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开发超高填充塑木复合材料的意义

星期三, 10月 19, 2022

为了充分利用木质纤维可再生、碳中性、低成本和来源丰富的优势,通过提高木质纤维含量可达到降低塑木生产成本的目的,从而提高其在市场上的竞争力以及环境友好性。市售挤出成型的塑木中填充量可高达70wt.%,然而此类塑木中依然含有高达30wt.%的热塑性聚合物,不可避免会带来刚性较弱、易蠕变和热膨胀系数大等问题,严重制约塑木在尺寸稳定性要求较高的领域中应用,尤其塑木作为户外铺板、墙板等建筑材料使用时,受长期载荷的影响发生蠕变及受温度变化发生热胀冷缩现象,这都严重影响了塑木的在长期使用过程中的耐久性。在现有基础上,继续提高木质纤维含量,则是一条有效的解决策略,高含量的木质纤维不仅增强了消费者的视觉和触觉感受,而且带来了木材吸湿解析等特性,对进一步拓宽木塑复合材料的应用具有重要意义。

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木的临界木粉含量则取决于加工方式,注塑成型要求塑木熔体具有高流动性,并且与挤出成型和热压成型相比需要更高的温度与压力,因而其木质纤维含量往往不超过60wt.%,热压成型时不需要高流动性,文献报道可实现超过84wt.%填充量的塑木制备(利用各类热固性胶黏剂制备的人造板不在讨论之列),然而热压过程中没有单向流动,木质纤维与聚合物基体表现出随机取向,较差的混合塑化过程不可避免地导致均匀性较差和缺陷较多等问题,因而往往伴随着较弱的力学性能和长期耐久性,并且其生产更是难以实现连续化。

挤出成型则是目前塑木产业最常用的加工方式,与其他方法相比,挤出成型生产效率高、可连续化生产、混炼均匀、塑化效果好,此外木质纤维沿挤出方向具有一定的取向,在挤出方向可获得更好的增强效果。然而进一步提高挤出成型塑木的木质纤维含量十分困难,这主要受限于高木质纤维填充体系下的塑木 熔体粘度过高,使得 塑木熔体在挤出加工过程中出现不稳定流动甚至熔体破裂现象,并且有限的聚合物基体难以完全包覆木质纤维,现有的常用工艺和设备较难连续且稳定地制备高填充 塑木。此外,对高填充塑木熔体的类固体流变行为认识十分有限,缺乏系统的流变理论,这也是限制高填充塑木发展的重要原因之一。然而木质纤维之间有通过离子键、氢键、范德华力以及物理缠结等相互作用结合在一起形成稳定结构的潜力,因此,选择合适的聚合物基体和添加剂并控制加工工艺,理论上可以进一步提高塑木的填充量。

为了充分降低成本,增加环境友好性并获得良好的木质感,有研究以杨木纤维和毛竹纤维为原料,通过挤出成型制备超高填充聚丙烯基木塑复合材料(UH-塑木)。基于聚丙烯基体含量的大幅降低,本文对比分析了填充量和木质纤维种类对 UH-塑木 高低温力学性能、高低温蠕变性能、热膨胀性能、尺寸稳定性及吸水性能的影响。结果表明,随着填充量从75%增加到90%,其线性热膨胀系数大幅降低,蠕变应变逐渐减小而在90%时增大;拉伸模量和弯曲模量随填充量的增加先升高而后在90%时下降;拉伸强度、弯曲强度和冲击强度随着填充量增加的逐渐降低;在低温-30°C时UH-塑木的拉伸和弯曲性能较高,高温60°C时冲击韧性较好。温度、湿度及含水率变化均导致UH-塑木尺寸变化,其中厚度方向尺寸变化率最大,其次为宽度方向,长度方向最小,表现出明显的各向异性;湿度对UH-塑木 的尺寸稳定性的影响远大于温度的作用。杨木基UH-塑木 综合性能优于毛竹基UH-塑木,这与杨木纤维具有更大的长径比以及良好的界面结合有关。UH-塑木的研究为降低塑木生产成本和拓宽其应用领域提供了理论依据。

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