复合材料与工程毕业论文
木塑复合材料的研究及其发展前景
摘 要
木塑复合材料（WPC）是国内外近年蓬勃兴起的一类新型复合材料，它是以木纤维或植物纤维为主要组分，经过预处理使之与热塑性树脂或其它材料复合而成的一种新型材料。这种复合材料具有能够充分发挥材料中各组分的优势，克服单一材料的缺点，不仅改进材料的物理力学性能和加工性能，降低成本、扩大应用范围，还提高了材料的附加值，木塑复合材料内含塑料，因而具有较好的弹性模量。此外，由于内含纤维并经与塑料充分混合，因而具有与硬木相当的抗压、抗弯曲等物理机械性能，并且其耐用性明显优于普通木质材料。表面硬度高，一般是木材的2—5倍。所以，木塑复合材料具有优异的综合性能及广阔的应用前景。本文就该材料的目前国内外研究状况介绍了木塑复合材料的种类、生产工艺，该材料的适用范围及其力学性能，以及国内外木塑复合材料制品的发展现状和市场前景。
关键词：木塑复合材料, 性能, 发展前景
Wood-plastic composites and their development prospects
ABSTRACT
Wood-plastic composites (WPC) is at home and abroad have mushroomed in recent years a new class of composite materials, it is kind of the thermoplastic resin or other materials compounded by wood fiber or fibers as the main component, after pretreatmentnew material. This composite material has to be able to give full play to the advantage of the various components of the material, to overcome the shortcomings of a single material, not only to improve the physical and mechanical properties and processing properties of the materials, reduce costs, expand the range of applications, but also the added value of the materials, wood composite materials containing plastic, so they have a good elastic modulus. In addition, because the mixing of containing fibers with plastic, and thus has considerable compressive strength and the hardwood, resistance to bending and other physical and mechanical properties and its durability is superior to ordinary wood materials. High surface hardness, is generally 2-5 times that of wood. Therefore, the wood-plastic composite material has excellent overall performance and broad application prospects. This article in respect of materials of the present research status of the species of wood-plastic composite materials, production processes, the scope of application of the material and its mechanical properties, as well as domestic and international wood-plastic composite material development status and market outlook.
KEY WORDS: wood-plastic composite materials, performance,development prospects
目 录
前 言 ................................................................................................ 1
第1章 木塑复合材料概述 ............................................................... 2
1.1
1.2 木塑复合材料的定义 ........................................................ 2 木塑复合材料的组成及分类 ............................................. 2
1.2.1木塑材料的组成 .......................................................... 2
1.2.2木塑材料的分类 .......................................................... 3
1.3 木塑复合材料的应用 ........................................................ 4
第2章 木塑复合材料的生产工艺及性能 ........................................ 6
2.1木塑复合材料的生产工艺 .................................................... 6
2.1木塑复合材料的性能 ............................................................ 6
第3章 木塑复合材料制品发展现状 ................................................ 9
及其市场 ............................................................................................ 9
3.1 木塑复合材料发展中的问题 ................................................ 9
3.2 国内的发展现状及市场前景 ................................................ 9
3.3 国外的发展现状及市场前景 .............................................. 10
3.4 木塑复合材料的发展趋势 ................................................. 11
结 论 .............................................................................................. 13
谢 辞 ................................................................................................ 14
参考文献 .......................................................................................... 15
前 言
随着科学技术的发展，现代社会对材料的要求更高了，既要求其有较好的物理力学性能，对人类有亲和力，又要环保。木材是一种天然生物质材料，自古以来被人们广泛喜爱和使用。随着我国天然林面积的减少和“天然林保护”政策的实施，木材资源困乏、质量下降、木材价格越来越高、木材加工业的废弃物增多以及世界林产品需求量的增加都使得林产品工业越来越迫切地感到需要寻找木材的替代品。而由于生产和生活水平提高，过去被大量用于烧柴的木制品加工废弃物，如木屑、刨花、边角废料以及大量农作物纤维如秸秆、稻糠、果壳等被严重浪费，并对环境产生极大的破坏性影响。据统计，我国每年由于木材加工余下的废弃木粉量达数百万吨，其他天然纤维如稻糠等的产量上千万吨，这些资源如能得到有效开发和利用，价值可观。在不断研究中人们认识到木材改性技术可以实现新的突破，而填充改性既可以降低产品成本，又可以提高产品的使用性能，甚至赋予木材材料全新的性能，从而使木材行业有了新的生机。
与此同时，塑料制品在生产和生活中的应用，随着经济发展越来越广泛，因塑料废品处理不当而造成的白色污染问题已经成为一大环保难题。有关数字表明，在城市垃圾中，塑料废弃物已占到垃圾总量的25％～35％。在我国，城市人口每年产生的废旧塑料达240万～280万吨，已成为环卫部门的严重负担。如果能将废旧塑料制品有效利用起来，将对环保和经济发展产生巨大的推动作用。这种背景下，将木质纤维与废旧塑料经过特殊处理合成新的材料，即木塑复合材料（Wood—polymer Composites，简称WPC）也就应运而生了。
第1章 木塑复合材料概述
1.1 木塑复合材料的定义
木塑复合材料（WPC）是以木材为主要原料（形式有锯末、木屑、竹屑、稻壳、麦秸、大豆皮、花生壳、甘蔗渣、棉秸秆等），经过适当的处理使其与各种塑料（用于木塑复合材料的热塑性塑料主要有聚氯乙烯(PVC}，聚乙烯PEA ，聚丙烯(PPS) ，聚苯乙烯(PST) ，聚甲基丙烯酸甲酷（CPMM），以及聚乙烯（PE），聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）等)按一定比例混合并添加特制的助剂，如偶联剂、分散剂、增塑剂、润滑剂、热稳定剂、着色剂、阻燃剂、防霉剂等加工助剂，经高温、挤压、成型等工艺制成的一种新型复合材料，是一种高性能、高附加值的绿色环保复合材料，其性能优良、用途广泛、利于环保，有广阔的发展前景，值得大力研发推广。
1.2 木塑复合材料的组成及分类
1.2.1木塑材料的组成
木塑复合材料的成分分为基体、填充物及添加剂3部分。
(1)基体 由于植物纤维在高温下容易分解，所以用作基体的材料必须有较低的熔点。目前应用比较广泛的是高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、 聚苯乙烯(Ps)、聚氯乙稀(PVC)、PET以及丙烯睛一丁二烯一苯乙烯(ABS)等热塑性塑料，其中聚乙烯的应用最为广泛。
(2)填充物 选用植物纤维作为木塑复合材料的填充物，主要有3种原因： (1)植物纤维比较廉价，易降解，而且密度小； (2)植物纤维具有较高的刚度和强度， 以及理想的长细比； (3) 植物纤维具多孑性，在一定工艺条件下，熔融的塑料基体可以渗入到植物纤维的细胞空腔中，从而像铆钉一样将纤维和基体连接起来。
(3)添加剂 为了克服加工过程中的困难 ，生产出具有良好性能的木塑复合材料，通常在加工的过程中需要加入一些添加剂或助剂。添加剂有润
滑剂、分散剂、紫外线稳定剂、发泡剂、交联剂、阻燃剂等。从提高木塑复合材料填充相与基体相间的相容性以及填充物的分散性两个最为重要的目的出发，通常需要添加偶联剂、相容剂以及冲击改性剂等。偶联剂可以提高无机填料和无机纤维与基体之间的相容性，同时也可以改善植物纤维与聚合物之间的界面状况。
1.2.2木塑材料的分类
木塑复合材的制造方式目前主要有两种：一种是将塑料单体或者低聚合度树脂浸入到实体木材中，通过加热或辐射引发塑料单体或者低聚合度树脂在木材中进行自由基聚合，所得复合材料称为塑合木。这种复合方式可以提高木材的尺寸稳定性、耐腐性、防蛀性, 以及木材的物理、力学性能。所浸注的单体一般采用苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯等单体。
另一种是将木材以刨花、纤维和木粉的形态作为增强材料或填料添加到热塑性塑料中，并通过加热使木材与熔融状态的热塑性塑料进行复合而得到的复合材料，称为木塑料复合材料（简称WPC）。
从木塑复合材料的基体与功能体结合方式考虑，可将其分为以下三类：
1) 实体木材一塑料复合材料；此类材料以基体与功能体之间或功能体在基体内部的化学合成反应为主要特征。
2) 木纤维(木粉)一塑料复合材料；此类材料以木质纤维材料为基体与高分子量塑料直接复合，其结合方式以两种材料表面(或界面)物理结合为主。
此种材料的制造工艺是将木纤维或木粉与塑料充分混合，在混合过程中塑料熔化形成制品。当木材组分低于50％时，称为木质填料塑料；而木材组分高于60％时，则称为热塑性树脂增强型复合材料。该种复合材料的某些物理力学指标优于纯木材制品，可再成型为各种模压制品，在包装、家具、房屋建筑及汽车内饰件等领域具有广泛的应用前景。
3) 木材一塑料合金复合材料。
将实体木材或单板用一种聚合物的单体或预燃物浸注，然后再使其在木材中聚合。一般来说，这种聚合物不能进入木材的细胞壁，而是存在于细胞腔内。此种聚合材料比原有材料具有更高的强度、刚度、耐磨性及其它
一些优良的物理性能。可制成地板、乐器、运动设备及装饰材料等。
木材～塑料合金复合材料要求木材高分子与塑料的完全融合，具有类似于金属材料以及共混高分子材料所达到的那种状态。该种复合材料首先要对木材的化学组分进行改性，使其能溶于某些溶剂之中或与高分子塑料之间相互均匀分散。
1.3 木塑复合材料的应用 木塑复合材料的应用领域木塑材料应用于包装行业主要是托盘、包装箱、集装器具等。因而在国内有很大的市场需求。木塑材料具有耐潮、防虫蛀等特点，适用于仓储行业使用的货架铺板、枕木、铺梁、地板等。木塑材料制成的凉亭、座椅、花盆、垃圾桶等具有防水、防潮、防腐的特点，而且寿命长、价格低；用木塑复合材料制作房屋、室外地板阳光房码头、护栏等产品已在国外开始起步。
近几年来，由于木塑复合材料的木质材料组成部分正在向各种其它植物纤维材料发展，因此，从更广泛意义上讲，木塑复合材料实质上已成为以各种植物纤维材料为基体，与各种不同塑料形成的一类新型复合材料。它的出现有利于缓解目前木材资源紧缺和废弃物回收利用困难的问题，提高产品的附加值，可以广泛应用于汽车工业、建筑行业、室内装饰、家电和运输等行业方面。研究木塑复合材料是木材工业史上的革命性发展，是现代材料工业发展的主要方向之一。
概括地说，在国内，木塑复合材料的应用领域包括：
1) 包装、运输类：托盘、军品和民品包装箱、玻璃包装箱、周转箱，
插车货板、仓储垫板、铁路枕木等;
2) 园林景观类：凉亭、座椅、栅栏、铺板等市政产品;
3) 车辆船舶类：汽车等内装材、风扇罩、仪表架等部件、船舶内装和
隔热材等;
4) 家装及建筑类：活动房屋，窗框，门板，门褴，混凝土模板，楼梯
拍手，墙壁，天棚，装饰各种异型材，地板、家具等建材用品;
5) 其它类：农用大棚支架及用桶、钓鱼用舢板、水产箱、教学用品、
枪托、球拍、滑雪板、高尔夫球棒、舞台用品以及各种模型等;
随着挤出设备和挤出技术的发展，人们通过木塑复合微孔发泡技术制得木塑复合微孔发泡材料，它比不发泡材料具有更高的冲击强度、更高的韧性、更长的疲劳寿命、更好的热稳定性和更低的密度(降低密度达75％或更高)，从而进一步拓宽了木塑复合材料制品的应用范围。
第2章 木塑复合材料的生产工艺及性能
2.1木塑复合材料的生产工艺
木塑复合材料的加工是依据废旧塑料复合再生工艺，以废弃的塑料和锯末为主要原料，通过增容共混工艺进行生产的一项实用技术。将经过处理的混合废旧塑料与填充剂等改性剂一起熔融混炼，制成复合再生料，然后再成型为具有使用价值的再生制品。生产木塑板材主要有以下3种工艺路线。
1)挤出成型工艺 由单螺杆或双螺杆挤出机挤出成型，可连续挤出任意长度的板材。该工艺又可分为单机挤出和双机复合挤出板材。复合挤出是在木塑板材的外表同步挤出一层纯塑料表层，成为特殊场合使用的木塑板材。
2)热压成型工艺 可成型一定规格的不连续板材。其加工工艺类似于中密度纤维板的成型工艺。
3)挤压成型工艺 挤出机和压机联用的一种挤出和加压的同步工艺。其成型的板材长度要大于热压成型的板材。其制品的综合性能优于挤出工艺的板材制品。
木塑复合材料加工工艺控制的关键是防止在混炼和成型加工过程中，塑料及锯末的热降解和焦烧。锯末作为有机物热稳定性较差，其中的半纤维素和木素容易分解，有氧存在时200~C左右即发烟变色 。因此，在木塑复合材的配方及生产工艺中，解决木粉与塑料树脂的界面结合，是技术之关键。木塑复合材料的连续混炼制造技术，是利用辐射技术，将木粉、木屑与热塑性塑料结合，并利用连续混炼技术制成高强度的复合材。
2.1木塑复合材料的性能
木塑复合材料是一种较新的复合材料。由于木材和塑料在复合过程中以及最终产品中既保留了各自的特性，又相互间协同作用，从而木塑复合材料具有以下优点：
1)用木材作为填料可以改善塑料的耐热性和塑料的强度，而且木材的
价格便宜；与无机填料相比，木材的密度较低，在改善拉伸强度和弯曲模量上，增强的木材有很大的潜力；
2)对于相同体积的复合材料，以木材为填料的复合材料成本较低，对设备的磨损小，并且可以再生利用；
3)具有较低的吸水、吸湿性能，不需要保护性防水涂饰，同时材料可以根据需要染色或者涂饰；
4)在抗裂纹、霉菌、白蚁方面的能力优于木材，此种复合材料和木材一样都可生物降解；
5)可以像木材一样被加工或者连接；
6)可以通过挤出或模压等方式加工成板材等许多复杂形状的制品，同时具有高效的原料转化率和自身循环利用率。
尽管广大的科研和工程人员做了不懈努力，但木塑复合材料在各种使用场合中仍存在着一些不足，主要表现为：
1)密度高，通常为木材的2-4倍；
2)产品的安装费用相对较高(由于复合材料的密度较大，在组装时需要使用射钉枪或自攻螺钉；
3)耐热性和耐紫外线能力较差；
4)制品的硬度和载荷能力较木材差。
木塑材料各项性能列于下表。
表2-1 木塑复合材料与其他几种材料主要力学性质的强重比及其相差
注: 1) 室外板的主要力学性质数值是徐咏兰主编的《中密度纤维板制造》
中P251 中的数据;
2) 《中国主要树种的木材物理力学性质》书中的内容;
3) 木塑复合材料的物理力学性能是作者对样品所做的测量。
第3章 木塑复合材料制品发展现状
及其市场
3.1 木塑复合材料发展中的问题
目前木塑材料制造的关键问题主要有两个:一是如何保证木粉的高填充量, 使木粉填充量高达80%～90%以达到制品有较低的生产成本和较高的使用性能。作为在高填充量的前提下, 如何确保树脂材料有高的流动性和渗透性, 从而能促使热塑性熔体能充分分散木粉, 达到共同复合的力学性能及其他方面的使用性能, 主要需解决以下几个方面的问题:
1) 原材料( 塑料、木粉种类) 的选择及如何提高塑料与木粉之间界面
结合力。因为对于两相复合界面往往成为应力集中区, 因此提高复
合材料力学性能的关键是提高界面的相容性。
2) 制品的成型设备及成型工艺———如何提高木粉在体系中共混分
散的能力及建立足够的成型压力。
3) 成型模具的设计与冷却定型技术———产品的质量与产量提高的
关键因素。
二是提高挤出机的挤出量, 提高生产木塑材料的生产效率。目前国内的木塑材料挤出速度在1 m/ min左右, 国外好一点的挤出机的挤出速度在2 m/ min 左右。而一般的纯树脂材料的挤出速度在4～5 m /min 左右。提高挤出速度是当务之急。
3.2 国内的发展现状及市场前景
目前我国木塑复合材料主要用于建筑领域的门框、模板、地板、吊顶和屋面板，包装领域的搬运垫板和托盘，交通领域的铁路轨枕和高速公路的噪音隔板等。我国对木塑复合材料的开发以及在汽车工业领域中的应用与国外差距很大。当今我国对轿车内衬件工程材料的需求量越来越大，厂家对国外普遍采用的木塑复合材料的需求十分迫切，这就为木塑复合材料的应用提供了广阔的市场。
研究开发木塑复合材料是木材工业史上最有革命性的发展，是现代材
料工业发展的主要方向 。唐山塑料研究所、国防科技大学、广东工业大学在研究低份额添加木粉或植物纤维方面已取得成绩，北京化工大学和北汽福田也进行了这方面的设备开发，此外无锡、杭州及安徽蒙城等地也有企业和个人进行过这方面的研究。北京化工研究院在1988年就用木粉填充废旧塑料进行了大量的研究工作，在配方、专用设备、制品模具设计等方面取得初步成效。安徽蒙城县铝塑型材有限公司与铝塑研究所合作，将废旧塑料和锯末按一定比例配合，添加特制粘合剂，经高温、高压连接制成了木塑结构型材料(面板、纵梁和底板) 。中国林业科学院木工所木质纤维复合材料专题组，用红松木材纤维与聚丙烯纤维进行复合的研究结果表明，添加聚丙烯纤维虽改善了材料的模压性能，但导致了材料的各项物理力学性能下降，而对聚丙烯进行预处理后的复合材料模压制品，其各项技术指标可以达到一汽大众TL—VW94标准。
在我国的木塑复合材料制品市场上，鉴于木塑复合材料制品的成本高，在市场上缺乏价格竞争优势，因此打开销路有较大的困难。目前已有国外公司准备向中国推广生产木塑制品设备，而且借用中国建设奥运场馆的商机，想要抢占中国市场。木塑制品也是现代木轨枕的理想替代材料，在铁路运输上有广阔的市场前景。现木轨枕仍是世界多数铁路的首选用材，直到20世纪90年代末仍占75％ 。预测，2l世纪前10年我国铁路木枕用量将达到80万m3 以上，2010年以后，优质木枕用量将超过100万
m3m3 ，连同其他项目将增加到500万 以上。我国木材短缺，木塑制品具有高于
木材的防腐性能和抗冲击性能，因此，进一步降低木塑制品的成本，用作铁路轨枕的市场前景十分辽阔。此外，托盘是货物储运应用极其广泛的产品，我国年产量约1亿个，产值近10亿元，也具较大的市场。
3.3 国外的发展现状及市场前景
近年来，国外木塑复合材料制品的技术开发和应用发展迅速。在国外木粉填充改性塑料早已开始研究，但高份额的木粉填充则在近几年才有较大发展。日本有名的“爱因木” 就是该类产品(采用挤出工艺)；加拿大的协德公司也开发出类似的木塑制品(采用挤出或热压工艺)；奥地利辛辛那提公司及凹T模具公司开发出各种木塑板材制品(采用挤出工艺)；韩国的
大山株式会社利用挤压联用工艺开发出了木塑板材制品；美国的一些公司也正积极开发和推广这类产品。木塑复合材料在西方发达国家已经实现了产业化，其典型的产品是轿车内衬件，如美国的福持、通用，德国的大众、奔驰，13本的本田、丰田，瑞典的沃尔沃等公司的多种汽车的门护板、后搁板、仪表板骨架、行李箱衬垫等均不同程度地使用了这种材料。
此外，国外不少知名公司都在研制开发新型的适用于木塑复合材料加工的设备。如意大利的Ic-MA，BausMo， 美国的DaYis-Shldall， KNpp、W&P，德国的Battedeld、Conc：natti公司等，Bsnedeld公司根据双阶挤出机概念推出了行星辊式挤出机组。若将行星辊和挤出机并用，可使物料均化，其加料的稳定和在压力控制的相互作用下，最利于木粉填充树脂的混配 。
国外的木塑复合材料市场，以美国为例，据该国芝加哥运输局估计l0年内塑料轨枕在其轨枕份额上将升至25％ ～30％ 。现今美国的大量运输系统和主要运输干线正在大量安装这种新轨枕。北美目前每年更换轨枕1 200万根，未来2～5年会增加到1 400～1 600万根／年。塑料轨枕可采用木质轨枕同样的紧固法，也能与木质轨枕混合使用，推广方便，成本低，且塑料轨枕所用原料50％ 以上的可回收。著名的美国咨询公司Freedonla集团预计2006年前美国木塑复合材料需求的年均增长率为l3％ f4]，2006总产值将达20亿美元；增长轻快的为各种板材、窗框、门框和栅栏、围墙市场。其中用量最大的板材预计到2006年从2001年的4．10亿美元增加为9亿美元；栅栏和围墙从2001年的1．63亿美元提高为3．15亿美元；而窗框和门框也将从2001年的0．65亿美元，提高到1．35亿美元 。
3.4 木塑复合材料的发展趋势
1)向高附加值、高档化的方向发展。如用来制作门窗、天花板、装饰板、栅栏型材、庭院扶手、室外桌椅等。
2)向功能复合材料方向发展。木塑复合材料兼有木材和塑料的双重性质，加入一定量的功能材料，即可使其具有耐磨、耐老化、阻燃等性能[8]。要使木塑复合材料从低级向高级、从单功能向多功能方向发展。
3)改善木塑复合材料的界面相容性。由于木粉中主要成分是纤维素，
纤维素中含大量的羟基，这些羟基形成分子间氢键或分子内氢键，使木粉具有吸水性，且极性很强；而热塑性塑料多数为非极性的，具有疏水性，所以两者之间的相容性较差，界面的粘结力很小。使用合适的相容剂来处理木粉表面，可以提高木粉与树脂之间的粘结力，从而达到提高木塑复合材料强度的作用。随着改性机理的深入研究及新的表面改性材料的出现，木粉与聚合物基体的相容性一定会得到更好的提高。
4)新材料在木塑复合材料中的应用。随着玻纤材料、空心微珠材料及纳米材料等技术的发展，将其加入到木塑复合材料中来提高木塑复合材料的力学性能是完全可行的。
结 论
由于木塑复合材料具有单纯的木材和塑料无法比拟的诸多优点, 已受到国内外的广泛关注。该材料是绿色环保材料, 可以回收利用低成本的废旧木材和塑料, 用此技术生产出来的木塑复合材料可替代木材使用, 有力地缓解了我国森林资源贫乏所造成的窘境。木塑复合材料生产技术既符合国家经济形势发展的需要, 也符合国家的产业政策, 而且产品使用范围广。因此, 可以相信木塑复合材料是一种极具发展前途的材料, 也是一项有生命力有市场开发前景的创新技术, 具有广阔的市场前景、良好的经济效益和社会效益。
谢 辞
【下空一行直接添加致谢内容。】
致谢应以简短的文字对在课题研究和设计说明书（论文）撰写过程中曾直接给予帮助的人员（例如指导教师、答疑教师及其他人员）表示自己的谢意，这不仅是一种礼貌，也是对他人劳动的尊重，是治学者应有的思想作风。文字要简捷、实事求是，切忌浮夸和庸俗之词。
参考文献
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木塑复合材料的研究及其发展前景
摘 要
木塑复合材料（WPC）是国内外近年蓬勃兴起的一类新型复合材料，它是以木纤维或植物纤维为主要组分，经过预处理使之与热塑性树脂或其它材料复合而成的一种新型材料。这种复合材料具有能够充分发挥材料中各组分的优势，克服单一材料的缺点，不仅改进材料的物理力学性能和加工性能，降低成本、扩大应用范围，还提高了材料的附加值，木塑复合材料内含塑料，因而具有较好的弹性模量。此外，由于内含纤维并经与塑料充分混合，因而具有与硬木相当的抗压、抗弯曲等物理机械性能，并且其耐用性明显优于普通木质材料。表面硬度高，一般是木材的2—5倍。所以，木塑复合材料具有优异的综合性能及广阔的应用前景。本文就该材料的目前国内外研究状况介绍了木塑复合材料的种类、生产工艺，该材料的适用范围及其力学性能，以及国内外木塑复合材料制品的发展现状和市场前景。
关键词：木塑复合材料, 性能, 发展前景
Wood-plastic composites and their development prospects
ABSTRACT
Wood-plastic composites (WPC) is at home and abroad have mushroomed in recent years a new class of composite materials, it is kind of the thermoplastic resin or other materials compounded by wood fiber or fibers as the main component, after pretreatmentnew material. This composite material has to be able to give full play to the advantage of the various components of the material, to overcome the shortcomings of a single material, not only to improve the physical and mechanical properties and processing properties of the materials, reduce costs, expand the range of applications, but also the added value of the materials, wood composite materials containing plastic, so they have a good elastic modulus. In addition, because the mixing of containing fibers with plastic, and thus has considerable compressive strength and the hardwood, resistance to bending and other physical and mechanical properties and its durability is superior to ordinary wood materials. High surface hardness, is generally 2-5 times that of wood. Therefore, the wood-plastic composite material has excellent overall performance and broad application prospects. This article in respect of materials of the present research status of the species of wood-plastic composite materials, production processes, the scope of application of the material and its mechanical properties, as well as domestic and international wood-plastic composite material development status and market outlook.
KEY WORDS: wood-plastic composite materials, performance,development prospects
目 录
前 言 ................................................................................................ 1
第1章 木塑复合材料概述 ............................................................... 2
1.1
1.2 木塑复合材料的定义 ........................................................ 2 木塑复合材料的组成及分类 ............................................. 2
1.2.1木塑材料的组成 .......................................................... 2
1.2.2木塑材料的分类 .......................................................... 3
1.3 木塑复合材料的应用 ........................................................ 4
第2章 木塑复合材料的生产工艺及性能 ........................................ 6
2.1木塑复合材料的生产工艺 .................................................... 6
2.1木塑复合材料的性能 ............................................................ 6
第3章 木塑复合材料制品发展现状 ................................................ 9
及其市场 ............................................................................................ 9
3.1 木塑复合材料发展中的问题 ................................................ 9
3.2 国内的发展现状及市场前景 ................................................ 9
3.3 国外的发展现状及市场前景 .............................................. 10
3.4 木塑复合材料的发展趋势 ................................................. 11
结 论 .............................................................................................. 13
谢 辞 ................................................................................................ 14
参考文献 .......................................................................................... 15
前 言
随着科学技术的发展，现代社会对材料的要求更高了，既要求其有较好的物理力学性能，对人类有亲和力，又要环保。木材是一种天然生物质材料，自古以来被人们广泛喜爱和使用。随着我国天然林面积的减少和“天然林保护”政策的实施，木材资源困乏、质量下降、木材价格越来越高、木材加工业的废弃物增多以及世界林产品需求量的增加都使得林产品工业越来越迫切地感到需要寻找木材的替代品。而由于生产和生活水平提高，过去被大量用于烧柴的木制品加工废弃物，如木屑、刨花、边角废料以及大量农作物纤维如秸秆、稻糠、果壳等被严重浪费，并对环境产生极大的破坏性影响。据统计，我国每年由于木材加工余下的废弃木粉量达数百万吨，其他天然纤维如稻糠等的产量上千万吨，这些资源如能得到有效开发和利用，价值可观。在不断研究中人们认识到木材改性技术可以实现新的突破，而填充改性既可以降低产品成本，又可以提高产品的使用性能，甚至赋予木材材料全新的性能，从而使木材行业有了新的生机。
与此同时，塑料制品在生产和生活中的应用，随着经济发展越来越广泛，因塑料废品处理不当而造成的白色污染问题已经成为一大环保难题。有关数字表明，在城市垃圾中，塑料废弃物已占到垃圾总量的25％～35％。在我国，城市人口每年产生的废旧塑料达240万～280万吨，已成为环卫部门的严重负担。如果能将废旧塑料制品有效利用起来，将对环保和经济发展产生巨大的推动作用。这种背景下，将木质纤维与废旧塑料经过特殊处理合成新的材料，即木塑复合材料（Wood—polymer Composites，简称WPC）也就应运而生了。
第1章 木塑复合材料概述
1.1 木塑复合材料的定义
木塑复合材料（WPC）是以木材为主要原料（形式有锯末、木屑、竹屑、稻壳、麦秸、大豆皮、花生壳、甘蔗渣、棉秸秆等），经过适当的处理使其与各种塑料（用于木塑复合材料的热塑性塑料主要有聚氯乙烯(PVC}，聚乙烯PEA ，聚丙烯(PPS) ，聚苯乙烯(PST) ，聚甲基丙烯酸甲酷（CPMM），以及聚乙烯（PE），聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）等)按一定比例混合并添加特制的助剂，如偶联剂、分散剂、增塑剂、润滑剂、热稳定剂、着色剂、阻燃剂、防霉剂等加工助剂，经高温、挤压、成型等工艺制成的一种新型复合材料，是一种高性能、高附加值的绿色环保复合材料，其性能优良、用途广泛、利于环保，有广阔的发展前景，值得大力研发推广。
1.2 木塑复合材料的组成及分类
1.2.1木塑材料的组成
木塑复合材料的成分分为基体、填充物及添加剂3部分。
(1)基体 由于植物纤维在高温下容易分解，所以用作基体的材料必须有较低的熔点。目前应用比较广泛的是高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、 聚苯乙烯(Ps)、聚氯乙稀(PVC)、PET以及丙烯睛一丁二烯一苯乙烯(ABS)等热塑性塑料，其中聚乙烯的应用最为广泛。
(2)填充物 选用植物纤维作为木塑复合材料的填充物，主要有3种原因： (1)植物纤维比较廉价，易降解，而且密度小； (2)植物纤维具有较高的刚度和强度， 以及理想的长细比； (3) 植物纤维具多孑性，在一定工艺条件下，熔融的塑料基体可以渗入到植物纤维的细胞空腔中，从而像铆钉一样将纤维和基体连接起来。
(3)添加剂 为了克服加工过程中的困难 ，生产出具有良好性能的木塑复合材料，通常在加工的过程中需要加入一些添加剂或助剂。添加剂有润
滑剂、分散剂、紫外线稳定剂、发泡剂、交联剂、阻燃剂等。从提高木塑复合材料填充相与基体相间的相容性以及填充物的分散性两个最为重要的目的出发，通常需要添加偶联剂、相容剂以及冲击改性剂等。偶联剂可以提高无机填料和无机纤维与基体之间的相容性，同时也可以改善植物纤维与聚合物之间的界面状况。
1.2.2木塑材料的分类
木塑复合材的制造方式目前主要有两种：一种是将塑料单体或者低聚合度树脂浸入到实体木材中，通过加热或辐射引发塑料单体或者低聚合度树脂在木材中进行自由基聚合，所得复合材料称为塑合木。这种复合方式可以提高木材的尺寸稳定性、耐腐性、防蛀性, 以及木材的物理、力学性能。所浸注的单体一般采用苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯等单体。
另一种是将木材以刨花、纤维和木粉的形态作为增强材料或填料添加到热塑性塑料中，并通过加热使木材与熔融状态的热塑性塑料进行复合而得到的复合材料，称为木塑料复合材料（简称WPC）。
从木塑复合材料的基体与功能体结合方式考虑，可将其分为以下三类：
1) 实体木材一塑料复合材料；此类材料以基体与功能体之间或功能体在基体内部的化学合成反应为主要特征。
2) 木纤维(木粉)一塑料复合材料；此类材料以木质纤维材料为基体与高分子量塑料直接复合，其结合方式以两种材料表面(或界面)物理结合为主。
此种材料的制造工艺是将木纤维或木粉与塑料充分混合，在混合过程中塑料熔化形成制品。当木材组分低于50％时，称为木质填料塑料；而木材组分高于60％时，则称为热塑性树脂增强型复合材料。该种复合材料的某些物理力学指标优于纯木材制品，可再成型为各种模压制品，在包装、家具、房屋建筑及汽车内饰件等领域具有广泛的应用前景。
3) 木材一塑料合金复合材料。
将实体木材或单板用一种聚合物的单体或预燃物浸注，然后再使其在木材中聚合。一般来说，这种聚合物不能进入木材的细胞壁，而是存在于细胞腔内。此种聚合材料比原有材料具有更高的强度、刚度、耐磨性及其它
一些优良的物理性能。可制成地板、乐器、运动设备及装饰材料等。
木材～塑料合金复合材料要求木材高分子与塑料的完全融合，具有类似于金属材料以及共混高分子材料所达到的那种状态。该种复合材料首先要对木材的化学组分进行改性，使其能溶于某些溶剂之中或与高分子塑料之间相互均匀分散。
1.3 木塑复合材料的应用 木塑复合材料的应用领域木塑材料应用于包装行业主要是托盘、包装箱、集装器具等。因而在国内有很大的市场需求。木塑材料具有耐潮、防虫蛀等特点，适用于仓储行业使用的货架铺板、枕木、铺梁、地板等。木塑材料制成的凉亭、座椅、花盆、垃圾桶等具有防水、防潮、防腐的特点，而且寿命长、价格低；用木塑复合材料制作房屋、室外地板阳光房码头、护栏等产品已在国外开始起步。
近几年来，由于木塑复合材料的木质材料组成部分正在向各种其它植物纤维材料发展，因此，从更广泛意义上讲，木塑复合材料实质上已成为以各种植物纤维材料为基体，与各种不同塑料形成的一类新型复合材料。它的出现有利于缓解目前木材资源紧缺和废弃物回收利用困难的问题，提高产品的附加值，可以广泛应用于汽车工业、建筑行业、室内装饰、家电和运输等行业方面。研究木塑复合材料是木材工业史上的革命性发展，是现代材料工业发展的主要方向之一。
概括地说，在国内，木塑复合材料的应用领域包括：
1) 包装、运输类：托盘、军品和民品包装箱、玻璃包装箱、周转箱，
插车货板、仓储垫板、铁路枕木等;
2) 园林景观类：凉亭、座椅、栅栏、铺板等市政产品;
3) 车辆船舶类：汽车等内装材、风扇罩、仪表架等部件、船舶内装和
隔热材等;
4) 家装及建筑类：活动房屋，窗框，门板，门褴，混凝土模板，楼梯
拍手，墙壁，天棚，装饰各种异型材，地板、家具等建材用品;
5) 其它类：农用大棚支架及用桶、钓鱼用舢板、水产箱、教学用品、
枪托、球拍、滑雪板、高尔夫球棒、舞台用品以及各种模型等;
随着挤出设备和挤出技术的发展，人们通过木塑复合微孔发泡技术制得木塑复合微孔发泡材料，它比不发泡材料具有更高的冲击强度、更高的韧性、更长的疲劳寿命、更好的热稳定性和更低的密度(降低密度达75％或更高)，从而进一步拓宽了木塑复合材料制品的应用范围。
第2章 木塑复合材料的生产工艺及性能
2.1木塑复合材料的生产工艺
木塑复合材料的加工是依据废旧塑料复合再生工艺，以废弃的塑料和锯末为主要原料，通过增容共混工艺进行生产的一项实用技术。将经过处理的混合废旧塑料与填充剂等改性剂一起熔融混炼，制成复合再生料，然后再成型为具有使用价值的再生制品。生产木塑板材主要有以下3种工艺路线。
1)挤出成型工艺 由单螺杆或双螺杆挤出机挤出成型，可连续挤出任意长度的板材。该工艺又可分为单机挤出和双机复合挤出板材。复合挤出是在木塑板材的外表同步挤出一层纯塑料表层，成为特殊场合使用的木塑板材。
2)热压成型工艺 可成型一定规格的不连续板材。其加工工艺类似于中密度纤维板的成型工艺。
3)挤压成型工艺 挤出机和压机联用的一种挤出和加压的同步工艺。其成型的板材长度要大于热压成型的板材。其制品的综合性能优于挤出工艺的板材制品。
木塑复合材料加工工艺控制的关键是防止在混炼和成型加工过程中，塑料及锯末的热降解和焦烧。锯末作为有机物热稳定性较差，其中的半纤维素和木素容易分解，有氧存在时200~C左右即发烟变色 。因此，在木塑复合材的配方及生产工艺中，解决木粉与塑料树脂的界面结合，是技术之关键。木塑复合材料的连续混炼制造技术，是利用辐射技术，将木粉、木屑与热塑性塑料结合，并利用连续混炼技术制成高强度的复合材。
2.1木塑复合材料的性能
木塑复合材料是一种较新的复合材料。由于木材和塑料在复合过程中以及最终产品中既保留了各自的特性，又相互间协同作用，从而木塑复合材料具有以下优点：
1)用木材作为填料可以改善塑料的耐热性和塑料的强度，而且木材的
价格便宜；与无机填料相比，木材的密度较低，在改善拉伸强度和弯曲模量上，增强的木材有很大的潜力；
2)对于相同体积的复合材料，以木材为填料的复合材料成本较低，对设备的磨损小，并且可以再生利用；
3)具有较低的吸水、吸湿性能，不需要保护性防水涂饰，同时材料可以根据需要染色或者涂饰；
4)在抗裂纹、霉菌、白蚁方面的能力优于木材，此种复合材料和木材一样都可生物降解；
5)可以像木材一样被加工或者连接；
6)可以通过挤出或模压等方式加工成板材等许多复杂形状的制品，同时具有高效的原料转化率和自身循环利用率。
尽管广大的科研和工程人员做了不懈努力，但木塑复合材料在各种使用场合中仍存在着一些不足，主要表现为：
1)密度高，通常为木材的2-4倍；
2)产品的安装费用相对较高(由于复合材料的密度较大，在组装时需要使用射钉枪或自攻螺钉；
3)耐热性和耐紫外线能力较差；
4)制品的硬度和载荷能力较木材差。
木塑材料各项性能列于下表。
表2-1 木塑复合材料与其他几种材料主要力学性质的强重比及其相差
注: 1) 室外板的主要力学性质数值是徐咏兰主编的《中密度纤维板制造》
中P251 中的数据;
2) 《中国主要树种的木材物理力学性质》书中的内容;
3) 木塑复合材料的物理力学性能是作者对样品所做的测量。
第3章 木塑复合材料制品发展现状
及其市场
3.1 木塑复合材料发展中的问题
目前木塑材料制造的关键问题主要有两个:一是如何保证木粉的高填充量, 使木粉填充量高达80%～90%以达到制品有较低的生产成本和较高的使用性能。作为在高填充量的前提下, 如何确保树脂材料有高的流动性和渗透性, 从而能促使热塑性熔体能充分分散木粉, 达到共同复合的力学性能及其他方面的使用性能, 主要需解决以下几个方面的问题:
1) 原材料( 塑料、木粉种类) 的选择及如何提高塑料与木粉之间界面
结合力。因为对于两相复合界面往往成为应力集中区, 因此提高复
合材料力学性能的关键是提高界面的相容性。
2) 制品的成型设备及成型工艺———如何提高木粉在体系中共混分
散的能力及建立足够的成型压力。
3) 成型模具的设计与冷却定型技术———产品的质量与产量提高的
关键因素。
二是提高挤出机的挤出量, 提高生产木塑材料的生产效率。目前国内的木塑材料挤出速度在1 m/ min左右, 国外好一点的挤出机的挤出速度在2 m/ min 左右。而一般的纯树脂材料的挤出速度在4～5 m /min 左右。提高挤出速度是当务之急。
3.2 国内的发展现状及市场前景
目前我国木塑复合材料主要用于建筑领域的门框、模板、地板、吊顶和屋面板，包装领域的搬运垫板和托盘，交通领域的铁路轨枕和高速公路的噪音隔板等。我国对木塑复合材料的开发以及在汽车工业领域中的应用与国外差距很大。当今我国对轿车内衬件工程材料的需求量越来越大，厂家对国外普遍采用的木塑复合材料的需求十分迫切，这就为木塑复合材料的应用提供了广阔的市场。
研究开发木塑复合材料是木材工业史上最有革命性的发展，是现代材
料工业发展的主要方向 。唐山塑料研究所、国防科技大学、广东工业大学在研究低份额添加木粉或植物纤维方面已取得成绩，北京化工大学和北汽福田也进行了这方面的设备开发，此外无锡、杭州及安徽蒙城等地也有企业和个人进行过这方面的研究。北京化工研究院在1988年就用木粉填充废旧塑料进行了大量的研究工作，在配方、专用设备、制品模具设计等方面取得初步成效。安徽蒙城县铝塑型材有限公司与铝塑研究所合作，将废旧塑料和锯末按一定比例配合，添加特制粘合剂，经高温、高压连接制成了木塑结构型材料(面板、纵梁和底板) 。中国林业科学院木工所木质纤维复合材料专题组，用红松木材纤维与聚丙烯纤维进行复合的研究结果表明，添加聚丙烯纤维虽改善了材料的模压性能，但导致了材料的各项物理力学性能下降，而对聚丙烯进行预处理后的复合材料模压制品，其各项技术指标可以达到一汽大众TL—VW94标准。
在我国的木塑复合材料制品市场上，鉴于木塑复合材料制品的成本高，在市场上缺乏价格竞争优势，因此打开销路有较大的困难。目前已有国外公司准备向中国推广生产木塑制品设备，而且借用中国建设奥运场馆的商机，想要抢占中国市场。木塑制品也是现代木轨枕的理想替代材料，在铁路运输上有广阔的市场前景。现木轨枕仍是世界多数铁路的首选用材，直到20世纪90年代末仍占75％ 。预测，2l世纪前10年我国铁路木枕用量将达到80万m3 以上，2010年以后，优质木枕用量将超过100万
m3m3 ，连同其他项目将增加到500万 以上。我国木材短缺，木塑制品具有高于
木材的防腐性能和抗冲击性能，因此，进一步降低木塑制品的成本，用作铁路轨枕的市场前景十分辽阔。此外，托盘是货物储运应用极其广泛的产品，我国年产量约1亿个，产值近10亿元，也具较大的市场。
3.3 国外的发展现状及市场前景
近年来，国外木塑复合材料制品的技术开发和应用发展迅速。在国外木粉填充改性塑料早已开始研究，但高份额的木粉填充则在近几年才有较大发展。日本有名的“爱因木” 就是该类产品(采用挤出工艺)；加拿大的协德公司也开发出类似的木塑制品(采用挤出或热压工艺)；奥地利辛辛那提公司及凹T模具公司开发出各种木塑板材制品(采用挤出工艺)；韩国的
大山株式会社利用挤压联用工艺开发出了木塑板材制品；美国的一些公司也正积极开发和推广这类产品。木塑复合材料在西方发达国家已经实现了产业化，其典型的产品是轿车内衬件，如美国的福持、通用，德国的大众、奔驰，13本的本田、丰田，瑞典的沃尔沃等公司的多种汽车的门护板、后搁板、仪表板骨架、行李箱衬垫等均不同程度地使用了这种材料。
此外，国外不少知名公司都在研制开发新型的适用于木塑复合材料加工的设备。如意大利的Ic-MA，BausMo， 美国的DaYis-Shldall， KNpp、W&P，德国的Battedeld、Conc：natti公司等，Bsnedeld公司根据双阶挤出机概念推出了行星辊式挤出机组。若将行星辊和挤出机并用，可使物料均化，其加料的稳定和在压力控制的相互作用下，最利于木粉填充树脂的混配 。
国外的木塑复合材料市场，以美国为例，据该国芝加哥运输局估计l0年内塑料轨枕在其轨枕份额上将升至25％ ～30％ 。现今美国的大量运输系统和主要运输干线正在大量安装这种新轨枕。北美目前每年更换轨枕1 200万根，未来2～5年会增加到1 400～1 600万根／年。塑料轨枕可采用木质轨枕同样的紧固法，也能与木质轨枕混合使用，推广方便，成本低，且塑料轨枕所用原料50％ 以上的可回收。著名的美国咨询公司Freedonla集团预计2006年前美国木塑复合材料需求的年均增长率为l3％ f4]，2006总产值将达20亿美元；增长轻快的为各种板材、窗框、门框和栅栏、围墙市场。其中用量最大的板材预计到2006年从2001年的4．10亿美元增加为9亿美元；栅栏和围墙从2001年的1．63亿美元提高为3．15亿美元；而窗框和门框也将从2001年的0．65亿美元，提高到1．35亿美元 。
3.4 木塑复合材料的发展趋势
1)向高附加值、高档化的方向发展。如用来制作门窗、天花板、装饰板、栅栏型材、庭院扶手、室外桌椅等。
2)向功能复合材料方向发展。木塑复合材料兼有木材和塑料的双重性质，加入一定量的功能材料，即可使其具有耐磨、耐老化、阻燃等性能[8]。要使木塑复合材料从低级向高级、从单功能向多功能方向发展。
3)改善木塑复合材料的界面相容性。由于木粉中主要成分是纤维素，
纤维素中含大量的羟基，这些羟基形成分子间氢键或分子内氢键，使木粉具有吸水性，且极性很强；而热塑性塑料多数为非极性的，具有疏水性，所以两者之间的相容性较差，界面的粘结力很小。使用合适的相容剂来处理木粉表面，可以提高木粉与树脂之间的粘结力，从而达到提高木塑复合材料强度的作用。随着改性机理的深入研究及新的表面改性材料的出现，木粉与聚合物基体的相容性一定会得到更好的提高。
4)新材料在木塑复合材料中的应用。随着玻纤材料、空心微珠材料及纳米材料等技术的发展，将其加入到木塑复合材料中来提高木塑复合材料的力学性能是完全可行的。
结 论
由于木塑复合材料具有单纯的木材和塑料无法比拟的诸多优点, 已受到国内外的广泛关注。该材料是绿色环保材料, 可以回收利用低成本的废旧木材和塑料, 用此技术生产出来的木塑复合材料可替代木材使用, 有力地缓解了我国森林资源贫乏所造成的窘境。木塑复合材料生产技术既符合国家经济形势发展的需要, 也符合国家的产业政策, 而且产品使用范围广。因此, 可以相信木塑复合材料是一种极具发展前途的材料, 也是一项有生命力有市场开发前景的创新技术, 具有广阔的市场前景、良好的经济效益和社会效益。
谢 辞
【下空一行直接添加致谢内容。】
致谢应以简短的文字对在课题研究和设计说明书（论文）撰写过程中曾直接给予帮助的人员（例如指导教师、答疑教师及其他人员）表示自己的谢意，这不仅是一种礼貌，也是对他人劳动的尊重，是治学者应有的思想作风。文字要简捷、实事求是，切忌浮夸和庸俗之词。
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