摘 要:隨著全球環(huán)保意識(shí)的提升和可持續(xù)發(fā)展理念的普及,公眾對(duì)新型環(huán)保材料的需求日益增加。作為一種新型環(huán)保材料,塑木復(fù)合材料結(jié)合了木材和塑料的優(yōu)點(diǎn),具有耐久性、生態(tài)環(huán)保和施工便捷等特點(diǎn),因此在戶外景觀設(shè)施中被廣泛應(yīng)用。本文研究利用聚乳酸以及木質(zhì)纖維制備了新型環(huán)保型聚乳酸塑木復(fù)合(PLA-WPC)材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在180℃實(shí)驗(yàn)溫度下,1%的偶聯(lián)劑處理?xiàng)l件下,添加30%的木纖維制備得到的PLA-WPC復(fù)合材料力學(xué)性能最優(yōu),其抗沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度分別約為7.1 KJ/m3和46.4 MPa。PLA-WPC復(fù)合材料的吸水率為 0.70%,與其他景觀設(shè)施材料相比,它能有效避免吸水變形問(wèn)題。在強(qiáng)酸強(qiáng)堿環(huán)境中,15天的磨損量小于0.50 g/cm3。此外,PLA-WPC添加阻燃劑后,其燃燒熱釋放速率、總熱釋放量、煙釋放量和質(zhì)量損失率分別下降約31.9%、45.0%、72.4%和28.0%。從生態(tài)性角度來(lái)看,PLA-WPC材料主要由生物材料、植物纖維和熱塑性廢棄材料制備而成,生產(chǎn)過(guò)程中每1 t塑木復(fù)合材料的產(chǎn)生可減排CO2氣體約1800 kg。同時(shí),在施工過(guò)程中的總能耗也遠(yuǎn)低于混凝土等其他材料。
關(guān)鍵詞:塑木復(fù)合材料;景觀設(shè)施;聚乳酸;生態(tài)性;化學(xué)工藝
中圖分類(lèi)號(hào):TB33"""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A"""""" 文章編號(hào):2095-9699(2024)06-0017-06
隨著生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn),中國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的生態(tài)性和環(huán)保性越來(lái)越受到重視,對(duì)戶外景觀建設(shè)的要求也逐漸提高[1]。目前,傳統(tǒng)戶外景觀建設(shè)材料主要包括石材、木材和混凝土,這些材料的使用存在重量大、易老化、維護(hù)困難等問(wèn)題[2]。相比于傳統(tǒng)景觀建設(shè)材料,塑木鋪板因其不易吸水開(kāi)裂、耐磨損、透水性強(qiáng)以及可定制防滑花紋和顏色等特點(diǎn),因此特別適用于路面、親水平臺(tái)和休息座椅等戶外設(shè)施。同時(shí),塑木護(hù)欄因其良好的耐候性和成本效益,廣泛應(yīng)用于棧道、親水平臺(tái)等景觀節(jié)點(diǎn)。此外,塑木復(fù)合材料還可用于廊架、垃圾箱、指示牌等景觀設(shè)施,并通過(guò)添加色素和壓制花紋來(lái)模擬天然材料的外觀。然而,隨著對(duì)戶外景觀建設(shè)要求的進(jìn)一步提高,現(xiàn)代戶外景觀建設(shè)亟須一種輕便、耐用、強(qiáng)度高、環(huán)保的新型材料[3-4]。復(fù)合材料能夠綜合多種材料的優(yōu)勢(shì),而聚乳酸作為一種生物可降解材料,具備良好的環(huán)保性,對(duì)環(huán)境不會(huì)造成污染,適合用于木塑材料的制備。木塑復(fù)合材料中的木纖維既保留了木材的紋理和質(zhì)感,又具備塑料的耐候性和耐腐蝕性,能夠有效延長(zhǎng)使用壽命[5-6]。因此,本研究旨在利用聚乳酸、木纖維以及可回收熱塑性樹(shù)脂制備聚乳酸-木塑復(fù)合材料(Polylactic Acid-Wood Plastic Composite,PLA-WPC),期待能制備出一種輕便、具備較好抗壓性和耐磨性、不易變形和破損的新型環(huán)保材料,以用于戶外景觀設(shè)施建設(shè)。
1 新型PLA-WPC材料的制備
1.1 實(shí)驗(yàn)材料
白楊木纖維(50-70目),采購(gòu)自天津市盛源化工有限公司;硅烷偶聯(lián)劑(KH560),供貨商為北京市鑫泰盛源化工有限公司;聚乳酸(PLA,型號(hào):AESUNUMP1001),供貨商為四川盛啟化工有限公司。
1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
電子天平(ME204/02),生產(chǎn)商為北京夏春計(jì)量?jī)x器有限公司;電子恒溫干燥箱(經(jīng)濟(jì)型202A-0),供貨商為天津試驗(yàn)儀器有限公司;開(kāi)放式混煉機(jī)(XK-160型),制造商為上海輕工機(jī)械股份有限公司;1000型高強(qiáng)力塑料粉碎機(jī),采購(gòu)自常州豪屹塑化有限公司;萬(wàn)能試驗(yàn)壓機(jī)(200T),供貨商為徐州新協(xié)力有限公司;拉力試驗(yàn)機(jī)(日本島津Shimadzu AGS-X 系列),錐形量熱儀,采購(gòu)自北京市凱迪科奇儀器設(shè)備有限公司;氧指數(shù)測(cè)定儀,供貨商為濟(jì)南中諾儀器有限公司。
1.3 新型PLA-WPC復(fù)合材料制備
首先,將白楊木纖維放置于電子恒溫干燥箱中,設(shè)定溫度為80℃,干燥時(shí)間為4小時(shí)。根據(jù)此次實(shí)驗(yàn)研究的實(shí)驗(yàn)變量,使用不同濃度(0%、1%、2%、3%)的偶聯(lián)劑與一定量的無(wú)水乙醇混合。然后,分別將其加入對(duì)應(yīng)的木纖維試樣中,使用攪拌棒充分?jǐn)嚢?,確?;旌暇鶆?。最后將試樣置于室溫靜置,待無(wú)水乙醇揮發(fā)后,即可開(kāi)始復(fù)合材料的制備。
本研究選擇了四種不同的木纖維添加量,分別為20%、30%、40%和50%。首先,使用1%的偶聯(lián)劑對(duì)上述木纖維進(jìn)行處理;然后,在混煉機(jī)中混煉;接著,將處理后的木纖維與聚乳酸混煉,得到片狀的聚乳酸-塑木混合物;隨后,將混合物置于強(qiáng)力塑料粉碎機(jī)中進(jìn)行粉碎,獲得聚乳酸-塑木顆粒。根據(jù)戶外景觀設(shè)施的實(shí)際需求,將聚乳酸-塑木顆粒均勻鋪在制備模具中。最后,通過(guò)熱壓操作(實(shí)驗(yàn)溫度180℃,熱壓時(shí)間15分鐘)制備成實(shí)際樣板,在熱壓機(jī)中持續(xù)降溫2小時(shí)后,樣本即可取出,用于戶外景觀設(shè)施建設(shè)。
該材料的密度為1.2 g/cm3。測(cè)量方法:首先,使用分析天平準(zhǔn)確測(cè)量聚乳酸-塑木混合物樣品的質(zhì)量,記為m;其次,將聚乳酸-塑木混合物樣品浸入水中;然后,使用一根細(xì)線將樣品懸浮在水中,不與容器底部或側(cè)壁接觸;接著,用分析天平讀取樣品在水中的“視重”,并記為m;最后,計(jì)算聚乳酸-塑木混合物樣品的密度ρ,見(jiàn)公式(1)。
ρ=mm-mρ0(1)
式中,ρ0為水的密度。
抗沖擊強(qiáng)度檢測(cè)方法:將材料樣品正確安裝于萬(wàn)能試驗(yàn)壓機(jī)上并夾緊??刂葡到y(tǒng)設(shè)置試驗(yàn)條件,包括沖擊頭的速度、高度和角度等參數(shù),使沖擊頭帶著一定能量以一定速度撞擊樣品表面。記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù),評(píng)估材料的抗沖擊強(qiáng)度。
抗拉伸強(qiáng)度檢測(cè)方法:將制備好的材料樣品安裝在拉力試驗(yàn)機(jī)的夾具中,設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù),啟動(dòng)拉力試驗(yàn)機(jī)并施加拉力。當(dāng)試樣發(fā)生斷裂時(shí),拉力試驗(yàn)機(jī)將自動(dòng)停止并記錄最大載荷。
吸水率檢測(cè)方法:將試樣放在天平上進(jìn)行稱重,記錄下初始重量(設(shè)為w1)。將試樣放入盛滿水的容器中,在室溫下浸泡24小時(shí)。取出試樣后,用干凈的毛巾擦干表面水分,并立即在天平上稱重,記錄下濕重(設(shè)為w2)。吸水率η的計(jì)算方法見(jiàn)公式(2)。
η=w2-w1w1×100%(2)
PLA-WPC材料的阻燃性檢測(cè)方法:在PLA-WPC材料中加入按照2∶3比例混合的MPP和DPER阻燃劑,并充分混合以制備含有阻燃劑的PLA-WPC復(fù)合材料樣品,作為實(shí)驗(yàn)組。制備未添加阻燃劑的純PLA-WPC材料樣品作為對(duì)照組。使用錐形量熱儀對(duì)對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組的樣品進(jìn)行燃燒測(cè)試,記錄燃燒熱釋放速率、總熱釋放量、煙釋放量和質(zhì)量損失率等數(shù)據(jù)。使用氧指數(shù)測(cè)定儀測(cè)定實(shí)驗(yàn)組樣品的氧指數(shù),并與ISO標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。
2 基于PLA-WPC材料的復(fù)合景觀設(shè)施性能分析及改進(jìn)
2.1 PLA-WPC材料的強(qiáng)度性能分析
為制備性能更加優(yōu)越的復(fù)合材料,研究在180℃的實(shí)驗(yàn)溫度和1%偶聯(lián)劑處理?xiàng)l件下,對(duì)20%、30%、40%和50%木纖維添加量制備的復(fù)合材料進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試,測(cè)試指標(biāo)為抗沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度,結(jié)果見(jiàn)圖1。
由圖1可知,當(dāng)PLA-WPC材料中木纖維添加量為20%、30%、40%和50%時(shí),材料的抗沖擊強(qiáng)度分別為8.86 KJ/m3、7.12 KJ/m3、6.45 KJ/m3、5.76 KJ/m3,拉伸強(qiáng)度分別為38.63 MPa、46.32 MPa、31.02 MPa、26.34 MPa。綜合來(lái)看,當(dāng)木纖維添加量為30%時(shí),該材料具有較高的抗沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度
接著,研究在180℃實(shí)驗(yàn)溫度、30%木纖維添加量條件下,對(duì)0%、1%、2%、3%偶聯(lián)劑用量處理過(guò)的復(fù)合材料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)圖2。
由圖2可知,使用1%偶聯(lián)劑處理后的PLA-WPC復(fù)合材料力學(xué)性能更優(yōu),此時(shí)的抗沖擊強(qiáng)度為7.15 KJ/m3,拉伸強(qiáng)度為46.55 MPa。
最后,在30%木纖維添加量和1%偶聯(lián)劑處理?xiàng)l件下,對(duì)170℃、175℃、180℃、185℃和190℃實(shí)驗(yàn)溫度下制備的復(fù)合材料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)圖3。
由圖3可知,在180℃實(shí)驗(yàn)條件下制備得到的PLA-WPC復(fù)合材料力學(xué)性能最佳,此時(shí)的抗沖擊強(qiáng)度為7.13 KJ/m3,拉伸強(qiáng)度為46.47 MPa。
不同條件下制備的PLA-WPC復(fù)合材料的電鏡掃描微觀結(jié)構(gòu)表征見(jiàn)圖4。
由圖4(a)可知,當(dāng)添加木纖維含量較低時(shí),PLA-WPC復(fù)合材料中主要成分為聚乳酸,整體力學(xué)強(qiáng)度較?。欢?dāng)木纖維含量較大時(shí),木纖維與PLA-WPC復(fù)合材料中的聚乳酸無(wú)法有效均勻混合,復(fù)合材料內(nèi)部易形成纖維束,導(dǎo)致材料力學(xué)強(qiáng)度下降。由圖4(b)可知,使用1%偶聯(lián)劑處理PLA-WPC復(fù)合材料時(shí),有效增強(qiáng)了材料中聚乳酸與木纖維之間的黏合力,從而提高了復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度。由圖4(c)可知,實(shí)驗(yàn)溫度過(guò)低時(shí),PLA-WPC復(fù)合材料中聚乳酸流動(dòng)性差,無(wú)法有效與木纖維混合,導(dǎo)致材料力學(xué)強(qiáng)度下降;而溫度過(guò)高時(shí),又會(huì)使木纖維碳化,導(dǎo)致材料力學(xué)強(qiáng)度降低。綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,在180℃實(shí)驗(yàn)溫度、1%偶聯(lián)劑處理?xiàng)l件下、添加30%木纖維制備得到的PLA-WPC復(fù)合材料力學(xué)性能最佳。因此,后續(xù)的復(fù)合材料性能分析均以該條件下制備的材料為標(biāo)準(zhǔn)。
為進(jìn)一步驗(yàn)證研究制備的PLA-WPC材料的優(yōu)越性,筆者選取多種熱門(mén)的戶外景觀設(shè)施材料與其進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)表1。
由表1可知,不同材料在密度、抗彎強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度上各有優(yōu)劣。然而,綜合來(lái)看,PLA-WPC材料在質(zhì)地和強(qiáng)度數(shù)值方面均有較大的優(yōu)勢(shì)。在7種材料中,聚乳酸木塑復(fù)合材料的密度最大,為1.20 g/cm3,表示該材料在承受重載或高壓應(yīng)用中的表現(xiàn)出色??箯潖?qiáng)度最高,可達(dá)75.63 MPa,其他某些材料甚至不具備抗彎能力。其拉伸強(qiáng)度相對(duì)偏弱,為7.12 KJ/m3,但抗沖擊強(qiáng)度最大,達(dá)到46.32 MPa,表明其能夠承受更大的沖擊力和碰撞,使用中不易破裂或損壞。此外,塑木復(fù)合材料的吸水率顯著低于其他材料,因此能夠避免因吸水造成的形態(tài)膨脹和收縮,減少設(shè)施變形、真菌生長(zhǎng)等使用問(wèn)題。同時(shí),它的物理力學(xué)性能不會(huì)隨著使用年份的增加而明顯降低,相較于其他材料能更好地節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本。
2.2 PLA-WPC材料復(fù)合設(shè)施的高耐磨性
基于景觀設(shè)施的壽命周期理論,自然氣候老化是影響使用壽命的重要因素之一,包括陽(yáng)光暴曬和酸性降雨等因素。此外,沿海地區(qū)或土壤鹽堿化地區(qū)的景觀設(shè)施還會(huì)遭受離子反應(yīng)和堿性侵蝕等問(wèn)題,這會(huì)降低材料的耐磨性并縮短使用壽命。
在不同程度的環(huán)境模擬條件下,進(jìn)行PLA-WPC材料的耐磨性能試驗(yàn)。環(huán)境條件包括人工模擬酸雨(pH值1.5、3.0、5.5的硫酸溶液)[7]、海水(1%、3.5%、5%的NaCl溶液)[8]、強(qiáng)堿性(pH值8.4、11、13)[9]等。根據(jù)《浸漬紙層壓木質(zhì)地板標(biāo)準(zhǔn)》,對(duì)塑木復(fù)合材料表面磨損量及花紋留存情況進(jìn)行了檢測(cè)和對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)表2[10]。
由表2可知,PLA-WPC材料在不同海水濃度下的表面磨損量變化不大,而在過(guò)酸和過(guò)堿的環(huán)境下,磨損量會(huì)有所增加,但仍在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18102-2020的規(guī)定范圍內(nèi)。這表明PLA-WPC材料在不同氣候、水質(zhì)、土壤等環(huán)境條件下都具有極高的耐磨性,適宜廣泛應(yīng)用于棧道、親水平臺(tái)等景觀設(shè)施。
2.3 PLA-WPC材料的阻燃性
對(duì)于廊架、涼亭等承擔(dān)游客休憩功能的景觀設(shè)施來(lái)說(shuō),木質(zhì)材料在提高使用舒適度的同時(shí),其阻燃性未得到充分保障。PLA-WPC材料在生產(chǎn)過(guò)程中加入阻燃劑(Ⅱ型聚磷酸銨、氨基等),或使用利樂(lè)粉/高密度聚乙烯等作為原料生產(chǎn)的塑木產(chǎn)品,具有高防火性(達(dá)B1級(jí))和一定的阻燃效益,使得在喬灌草植被較豐富的景觀節(jié)點(diǎn)中制作的景觀設(shè)施更具消防安全性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,將膨脹型阻燃劑(IFR)——三聚氰胺聚磷酸鹽(MPP)和雙季戊四醇(DPER)按照2∶3的比例加入PLA-WPC材料時(shí),能夠在材料表面形成連續(xù)緊湊的炭層,降低材料的燃燒熱釋放速率、總熱釋放量、煙釋放量和質(zhì)量損失率(分別為31.9%、45.0%、72.4%、28.0%)。此外,其氧指數(shù)可達(dá)30,符合阻燃材料ISO標(biāo)準(zhǔn)。盡管其力學(xué)性能(拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度)相較于未添加膨脹型阻燃劑前有所下降(分別為36.3%、7.2%),但仍符合DB44/T349-2006對(duì)家具用木塑復(fù)合材料的相關(guān)要求。
2.4 PLA-WPC材料耗能實(shí)例分析
作為生物材料、植物材料與合成高分子材料相互混合而成的復(fù)合材料,PLA-WPC材料在使用各階段的能耗與金屬、水泥、混凝土等建筑材料具有明顯差異?;趬勖芷诶碚?,對(duì)廣東省某公園景觀施工實(shí)例進(jìn)行了計(jì)算分析,評(píng)估該項(xiàng)目施工過(guò)程中所使用的PLA-WPC木材地板、欄桿及其他輔助設(shè)施材料的生命周期能耗值,并與混凝土材料進(jìn)行了比較(見(jiàn)表3)。
結(jié)果顯示,PLA-WPC材料的壽命周期總能耗僅為混凝土材料的1/2,表明PLA-WPC材料的使用可以降低能耗,提高資源利用的效率。
3 結(jié)束語(yǔ)
為滿足現(xiàn)代戶外景觀建設(shè)的需求,研究制備了一種新型環(huán)保的PLA-WPC材料。該材料的密度為1.20 g/cm3,質(zhì)地較輕,符合建筑物輕便快捷的需求。其抗沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度分別為7.12 KJ/m3和46.32 MPa,表現(xiàn)出良好的抗壓性和耐磨性,且不易變形和破損。材質(zhì)的吸水率為0.70%,能夠有效避免因吸水造成的形態(tài)膨脹和收縮,引起景觀設(shè)施的變形。此外,PLA-WPC材料具備環(huán)保特性,能減少環(huán)境污染和降低成本。在某公園的耗能實(shí)例分析中,PLA-WPC材料的壽命周期總能耗為5 577.19×104 kW·h。同時(shí),其生產(chǎn)過(guò)程中還可實(shí)現(xiàn)CO2減排。因此,相較于其他材料,該材料顯著降低了能耗。綜上所述,PLA-WPC材料是一種綜合性能優(yōu)越的復(fù)合型材料,預(yù)計(jì)在戶外景觀建筑市場(chǎng)上將會(huì)獲得更長(zhǎng)足的發(fā)展和廣泛的適用。盡管本研究制備的PLA-WPC材料在性能方面表現(xiàn)優(yōu)越,但仍存在改進(jìn)空間。未來(lái)研究將重點(diǎn)探討原料種類(lèi)、配比比例、添加劑類(lèi)型和加工工藝等因素,以制備出性能更加優(yōu)秀的復(fù)合材料。
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責(zé)任編輯:肖祖銘
Analysis on Preparation of Environmental Friendly PLA-WPC Material and Its Application in Outdoor Landscape Facilities
LI Lili, YANG Liu
(School of Fine Arts and Design, Suzhou University, Suzhou 234000, China)
Abstract:With the strengthening of global environmental awareness and the popularization of sustainable development concepts, the demand for new environmentally friendly materials is increasing. Wood Plastic Composites material, as a new type of environmentally friendly materials, combines the advantages of wood and plastic, featuring good durability, ecological friendliness, and ease of construction. Therefore, they have been widely used in outdoor landscape facilities. A new environmentally friendly Polylactic Acid Wood Plastic Composite (PLA-WPC) material was prepared using polylactic acid and wood fibers. The experimental results showed that under an experimental temperature of 180°C and a 1% coupling agent treatment condition, the PLA-WPC material prepared with 30% wood fibers has the best mechanical properties, with impact strength and tensile strength of approximately 7.1 KJ/m3 and 46.4 MPa, respectively. Compared with other landscape facility materials, the water absorption rate of PLA-WPC material is 0.70%, effectively avoiding the problem of material deformation due to water absorption. In a strong acidic and alkaline environment, the wear amount within 15 days is less than 0.50 g/cm3. In addition, after adding flame retardants to PLA-WPC, the heat release rate of combustion, total heat release, smoke release, and mass loss rate decrease by approximately 31.9%, 45.0%, 72.4%, and 28%, respectively. From an ecological perspective, PLA-WPC materials are mainly prepared from biomaterials, plant fibers, and thermoplastic waste materials. During the production process, every 1 ton of Wood Plastic Composite material can reduce CO2 emissions by approximately 1800 kg. At the same time, the total energy consumption during construction is also much lower than that of some materials such as concrete.
Keywords:Wood Plastic Composite; landscape facilities; polylactic acid; ecology; chemical process
基金項(xiàng)目:宿州學(xué)院重點(diǎn)科研項(xiàng)目(2023yzd20);宿州學(xué)院科研項(xiàng)目(2021yzd17)
作者簡(jiǎn)介:李麗麗(1991—)女,安徽合肥人,博士,實(shí)驗(yàn)師,主要從事景觀設(shè)計(jì)研究;楊 柳(1990—),女,安徽宿州人,博士,講師,主要從事環(huán)境設(shè)計(jì)研究。