竹塑复合材料的研究现状与发展趋势

竹塑复合材料的研究现状与发展趋势摘要：本文讲述了竹塑复合材料的定义和特性，并阐述了竹塑复合材料的研究现状，并从复合机理、制备工艺等方面,对其加工现状以及加工中的技术难点问题进行分析,提出竹塑复合材料的发展趋势,为竹塑复合材料的研究与开发提供参考。关键词：竹塑复合竹塑复合增强研究现状发展趋势我国竹材资源丰富,竹子种类和竹林面积约占世界的1/4,竹材产量约占世界的1/3,均居世界首位[1]。在竹材资源的加工利用中,我国处于世界领先地位,竹材工业化利用的比重也逐年增加。然而由于竹材具有壁薄中空、组织结构不均匀及易发生虫蛀和霉变等缺点,导致其加工利用率不高,严重制约了竹材资源的综合加工利用。因此,大力开发竹质复合材料,赋予其更多的功能，拓宽其使用空间,对实现我国竹材工业的可持续发展具有十分重要的意义[2]。1竹塑复合材料1.1定义竹塑复合材料（Bamboo-plasticComposites，缩写BPC）是以竹锯末、竹屑、竹渣等竹纤维为主要原料，利用高分子化学界面融合原理和增强填充改性的特点，配混一定比例的塑料基料，辅以适当的加工助剂，经特殊工艺处理后加工成型的一种具有可逆循环的多种用途的新型材料[3]。1.2特性该种材料表面光洁，质地密实，既克服了木材强度低和变异性等使用局限性，又克服了有机材料模量低等缺点，具有较好的力学及吸音性能[4]，且其耐腐蚀，抗虫蛀，吸水性小，易回收，是一种新型的代木环保材料。对其进行深入研究有利于缓解目前木材资源紧缺和塑料废弃物污染等严重问题，且用途及市场前景非常广阔，可广泛应用于建筑、包装、运输和家装等领域[5]。2竹塑复合材料的研究2.1竹材层积塑料研究竹材层积塑料是以旋切竹材单板为组元,在浸注热固性树脂后,通过热压工艺制得的竹塑复合材料。若按照不同的纤维方向配置板坯中的各单板层,就可以制得力学性能不同的竹材层积塑料。竹材层积塑料具有质量轻、强度高、耐磨及绝缘性能好等特征,可广泛用于制造风扇叶片、滑道、轴承和无声齿轮等。2.2竹塑复合材料板研究利用竹纤维与热塑性塑料进行复合制成的竹塑复合板材,具有机械性能好、材料收缩与扭曲小、无污染物生成,防水、抗虫蛀、抗霉变等优点,彻底解决了传统人造板生产中使用胶粘剂产生的甲醛释放问题，适应21世纪材料复合化与环境协调性的要求，符合发展经济与生态安全的迫切需要。模压成型是竹塑复合板生产过程中极其重要的环节，模压成型的成功与否决定了产品质量的优劣和最终用途。福建农林大学李正红、黄祖泰等人对竹塑复合材料地板基材模压成型工艺参数优选进行了研究，取得了很大进展[6]。此外，中南林业科技大学的刘德桃等人进行了一系列的竹塑复合材料板加工工艺的研究。由安吉中源工艺品有限公司与浙江大学合作开发的新型竹塑复合板材项目，利用现代生物技术采用专门配制的反应引发剂对65%～85%的竹材废料进行预塑处理，把竹材的极性尽可能地消除，然后与废旧热塑性材料及相关助剂经高速混合、干燥、挤出成型、表面技术处理等工序制得。不需要任何粘合剂生产出新型竹塑复合板材，实现了竹材废料的深度转化，年产3500吨竹塑地板可消耗竹材废料3000吨。经高温挤压，产品的长度、宽度、厚度、花色可随意调配，产品强度和硬度高，不变形，不含甲醛，符合国家循环经济政策。竹塑复合板材的批量生产彻底改变了竹地板仅用于室内装修的历史。由于产品适用性广，克服了当前板材的耐用性差、易潮、易腐、易蛀等缺点，可以成为室外园林、户外铺板等领域产品。同时，与目前生产的竹地板最大的区别在于，竹塑复合地板可以实现回收再利用[7]。2.3户外用高性能环保型竹塑复合材料研究黄山学院应用化学研究所研究员任兵杰，陈宇翔，方红霞等人通过对竹纤维素微粉及竹纤维的改性，获得了氨酯化改性竹纤维素微粉（氨酯化BCMP）和马来酸酐改性竹纤维（MAH-BF）。使用改性后的纤维与HDPE进行复合，获得了能满足户外应用要求的高性能环保型竹塑复合材料。改性后的产品的主要性能均要优于目前市售的工业改良型的木塑和竹塑复合材料，且生产成本更低。氨酯化BCMP竹塑复合材料的突出优点在于其抗氧化老化性能，为市售木塑复合材料的2倍。MAH-BF竹塑复合材料的突出优点在于其耐沸水性能优异，经沸水煮后，质量及厚度增加百分率仅为市售木塑复合材料的1/4。以上两种材料，有望应用于户外用高性能复合材料领域[8]。2.4竹塑复合材料的其他研究目前国内外对竹塑复合材料进行的界面改性研究，主要是通过改性竹纤维或添加界面改性剂的方法进行。主要的化学改性方法有：加入相容剂，加入偶联剂，共聚接枝改性等。竹纤维的化学改性主要是将纤维素表面的羟基反应掉，形成化学键。利用化学处理方法可以达到减少纤维表面羟基基团的目的,或通过化学的方法使木质聚合物高分子和基体树脂间产生交联。新结构的稳定性取决于形成键的性质，主要影响材料的力学特性和吸附性。福建农林大学攻克了竹纤维在塑料基体中分散性、相容性等关键技术,研制出以竹材加工剩余物、小径竹爆破纤维为增强材料,以尼龙、聚丙烯等为基体的复合材料。科技人员研发了适合于竹纤维增强塑料的相容剂和喂料设备,采用注塑、热压成型等工艺制造出高纤维含量复合板材、异型材系列产品。这种竹塑复合板的性能接近或达到国外玻纤增强PP复合材料的性能[9]。南京林业大学李大纲联合遵义市生产力促进中心和贵州新锦竹木制品有限公司对楠竹/新PE、楠竹/回收PE、杂竹/回收PE3种竹塑复合材料吸水性能进行了研究，结果表明：（1）温度是影响竹塑复合材料吸水厚度膨胀率和吸水率的主要因素之一。(2)3种竹塑复合材料厚度方向吸水膨胀性和吸水率表现为：杂竹/回收PE材料吸水膨胀性最大，楠竹/新PE次之，楠竹/回收PE最小。（3）杂竹/回收PE在80℃时的吸水率是室温下的3.5倍；楠竹/新PE和楠竹/回收PE在80℃条件下的吸水率均是室温下的3倍。（4）楠竹/回收PE在80℃水浴中的厚度方向吸水膨胀率是55℃下的1.4倍，是室温下的2倍；楠竹/新PE80℃水浴下吸水膨胀率是55℃下的1.2倍，是室温下的1.9倍；杂竹/回收PE80℃水浴下吸水膨胀率是55℃下的1.6倍，是室温下的2倍多。（5）光学显微镜和扫描电镜观察后发现，吸水后竹塑复合材料除了竹纤维发生膨胀之外，材料的内部结构没有发生变化，即竹塑复合材料是一种具有良好抗湿膨胀性能的新型复合材料[3]。浙江大学原子核农业科学研究所刘亚建与浙江省能源与核技术应用研究院徐芙蓉等研究员将竹粉与聚乙烯（PE）及其他助剂按一定比例，通过熔融共混挤出等方法制备了竹塑复合材料。对PE/竹粉复合材料的力学性能进行了测试。结果表明：随着竹粉用量的增加，复合材料的拉伸强度、弯曲强度逐渐增强，但冲击强度下降。同时还研究了不同温度下复合材料的性能，并对其相关机理进行了初步探讨[5]。3竹塑增强复合材料的研究进展国内外学者对竹塑增强复合材料的研究集中在复合改性机理、制备工艺、生产设备等方面。3.1复合改性机理竹纤维表面存在着大量的极性基团，在符合材料制备过程中，亲水性的纤维与疏水性的塑料之间存在着较大的界面能差，二者界面很难充分融合。制造竹塑增强复合材料，需先将竹纤维进行酯化、醚化和接枝共聚等物理化学改性处理，形成非极性官能团，使其与塑料表面的溶解度相近，具有流动性和类似塑料的容熔加工性能。竹塑加工性能。竹塑增强复合材料的符合改性机理主要有以下几种类型。1）热压法纤维塑化机理热压提高了纤维密度，缩短了纤维素单体分子的自由基间距，使基建数量增加；而且，在较高的热压温度下，纤维分子相互扩散，产生塑化，增强了邻近纤维的结合力。此外，纤维中的木素和少量胶质成份在适当的热压条件下塑化成型，熔融的塑料基体渗入竹纤维的细胞空腹中，形成“铆钉”连接胶合。2）树脂浸入机理树脂既可以作为黏合剂，将填料粘结成一个整体，又可以传递载荷。经热压，竹纤维表面的游离羚基与树脂官能团结合形成氢键，提高了微结构的结合力，浸入竹纤维的导管、筛管和薄壁细胞等的间隙和空腔中，增强复合综合效果。3）竹塑偶联机理偶联剂分子具有两种不同结构的官能团，一部分可与竹质材料表面的亲水基团通过水解、缩合等作用，形成氨酯键；另一部分树脂高分子聚合物反应，或产生物理缠结，溶解扩散，从而在竹纤维和塑料间形成较强的界面作用力。4）界面改性相容机理通过物理和机械的方法，在高分子聚合物中加入无机或有机物质；或将不同类高分子聚聚合物共混，或用化学方法实现高聚物的共聚、接枝、交联，以消除其表面的氢键效应，减弱竹材与热塑性塑料间的相斥作用，提高纤维在塑料基材中的相容性和分散性，得到牢固的结合界面。3.2制备工艺竹材与木材在组织结构上有较大的差异，但化学成份相似；竹材抗弯强度破坏性特征为单根纤维拔出型，剪切破坏性特征为纤维呈镞状拔出型，纤维束从基体中拔出后的表面具有破坏特征，表面纤维增强复合材料特性。竹塑增强复合材料的研究刚刚开始，发表的文献不多。我国目前关于竹塑复合材料制备工艺的研究内容主要包括：物料配比、偶联剂的种类和用量、成型工艺等。1)物料配比和偶联剂不同种类的偶联剂影响竹塑复合材料的力学性能。有研究表明，马来酸酐由于熔体黏度大，可明显提高竹塑复合材料的宏观力学性能，由此提出了改善挤出加工性能的方法。对竹粉/聚丙烯复合材料的研究发现，偶联剂对复合材料的弯曲强度有显著影响，而竹粉颗粒对复合材料的力学性能无明显影响。又有学者研制了竹纤维高得率浆聚丙烯复合材料，考虑了竹纤维含量和界面改性剂羧化聚醚，对竹塑复合材料抗拉、弯曲、冲击性能的影响，结果发现：羧化聚醚作为界面改性剂，能明显提高复合材料的力学性能，其拉伸强度达29MPa，弯曲强度42MPa、冲击强度5.9kj/㎡，各项指标均高于原基体聚丙烯；竹纤维含量对复合材料的性能亦有重要影响，采用主要成分分析法，确定了优化工艺参数。对竹粉与聚己内酯复合的研究显示：采用铝酸酯偶联剂改性竹粉，有助于提高复合材料的加工性能。又有研究提出聚己内酯/竹纤维复合材料的优化工艺参数为：铝酸酯偶联剂质量分数1.5%、改性温度95℃、搅拌速度800r/min，模压温度115.9~144.1℃、压力27.2~32.8MPa、成型时间7.6~9.1min，复合材料具有较好的弯曲强度、防水性能和生物降解性能。对竹粉/高密度聚乙烯复合材料的研究表明，在材料的混合过程中，加入适量经三聚氰胺改性处理的纳米陶土，能大幅提高复合材料的拉伸强度、冲击强度和弯曲性能，同时改善复合材料的耐水性能。2）成型工艺利用竹纤维编制板、玻璃纤维及不饱和聚酯树脂，通过层压复合工艺，制备出的竹塑复合材料具有轻质高强、耐腐蚀及环境适应性好等特点。该竹塑复合板材经过切割、胶铆混合链接等加工，可制成军用包装箱，有效解决木质包装箱易遭锈蚀、虫蛀、鼠咬等问题，改善包装箱的耐水性、防潮性，提高包装箱的综合防护效果和环境适应能力。采用模压成型工艺制造竹塑复合材料，当工艺参数设置为：竹塑配比5：5、板坯密度0.9g/cm3、热压温度170℃、热压时间10min时，复合材料的物理力学性能指标值为;静曲强度36MPa，内结合强度2.0MPa，吸水厚度膨胀率0.7%，达到或优于GB/T18102-2007《浸渍纸层压木质地板》的要求，可用作地板基材。以竹材加工边角废料、小径竹、丛生竹资源为利用对象，以竹纤维为增强相的生物可降解高分子复合材料静曲强度达到50MPa，24小时吸水厚度膨胀率在5%以下，在可控堆肥降解条件下高分子降解率达70%以上。3.3生产设备竹塑复合材料的成型设备主要为双螺杆挤出机，有平行双螺杆和锥形双螺杆两种，确保纤维停留时间短，防止物料断裂和焦化。其中，锥形双螺杆机为非组合式螺杆，是低速、低能耗型设备；美国生产出改良型行星锟轮双螺旋挤出机，温控精确，熔融温度较低，适合热敏性复合材料的加工。北京工业大学研制出串联式磨盘螺杆挤出机，具有广泛工艺适应性，特别适用于高填充货高黏度复合材料的共混改性，其破碎、混合、混炼性能，优于其它传统的混炼装置。4竹塑增强复合材料的关键技术4.1关键加工技术1）原料处理竹材的种类和塑料基体的新旧，影响制品的吸水性能和抗冻融性能。有研究表明,①吸水