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木塑复合材料发展现状及展望
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聚乙烯(PE), 聚苯乙稀PS, 聚酰亚胺PI, 聚酰胺PA, PA66塑料(尼龙), ...
木塑复合材料(wood-plastics composites,简称WPC)是用木纤维或植物纤维填充、增强的改性热塑性材料,兼有木材和塑料的成本和性能的优点,经挤出或压制成型为型材、板材或其他制品,替代木材和塑料。木纤维塑料配混料研究已有80多年历史,但一直未能工业化,15年前左右,才很小量用于低值的吸声制品。由于环境观念的加强,美国建筑工业寻找象木一样的替代材料(不腐蚀、不翘曲、维修方便,外观与木材相似),而韩国和日本的纸、木材加工厂为寻找锯木粉、废木屑等的应用,都推动和加速了WPC的研究和应用开发。把木粉填充配混料加工成建筑和结构用型材是目前挤出行业最活跃的部门之一,新应用开发也层出不穷,所以尽管已有几十年的研究历史,但由于WPC巨大的潜在应用市场,使其象一种新产品受到人们普遍关注。不少国家投入力量加快开发和应用步伐,尤其是型材的生产,被称为是一个“热门”市场。

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发展WPC是越来越被重视的环境观念的结果,以往废木屑、边角料只能燃烧或作为固体垃圾处理,工业咨询家认为发展推动力来自合理利用地球有限资源的要求,减少原始木材用量,保护森林,回收再利用旧木粉和塑料。木纤维和植物纤维来源丰富、价廉、质轻,对设备磨损小,尺寸稳定性良好,电绝缘性优,无毒,可反复加工,能生物降解。木纤维有废木粉、刨花、锯木,植物纤维为粉碎处理过的稻杆、花生壳、椰子壳、甘蔗、亚麻、泽麻、黄麻、大麻等。热塑性塑料主要为PE、PP、PS等聚烯烃和PVC,包括新料、回收料和二者混合料。

中国是一个木材资源不丰富的国家,储量小,产量满足不了市场的需求。另外,自1998年2月开始,美国、加拿大和欧盟国家相继对我国出口货物的木质包装材料实施新的检疫标准,要求采取薰蒸或高温消毒处理,否则将拒绝入境,促进和推动我国采用木塑型材做包装用托盘为代表的制品发展。

性能

木纤维和植物纤维最初作为低成本、提高塑料刚性的改性填充材料,木塑塑料可充分利用资源,而且可回收利用,而材料能否回收利用已成为工业界选材的重要考虑因素,因而前景看好,主要特点可归结如下:

⑴ 耐用、寿命长,有类似木质外观,比塑料硬度高;
⑵ 具有优良的物性,比木材尺寸稳定性好,不会产生裂缝、翘曲、无木材节疤、斜纹,加入着色剂、覆膜或复合表层可制成色彩绚丽的各种制品;
⑶ 具有热塑性塑料的加工性,容易成型,用一般塑料加工设备或稍加改造后便可进行成型加工,加工设备新投入资金少,便于推广应用;
⑷ 有类似木材的二次加工性,可切割、粘接,用钉子或螺栓连接固定,可涂漆,产品规格形状可根据用户要求调整,灵活性大;
⑸ 不怕虫蛀、耐老化、耐腐蚀、吸水性小,不会吸湿变形;
⑹ 能重复使用和回收再利用,环境友好;
⑺ 维修费用低。

缺点是韧性低于塑料母体树脂,加工设备、下游装置、模具均需作相应调整和改造。

生产工艺

木塑复合材料最先使用的生产工艺是混炼,再热压(或发泡压制)成平板或模压成型材。现在的生产工艺以挤出成型为主,并辅以注射成型。世界木塑制品生产和应用的最大国家是美国,其最大制品是铺板(decking),生产工艺为挤出成型,可以先配混成中间塑木粒料,然后再经单螺杆挤出机加工成制品。然而可能的话,也可越过造粒阶段,配混和挤出型材(板材)在一个设备或一组设备内连续完成。

木塑材料(包括制品)的制备过程对WPC的性能影响很大,研究早就表明不合适的加工会引起不良的纤维分散和浸润,而过分的配混则会使纤维严重破损,都会导致降低WPC力学性能。另外,要防止过分剪切或高温产生糊料、烧焦等问题,一步法连续工艺若脱挥(主要脱水)不佳将影响工艺的连续性和使产品因有气泡而性能大幅降低。目前主要的加工设备为双螺杆挤出机,物料在加工中停留时间比较窄,使木塑材料的加工热历史尽可能相近。可分为同向平行双螺杆挤出机和异向锥型双螺杆挤出机。

◆ 同向平行双螺杆挤出机

塑木材料加工业称同向平行双螺杆挤出机为高速、高能耗“配混”型设备,一般为组合式螺杆,可调节螺杆长径比和构型(捏合块角度及其块数、不同捏合块组合方法),灵活设置脱气口,可以直接加工木粉或植物纤维,完成木粉干燥后与熔融的树脂混合再连续挤出,即木粉干燥和树脂熔融分开进行,因此往往是由双阶挤出机组成。但一般要求废木屑含水量为4%~7%,这种工艺要求有大量符合要求水含量的木粉,并在严格条件下运输和贮存,这种双阶挤出机称之为“木材用挤出机”。与此相类似的方法还有用含水6%~8%木粉加入挤出机主料口,挤出机前段作为脱水、脱挥装置,然后通过侧加料器加入塑料树脂、添加剂,因此挤出机相对长,长径比(L/D)可达44~48,其中2/3用于除水和脱挥。

美国Strandex公司在塑木复合材料建筑和结构加工设备方面居材料领先地位,已经进行了近10年的工作,已在美国、加拿大、日本发放了8个专利许可证,并看好在欧洲的应用前景,已与18家以上未来欧洲用户洽谈技术转让许可事宜。意大利ICMA公司有其挤出三层板的专利技术,美国Davis-Standard、Krupp W&P等公司也生产塑木加工用同向双螺杆挤出机。

◆ 异向锥型双螺杆挤出机

与“配混”型设备比,异向锥型双螺杆机被称之为低速、低能耗“型材”型设备,非组合式螺杆。与一般锥型双螺杆机比,为适应热敏树脂加工要求,有许多新的特点和要求,要求螺杆设计适应的加工范围宽,对木纤维切断少,树脂少时仍能均匀分散和物料完全熔融。由于木粉、植物纤维比重小、填充量大,加料区体积比常规型号的大和长。若木粉、植物纤维加入量大,熔融树脂刚性大,要求耐高背压齿轮箱,螺杆推动力强,采用压缩和熔融快、计量段短的螺杆,确保木纤维停留时间短,防止其断裂和劣化。

生产这种设备的主要为Cincinnatti Milacron 公司,包括在美国的Extrusion Tek Milacron公司,在德国的SMS公司Cincinnatti分公司。据称前者在WPC挤出机设计和工程化方面很有经验,实际投放使用的设备已超过100台,拥有世界最大的机型,加工能力为770kg/h。德国Cincinatti挤出机公司已公开展示其WPC用锥型双螺杆挤出机“Titan”系列产品。

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为获得感觉极似真木的木塑复合材料,且可承受螺钉和钉子,采用发泡技术产生的内压可以提供比非发泡材料更佳的表面清晰度和更光滑的表面轮廓。微孔发泡挤出技术的应用,大大节约了材料成木,且密度也降低了20%~35% ;其中可采用化学发泡和物理发泡,并以物理发泡为佳:即在机头模具注入超临界气体(如CO2而实现发泡。现在可以实现发泡料与表面层复合料的共挤,使材料具有优良的使用性能。另外,以聚苯乙烯/纤维为主材,由水作为发泡剂的木塑复合材料正在研究开发中。微孔发泡克服了木塑复合材料延展性和冲击强度不足之缺点,且成本降低。

近年来值得注意的动向是,在木塑复合材料的成型工艺方面,注射成型得到了迅速发展。木塑复合材料将逐渐广泛用于注射产品中。

全球应用和前景

北美是目前世界木塑复合材料市场最大的地区,产量节节攀升,2005年产量达到180万吨。其中铺板(包括平台、路板、站强台、垫板)用量就占总用量的60%以上。因其不开裂、翘曲,维修容易,外观好,耐用。除铺板外,还有护墙板、天花板、装饰板、踏脚板、壁板、高速公路噪音隔板、海边铺地板、建筑模板、防潮板;还可做装饰边框、栅栏和庭园扶手、包装用垫板和组合托盘; 家俱包括室外露天桌椅,船舶坐舱隔板、办公室隔板、贮存箱、花箱、活动架; 开发中的制品有披叠板、百页窗等。其它的被应用于工业、汽车和基本建设领域。

由于WPC是环境友好材料,尽管目前欧洲用量不大,但因为加工厂担心欧洲反对用PVC会由欧共体以法规形式有效地限用PVC,所以木塑窗框替代PVC窗框是个巨大市场和机会,因此有人认为木塑制品替代PVC和其他塑料制品会象以前塑料替代木制品一样,增长会相当快。在欧洲,WPC除了广泛应用于建材之外,突出的特点是应用于汽车工业。欧洲的汽车公司,包括大众、沃尔沃、奥迪、宝马等,在其生产的汽车里均采用了WPC。2005年,欧洲汽车工业消费的WPC达到7万吨,预计2010年将达到10万吨。由于汽车报废新法规的颁布,汽车厂家普遍对WPC良好的回收性表示出浓厚的兴趣。在欧洲,汽车的年产量在1600万辆左右,如果全部采用WPC,其需求量将达到8万~16万吨/年。

日本拥有WPC产业化的成套生产技术和设备,其制品广泛应用于水产养殖设施和运输业,特别是住宅建材领域。2004年,日本全国的WPC生产量已经超过20万吨。

近两年来,国内WPC产能方面的增长速度很快,年增长率高达50%以上。2004年,全国WPC产量在8万吨左右。专家们预测,在未来的10年内,我国WPC产量仍将以很快的速度增长,并发展成为一个年产量超过1000万吨,年产值达700亿元人民币的新兴产业。

总之,塑木复合材料是一种前景看好的环保型材料,加工技术将日趋成熟和多样化。

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美国推出新型木塑挤出机

美国Cincinnati Milacron公司最近向市场推出了其最新的TC96圆锥双螺杆挤出机。该机适用于加工木纤维和塑料合成材料,加工效率高,每小时产量达到1.18吨以上。

该挤出机独特的高压缩特性和低剪切力,使得它能够提供均匀一致的熔体,从而增加高纤维材料输入量达到70%以上,并可获得较广的材料加工范围,可加工天然和合成纤维混合料、对热和剪切力敏感的热塑性塑料等。TC96的最大螺杆直径为202毫米,锥形收缩到96毫米,具有30∶1的长径比,优化的送料表面可以提供更快速、更均匀一致的热量传输,锥形的螺杆为蓬松材料提供了一个快速送进区,并在加工过程中有自然压缩过程,可使木屑更有效地混合。

辛辛那提100条木塑复合材料生产线打入芬兰

奥地利辛辛那提挤出公司于今年5月间向基地在赫尔辛基的芬兰UPM集团提供了100条木塑复合材料挤塑生产线。

UPM集团制造各种各样的以木材为原料的制品,提供给家具和相关行业,供室内以及室外应用,例如,地板、面板和异型材等。它刚刚成功地生产了一种新的由纸、塑料和木片组成的复合材料,其中,木片是生产胶合板时产生的副产品。得益于这种混和而成的预浸料坯,所得到的复合材料强度极高,并能防潮,还能像木材那样进行各种加工。

为了加工这种复合材料,UPM集团使用一条辛辛那提挤出公司专门为适应木塑复合材料要求推出的挤塑生产线。作为WPC挤塑技术的先行者和当前市场的领导者,这家维也纳机器制造商在机器和加工技术方面具有极为丰富的专业知识。借助于它的Fiberex系列的锥形挤塑机以及与之匹配的下游设备,它提供真正为客户订制的解决方案。依靠持续不断的改进,辛辛那提挤出公司成功地将木材挤塑技术用于通常的异型材挤塑过程。

辛辛那提挤出公司强调指出,现在,甚至非对称的、高度复杂的异型材也能以双线加工,速度可达到5m/min。第一批批量生产的制品进入市场,证明木材挤出已经成为有利可图的行业, 在它成功引入美国市场之后,现在,在欧洲也有不断增长的需求。

原载国际塑料商情(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2006-11-5)
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