国内外木塑复合材料研究进展

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工程塑料应用 2011年，第39卷，第8期

国内外木塑复合材料研究进展

于 旻　何春霞

（南京农业大学工学院，江苏省智能化农业装备重点实验室，南京　210031）

摘要　对目前国内外木塑复合材料的木质纤维表面改性、界面相容性改性、助剂和老化性研究进展情况进行了综述，介绍了利用各种废弃物制备木塑复合材料的方法。

关键词　木塑复合材料 研究进展

（WPC）是利用热塑性塑料，包括聚乙木塑复合材料［1］

烯、聚丙烯、聚氯乙烯以及它们的共聚物等作为基体材料，用木粉、稻壳、秸秆等废弃生物质纤维作为增强相，通过一定的加工工艺生产的复合材料。WPC是现代材料工业发展前途光明的绿色材料，也是一项有生命力的创新技术，具有广阔的市场前景和良好的经济效益和社会效益。1　木质纤维表面处理

Ricardo JoséBrugnago等［2］研究了蒸汽爆破对甘蔗渣／聚酯复合材料的影响。 蒸汽爆破降低了半纤维素和酸溶木质素的含量，增加了酸不溶木质素含量。蒸汽爆破碱性溶液预处理的甘蔗渣纤维，可除去60%的酸不溶木质素。蒸汽爆破可改善复合材料的密度、热稳定性和吸水率。Guangping Hana等［3］研究了蒸汽爆破处理小麦秸秆的特性。蒸汽爆破处理后，秸秆大颗粒减少，纤维束增加。蒸汽温度越高、保持时间越长、纤维分布越均匀。经蒸汽爆破处理的小麦秸秆纤维pH值和酸缓冲能力大大降低，表面接触角变小，润湿性得到改善。Anupama Kaushik等［4］用蒸汽爆破的方法处理纳米麦秸纤维，纤维直径在30–70 nm。拉伸弹性模量随纳米纤维含量的增加而增大。复合材料防水性随纳米纤维含量增加而加强，当纤维含量大于10%时，纳米纤维发生团聚结块，防水性能下降。

区和晶区氢键发生重排，纤维素表观结晶度增加；纤维素内部及周围热蒸汽的高速瞬间流动，使纤维素发生一定程度的机械断裂，爆破破坏了纤维素分子间的氢键作用，使纤维素的渗透性和溶解性都得到了加强。

邓华等［6］研究表明，未经微波处理的秸秆纤维，平均粗糙度（Ra）为（86.7±6.335） nm，均方根粗糙度（Rq）为（141.1±9.055） nm；经微波处理的秸秆纤维表面较粗糙，出现许多细小孔洞，Ra为（445.0±28.14） nm，Rq为（558.9±33.458） nm，微波辐射处理前后秸秆纤维的表面形态差异较大。

未友国等［7］制备了橡胶发泡复合材料，经微波处理后的植物纤维形成大量微隙与孔洞，比表面积显著增大。刘荣榕等［8］用微波处理木粉制备PVC／木粉复合材料，当松木粉经微波辐照处理后，木粉内的水分迅速生热汽化，对细胞壁产生蒸汽压力，当蒸汽压力增至细胞所能承受的最大极限时，细胞的薄弱组织因蒸汽的压力而发生破坏，如纹孔膜等。与未处理木粉相比，微波处理的木粉比PVC复合材料的冲击强度提高13.79%–28.41%；拉伸强度提高5.87%–27.14%。

a—处理前； b—处理后

图1　木粉经过蒸汽爆破处理前后的SEM照片［4］

国内刘荣榕［5］的研究表明，未处理的木纤维表面较光滑，经过蒸汽爆破处理的木纤维表面粗糙，出现裂纹、裂片和小孔。蒸汽爆破处理时，渗入纤维素内部的热蒸汽水分子气流迅速膨胀，纤维素的微纤和晶胞间产生摩擦碰撞，无定形

a–未处理木粉（×1000）；b–微波处理木粉（×600）；

c–微波处理木粉（×1000）

图2　木粉经过微波处理前后的SEM照片［8］

收稿日期：2011－05－08

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用微波处理经丙烯酰胺水溶液浸润的木粉制备的PVC／木粉复合材料，力学性能得到进一步提高；傅里叶变换红外光谱分析和扫描电镜分析表明，丙烯酰胺在木粉表面发生接枝反应，木粉与PVC的界面连续性变好，两相相容性提高。

胡圣飞等［9］研究了甲基丙烯酸甲酯（MMA）在微波作用下改性稻壳粉。MMA在微波作用下能与稻壳粉表面羟基发生作用生成一种以稻壳粉为核、聚甲基丙烯酸甲酯为壳的改性体，能明显降低稻壳粉吸水率及复合材料吸水后的膨胀率，MMA改性稻壳粉的复合材料吸水后冲击强度、拉伸强度比用钛酸酯偶联剂处理分别提高17.6%与32.2%。

李芳等［10］对木粉进行高温水蒸汽处理，研究不同蒸汽压力对木粉结构及WPC性能的影响。高温蒸汽处理使木粉纤维结晶度提高，pH值下降，WPC的静曲强度、拉伸强度、弹性模量分别提高了7.85％、12.49％和34.48％。姜志宏等

［11］

复合物体系中加入马来酸酐接枝聚丙烯（PP-g-MAH），可起到增容的效果，且随PP-g-MAH用量增加，复合物的拉伸强度和冲击强度持续增高。PP-g-MAH的加入对PE的结晶和熔化行为无明显影响。刘婷等［16］以马来酸酐（MAH）、聚乙二醇（PEG）、烯丙基磺酸钠（SAS）等为原料，通过自由基共聚合成含柔性链且具有亲水和亲油基团结构的水溶性超分散剂，研究不同柔性链段、不同用量的超分散剂对剑麻纤维（SF）／聚丙烯（PP）力学性能的影响。超分散剂用量为3%时，SF／PP的冲击强度达22.09 kJ／m2，比未经超分散剂处理的SF／PP提高了40倍。

MAH增容剂对复合材Daniel P等［17］研究了麦秸用量、

料结构、吸水性能、热性能和力学性能的影响。MAH增容剂能明显改善力学性能；麦秸用量及纤维尺寸是影响吸水性能的主要因素。C.Ravindra Reddy等［18］的研究结果表明，弯曲弹性模量和防水性能随增容剂PP-g-MAH含量的增加而增大，加入增容剂能有效改善基体与增强体之间的界面。粘土作为另一种增强体对复合材料弯曲弹性模量和吸水性能影响甚微。Youssef Habibi等［19］在不同木质纤维制备的WPC中加入MAH-LDPE增容剂，获得了较好力学性能和相容性。纤维化学成分组成（木质素、纤维素、半纤维素）对复合材料

［20］

的力学性能影响显著。Suhara Panthapulakkal等用麦秸秆、

用氯化苄对木粉进行改性。苄基化杨木粉与聚乙烯可形

成稳定均匀的界面层，木粉在基体中分散均匀，融合良好，有良好的界面相容性，木粉的苄基化可用于WPC的改性处理。Qin Lijun等［12］研究了丁基丙烯酸盐改性稻秸秆纤维－聚乳酸（PLA）复合材料的力学性能和热性能。改性稻秸纤维／PLA复合材料的拉伸强度比未改性复合材料增加6 MPa，防水性能优于未改性复合材料。钟鑫［13］比较了木纤维经硅烷偶联剂和NaOH溶液两步表面改性处理与仅用硅烷偶联剂进行表面改性的PVC／木纤维复合材料的拉伸强度，单纯使用偶联剂对木纤维表面进行处理达不到最佳效果，NaOH处理可提高复合材料的力学性能，15% NaOH溶液处理后，复合材料的拉伸强度最好。20% NaOH溶液处理后，复合材料的断裂伸长率、拉伸弹性模量、冲击强度均较用硅烷偶联剂改性的复合材料好。2　基体界面相容性

柴希娟等［14］采用熔融共混法制备二次植物纤维／废渣粒子混杂增强废地膜WPC，研究了增容剂马来酸酐接枝聚乙烯（PE-g-MAH）对WPC性能和结构的影响。PE-g-MAH是共混体系的良好增容剂，PE-g-MAH的加入显著提高了共混体系的力学性能。ATR和DSC分析表明，PE-g-MAH的加入有效改善了混杂共混物的界面粘着力，提高了基体的结晶程度。王勋林［15］通过对废旧聚乙烯（PE）膜回收料进行改性，制备了热塑性弹性体和WPC。实验表明，在回收PE／回收胶粉共混物中加入过氧化二异丙苯（DCP）能起到增容的效果。随DCP含量增加，共混物的拉伸强度持续增加，断裂伸长率开始时增加，DCP含量达到0.2份后，断裂伸长率减小。100%伸长时的永久变形量也随DCP含量增加而减小。DCP的加入提高了结晶开始温度和结晶温度，降低了体系的结晶度，对熔融行为无明显影响。在回收PE／木粉

玉米秸秆、玉米穗增强高密度聚乙烯制备WPC。纤维含量越高，试样吸水性越高，添加增容剂可以降低吸水率。不添加增容剂的试样，吸水后弯曲性能下降显著。Alireza Ashori等［21］将PP-g-MAH作为增容剂制备废旧木／纸复合材料，由于废旧报纸纤维（RNF）含有大量的纤维素，RNF质量分数越高，材料在浸泡期内吸水率越大。PP-g-MAH可改善纤维－基体界面，对吸水率和厚度膨胀率产生有益作用。3　各种助剂对WPC性能的影响

李珊珊等［22］研究了阻燃剂聚磷酸胺（APP）用量、木粉用量、APP与季戊四醇（PER）复配比例对PE基WPC阻燃性能的影响。APP对WPC的阻燃规律与对塑料的阻燃规律不同，WPC中的大量木粉对APP的阻燃有明显的协同作用，PER的协同作用不显著；随着APP用量或木粉用量的增加，WPC的氧指数（LOI）显著增加。TGA和SEM分析表明，燃烧后残炭量增加和膨胀发泡是APP在WPC中具有阻燃性的主要原因。刘迎涛等［23］用新型高效阻燃剂FRW研制阻燃刨花板、阻燃胶合板和阻燃中密度纤维板，力学性能和阻燃性能都可达相关标准。FTIR分析表明，FRW阻燃中密度纤维板的制板工艺条件对FRW阻燃剂的组成和组分分子结构、性能未产生任何负面影响。

高巧春等［24］在WPC中加入AC发泡剂，随着AC发泡剂用量的增加，复合材料的密度降低，冲击强度先增加后降

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低，拉伸强度急剧降低；发泡剂用量为2.5份时，密度最低，冲击强度最高，为6.4 kJ／m2。涂芳等［25］制为0.90 g／cm3，

备甘蔗渣／LDPE发泡WPC。发泡剂使WPC密度降低，发泡剂用量为1.0份时，材料密度降低了近30％，化学发泡法可有效减轻材料的自重；冲击强度提高了近20％；虽然发泡造成拉伸强度和弯曲强度的降低，但由于发泡后密度也降低了，所以其比强度反而得到了提高。刘晓航等［26］在再生PS／废旧ABS／HDPE／木粉复合材料中加入SBS弹性体，适量的SBS可起到良好的增韧作用。当SBS用量为15份时，复合材料的冲击强度由1.7 kJ／m2增至3.1 kJ／m2，复合材料的拉伸强度、弯曲强度及加工性能虽有下降，但降低幅度不大。引入SBS没有导致复合材料的密度增加，降低了复合材料的吸水率，使复合材料的综合性能得以改善。Omar Faruk等［27］将五种不同类型的纳米粘土加入WPC，表明纳米粘土类型的适当组合可显著改善HDPE／木粉复合材料的力学性能。

M.Muasher等［28］比较了不同受阻胺光稳定剂和紫外线吸收剂作为WPC光稳定剂的性能。在前250 h的照射下，木质素氧化生成对苯醌发色团结构，随着对苯醌结构的减少，氢醌导致漂白。高分子量双酯HALS能够长期控制材料褪色和泛黄的变化。添加苯并紫外线吸收剂在控制褪色方面对双酯HALS有增效作用。M.García等［29］在WPC中添加阻燃剂和稳定剂，木质纤维的加入明显提高了材料的力学性能。阻燃剂和光稳定剂的添加可改善材料的阻燃性和耐久性。在阻燃剂中添加APP或氢氧化铝材料可自动灭火。户外耐久性取决于光稳定剂和阻燃剂的配比，阻燃剂不利于户外耐久性。4　WPC的老化性

李大纲等［30］将WPC在户外阳光、户外潮湿和土壤三种环境中放置两个月、四个月、六个月后，材料表面变白或发黄。阳光对WPC的颜色影响最大，其次是户外自然干湿环境和土壤环境。在土壤和户外自然干湿环境中，材料出现发霉并有霉斑出现。户外潮湿环境对材料的弯曲性能影响最大，其次是阳光环境和土壤环境。周吓星等［31－32］选取材料破坏载荷的25%和75%两种应力水平，对放置在室内、阳光照射、户外自然环境和土壤中的木塑地板，进行疲劳／蠕变性能研究，结果表明，相同的加载方式，户外自然环境对材料疲劳／蠕变性能的影响最大，其次是阳光照射，最后是土壤；放置屋顶阳台曝晒2～6个月后，弯曲性能和抗蠕变能力下降，弯曲强度下降10.09～20.27%，2个月后，应变为室温时的1.4～1.9倍，4个月后，应变开始减小，为室温时的1.1～1.2倍，6个月后，由于温湿度和紫外强度下降，应变比室温时小。WPC的蠕变特性具有简单热流变材料的特点，遵从时间－

温度－应力等效原理。王林娜等［33］研究WPC在氙灯加速老化环境老化后的性能变化。材料老化后表面褪色，弯曲强度和弯曲弹性模量分别损失10％和20％，表面出现微孔和细小裂缝，表面细长物质增多。老化50 h后增多的细长物质为木粉，老化75 h和100 h后增多的细长物质为HDPE老化断链后的低分子物，老化后材料表面发生了氧化。张正红等［34］对4种聚氯乙烯WPC进行加速老化试验，随着老化时间增加，材料表面的破坏使木质纤维暴露出来，更易吸水，加速了材料老化。材料内部结构存在微细裂纹，材料分层是性能下降的主要原因，复合材料铅盐体系冲击强度和拉伸强度的保持率最高。选择合适的稳定剂、改性剂、着色剂、紫外光吸收剂及抗氧剂等，可抑制WPC老化。在木塑材料表面进行氟化处理或喷涂紫外固化透明涂料，可提高制品的耐候性。王乐生等［35］研究了温度变化对WPC弯曲性能的影响，PE／木粉WPC的弯曲强度在6℃左右达到最大值，当温度升高或降低时，材料的弯曲强度和弯曲弹性模量也降低；WPC的弯曲强度和弯曲弹性模量随着木质纤维含量的增加而增大，在木粉含量为65％时弯曲强度达到最大值。因此，可以根据使用环境的不同，选择合适的配方生产WPC。肖伟等［36］对WPC进行了冻－融循环材色和质量实验，两种复合材料明度随着冻融周期的增长而增大；复合材料色差随着冻融周期的增长而增大；复合材料的质量随着冻融周期的增长而减少。刘婷等［37］探讨了SF／PP复合材料的力学性能、热性能随热氧老化时间的变化规律，热氧老化后复合材料的冲击强度、弯曲强度和弯曲弹性模量随剑麻含量的增加而降低；复合材料中PP相的结晶速率、结晶度也有所降低，但复合材料的热稳定性基本没有变化。5　废旧材料制备WPC

李晶晶等［38］用回收的尿不湿边角料和废弃的牛奶盒分别与聚乙烯材料复合开发出新型的WPC，材料的吸水率和尺寸膨胀率都随着温度的增加而升至平衡，三个方向的尺寸膨胀率大小为：厚度>宽度>长度，耐水性能优良；三种材料的冲击强度高于传统WPC，弯曲强度和弹性模量与传统WPC接近，抗蠕变性能符合传统WPC的蠕变规律。宋卫东等［39］在WPC中加入粉煤灰，复合材料的弯曲性能随着粉煤灰用量的增加而提高，当粉煤灰的用量为10份时，材料的弯曲强度提高了5.1％。姚鹏［40］用废旧电缆料制备出合格的WPC，挠曲率为0.44%，最大等效应力为8.59×106 Pa，制得的托盘完全满足国标所规定的使用要求。王勋林［41］用废旧PP编织袋回收料制备WPC，随回收PP含量的增加，回收PP／PE共混物的拉伸强度和冲击强度迅速提高。

Guo Jie等［42］用废旧非金属印刷电路板为主要原料制备新型WPC，非金属的加入提高了弯曲强度和拉伸强度，减

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少了螺钉拔出强度。当非金属添加量为40%时，弯曲强度为23.4 MPa，拉伸强度为9.6 MPa，冲击强度为3.03 J／m2，螺钉拔出强度为1755 N，力学性能和热性能均符合WPC国标的相关规定。Han Seung Yang等［43］用废旧轮胎制备建筑隔音复合材料，复合材料的吸水率、吸水厚度膨胀率、弹性及弯曲性能均优于刨花板。Sumin Kim等［44］制备了木–纸浆复合材料，以10%的纸浆代替10%的木质，复合材料的力学性能接近木质复合材料，10%的干纸浆可代替木质制备绿色托盘。6　结语

在木质纤维表面处理研究中，蒸汽爆破、微波处理等处理方法越来越受到人们重视。相容性研究中，MAH及MAH接枝共聚物有良好的增容效果。阻燃剂、稳定剂、紫外光吸收剂等助剂的加入，拓宽了WPC的应用领域。使用废弃物制备WPC，拓宽了WPC的原料来源，为废弃物再生利用提供了新途径。

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DOMESTIC AND FOREIGN RESEARCH PROGRESS OF WOOD–PLASTIC COMPOSITE

Yu Min， He Chunxia

（College of Engineering，Nanjing Agricultural University， Jiangsu Provincial Key Laboratory

of Intelligent Agricultural Equipment， Nanjing 210031， China）

ABSTRACT The wood fi ber surface modifi cation，compatibility modifi cation，addition and aging compatibility studies at home and abroad were reviewed.The preparation of WPC using a variety of waste were described.

KEYWORDS wood-plastic composite materials, research progress