高分子复合材料成型技术与装备之户外铺板产品的制备——北京化工大学

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课程作业

高分子复合材料成型技术与装备

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北京化工大学机电工程学院

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户外铺板产品的制备

摘要：木塑复合型材是国内外近几年刚刚兴起的一种新型复合材料。其主要利用聚乙烯、聚丙烯、和聚氯乙烯等，代替常用的树脂胶粘剂，与木粉和秸秆等植物纤维混合加工而成的木质材料。再经过高温挤压。成型等加工工艺而形成的板材。木塑复合材料现在主要用于建材、家具等行业。

由于木塑复合材料主要的原材料为木纤维。这决定了型材本身具有塑料和木材的相关特性，首先就是易加工；又由于木塑复合材料内含有塑料和纤维，因此其具有和木材相同的可加工性能，凡是加工木材使用的工序均能够使用到木塑复合材料上面，并且其握钉力明显强于其他木质材料。

随着时代的要求，新型的材料一般都属于可回收性的绿色环保型材，木塑复合材料也一样，可以说木塑复合材料本身就是变废为宝的典型，因为其原材料是木纤维和塑料，把那些无法进行直接加工利用的木材进行粉碎处理，即可成为木塑型材的原材料，在使用后可以100%在回收利用。

木塑型材的使用范围非常的广泛，在一般情况下可以代替木材使用，并且由于其复合材料的特性，决定了其有良好的物理稳定性，在一些无法使用木材的场合，木塑型材却能够胜任，比如户外产品，漏填平台的搭建等等，木塑型材均能够正常使用。

现在的家装行业，木塑型材也得到了广泛的应用，对于一些装饰板、装饰线条等，以前使用的都是木材，不过现在已经广泛的被木塑型材所代替，这不仅仅是因为木塑型材比原木材料价格便宜，更因为木塑复合材料已加工，物理稳定性强，在使用中不会出现开裂腐蚀等现象。

1、木塑复合材料的概念

塑木复合材料是利用塑料和天然纤维（锯木屑、稻壳、麦秸、玉米杆、花生壳等），加入一定量的助剂，经过专用配混、成型设备加工制成，统称为“WPC”。塑木复合材料制品具有强度大、硬度高，耐酸碱、抗腐蚀、不变形、不含甲醛、容易回收利用等显著特点，可制成各种截面形状和尺寸，既保留了木材的加工性能和天然质感，又克服了木材易开裂、怕虫蛀、不耐用的缺点，而且免油漆、无须维护，使用寿命长。与木材相比较，这种复合材料具有优异的环保性能和加工性能，着色方便。越来越受到应用市场的青睐，开发前景十分看好[1]。

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2、木塑户外铺板材料选择（性能及制备）

2.1 材料选择

材料：废旧的PE、PP与木粉材料以及偶联剂和添加剂等

【注：这里使用木粉：40-100目/含量50-70%】 [2]

2.2 性能优点

2.2.1 性能比较

1、物理性能：强度好、硬度高、防滑、耐磨、不开裂、不虫蛀，吸水性小、耐老化、耐腐蚀、抗静电和紫外线、绝缘、隔热、阻燃、可抗75℃高温和-40℃的低温。

2、环保性能：生态木、环保木、可再生，不含有毒物质，危险的化学成分、防腐剂等，无甲醛、苯等有害物质释放，不会造成空气污染及环境污染，能100%回收再利用并重新加工使用，也可生物降解。

3、外观质感：具有木材的自然外观、质感。比木材尺寸稳定性好，无木材节疤，不会产生裂纹、翘曲、变形，产品可制成多种颜色，表面无须二次淋漆亦可长久保新不退色。

4、加工性能：具有木材的二次加工性，如可锯、可刨、粘结、用钉子或螺钉固定，各种型材规范标准 , 施工安装快捷方便。通过常规作业方式，可加工成各种设施和制品。

5、技术性能：木塑复合板材是以采用60%稻糠粉与40%的废PE塑料复合而成，其技术性能如下：抗拉强度5.8Mpa；抗弯强度20.0Mpa；抗弯弹性模量1480Mpa；握钉力(板面)1940N，(侧面)1550N；含水率3%~5%；密度1.18g/cm3；(端面)硬度118 Mpa；24小时吸水率0.36%；最大厚度膨胀率0.28%；冲击韧性10.1KJ/m2；纵向抗压强度26.5Mpa。

2.2.2 优点总结

1、防水、防潮。根本解决了木质产品对潮湿和多水环境中吸水受潮后容易腐烂、膨胀变形的问题，可以使用到传统木制品不能应用的环境中。

2、防虫、防白蚁，有效杜绝虫类骚扰，延长使用寿命。

3、多姿多彩，可供选择的颜色众多。既具有天然木质感和木质纹理，又可以根据自己的个性来定制需要的颜色

4、可塑性强，能非常简单的实现个性化造型，充分体现个性风格。

5、高环保性、无污染、无公害、可循环利用。产品不含苯物质，甲醛含量为0.2，低于EO级标准，为欧洲定级环保标准，可循环利用大大节约了木材使用量，适合可持续发展的国策，造福社会。

6、高防火性。能有效阻燃，防火等级达到B1级，遇火自熄，不产生任何有毒气体。

7、可加工性好，可订、可刨、可锯、可钻、表面可上漆。

8、安装简单，施工便捷，不需要繁杂的施工工艺，节省安装时间和费用。

9、不龟裂，不膨胀，不变形，无需维修与养护，便于清洁，节省后期维修和保养费用。

10、吸音效果好，节能性好，使室内节能高达30%以上[3]。

2.3 制备工艺

塑木复合技术是将两大类差别较大的材料—木材和塑料合二为一的新型加工技术。其意义在于可借助各自的材料优势，补偿自己的不足，从而提高其价值和应用范围

[4]。

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工艺流程如图所示：

3、木塑户外铺板的成型方法选择与比较

3.1 成型方法

木塑复合材料的制造主要有挤出成型、热压成型、注塑成型等工艺，但目前应用较广、技术最为成熟的是挤出成型工艺。

3.1.1 压制成型

定义：压制成型是直接把物料送人到模具中，然后利用油压机压制成型，它分为冷料热压和热料冷压两种形式。冷料热压是将冷的粒料加人到模具中，然后对物料进行加热、加压，使之充满整个模具型腔，最后进行冷却定型；热料冷压是将挤出机挤出的熔融物料迅速送人模具中压制成型。

3.1.2 挤压成型

定义：挤出成型先将物料预处理，然后利用单螺杆或双螺杆挤出机对物料进行混炼，最后通过机头将物料挤出成型。挤出成型方法简单，生产效率高，是目前加工木塑复合材料

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最主要的方法。挤出成型主要有一步法和多步法两种。

3.1.2.1 一步法

一步法是将木粉的干燥、木粉与塑料颗粒的混合及挤出成型集中在一组设备上一步完成，如图1所示

3.1.2.2 多步法

多步法是将上述过程分别在不同的设备上完成，如图2所示。山于一步法在实际加工过程中往往因干燥、混合不彻底而出现制品质量变差、密度分布不均匀等问题，所以大多数企业主要还是采用多步法（主要为两步法，即先造粒后成型）进行木塑复合材料的加工生产。

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3.1.3 注射成型

定义：注射成型将经过干燥和表面处理的木粉与基体树脂置于高速混合机中，经充分搅拌混合后注射成型；或者搅拌混合后再用单螺杆或双螺杆挤出机造粒后再注射成型，这两种方法分别称为一步法和两步法，如图3所示。一步法可省去造粒工序，但对设备的要求较高；两步法的造粒过程对物料进行了二次混合，提高了木粉在树脂基体中的分散性，而且造粒后再注射成型的方法加料较为容易，但是会使整个工艺过程比较复杂。

具体工艺工程：

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结论：根据原料、性能特点以及目前成熟的成型技术，本次户外铺板产品制备采用挤出成型技术。

4、木塑户外铺板的生产设备组成与选择

4.1生产设备组成

根据生产工艺的要求，整条生产线所需设备主要由以下几个部分构成：

4.1.1 生物质原料制备设备

该设备主要由木材削片机和木材磨粉机组成混合机组，主要用于木塑复合材料中生物质原料的制备。该机组要求可以对各种木材和农业剩余物进行粉碎，并根据产品制造的要求生产出不同粒径的生物质粉体材料。

4.1.2高速混料机组

该机组由高速热混机和冷混机组成，热混的物料自动进入，冷混的物料进行冷却混合，排除残余气体。主要用于各种树脂与生物质粉体材料的混合、干燥、配料、着色、脱挥等。

4.1.3造粒设备

造粒设备的主要功能是使木/塑两相材料实现预塑化的过程，能将生物质粉体材料与塑料在熔融条件下实现均匀混合，为木塑复合材制品的生产进行前处理。由于木塑熔体的流动性较差，所以木塑材料造粒机与塑料造粒机的设计并不完全相同。针对不同的塑料，造粒机的设计也有所差异。通常用于聚烯烃类塑料的木塑复合材料造粒机采用的是同向平行双螺杆挤出机。而用于聚氯乙烯的造粒机通常选用异向锥型双螺杆挤出机，这是因为聚氯乙烯为热敏感性树脂，锥型双螺杆挤出机具有较强的剪切力，且螺杆长度较平行双螺杆挤出机短，减少了物料在料筒中的停留时间。螺杆外径从大到小成锥形设计，因此压缩比相当大，可以使物料在料筒中塑化得更充分、均匀。

4.1.3.1 同向平行双螺杆挤出机

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同向平行双螺杆挤出机往往是由双阶挤出机组成将木粉干燥和树脂熔融分开进行。可以直接加工木粉或植物纤维在完成木粉干燥后再与熔融的树脂混合连续挤出这种双阶挤出机称之为“木材用挤出机”。尽管这种双阶挤出机可以进行木粉的干燥但对原料木粉的含水量有一定要求一般为4%8% (质量分数)。另一种类似的形式是木粉加入挤出机主料口挤出机前段为脱水、脱挥装置然后通过侧加料器加入塑料树脂、添加剂因此挤出机螺杆相对长螺杆长径比(LD)可达44~48其中23用于除水和脱挥。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。

4.1.4挤出机

目前应用于木塑复合材料挤出成型生产的设备主要有单螺杆挤出机、锥形异向双螺杆挤出机等，本户外铺板制备工艺即采用锥形异向双螺杆挤出机。

4.1.4.1 单螺杆挤出机

单螺杆挤出机的输送作用是靠摩擦来实现的，由于木粉比较蓬松，木粉与塑料的导热性差，挤出困难，使木粉在螺杆及流道内停留时间过长，容易出现烧焦现象，而且单螺杆挤出机的混炼效果不好、排气效果也差，致使它在加工木塑复合材料中受到很大的限制。但是由于单螺杆挤出机结构比较简单，维修费用也低，故仍受到很多生产厂家的青睐。为满足使用要求，已开始对单螺杆挤出机进行各种改进。如图所示

4.1.4.2 锥形异向螺杆挤出机

锥形异向双螺杆挤出机的输送原理是正位移强制输送，没有压力回流，加料容易；排气效果好，能够充分地排除木粉中的可挥发成分；螺杆螺棱互相啮合，强烈的剪切作用使物料的混合、塑化效果更好；物料停留时间短，不容易出现木粉烧焦现象。因此双螺杆挤出机已成为目前木塑复合材料的主要加工设备。双螺杆挤出机又分为锥形双螺杆挤出机、平行双螺杆挤出机两种。

4.1.5成型模具

模具是使木塑熔体冷却成型获得挤出制品的重要部件。由于木塑复合材料通常具有较高木粉含量，使熔体流动性差且不易冷却。因此常规的模具和定型设备已无法满足生产的需要。对于生产木塑复合材料的模具的设计除了要保证流道设计的圆滑过渡与合理的流量分配外，还需要口模的进口区流线型化，这可以使熔体的临界剪切速度增大10倍或更多，从而减少熔体的破裂。此外，木塑复合熔体的临界值将随着口模的长径比和挤出温度的提高而上升，并且与模具材料的关系较大，因此要求模具所使用的材料具有较高的热容量。

5、木塑户外铺板的制造完整方案

木塑户外铺板主要采用两步法挤出成型工艺路线，废旧塑料、锯末、秸杆等的破碎及粉碎一原材料的处理一木粉与塑料的混合处理一造粒一挤出一冷却定型一牵引一定长切割一成品。如图所示：

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6、木塑复合材料的发展前景

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。 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。

木塑复合板材兼具木材和塑料的成本和性能优点，并且这种材料有耐腐蚀、不翘曲、维修方便、外观与木材非常相似的优点，因此，把木粉填充混合加工成为建筑和结构用型材已成为目前塑料挤出行业中最为活跃的领域之一，回收废旧塑料、植物秸杆等是对资源的再利用，可以有效地减少木材用量，保护森林。

木纤维和植物纤维来源充足，质轻价廉，对设备磨损小，制成品尺寸稳定，电绝缘性好，可反复加工，无毒，且能生物降解，对自然环境不会造成污染。热塑性塑料主要为聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）等聚烯烃，可用新料、回收料或二者的复合材料。利用天然木纤维废料和废旧塑料生产的代木新型材料，与目前市场上流行的含天然木质纤维的复合材料(例如复合地板)相比，不但成本低，且不含甲醛等对人体有害的物质。

以木塑复合材料来代替木材，不仅可减少对木材的需求量，节约森林资源，而且缓解了白色污染日益严重的问题。它通过对废弃资源的综合利用，变废为宝，化害为利，具有很高的经济效益和社会效益，符合科学发展观和可持续发展的要求，符合建设节约型社会和发展循环经济的要求，具有广阔的发展前景。

总之，木塑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。

7、结束语

7.1 随着木塑料技术的不断发展及应用领域的拓宽,其发展趋势可能会在以下几方面突破[5]：

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7.1.1原料选用向大范围方向发展. 将回收的单组分废旧塑料( PE、PP、PVC、ABS等)清洗后. 加入特定的改性剂即可进行木塑产品的加工制造;

7.1.2开发专用设备. 加工方式由单一的螺杆挤出向其他传统塑料加工方向发展,由水冷成型向空气冷却成型发展,由单一挤出型材向复合共挤、包裹共挤方向发展;

7.1.3革新加工工艺. 引入发泡工艺技术,从高泡向低泡微发泡方向发展;

7.1.4产品由低附加值向高附加值发展,进一步提高增效。

参考文献：

[1]. 雄戈.塑木复合材料的技术进步及应用拓展[J] .前沿科技.2008, 26 (11) :70～73.

[2]. 王清文,王伟宏.木塑复合材料与制品[M].北京:化学工业出版社,2007.

[3]. 蔡红珍,杨广勇.木塑复合材料在园林景观中的应用[J].林业实用技术.2010（08）:49～50.

[4]. 赵丹,白永平,刘立洵.新型木塑复合材料成型工艺的研究[J] .森林工程.2003,19

（6）:13～15

[5] 江波,许澍华,张金斌. 木塑复合材料成型技术装备的研究现状和发展方向[J]. 橡塑技术与装备, 2005, 31 ( 3) : 4 -7.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/x4y1.html