木塑复合材料的增强改性开题报告

全文总字数：4716字

1. 研究目的与意义

木塑复合材料（wood-plastic composites,缩写为wpc）主要是指以天然纤维(木屑、秸秆、稻壳、竹材、麻秆等)和热塑性聚合物(聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等)为原料，添加相应助剂，经过挤出、注塑、模压等方法制得的一种新型材料。木塑复合材料既能充分发挥材料中各组分的优点，又能克服因木材强度低、变异性大以及有机材料的低弹性模量等使用缺陷造成的使用局限性，并能改进材料的力学性能和加工性能，降低成本并扩大其应用范围，提高材料的附加值。由于其兼具木材和塑料的优点，使得木塑复合材料及其制品具有一系列独特的优良性质，既有木材美观的质感和可以二次加工，又有塑料的耐久性和可重复加工性能。木塑复合材料广泛利用农林废弃物（如废弃木材、农作物秸秆等）有利于保护森林资源，还可以将产生环境污染的废旧塑料充分利用起来，很好地解决了使用塑料产品废弃后所带来的一系列社会和生态问题。

目前，我国木塑复合材料成型的典型制品主要应用于：物流用托盘、铁路轨枕、建筑行业、内装饰件等其它方面，虽然外形美观，但是材料在使用过程中需要一定的强度。其强度主要包括拉伸强度，冲击强度，弯曲强度等。高强度的复合材料的应用领域和数量都将会更广泛。

目前，木塑复合材料的研究工作主要集中在对木纤维和塑料基体相容性的改进、提高界面粘接力、改善力学性能以及进行阻燃改性等方面。影响木塑复合材料的强度的因素很多，研究不同因素对木塑复合材料强度的影响，对于指导复合材料的成型加工过程有重要意义。

2. 国内外研究现状分析

1 主要原料影响强度的研究现状

塑料在WPC中主要起黏结填料和传递应力的作用。用于制备WPC的热塑性塑料主要有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物（ABS）、聚甲醛（POM）等。

Najafi等人在研究树脂与木粉各占50%的PP和HDPE基木塑复合材料的性能时发现，与HDPE 基木塑复合材料相比，PP 基木塑复合材料有更高的刚性和硬度，但无缺口冲击强度较低。孙晓民等人对不同树脂基木塑复合材料的性能进行了对比，指出PE基木塑复合材料的成本相对最高，其性能优点不明显；PP基木塑复合材料的成本次之，热变形温度高是其突出的优点；PVC基木塑复合材料的成本相对最低，弯曲刚性强是其突出的优点。肖亚航和傅敏士采用热压成型法制备了不同木粉用量的木粉/ABS复合材料。除常用的热塑性塑料外，聚乳酸（PLA）也被用作基体材料，王艳玲等人将聚乳酸和松木粉混合一起使用双螺杆挤出机制备出了木塑复合材料，应宗荣采用聚乳酸和杨木粉制备出了木塑复合材料。尽管与PP、PVC、ABS和尼龙相比PE的力学性能不佳，但是HDPE是木塑复合材料生产中最受欢迎的塑料。PP太过坚韧使得铺板安装时很难用钉子和螺栓作为固定连接件，而需要采用特殊的固定连接系统。PVC通常被看作是对环境不友好；其他聚合物则耐候性不好、脆性大或价格高。

2 增强材料的研究现状

增强材料的增强效应取决于增强材料与木塑复合材料之间的相容性，为提高相容能力，有些增强材料在使用前进行表面预处理。

2.1 纤维增强材料的研究现状

目前，木塑复合材料的研究中多采用纤维对木塑复合材料进行増强，纤维在复合材料中可以成为主要的承力沮分，使材料显示出比较高的抗张强度。目前常用于复合材料増强的纤维见表１。

表1 纤维的分类

天然有机纤维的优点是原料来源广泛，价格低廉，而且易化学处理；缺点是其成分比较复杂，加工过程中容易降解，强度跟木质纤维相差不大故增强效果不明显。而人工合成纤维与天然纤维相比综合性能有很大优势，正日益受到关注。

国内外很多专家学者己对不同种类纤维材料增强木塑复合材料进行过相关研究，也得了不少研究成果。

Ghaus M.Rizvi等采用玻璃纤维做木塑复合材的增强纤维，当纤维含量为５％时，复合材料的强度和模量有显著提高，但是电子显微镜观察显示，玻璃纤维和聚丙烯基体之间没有很好的粘附。

Kasama Jarukumjorn等学者也对玻璃纤维增强剑麻纤维／聚丙締复合材料进行过研究，结果显示玻璃纤维的加入提高了复合材料的拉伸强度、弯曲强度和抗冲击性能，但拉伸和弯曲模量未变，此外还改善材料的耐热性和耐水性。

南京航空航天大学和香港科技大学的崔益华等对玻璃纤维增强高密度聚乙稀基木塑复合材的增强机理进行过探讨，结果表明玻璃纤维的长径比是影响复合材料为学强度和模量的主要因素，呈Ｌ型、长径比较长的玻璃纤维可同时提高材料的冲击强度、弯曲强度和弯曲模量。主要原因是三相间交织成三维网络结构，使各材料的增强效果得到累加。

秦志国和杨晓雄等人都对玻璃纤维增强木塑复合材料的性能进行了研究。研究结果表明：采用长径比较大的玻璃纤维可以增强木塑复合材料的弯曲强度、弯曲模量以及冲击强度；反之呈下降趋势。适当的玻璃纤维含量能提高材料的力学强度，但存在极值点，含量超过极值点后会引起材料性能的降低。

价格便宜、储量丰富的温石棉纤维也被用来作为增强纤维，温石棉纤维的加入显著提高了木塑复合材料的力学性能，増强效果和玻璃纤维类似。

郑玉春等将温石棉纤维与聚丙稀、木粉共混，热压成型。实验结果表明：加入温石棉纤维后，木塑复合材料的力学性能得到大幅度提高。温石棉纤维含量为15%时，木塑材料的弯曲强度提高，冲击强度提高，拉伸强度提高，与玻璃纤维增强木塑复合材料的效果相当，但温石棉纤维使用的安全性仍存争议。

Chen,J.X等用12mm的玄武岩纤维增强WPC。12mm长的玄武岩纤维最佳添加量为15%-30%,此时复合材料的拉伸和弯曲强度明显提髙；当12mm长的玄武岩纤维的添加量超过30%时，纤维分散不均匀，复合材料的力学性能较差。纤维的添加量不同，得到的复合材料性能也不同。

关苏军等人利用玄武岩纤维増强木塑复合材，对力学性能进行研究，结果表明，和普通木塑复合材相比，一定质量分数的玄武岩纤维可以显著提高了材料的弯曲强度、冲击强度和拉伸强度，而断裂伸长率略微降低。理论方面提出了＂弱端面＂理论，用以解释玄武岩纤维含量与复合材料的学强度之间存在最大值现象。

东北林业大学的欧荣贤等研究了芳纶纤维的増强作用，用氢氧化钠（NaOH）活化表面接枝改性芳纶纤维，然后添加到木塑复合材里，复合材料的弯曲和拉伸性能、高抗冲击性同时提高，并已申请专利。

龚丽等分别用经和处理后的纤维来增强木塑复合材料，结果表明，改性处理可以提高纤维与间的界面结合力，从而提高木塑复合材料的弯曲强度和储存模量，改善其耐水性，但改性处理液浓度不宜过大。

Zhang Yongcheng等将碳纳米纤维（加入到聚丙稀木塑复合材料中，MAPP作为偶联剂，比较了在混料方式不同时，1%的CNF对复合材料弯曲性能的影响。研究发现，当物料只使用高温剪切共混时，1%的CNF的加入会提高材料的弯曲强度；而当物料使用高温剪切共混和螺杆熔融共混时，在保证木粉与间的界面结合情况下，1%的CNF的加入可以提高材料的弯曲模量。

Jamal Mirbagheri等用红麻纤维作增强材料添加到木塑复合材料中研究其对木塑复合材料的弯曲强度和模量的影响，结果表明加入红麻纤维能有效改善复合材料的弯曲性能。

赵永生等人指出，同为60目的木粉，云杉木粉比杨木粉有更多的细胞腔裸露在表面，木粉与塑料的界面接触更充分，因而用云杉木粉填充的木塑复合材料力学性能较强。

尽管对各种纤维素填料进行了研究，但还是只有很少的填料能用于商业化WPC材料，如铺板。商业化铺板中两个主要的纤维素填料仍是木粉和稻壳。而洋麻的天然长纤维因价格昂贵不能用于复合材料铺板，除非这类纤维是无用的副产品。有很多关于稻壳作为纤维材料被用于同PE、PVC以及HDPE混合生产木塑复合材料的研究，其中林建国和岑兰在稻壳与PE、稻壳与PVC 的不同实验中分别得出稻壳与木粉等按比例混合所制备的木塑复合材料性能最佳的结论。Yao 等人采用稻草的不同部分（稻壳、稻叶、稻秆和全稻）与回收和新的HDPE 制成木塑复合材料，结果表明，稻壳的储存模量最低但抗冲击强度最高，而其他三种力学性能指标区别不大。

2.2 纳米増强材料的研究现状

除纤维形态増强材料外，无机纳米材料也被探索用于木塑复合材料的增强相。北京化工大学的学者研究了蒙脱土填充木塑复合材料，研究表明，添加经过表面接枝改性的蒙脱土（质量分数为1.5％），木塑复合材料的抗蠕变性和弯曲性能最好；同时用硅烷偶联剂对木粉和蒙脱土进行表面接枝改性，可以改善其界面相容巧和力学性能。

南京航空航天大学的学者用纳米氧化锌（ZnO）作为木塑复合材的増强材料，结果表明，经过偶联剂处理的纳米氧化锌（ZnO）可以较好地提高材料的熔体流动速率和冲击强度，却没有影响拉伸强度。

还有学者用原位复合纳米二氧化娃（SiO₂）对脲醛树脂进行改性，采用真空加压浸渍方法制得的木塑复合材料，其压缩强度、耐水性、增重率显著提高。通过扫描电镜和傅里叶红外光谱分析得知，木材基体和改性脲醛树脂间发生了化学作用，因此増强了木塑复合材料的力学性能。

此外，也有学者研究改性剂用量、纤维处理温度、纤维用量等对甘蔗渣／聚氯乙烯复合材料的力学性能的影响，显示复合材料的拉伸强度有显著提高；用短切竹玻璃纤维的添加可以使复合材料的模量提高10％左右，拉伸强度和弯曲强度提高7－25％，耐水性能也相应増强。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容

（1）、对增强材料进行制备（或购买）、筛选、称量、标记等准备操作。

（2）、利用高速混合机机对木粉进行改性。添加聚丙烯塑料、稳定剂、润滑剂等各种添加剂，对配方进行均匀混合。

4. 研究创新点

利用双螺杆挤出机，注塑机，平板硫化机，万能电子试验机等多种仪器全方位测定改性后的材料的各类性质，使材料在各方面都符合再利用的要求。对于塑料的回收而言本来就是一项有意义而富有创新精神的研究。