木塑复合材料的性能及其在建筑模板中的运用

木塑复合材料顾名思义,是由木材和塑料复合形成的高分子复合材料。上世纪60年代,木塑复合材料在国际上被提出和开发,且在发达国家中被广泛应用。其木质材料是由植物纤维构成,不需要直接从木材中进行提取,可以通过提取人工速生林木材或者其他非木质植物的纤维来作为
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  木塑复合材料顾名思义,是由木材和塑料复合形成的高分子复合材料。上世纪60年代,木塑复合材料在国际上被提出和开发,且在发达国家中被广泛应用。其木质材料是由植物纤维构成,不需要直接从木材中进行提取,可以通过提取人工速生林木材或者其他非木质植物的纤维来作为主体材料,甚至可以利用它们的加工废弃物等;另外还包括非木质植物种类如废弃塑料制品、秸秆、麻纤维、部分农作物和水果的废弃部分等。通过这几种环保材料复合而成的木塑复合材料相比于传统的以木材为主的建筑材料来说,具有更好的耐水性与稳定性;而相比较塑料而言,其热稳定性及力学性能得到了提升。它的开发不仅有效解决了废弃塑料的处理问题,缓解了我国对于废弃塑料处理的压力,并且很好地将塑料和木材存在的缺点解决,使它们在复合材料中能够更好地发挥作用。

  1 木塑复合材料

  1.1 木塑复合材料的特点

  木塑复合材料的主体组成材料是塑料和植物纤维,对于复合材料来说,主体材料的特性能够对复合材料产生直接的影响。根据需求以及所需材料的性能和成本,稻壳和聚丙烯(PP)成为了开发木塑复合材料的主体材料。之所以选择这两种材料作为主体材料,是因为稻壳在中国的产量极大,来源范围极广且成本低,在与其他材料的竞争中有很大的优势。PP是一种很常见的塑料,但相比于其他种类的塑料来说,其耐热性和延展性均优于其他种类。

  另外,由于我国对塑料制品的需求极大,从而导致废弃的塑料越来越多,而将PP作为木塑复合材料的主体材料后,可以从废弃塑料中进行提取以及再利用,既起到了环保的作用又降低了成本[1].

  1.2 稻壳及PP性能

  1.2.1 稻壳纤维的性能

  1.2.1.1 吸湿与溶胀性纤维在与空气中的水蒸气接触时,会产生吸湿和溶胀现象。这是因为纤维分子中含有羟基,该羟基有极强的亲水性,而纤维大分子中含有多个葡萄糖基,每个葡萄糖基都含有三个羟基,从而导致了纤维分子的强吸水性。

  1.2.1.2 碱和酸的作用纤维与碱之间非常敏感,当纤维与空气接触时,纤维里的纤维素能与空气里的氧元素发生氧化反应,而同样与空气接触的碱能对它们之间的氧化作用起到催化的功效。而酸在与纤维接触时,酸能对纤维素的水解过程起到催化作用,并使纤维的增强功效降低。

  1.2.1.3 光热、和微生物的作用纤维也可能会受到自然条件的影响,强烈的日光和大气会对纤维进行氧化和裂解。当温度低于100℃时,纤维在热作用下比较稳定,当温度超过临界点时,纤维的稳定性会随着温度的升高而下降。

  且当作用时间延长时,纤维将会有严重的热退化现象产生,并伴有一定的氧化与水解反应。一般的纤维,在几小时之内并无明显变化,但时间一长就会产生反应。若是有水元素存在,则会加快各种反应。

  当温度升高时,纤维会产生剧烈的分解作用,并逐渐炭化。另外,微生物细菌等也会对纤维产生作用,将纤维水解成简单的糖分。

  1.2.2 PP塑料的性能

  PP对于蒸汽和沸水的耐受性极强,这个特性在作为混凝土模板组成的情况下具有决定性的作用,也是其能被用于复合材料的重要特性之一。此外,PP还具有不易老化、绝缘性能强及耐腐蚀等特性。

  1.3 木塑复合材料的制备

  木塑复合材料是由塑料和植物纤维复合而成,其中植物纤维是非熔融性的材料,而塑料是可熔融的高分子聚合材料,这两者的混合需要极高的条件。首先,需要将塑料的温度控制在高于分解温度且低于黏流温度的区间内。在此条件下,由于塑料的黏度降低,且没有分解,因而使植物纤维分散的阻力降低,在这样的条件下通过外力的作用,可使塑料材料和植物纤维材料进行充分的融合,双方互相渗透,完成复合。

  2 木塑复合材料的性能

  木塑复合材料中由于植物纤维与塑料为互不相容的两种材料,因此必须添加相应的增容剂。增容剂包括偶联剂和反应增容剂,考虑到材料的性能要求,选择并用方式。偶联剂选择钛酸酯偶联剂;反应增容剂选择马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH),其与PP不仅具有良好的相容性,而且其分子键上的马来酸酐基团在与稻壳粉混合过程中,可与稻壳粉表面的羟基发生化学反应,产生的界面化学键结合改善了相容性,从而提高木塑复合材料的性能[2].

  2.1 稻壳粉用量对复合材料力学性能的影响

  表1为两种材料不同比例时复合材料的性能情况。从表1可以看出,当稻壳粉与PP的比例在3:2的时候,复合材料的静曲强度最高,而弹性模量、拉伸强度以及冲击强度都比较高,综合性能较好。因此,本研究选择3:2的质量比,这既保证了质量,又降低了成本。而且还可以从表1看到,随着PP用量的增加,复合材料的拉伸强度和冲击强度也随之升高。

  2.2 偶联剂对复合材料性能的影响

  植物纤维本质上就是植物体内的细胞,和普通的细胞一样,也是由细胞壁和细胞腔构成。细胞壁分为两部分,一部分是初生壁,一部分是次生壁。初生壁由原纤构成,但在细胞壁里呈不规则排列,因此存在着些许空隙,而这些空隙就由其他元素填充,如果胶、木质素等。次生壁则是由纤维素大原纤构成,这些纤维宽窄不同,含有大约70根左右的纤维素分子,这些分子之间由其他元素相连,并对架构产生了一些影响。稻壳粉含有吸水性极强的羟基基团,有很强的亲水性,PP则有很强的吸油性,因此并不能对二者直接进行混合,需要一些助剂来进行改性。

  本实验选择了三种偶联剂对复合材料进行改性处理,结果见表2.从表2可以看出,当使用偶联剂时,冲击强度和弹性模量明显增大,但静曲强度减小。因此,偶联剂可在一定程度上改善材料性能。

  2.3 增容剂对复合材料性能的影响

  在复合过程中,由于分子之间的作用,致使稻壳粉很容易聚集在一起,不易分散;而且这两者不相容,在极性上几乎呈相反态势,因此需要使用合适的增容剂,来提高两者之间的相容性。
  
  2.4 增韧剂对复合材料性能的影响

  稻壳韧性较低且相对比较脆弱,而PP具有高结晶度,坚硬且耐热,但也存在其他一些缺点,如质地较脆等。因此,增强材料韧性成为了一个重要的课题,而且增韧的主要对象是PP.实验选择了三种增韧材料--高密度聚乙烯(HDPE)、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)及胶粉来进行增韧改性对比试验,结果见表4.由表4可以看出,静曲强度和弹性模量是模板材料的两个重要指标,其质量好坏和这两个指标有着很大的关系,而弹性模量尤其重要。木塑复合材料弹性模量远低于其他建筑材料,因此如何提高木塑材料的弹性模量,是亟待解决的问题。

  2.5 增强材料对复合材料性能的影响

  目前短纤维是主要的增强材料,选取三种纤维材料做增强改性实验,分别是石棉、尼龙及玻璃短纤维,所得试验结果见表5.从表5可以看出,玻璃纤维增强木塑复合材料的综合性能良好。
  
  3 木塑复合材料建筑模板的应用

  3.1 稻壳/PP建筑模板材料的制备方法

  稻壳/PP木塑复合材料采用高温炼塑机进行制备。首先将PP在炼塑机上塑化至透明状,然后混入改性稻壳粉、增容剂、加工助剂和防老剂,在炼塑机上混合均匀后即可下片,以便模压制样。稻壳/PP木塑复合材料的混合加工温度控制在180~185℃为宜:温度过低,PP未完全熔融,不易与稻壳粉混合,造成混合分散不均;温度过高,则造成稻壳纤维粉的高温氧化裂解变质,并出现发烟现象,使材料性能劣化[3-5].作为建筑模板的木塑复合材料,其韧性必须达到一定要求。由于是用在建筑施工上面,所以冲击强度与耐用度也应有极高的水准。此外,还要考虑到该种材料要长时间放置于户外,因此应具备优异的抗氧化性、耐腐蚀性及抗老化性。

  考虑到模板材料的回收利用,对稻壳/PP木塑复合材料进行热循环加工试验。在加工温度180~185℃下,反复循环加工1~5次后,材料的性能变化不大,其中第3次循环加工性能最好,并且保持良好热塑性加工性。分析主要原因是在混合到第3次时,材料的混合均匀性进一步提高,在第4~5次混合后,性能就基本稳定变化不大,由此证明该材料具有良好的热加工循环利用性能,有利于建筑模板报废后的循环利用。通过之前对两种材料各种性能的研究,并结合实际条件和科研水平,得到了一个相对合理的方案来进行木塑模板的研发。该方案具体为:稻壳粉:PP=60:40;防老剂1.0份;轻质碳酸钙3.0~3.5份;PP-g-MAH 3.0~3.5份;石蜡1.0~2.0份;硬脂酸1.0~1.5份;钦酸醋偶联剂1.0~1.5份。

  从工业化角度考虑木塑复合材料模板的生产,制定出以下流程方案:
  
  3.2 稻壳/PP复合材料建筑模板性能

  研制的稻壳/PP木塑复合建筑模板材料(普通型和增强型)的性能测试结果见表6,并与胶合板和塑料模板的性能进行对比。从表6可以看出,研制的稻壳/PP木塑复合建筑模板材料的主要力学性能指标均达到实验的设计值要求,是一种性能介于胶合板模板和塑料建筑模板之间的新材料,可以满足建筑施工业对模板材料的性能要求。

  4 结语

  稻壳/PP木塑复合材料中添加玻璃纤维,可以提高其力学性能。稻壳/PP木塑复合建筑模板材料是一种新型的模板材料,建议进一步开展木塑复合建筑模板材料的研究与开发应用,为我国建筑模板行业的技术进步作贡献。

  参考文献

  [1] 糜嘉平。 建筑模板与脚手架研究及应用[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2001.
  [2] 黄丽。 植物纤维/聚丙烯复合材料结构与性能的研究[D]. 北京:北京化工大学, 2001.
  [3] 杨庆贤,黄福迹,刘治生。 木塑复合材料建筑模板的研制[J]. 福建林学院学报, 1992, 13(3): 238-241.
  [4] 杨淑慈。 植物纤维化学[M]. 北京: 中国轻工业出版社, 2001.
  [5] 高洁,汤烈贵。 纤维素科学[M]. 北京: 科学出版社, 1996.

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