我国每年木材加工产生的木屑数量很大，其它天然纤维如稻糠等达上千万吨，城市产生的废旧塑料达240～280万吨[1]，如果能将这些废旧材料有效地利用起来，将产生巨大的经济与社会效益。
木塑复合材料(WPC)是以木纤维或植物纤维为主要组分，经过预处理使之与热塑性树脂或其它材料复合而成的一种新型材料[2]。与木材相比，它同向性、耐候性和尺寸稳定性好，产品不怕虫蛀、不腐朽、不易吸水和变形，机械性能好，更耐用。与塑料相比，它加工性更好，表面易于装饰，可以印刷、油漆、喷涂、覆膜等，环保性能也好。
1 木塑复合材料的制备
1.1 原料
1.1.1 聚合物
用于WPC加工的聚合物可以是热固性或热塑性树脂。树脂选择主要是看产品需要、树脂固有特性、原料易得性、成本。热固性树脂主要采用环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂等。热塑性树脂主要采用聚乙烯、聚丙烯及聚氯乙烯等。据统计目前市场上仍以PE木塑复合材料为主，大约占65%；PVC木塑复合材料占16%左右；PP木塑复合材料占14%左右[3]。杜万里等[4]研究了以原位复合纳米SiO
2
改性脲醛树脂为填充体，速生杨木为基体，通过真空加压浸渍法制备木塑复合材料,结果表明:复合材料性能比原木有很大提高。
1.1.2 木料
木料形状、粒径、树种对复合材料性能会产生影响。研究表明:纤维状刨花填充塑料，其增强效果最好，木纤维次之，最后是普通木粉。树种对复合材料性能影响不大，但是一般说来，阔叶木材比针状木材填充效果要好。李兰杰等[5]研究了粒径从100μm到850μm 木粉填充HDPE对复合材料性能的影响，结果表明180～250μm木粉制得的木塑复合材料综合性能最佳。赵永生等[6]对PVC木塑复合材料的研究发现:杨木比云
木塑复合材料原料、工艺和设备的研究进展欧阳彦辉, 徐春雷, 张娜娜, 刘佩珍, 徐卫兵
(合肥工业大学化工学院, 安徽 合肥 230009)
摘要：就木塑复合材料(WPC)原料组成、加工工艺和设备进行了比较全面的阐述，并展望了其发展趋势。
关键词：木塑复合材料；原料；加工工艺和设备；
中图分类号：TS653 文献标识码：A 文章编号：1001-036X(2007)06-0040-05 The research progress of raw material，technology and equipment of
wood-plastic composite materials
OUYANG Y an-hui，XU Chun-lei，ZHANG Na-na，
LIU Pei-zheng，XU Wei-bing
(College of Chemical Engineering, Heifei University of Technology, Hefei 230009,China) Abstract: This paper reviewed the composition of the raw material，technology and equipment. The trend of WPC had also been forecasted.
Key words: wood-plastic composite;raw material;technology and equipment
收稿日期:2007-09-19
作者简介:欧阳彦辉,研究生。
杉木粉制得的复合材料性能要好，且冲击强度随着木粉含量增加而下降，而拉伸强度和弯曲强度在略有降低后，缓慢上升而趋于平稳。
1.1.3 界面改性剂
界面改性剂能使树脂与植物纤维表面产生强界面结合，同时可降低植物纤维的吸水性，提高植物纤维与树脂的相容性及分散性，能明显提高复合材料力学性能。常用界面改性剂有：异氰酸盐、铝酸酯、钛酸酯、硅烷偶联剂、乙烯-丙烯酸酯共聚物(EAA)、酚醛树脂、马来酸酐接枝聚丙烯蜡；新品种有美国Crompton公司的偶联剂Polybond，杜邦公司的偶联剂Fusabond，牌号为WPC-576D，其中WPC-576D能大幅提高PE基WPC机械性能和降低材料吸水性[7]。界面改性剂添加量一般为植物纤维量的1～8wt%。林建国等[8]研究了不同处理剂对木塑产品的影响，发现超分散剂处理过的木塑复合材料加工性能最好，钛酸酯次之，硬脂酸加白油最差。硬脂酸加白油处理后复合材料冲击强度最好，其它性能最差。李凯夫等[9]研究了偶联剂对PVC木塑复合材料界面相容性的影响，结果表明:加入偶联剂可以提高复合材料力学性能，钛酸酯比铝酸酯改性效果要好；偶联剂加入量为木粉1.5wt%时，木塑复合材料力学性能最佳。
1.1.4 润滑剂
润滑剂分为外润滑剂和内润滑剂。外润滑剂附着在熔体或加工机械、模具表面，形成润滑界面，可降低熔体与加工机械之间摩擦力；内润滑剂选择与所用基体树脂有关，需与树脂在高温下具有很好相容性，削弱分子链间相互作用力，促进分子链运动，降低树脂内分子间内聚能。常用的润滑剂有：硬脂酸锌、乙撑双脂肪酸酰胺、聚酯蜡、硬脂酸、硬脂酸铅、聚乙烯蜡、石蜡、氧化聚乙烯蜡等[3]。新产品有美国Lonza Group公司开发出的EBS与ZnSt组合的替代产品Glycolube WP-2200，它是一种不含硬脂酸金属皂的酰胺类润滑剂[10]。美国Strukto1公司的润滑剂复配物Struktol Volox TPW 104是木粉/聚烯烃复合材料的适用助剂[11]。德国Baerlocher公司推出PVC基WPC用润滑剂Baerhxb，是以硬脂酸钙和硬脂酸锌为主要成分的助剂，是“一包装”稳定剂/润滑剂[12]。方晓钟等[13]研究了润滑剂对PE 木塑复合材料物理性能和加工性能的影响，结果表明:加入润滑剂可以改善木塑复合材料加工性能而对其它力
学性能没有太大影响;使用美国Honeywell公司复合润滑剂Opa-100可以明显提高挤出速度和外观质量。
1.1.5 相容剂
相容剂一般是一端含有极性基团，另一端含有非极性基团的化合物。根据相似相容原则，含有极性基团一端和木质部分相容，而含有非极性基团一端则和树脂部分相容，可起到桥梁作用，将两者结合在一起。这类物质主要有乙烯—丙烯酸酯共聚物(EAA)、马来酸酐改性聚丙烯(MAPP)、酚醛树脂、SBS-g-MAH、PE-g-MAH。德国Clariant公司新推出了天然纤维/塑料复合材料用偶联剂和相容剂Licomont AR504(马来酸酐 MAH)接枝聚丙烯(PP蜡)等[14]。刘文鹏等[15]研究了不同相容剂对PP/木粉复合材料力学性能的影响，结果表明: PE-g-MAH对冲击性能改进效果最好;添加6份SBS-g-MAH制得的复合材料综合性能最好;偶联剂和相容剂并用时，材料性能提高幅度较大。
1.1.6 发泡剂
由于木塑复合材料一般都要填充大量木粉，木塑复合材料密度通常比实木要大的多。所以必须对木塑复合材料进行发泡。发泡剂有物理发泡剂和化学发泡剂。物理发泡剂是通过物理作用为复合材料提供气体，比如低沸点液体和气体（CO
2
，N
2
）；化学发泡剂则是在塑料加工过程中发生化学反应释放出气体。它又分为吸
热型发泡剂（如ＮaHCO
3
）和放热型发泡剂(如AC，偶氮二甲基酰胺)。还有些专门用于木塑产品的发泡剂，如Reedy International生产了专门用于木塑复合、牌号为SAFTEC TPPE-504的发泡剂，其气体产生率高，用量少，降低了生产成本[16]。发泡助剂是与发泡剂并用、调节发泡分解温度和分解速率、改进发泡工艺、稳定泡沫结构和提高泡沫质量的一类助剂。AC发泡助剂常用氧化锌、硬脂酸铅、硬脂酸镉等[17]。王澜等[18]采用模压成型法对PVC/稻壳粉木塑发泡的研究表明:AC发泡剂量4份时，泡孔均匀、致密性好；随着DOP用量增加，制品拉伸强度降低，冲击强度提高且发泡行为变好。加工工艺条件对复合材料的发泡行为也有重要影响，在模压温度为175℃、压力为7MPa时，复合材料发泡行为最好。蔡剑平等[19]对木粉/PE木塑复合材料复合发泡挤出技术进行
了研究，在适当配方下，牵引速度控制在1～1.5m/min 时，制品密度可控制在0.6～0.7g/cm3范围内。
1.1.7 其它助剂
为了生产出具有良好性能的木塑复合材料，通常在加工过程中加入一些添加剂或助剂，如增塑剂、着色剂、抗氧剂、紫外线稳定剂、防菌剂等。
1.2 木塑复合材料的加工工艺和设备
木塑复合材料加工是以废弃塑料和锯末为主要原料，通过增容共混工艺进行生产的一项实用技术。将经过处理混合的废旧塑料、填充剂和改性剂一起熔融混炼，制成复合再生料，然后再成型为具有使用价值的再生制品。也可不造粒直接成型成产品。
1.2.1 加工工艺
在工业上生产木塑材料主要有以下3种工艺路线：(1）挤出成型工艺：由单螺杆或双螺杆挤出机挤出成型，可连续挤出任意长度材料。该工艺又可分为单机挤出和双机复合挤出。复合挤出是在木塑板材的外表同步挤出一层纯塑料表层，成为特殊场合使用的木塑板材。这是工业上最常用的生产工艺。陈智修[20]对PVC木塑复合材料挤出成型工艺进行了研究,最佳工艺条件见表1。
(2）热压成型工艺：可成型一定规格不连续板材。许民等[21]利用热压复合技术制备PP基木塑复合材料,确定了密度为0.80g/cm3、10mm厚木塑复合材料最佳工艺条件为:热压温度175℃；热压时间8min；塑料加入量40%；偶联剂加入量4%。压制的木塑复合板材性能满足相应的国家标准规定。王正等[22]对回收塑料/木材纤维复合材料工艺及性能进行了研究,结果表明:采用回收聚苯乙烯时木塑质量比50:50、热压温度190℃时，板材各项指标达到最大值；采用回收聚丙烯时在木塑质量比50:50、热压温度190℃时制成的板材比其它条件制成板材性能好；采用回收聚乙烯时，制成的板材性能稍差。
(3)挤压成型工艺：挤出机和压机联用的一种挤出和加压同步工艺。其成型的板材长度要大于热压成型板材。其制品综合性能优于挤出工艺生产的板材。
1.2.2 挤出设备
在工业上木塑复合材料的挤出设备主要有以下三种:
(1）单螺杆挤出机：由于单螺杆挤出机主要是靠摩擦来使各组分混合均匀，塑炼能力不强，木粉填充聚合物使得熔体粘度变大,流动性变差，挤出困难，物料在料筒中停留时间较长,容易烧焦,同时排气效果较差，所以限制了其在木塑复合材料生产中应用。如果要使用单螺杆挤出机,必须对螺杆进行特殊设计,使其具有较强的传送和塑化能力,且要造粒。胡圣飞等[23]研究了单螺杆一步法挤出PVC基木塑复合材料,结果表明:加大单螺杆挤出机螺杆长径比、压缩比,并增设强混合单元有利于木粉输送与混合,从而实现正常挤出；延长机头平直段长度、增加机头压缩比可得到致密的木塑复合材料。
(2）双螺杆挤出机：与单螺杆挤出机相比，双螺杆挤出机主要是靠正位移原理进行输送物料，没有压力回流，排气和塑炼效果较好，物料混合比较均匀，木粉在料筒中停留时间较短，不易烧焦，所以木塑复合材料加工设备主要是双螺杆挤出机。它又可分为平行双螺杆挤出机和锥形双螺杆挤出机两种：
①平行双螺杆挤出机：与锥形双螺杆挤出机相比，平行双螺杆挤出机被称为高速、高能耗设备。一般采用组合型螺杆，可调节螺杆长径比和构型，灵活设置排气口。它又可分为两种:一种是木粉干燥后与熔融树脂进行挤出，木粉干燥和树脂融化是分开进行的；另外一种是前段是脱水、脱挥装置，后段是熔融混合装置。木粉先通过主加料口加入挤出机，进行脱水和脱挥，树脂和其它助剂后通过侧加料口加入挤出机进行熔融混合，木粉干燥和树脂融化是在同一挤出机中进行,这种挤出机可以适度降低物料的熔融温度，但需较大长径比。平行双螺杆挤出机主要有Dawis-Standar公司出产的异向双螺杆挤出机和NFM公司制造的同向啮合双螺杆挤出机。
②锥形双螺杆挤出机：与平行双螺杆挤出机相比，锥形双螺杆机被称为低速，低能耗设备。它塑炼效果比
表1 PVC木塑复合材料挤出工艺条件
料筒温度(℃)
一段 二段 三段 四段 (℃) (℃) 一段 二段 三段 (r/min) 180～185 170～175 160～165 160～165 165 160～165 160～175 160～165 155～160 15～20
过渡段机头模具温度(℃)螺杆转速
平行双螺杆挤出机要差。与一般锥形双螺杆挤出机相比，用于木塑复合材料的锥形双螺杆挤出机要求对木纤维切断作用少，在树脂少时物料仍能混合均匀。由于木粉比重小、填充量大、容易降解，所以需要加大螺杆加料段长度和直径，减少计量段长度和直径。国外生产这种设备的主要有Cincinatti Milacror公司和DURA公司[16]。
(3）串联式磨盘螺杆挤出机：串联式磨盘螺杆挤出机将单螺杆挤出机和磨盘挤出机进行了科学组合，不但具有单螺杆挤出机结构简单、挤出压力大、可以承受较大的扭矩等特点，而且还具有磨盘挤出机较强的破碎、分散、剪切、混合等特点，另外还有较强的排气能力和强制喂料装置，比较适合木塑复合材料一步法挤出。串联式磨盘挤出机主要由传动系统、加料系统、挤压系统、冷却润滑系统等组成。挤压系统主轴上安装了加料段螺杆、可以随主轴一起旋转的动磨盘、螺纹元件和挤出段螺杆，定磨盘安装在料筒上。物料首先通过料斗进入螺杆中，通过加料段螺杆旋转作用向前输送并被压实。此时物料达到熔融温度，然后在磨盘强烈剪切、混合和压缩作用下，物料进一步破碎、混合、分散和剪切，物料此时已完全熔融。熔融体在螺纹作用下，在排气口把气体排尽。脱气后熔体在挤出段螺杆作用下，通过机头使熔体连续挤出。
木粉在200℃左右就会降解，较蓬松，填充量高，熔体粘度大,且磨盘挤出机有较强破碎、分散、剪切作用，在挤出过程中会产生过量剪切热，所以在生产木塑复合材料时，必须对磨盘挤出机螺杆进行必要调整。选用沟槽数目少、形状简单的磨盘以减少植物纤维被剪切次数；在磨盘上设计可以调节磨盘距离的装置，减少磨盘间距离以减少剪切热；在定磨盘上增设液体冷却装置，控制熔体温度等。其设备主要有北京化工大学特种挤出中心自行开发研制的串联式磨盘螺杆挤出机。张金斌等[24]对木塑复合材料制品一步法挤出成型技术进行了研究，结果表明:各种加工设备各有优缺点，同向旋转平行双螺杆挤出机分散性好，产量高，但不适合加工剪切敏感的产品；异向旋转平行双螺杆挤出机虽然适合加工剪切敏感的产品，但产量较低，分布混合能力较差；锥形双螺杆挤出机适合加工剪切敏感的产品，加料特性良好，但产量低，混合效果差；串联式磨盘挤出机具有高扭矩、大功率挤出、建压能力强、其组合式磨盘螺杆结构分散、混合性能卓越等优点，但加料特性较差。
2 木塑复合材料的发展趋势
虽然木塑复合材料具有木材和塑料单独使用时许多无法比拟的优点，但木塑复合材料还是存在某些缺点，如耐热性不好、冲击强度不高、密度较大等。这些缺点限制了木塑复合材料的应用。为了改善其缺点，木塑复合材料今后的研究重点将沿着以下几个方面：(1）改善木塑复合材料界面相容性[25]：由于木粉主要成份是纤维素，含有大量羟基，极性很强，大部分热塑性树脂是非极性的，两者相容性很差，所以木塑复合材料随着木粉加入，各种性能将随之变差，特别是冲击强度。随着改性机理研究和新界面相容剂的出现，木塑复合材料界面相容性和性能一定会得到很好改善。
(2）减少木塑复合材料密度[26]：木塑复合材料密度大约为实木的两倍，所以必须对木塑复合材料进行发泡，这不但可以使其变轻，同时可减少原料消耗，降低产品成本，而且由于微小气泡存在，阻止了裂纹发展，对提高材料冲击强度有一定帮助。
(3）木塑复合材料挤出工艺和设备的研究：木粉比较蓬松，易吸水和降解，填充量大，使得木塑复合材料在挤出过程中存在易架桥、流动性差等缺点，所以研究适合木塑复合材料的工艺和设备非常必要。
(4）向功能复合材料方向发展：在木塑复合材料配方中加入一些助剂，可以使其具有耐磨、耐候、耐老化、阻燃等性能，这对拓宽木塑复合材料应用有帮助。
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销往日本、韩国、中国台湾省等地，内地很多消费者不知道有这样一种产品，相比而言，竹炭在日本、韩国、中国台湾省等地就极流行，已经成为居家的生活用品。应该针对目前家具装修与水污染等诱发的疾病问题，突出宣传竹炭净化水质与空气的功效，慢慢地让竹炭走进千家万户，使竹炭业尽快发展壮大起来。
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