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塑料挤出机 |
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木料也可被挤出 |
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作者：Dirk Kaczmarek和Johannes Wortberg 来源：PT现代塑料 |
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对于塑料的增强来说，除了传统的玻璃、芳香尼龙纤维和碳纤维以外，天然纤维正得到越来越多的应用。在许多情况下，木纤维和木屑填充的塑料可以是天然木料或中密度纤维板的不错替代物，它们也能开辟更为广阔的市场。木纤维与热塑性塑料一起被利用，以生产多种多样的型材产品。木料的比例可高达90%。 
图1. 木塑复合物的应用有家具、窗座和各种带
任何所期望的剖面都能由一个生产步骤通过挤出生产出来，无需任何后加工，这意味着在生产中也可以实现成本优势（图1）。本文对这种有意思的材料组合进行综述，几年以来它已经有了全新的提升。
昔乃添加物，今为主成分
在加工热塑性聚合物时，木料和其它天然纤维与无机填充物和增强纤维相比，具有很多的优点。它们更轻，粘着可能性更低，当然材料是可更新的。例如，木屑可用作填充物来削减材料成本，但它也能用来改善强度或不受温度影响的尺寸稳定性。不利的方面是重量有所增多。
木料与热塑性塑料的结合不是新玩意，但依靠新技术，木料已经由简单的添加剂，发展到承担起主成分的角色，具有全新的性能和可能性。木料挤出在美国已经被利用有几十年了，但与塑料挤出和全木料加工相比，并未赢得一个很大的市场规模。八十年代初期，以汽车业的内饰件开始了商业性应用，从那时起不断发展。首次国际性木塑复合材料研讨会于1991年在美国麦迪逊举行。从1990年到2000年，美国市场壮大约在135%左右，特别是在最近五年发展显著。
欧洲人挤出木纤填充型热塑料可追溯到1977年。然而在那时木料含量仅为30%。在时间进程中，这个比例有了大幅的攀升。
“液体木料”这个用语有时被错误地用于成型木料。液体木料被用来描述利用木质素作为基本成分的材料。将木质素与天然纤维混合在一起并加热产生出能承受进一步加工的纤维复合材料。
木料面临的新竞争
木料挤出将两种材料的优点非常有效地结合在一起。在木料的正面性能和塑料技术中用到的各种经济型加工方法之间获得了一种协合作用。然而，必须考虑到木纤材料型材的性能不能与聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）或聚氯乙烯（PVC）材料的性能相比。也就是说，就窗框型材用PVC的显赫地位而言，木纤材料不会改变什么。木料挤出更多的定位于迄今被木料或中密纤维板等传统材料所涉及的市场。
木纤型材的表面可以被镶饰、涂漆或喷涂粉末。而且，这种产品可以象木头一样被钉钉、打螺丝、钻孔或刨平，或者象热塑性塑料一样被定形和成型。木料型材的应用范围有着巨大的区别。典型应用有建筑业中的装饰件和百叶窗板、篱笆、房顶地板等（图2）。隔音是另一个潜在用途。例如木纤型材已经被用于整扇门、门框和线缆导管。还有倾向于色彩变化的趋势。
图2. 阳台板、栏杆、篱笆、地板等的应用
低水平的动态提高
木料挤出现在的年增长率达到了25%左右，北美市场是最为重要的。这里约有20家制造商正在一个快速发展的市场中竞争，并主要是从事户外应用的产品。
但是在已有生产能力和实现产能之间做出区别。例如美国在1998年有10万吨材料被挤出，而已有生产能力约40万吨。整个美国木塑复合物市场只占整个木料生产的1%以下。
与美国的生产率相比，日本的绝对产出率看起来要很一般。欧洲和德国已有生产能力的数据只是很粗糙的指导性数值。
不贵的原料
各种木质原材料之间可以有着很大的区别，例如在它们的实际形态、拉伸强度或百分含量等方面。
材料成本与加工量、配方、当然还有材料本身有关系。所以不可能做出任何泛泛评论，但是这些产品的竞争力仍可靠这些例子表现出来：
◆ 木纤特别适合于挤出，价格约为0.2欧元/公斤；
◆ PP约1欧元/公斤，添加剂约2-5欧元/公斤；
◆ 所以每公斤复合料的整体价格低于0.5欧元/公斤。
热固料和热塑料（尤其是PE和PP）是与木粉结合物的传统基材。但是有大量以淀粉基材为基础的新成果，看起来特别适合于户内用途（图3）。 
图3. 挤出型材
需要特定的工艺窗口
加工被定位于塑料业用到的工艺。但是就加工温度而言，有几个特殊点要考虑。木纤在200℃以上的温度下因热量而受损，不可挽回地破坏了其性能。因此，只有加工温度相对较低的塑料适合用作木纤的基材塑料。PP、HDPE、LDPE、PS和PVC一般适合于木料挤出。PP于此占据着最大的份量。它具有纯料和回收料都能应用的优点。而且，基材的流动性能与木料含量成比例地变化，有必要采用工艺参数。微妙的一点是塑料的塑化，因为它会破坏木料，损害产品的品质和表面结构。
为了从木料里除去残余水份，可以利用纵列式挤出机或排气式挤出机。
为了避免任何新的大笔投资，必须只在现有生产装置上作细微的调整而生产出这些木塑复合物。通常利用来自辛辛那提或戴维斯标准公司的锥形双螺杆挤出机。因为喂料段的体积大，这些挤出机的优点明显。克劳斯玛菲公司也建立起新型挤出机KMD90-36，主要是为PVC挤出而开发的，同时也确实适合于加工木料填充塑料。但是，单螺杆挤出机也能被应用，尽管其前提是原料被恰当地混炼成粒料。
生产木塑复合材料所用到的木料填充物是碎木片、木屑和几种木浆。木料填充物影响着复合物的机械性能，不只是通过所用木料的类型，而且通过其形状、径距比和所应用的成浆工艺。
木纤与塑料之间的粘着性是差强人意的。为了提高附着力及机械性能，可以对纤维表面进行修整或者加上粘接剂。对于木料挤出而言，通常要添加粘接剂：在 PPT作基材的情况里，这可能是马来酸酐PP共聚物，以百分之几的重量比例将它添加到PP当中。
目前可获得的挤出速度约为3m/s。因为模具设计的不断进步，以及螺杆形状的恰当调整，有可能在不久的将来实现4m/s的挤出速度。
模头和定径/冷却
木塑复合物用工装设计已有技艺的数量比不上现有热塑性聚合物加工技艺的数量。其流动被认为是凝固的流动。就模头而言，必须考虑到流变性能与塑料是完全不同的。因为窗框生产（如真空箱的水冷）和片材型材生产（如模头冷却板）中用到的许多理念被利用，模具制造商的技艺有赖于将通用模头技术与特殊纤维材料的流变与工艺技术协调起来。
德国PPT公司提供一种模具专利技术，实现木料和其它天然材料与不同基材的挤出，被用于制造展览台位和广告用部件、房屋外层、楼梯和家具业中的许多场合（图4）。
图4. 门框，双孔挤出（15%的PP，85%的木纤），线速度为2×2.5m/min
PVC熔体压力条件的通常范围是200-300bar。对于截面小的型材和一些配方，400bar及以上的压力也是可能的。
木料挤出的一个大优势是定径。因为被挤料在极硬状态下离开模头，所以它只需要边缘支撑。对于连续冷却，气体喷出是完全足够的。但是在较高的牵引速度下，气体冷却达到其极限，这是PVC制模商所用的具有湿式定径和高冷却效率的技术变得成熟的原因了。这被认为是最新技术。
机械性能
产品性能与复合物结构、原料品质和加工工艺有关联。
有大量可能的结合可能对复合物结构及产品性能产生影响。但是有可能做出一些基本的判断：
◆ 较长纤提高硬度；
◆ 纤维形式和品质影响硬度；
◆ 粘接剂提高了硬度、表面质量和吸水性；
◆ 细木纤提高表面质量。
只有品质稳定优良的原料，才有可能获得品质稳定优良的最终产品。这里起作用的因素是纤维结构和形式、纤维型类、粒料大小和密度。加工自然也对品质起着重要作用，这意味着必须注意在挤出过程中木料保持不受破坏。不适当的螺杆引起的长停留时间或过热和过度非受控剪切是对木料损伤的主要原因。挤出机的另一个重要工作是完全熔化和分散聚合物。
在塑料中添加木纤导致材料性能的明显变化。带木纤PP的硬度（PP-WF）与木纤含量大概成比例地大幅升高。例如木料含量50%的PP-WF的硬度差不多是纯PP的五倍。另外一方面，拉断率由纯PP的百分之几百急剧下降到木料含量20%以上PP-WF的百分之几。表1显示的是木料填充量50%和55%的各种热塑性塑料(PP、PE和PVC)的一些机械性能。为了比较不同木料填充热塑料复合料的机械性能，表中也列出了松木和中密度纤维板的数值。可看出木料重量含量在50%至55%的木料填充热塑性复合物与普通中密度纤维板有着相同的性能。另外一方面，天然木料的机械性能是这些类型的复合物所不能比得上的。
另外一方面，4000-8000N/nm2及以上的弹性模量可以毫无问题地实现，实际值依所选材料而变。
除了纤维与基材的附着性以外，水份含量也在天然纤维/塑料复合物的机械性能上起着关键的作用。通过高的加工温度和天然纤维的预干燥，天然纤维/塑料复合物在生产出来后有着平衡状态之下的水份含量。例如PP-WF70的重量可以在加工之后提高2%左右。要用上6个月的时间重量达到稳定。象这样PP-WF水份含量的变化会伴随着机械性能的显着变化。水份的增多产生出一种材料的“软化”，硬度和强度的下降，以及拉断伸长率的提高。当检验天然纤维/塑料复合物的机械性能时，必须对测试气候、样本条件、生产应用环境予以非常的关注。
预期发展
要讨论复合物是否将在欧洲的门窗和家具应用生产中占据显赫的位置是没有意义的，问题是什么时候？只要也有可能制造出共挤出产品，那么这种发展就将继续下去，而不会衰退（图5）。 
图5. 共挤出用木料
另一个有趣方法是综合有抗菌效果的木塑复合物，用于诊所或厕所中，因为感染危险越来越高。 (end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(2/19/2005) |
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