良好的耐水性和耐化學(xué)腐蝕性，加工性能優(yōu)異，價(jià)格低廉，使得PE尤其是高密度聚乙烯（HDPE）及其廢舊回收料為基體的WPC應(yīng)用最為廣泛，且多用于室外構(gòu)件。PP具有更高的拉伸強(qiáng)度和表面硬度，但是沖擊強(qiáng)度低，低溫易脆裂，且耐候性較差，限制了PP基WPC的大規(guī)模應(yīng)用。PVC價(jià)格低廉，剛性大，強(qiáng)度高，但是耐候性和穩(wěn)定性較差，用作木塑復(fù)合材料的基體時(shí)需加入助劑改善PVC的穩(wěn)定性和耐候性。一般而言，采用新料成本比較高，但是制得的WPC性能穩(wěn)定，加工性能好，而采用再生的廢舊塑料成本較低，與新料相比，其力學(xué)性能有所降低。

王正、郭文靜等[13，14]分別制備了線型低密度聚乙烯（LLDPE）、PS、PP等3種WPC，其結(jié)果表明LLDPE性軟而韌，其WPC的彎曲強(qiáng)度和彈性模量都最低，但沖擊強(qiáng)度最高；PS性硬而脆，其WPC的彎曲強(qiáng)度和彈性模量都最高，但沖擊性能最差；而PP的特點(diǎn)是硬而韌，所以用其作原料的WPC的沖擊性能、彈性模量、彎曲強(qiáng)度及拉伸強(qiáng)度都相對(duì)居中，綜合性能最佳；將LLDPE和PS與木粉復(fù)合制得的三元復(fù)合材料，可以克服LLDPE和PS兩者存在的不足；在LLDPE與PS的質(zhì)量比為5∶5，共混溫度為200℃時(shí)，三元復(fù)合材料物理力學(xué)性能最好，接近PP/木粉復(fù)合材料的力學(xué)性能，而且外觀質(zhì)量更好。而回收PS、PE、PP制得的WPC中，回收PS制得的WPC綜合性能最好，回收PE的其次，回收PP的最差，這可能與回收PP的降解嚴(yán)重有關(guān)。

應(yīng)偉斌等[12]的研究表明，POM/稻糠和HDPE/稻糠木塑復(fù)合材料相比，POM基WPC的拉伸性能、彎曲性能和耐熱性均優(yōu)于HDPE基WPC，而沖擊性能則比HDPE基WPC要差。雷文等[15]制備了HDPE、PS、PP木塑復(fù)合材料，所制備的WPC拉伸模量、彎曲模量均可提高，斷裂伸長率下降，但拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度的變化趨勢有所不同。

2木質(zhì)材料對(duì)復(fù)合材料性能的影響

木塑復(fù)合材料中木質(zhì)材料是有機(jī)填料，可用鋸末、碎木片、刨花等為原料，經(jīng)過簡單的干燥粉碎處理得到，來源非常豐富，價(jià)格低廉。我國每年木材加工業(yè)廢棄的木屑達(dá)數(shù)百萬噸，大米加工業(yè)產(chǎn)生的稻糠數(shù)千萬噸[2]，以及每年成千上萬噸被焚燒掉的秸稈，這些都是木塑復(fù)合材料中木質(zhì)材料的廉價(jià)原料。木質(zhì)材料的化學(xué)成分比較復(fù)雜，主要有四部分組成：42%～45%纖維素（cellulose）、27%～30%半纖維素（hemi-cellulose）、20%～28%木質(zhì)素（lignin）、3%～5%抽提物。其中纖維素分子鏈剛性和極性都很大，且高度結(jié)晶并取向，能賦予復(fù)合材料較高的模量、拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。木質(zhì)材料對(duì)木塑復(fù)合材料的影響表現(xiàn)在品種、粒徑、含水率、是否預(yù)處理以及木質(zhì)材料塑料用量比。

不同來源的木質(zhì)材料其主要化學(xué)材料成分：纖維素、半纖維素、木塑和抽提物等的含量存在差異，導(dǎo)致了木質(zhì)填料本身力學(xué)性能的不同，從而也影響到木塑復(fù)合材料的性能。趙娟[16]制備了木粉、竹粉、花生殼粉、稻殼等木塑復(fù)合材料，并比較了它們的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)木粉最好，竹粉次之，花生殼粉比竹粉差，而稻殼制備的木塑復(fù)合材料力學(xué)性能最差。

木粉的粒徑對(duì)WPC的性能也有影響。這是因?yàn)槟痉鄣募?xì)度使得木粉的比表面積不同，從而導(dǎo)致木質(zhì)材料與基體樹脂塑料接觸面積不同而影響到木塑復(fù)合材料的性能。李蘭杰等[17]研究了木粉粒徑對(duì)HDPE基WPC性能的影響，結(jié)果表明，在100~850μm范圍內(nèi)，粒徑較大的木粉有利于復(fù)合材料彎曲性能和沖擊性能的提高；拉伸強(qiáng)度隨木粉粒徑的增大呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在粒徑200μm時(shí)出現(xiàn)最大值；在100~150μm范圍內(nèi)，熔體流動(dòng)速率（MFR）隨粒徑的增大而減小，在150~850μm粒徑范圍內(nèi)，較大的粒徑有利于MFR的提高；綜合考慮，粒徑為180~250μm的木粉可賦予WPC較佳的綜合性能。趙永生等[18]比較了不同粒徑、不同樹種的木粉對(duì)聚氯乙烯（PVC）基WPC力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)同為楊木，粒徑為150μm的木粉制備的WPC力學(xué)性能比212μm的要好；同為212μm的木粉，楊木粉制得的WPC力學(xué)性能比云杉木粉要差。

在木塑復(fù)合材料中，隨著木粉用量的增加，這時(shí)塑料含量降低，不易于填料的粘結(jié)以及能量的傳遞和擴(kuò)散，降低了塑料基體吸收沖擊能量和變形能力，使得復(fù)合材料的韌性變差。另外，隨著木粉填充量的增加，木粉聚集現(xiàn)象加劇，顆粒引起的應(yīng)力集中及產(chǎn)生缺陷的幾率加大，這反過來又將降低塑料的強(qiáng)度。應(yīng)偉斌等[12]用稻糠分別與HDPE和POM制得了WPC，結(jié)果顯示隨稻糠含量的增加，2種復(fù)合材料的彎曲模量、熱變形溫度都明顯提高；拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均明顯下降。稻糠的纖維短小，單用稻糠與塑料復(fù)合難以取得良好的力學(xué)性能，如果將稻糠與木粉混合，則可以通過較長纖維的木粉彌補(bǔ)稻糠纖維短小的不足，開發(fā)出較高強(qiáng)度的木塑復(fù)合材料。林建國等[19]將質(zhì)量比為1∶1的稻糠/木粉混合填料與聚乙烯（PE）復(fù)合制得的WPC加工性能、彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度和彈性模量均比全部用木粉制得的WPC要好。雷文等[20]研究聚丙烯木塑復(fù)合材料發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的拉伸模量和彎曲模量均隨著木粉加入量的增加而逐漸升高。當(dāng)木粉加入量為50%時(shí)，復(fù)合材料的拉伸模量和彎曲模量分別為2.772GPa和1.724GPa，比純聚丙烯的1.203GPa和1.100GPa分別提高了30.83%和56.36%；隨著復(fù)合材料中木粉含量的逐漸增加，復(fù)合材料的拉伸斷裂伸長率逐漸下降。

3木粉與塑料的相容性和分散問題

為了降低木塑復(fù)合材料的成本和木質(zhì)感，必須實(shí)現(xiàn)木質(zhì)材料的高填充。達(dá)到這點(diǎn)并不容易，因?yàn)槟纠w維中含有大量的羥基，具有很強(qiáng)的親水性，而樹脂大多具有疏水性，二者相容性差。另外，羥基間易形成氫鍵，木纖維之間的作用力很強(qiáng)，導(dǎo)致木纖維在樹脂基體中的分散性不好。解決這些問題的方法可簡單分為物理和化學(xué)方法。物理方法包括加熱烘干、蒸汽噴發(fā)、堿或酸處理法、有機(jī)溶劑法、表面放電處理法等；化學(xué)方法包括相容劑法、表面接枝法、偶聯(lián)劑法、乙?；幚矸ǖ萚21-24]。

對(duì)木質(zhì)材料進(jìn)行包括蒸汽噴發(fā)、放電處理、堿金屬溶液處理等物理方法改性，可減低其表面極性程度，增大它們和非極性樹脂塑料基體的相容性，可以提高復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)性質(zhì)。堿金屬溶液浸泡木粉后，能漂洗掉木粉的木質(zhì)素而且能提高木纖維的分散性。乙?；窃谀痉郾砻嫱ㄟ^對(duì)極性官能團(tuán)進(jìn)行酯化、醚化等改性處理，使其生成疏水的非極性官能團(tuán)，使得木粉表面與塑料的極性相近，根據(jù)相似相容原理，從而提高塑料基體和木質(zhì)材料表面間的相容性，達(dá)到提高界面粘合的目的。

這些改性方法中，向復(fù)合材料中添加偶聯(lián)劑法是一種比較行之有效的方法，它具有用量少、實(shí)用且高效等優(yōu)點(diǎn)。WPC偶聯(lián)劑分為有機(jī)、無機(jī)和有機(jī)/無機(jī)雜合偶聯(lián)劑。有機(jī)偶聯(lián)劑包括有機(jī)硅烷、異氰酸酯、鈦酸酯、鋁酸酯、馬來酸酐、酰胺、環(huán)氧化物、亞油酸、丙烯酸酯等，無機(jī)偶聯(lián)劑相對(duì)較少，如硅酸鹽。最常用的是有機(jī)硅烷、鈦酸酯、異氰酸酯、馬來酸酐及經(jīng)馬來酸酐改性的聚合物。

Lu等[25]研究了7種不同的偶聯(lián)劑及其濃度對(duì)木纖維/高密度聚乙烯（HDPE）復(fù)合材料的影響，這7種偶聯(lián)劑分為兩大類：一類為氧化高密度聚乙烯、氧化低密度聚乙烯和純聚乙烯；另一類為用馬來酸酐改性的LDPE、HDPE、LLDPE、PP，其官能團(tuán)、相對(duì)分子質(zhì)量、鏈結(jié)構(gòu)、酸值都不一樣。結(jié)果表明，復(fù)合材料的彈性模量隨加入偶聯(lián)劑濃度的增加先增大而后減小，在3%處達(dá)到最大值；酸值、相對(duì)分子質(zhì)量、濃度是3個(gè)最主要的影響因素；偶聯(lián)劑的分子骨架結(jié)構(gòu)也能影響木塑界面結(jié)合力。在相同或相近的酸值和相對(duì)分子質(zhì)量的條件下，將偶聯(lián)劑馬來酸酐改性的聚乙烯（MAPE）分別加入到LLDPE、LDPE、HDPE中，LLDPE的性能更優(yōu)異一些，而LDPE和HDPE之間的性能沒有明顯的差異。Pickering等[26]利用2種硅烷偶聯(lián)劑對(duì)木纖維進(jìn)行表面改性處理，再與PE進(jìn)行熔融擠出，其界面性得到了明顯的改善。

劉濤等[27]使用鈦酸酯偶聯(lián)劑、油酸酰胺、聚氨酯預(yù)聚物3種表面改性劑處理木粉，結(jié)果表明，對(duì)木粉填料進(jìn)行表面處理后，復(fù)合材料的力學(xué)性能有了不同程度地提高，在改性劑用量為4.0～6.0份時(shí)，力學(xué)性能出現(xiàn)峰值。綜合看來，當(dāng)使用4.0份聚氨酯預(yù)聚物或6.0份油酸酰胺對(duì)木粉進(jìn)行表面處理后的復(fù)合材料的力學(xué)性能高于其他體系。

Matuana等[28]也以PVC為基體塑料，木質(zhì)纖維素為填充物，分別以丙氨基三乙氧基硅烷、二氯二甲基硅烷、鄰苯二甲酸酐、馬來酸酐改性的聚丙烯為偶聯(lián)劑，考察了相應(yīng)的復(fù)合材料的性能。研究表明，復(fù)合材料的力學(xué)性能與木纖維和PVC的酸、堿特征（即接受或貢獻(xiàn)電子的能力）有關(guān)，其中丙氨基三甲氧基硅烷與PVC滿足酸堿對(duì)相互作用，在這4種偶聯(lián)劑中，丙氨基三甲氧基硅烷的表現(xiàn)最優(yōu)。Chotirat等[29]分別以異丁烯酸丙氧基三甲氧基硅烷（KBM503）和乙氨基丙氨基三甲氧基硅烷（KBM603）為偶聯(lián)劑，研究了木材鋸末/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）復(fù)合材料的性能，KBM603與ABS也滿足酸堿對(duì)相互作用，所以KBM603的復(fù)合材料的性能更優(yōu)。因此，偶聯(lián)劑與基體是否滿足酸堿對(duì)相互作用可以作為設(shè)計(jì)或選擇偶聯(lián)劑的一個(gè)重要參數(shù)。

接枝改性聚合物型界面相容劑添加到木塑復(fù)合材料中可以顯著地提高材料的力學(xué)性能，它是一種最行之有效的界面相容劑，有大量的文獻(xiàn)對(duì)此類相容劑進(jìn)行了報(bào)道[30-33]。它不僅可作為木塑復(fù)合材料的界面相容劑，而且還可改善其他共混聚合物的界面結(jié)構(gòu)[34]。這類界面相容劑是熱塑性彈性體或聚烯烴表面接枝極性單體，如丙烯酸（AA）、馬來酸酐（MAH）、甲基丙烯酸甲酯（MMA）、甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）、丙烯酸丁酯及丙烯酸酰胺等，特別是接枝馬來酸酐單體最為普遍。這類馬來酸酐接枝聚合物界面相容劑品種較多，如馬來酸酐接枝聚乙烯（PE-g-MAH）、馬來酸酐接枝聚丙烯（PP-g-MAH）、馬來酸酐接枝乙丙三元橡膠（EPDM-g-MAH）、馬來酸酐接枝苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三元嵌段共聚物（SBS-g-MAH）。如陳國昌等[35]研究了PP-g-MAH用量對(duì)PP/木粉復(fù)合材料的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨PP-g-MAH用量的增加，復(fù)合材料的斷裂伸長率、拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、加工流動(dòng)性能、維卡軟化溫度、硬度和沖擊強(qiáng)度均有不同程度的提高；當(dāng)PP-g-MAH用量超過10份后，對(duì)熱變形溫度、沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率影響不大；PP-g-MAH用量在10份左右復(fù)合材料的綜合性能最佳。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)[36]，PP-g-MAH中MAH的接枝率高，PP分子量大，能更好改善PP和木粉的界面相容性。

4木塑復(fù)合材料的應(yīng)用及前景

木塑復(fù)合材料運(yùn)用最廣泛的是結(jié)構(gòu)性能要求較少的建材，約占木塑復(fù)合用品總額的75%[31]，主要用在復(fù)合門窗框、扶梯、軟質(zhì)百葉窗、地板等。在汽車上用作底板、儀表板、頂板、門板、后擱物板、頂蓬、高架箱汽車護(hù)板等。按照行業(yè)的不同，木塑復(fù)合材料的應(yīng)用范圍可分為以下領(lǐng)域[37-42]：①建筑及汽車方面應(yīng)用，室內(nèi)外各種鋪板、建筑模板、防潮隔板、樓梯板、扶手、路板等；也可以制成各種裝飾材料，成為裝飾材。在汽車內(nèi)飾行業(yè)運(yùn)用較多，占木塑復(fù)合材料總量的8%。②物流方面的應(yīng)用，各種規(guī)格的運(yùn)輸托盤和出口包裝托盤，倉庫鋪墊板、各類包裝箱、運(yùn)輸玻璃貨架等。北美地區(qū)托盤用量高達(dá)2億多個(gè)，木塑托盤產(chǎn)品已經(jīng)占到近一半市場。③園林方面應(yīng)用，室外桌椅、庭院扶手及裝飾板、露天鋪地板、廢物箱等。④室內(nèi)裝璜方面應(yīng)用，各種裝飾條、裝飾板、窗簾圈及裝飾件、天花板、壁板等。⑤交通運(yùn)輸方面應(yīng)用，高速公路噪音隔板、防護(hù)欄；船舶座艙隔板、辦公室隔板、儲(chǔ)存箱、活動(dòng)架、百葉窗；鐵道防護(hù)欄、鐵軌枕木等。⑥農(nóng)業(yè)方面可用作大棚支架、槽、水桶等。⑦軍工方面可用作子彈箱等。

我國對(duì)木塑復(fù)合材料的開發(fā)研究起步比較晚，在這方面的開發(fā)和研究只是近10年的事情。與國外相比，我國對(duì)木塑復(fù)合材料的開發(fā)及應(yīng)用差距還是很大。國家已經(jīng)意識(shí)到差距并對(duì)WPC的開發(fā)和研究加大了投入，2002年國家科技部“863”項(xiàng)目和國家林業(yè)局“948”計(jì)劃將木塑復(fù)合材料列入了生物質(zhì)重組課題；2001～2007年國家發(fā)改委將木塑復(fù)合材料項(xiàng)目列入“國家高科技產(chǎn)業(yè)化新材料專項(xiàng)”；北京奧組委早在2006年9月就推薦WPC作為部分場館、設(shè)施建設(shè)的專用材料；北京奧運(yùn)會(huì)世奧森林公園破例為WPC指定了一處近2 000m2的空地搭建實(shí)驗(yàn)建筑。目前上海世博會(huì)也開始采用WPC作為建設(shè)用材。

當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，各行各業(yè)對(duì)國外普遍采用的WPC的需求十分迫切，這就為WPC的應(yīng)用提供了廣闊的市場。另外，由于我國是一個(gè)森林資源匱乏的國家，由于樹木過度采伐，綠色屏障遭到破壞，政府特別重視資源循環(huán)利用和對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，這為WPC產(chǎn)品的發(fā)展提供了一個(gè)良好的大環(huán)境。加之WPC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景被世界看好，不僅是因?yàn)楫a(chǎn)品本身的優(yōu)良特性，更重要的是其資源循環(huán)利用的意義和對(duì)環(huán)境保護(hù)的重要貢獻(xiàn)所決定的。因此，木塑復(fù)合材料的研究和應(yīng)用在我國前景非常廣闊。

總而言之，WPC是一類涵蓋面廣、產(chǎn)品種類多、形態(tài)結(jié)構(gòu)多樣的材料，在它身上充分體現(xiàn)了循環(huán)經(jīng)濟(jì)、資源利用、健康環(huán)保、節(jié)約替代等可持續(xù)發(fā)展經(jīng)濟(jì)的先進(jìn)理念，是一種極具發(fā)展前途的環(huán)保型復(fù)合材料，能夠創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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