木塑复合材料的配方设计

北京化工大学塑机所薛平二零零四年十二月木塑复合材料发展与配方设计一、什么是木塑复合材料？二、木塑复合材料发展背景三、国内外木塑技术发展趋势四、木塑复合材料特性五、应用实例—木材的理想替代品六、关键技术与加工设备七、配方设计八、木塑复合材料发展趋势一、木塑复合材料：也称为：塑木或木塑复合材料环保木/塑美木POLYWOOD（保利木）定义：以塑料为基添加一定比例的含有木质纤维类材料制成的材料；或以木粉为基添加一定比例的塑料制成的材料都可称为木塑复合材料。塑料：以热塑性再生塑料为主，可以采用新料,种类为：PE、PP、PVC、ABS等木质纤维：锯末粉，花生壳，稻壳，各种农作物秸杆、亚麻杆及棉花杆等含有木质纤维之类的材料，还可以是可回收的汽车轮胎，玻璃纤维、无机纳米材料等成型方法：挤出法：型材、板材、管材等注塑法：各种零件热压法：板材或简单产品为主。国内外三大类木塑材料使用比例二、木塑复合材料发展背景☆1、货物包装：由于天牛虫问题，国家四部委通知要求：企业在生产和出口欧美产品中要尽量避免使用木质包装；2、我国目前木质托盘的年产量近亿万只，木材消耗量达3000万立方米，而木质托盘又是消耗品；3、木材在使用过程中产生25-30%的废材，各行各业迫切在技术上解决这些废材的利用，使之资源化；4、我国每年可回收的塑料在数百万吨以上，而我国废旧塑料回收率在世界上较低，仅为15％左右；发达国家废旧塑料的回收率都在50%左右；5、将废旧塑料与废弃木材有效利用，既可节约森林资源，又可保护环境。木塑复合材料技术为我国解决木材紧缺、森林资源保护、“白色污染”等问题，提供了一个全面的，一举多得的解决方案。三、国内外木塑技术发展趋势国外：PE、PP、ABS、PVC+木粉美国Mobil公司：利用废旧膜与锯末挤出型材DavisStandard：单螺杆挤出机、双螺杆挤出机挤出型材，双挤压系统Cincinnati：锥形双螺杆挤出机挤出型材专门设备：Woodtruder，包括共挤压木粉填充量：达到50-90%产量高：300-1000kg/h意大利：BausanoGroup：异向旋转双螺杆挤出机，挤出片材与板材（≥2000mm×1mm-6mm）原料：PP、ABS、PVC+木粉加拿大：Dura公司（生产厂家）：利用HDPE/木粉挤出型材（设备DavisStandard）日本：艾因工程技术公司挤出成型宽幅大型高强度中空板材（W=900mm厚达100mm）相比胶合板等实心板具有更高的刚性、弯曲强度和表面硬度；具有优于铝材的耐久性、耐水性，兼备木材的触感和风格。新加坡LESCO公司：研究PVC+木粉复合材料用于建筑装饰件、门框、地板和格栅围栏等；近几年又发展了PVC+木粉微发泡技术，挤出型材，主要特点降低比重，提高抗冲击强度，做到真正仿木。美国DavisStandard双挤压系统国外Cincinnati木塑挤出生产线日本艾因工程技术公司日本艾因工程技术公司型材产品木塑材料样品木塑PVC产品木塑PE板与PVC及发泡产品四、木塑复合材料特性：★1、对环境友好：使用再生材料（木粉与塑料）不需要作防腐处理★2、不需要日常维护，使用寿命比木材长不吸湿、潮，不腐烂，防虫不破裂、开裂、不变形对冷、热环境不敏感3、聚烯烃类木塑材料机械性能好，可广泛作承载结构材料使用；4、聚烯烃类木塑材料98%的原料为再生材料，所以成本较低，同时产品可100%再回收利用；5、PVC类木塑复合材料通过微发泡提高冲击强度、降低比重，真正仿木。6、木粉填充后的制品技术性能可靠，质感接近木感，维修简单。可以用与天然木材相同的工具和工艺进行钻孔、切割和修整，还可以象加工木材那样打磨、喷漆、上色和装饰，使其获得所需的美观效果。特别是PVC木塑材料效果更佳。不同木塑复合材料性能比较性能HDPEPPPVC密度213价格123回收方便123硬度321抗蠕变性能321使用温度213阻燃性能221产品性能：木塑复合材料的物理性能项目单位PE类比重g/cm30.96~1.1线胀系数(20℃)mm/mm/℃3.5×10－5吸潮性%0.2吸水性﹝24小时水中﹞%0.3表面磨粗后吸水性(24小时水中﹞%0.4紫外线老化率微米/年50~56PVC类0.4-0.923产品性能木塑复合材料机械性能项目单位测试标准PE类PVC类拉伸断裂伸长率%GB/T10403～42～4抗弯模量GPaGB/9341-882～3抗弯强度MPaGB/9341-8830～3515～25压缩模量GPaGB/T10411.0～1.2压缩强度MPaGB/T104125～30无缺口Izod冲击强度J/mGB/T1843150～16060～100螺钉拔出力(4.4mm直径25.4mm深)kg300-320(5mm螺钉)五、应用实例—木材的理想替代品包装运输类：托盘、军品和民品包装箱、玻璃包装箱、周转箱，插车货板、仓储垫板等包装制品园林景观类：凉亭、座椅、栅栏等城建用品车辆船舶类：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国外木塑材料主要应用领域分布情况应用实例户外产品木塑托盘园林产品包装产品汽车内饰件PVC木塑室内装饰木塑复合材料的应用在不断扩展仅以美国为例：应用于围栏、门窗框架、户外产品、包装货架等，1998年共生产9万吨至2000年增长到18万吨,至2003年达到近40万吨。生产木塑制品投资省、见效快，原料、来源广泛，产品的投产期仅需2-3个月，利税可达30%以上，经济效益与社会效益均好。若我国能将每年回收的400多万吨各种废旧塑料全部用于生产各种木塑制品，产量可达800多万吨，工业产值接近400多亿元，这还不包括用新塑料与木粉进行复合生产，因此开发木塑产品具有很好的经济效益。六、关键技术与加工设备1、原材料(塑料、木粉种类）如何提高塑料与木粉之间界面结合力（有关助剂的选择与用量确定）；2、挤出成型设备及工艺—提高共混分散的能力及建立足够的挤出压力；3、成型模具的设计与冷却定型技术。木塑加工设备的选择1、单螺杆挤出机平行双螺杆挤出机2、异向旋转双螺杆锥形双螺杆挤出机3、同向旋转双螺杆挤出机与单螺杆挤出机共挤出直接成型制品采用木塑单螺杆挤出机特点材料：制成颗粒料物料预先干燥排气加料方式：重量加料熔化机理：机筒加热和螺杆剪切优点：缺点：1、技术成熟；1、较高原材料成本；2、设备成本低。2、产量较低；3、需要木粉干燥系统；4、螺杆转速受到限制（防止剪切过度）5、低温高压挤出困难。异向旋转双螺杆挤出机采用异向旋转双螺杆挤出机特点1、木粉和聚合物粒径相同；2、需要预混合、干燥；3、强制式加料机；4、平行或锥形双螺杆；5、熔化机理：机筒加热和螺杆混合塑化；6、挤出机中真空排气优点：技术成熟，低转速、低剪切。缺点：1、需要干燥系统；2、较高的设备成本；3、需要预混合；4、木粉含水量控制在较低的水平，才能保证较高的产量。同向旋转双螺杆挤出机与单螺杆共挤出采用同向旋转双螺杆挤出机特点含水量可大些（8%）木粉和塑料颗粒大小不受限制；重量加料与侧喂料；熔化机理：机筒加热，高螺杆转速与高剪切可排气双螺杆长径比40：1，单螺杆10：1即可。优点：1、无需预干燥与预混合；2、塑料与木粉混合效果好。缺点：1、需要较好的加料系统，成本高；2、螺杆转速高，木粉易烧焦；3、低温高压挤出困难。七、配方设计1、树脂：挤出级聚烯烃原料回收料、新料均可PVC原料采用新料2、木粉/木纤维：木粉长径比L/D=2：1-4：1木纤维长径比L/D=10：1利于增强三种木塑材料典型配方HDPE/PPPVC基础树脂25-50%35-65%木粉50-70%30-50%加工助剂2-6%4-10%基本配方中木粉对成本的影响成本木塑复合材料与天然木材性能比较木粉填充量对复合材料性能的影响木粉的粒径对复合材料性能的影响木塑材料加工助剂作用1、改善加工特性★润滑剂★偶联剂/相容剂2、提供加工稳定性，提高使用寿命★抗氧剂★紫外吸收剂和稳定剂3、改善机械强度★偶联剂★冲击强度改性剂润滑剂内润滑—影响树脂加工性能★降低粘度，增加流动性★降低剪切耗散热★降低熔体破裂外润滑—影响树脂与木粉之间界面性能★减小树脂与机筒、螺杆间摩擦★防熔体破裂★促进填料的分散偶联剂/相容剂作用:★促进木粉在树脂中分散★促进木粉粘合树脂效果：★增加拉伸、弯曲和冲击强度★减少吸水率★提高热变形温度★提高老化性偶联剂对复合材料性能的影响偶联剂含量对复合材料热变形温度的影响偶联剂添加量对复合材料吸水性的影响配方设计1、木粉：2、HDPE/PP：3、偶联剂/相容剂：4、抗氧剂：5、紫外吸收剂：6、润滑剂：7、分散剂等：八、木塑材料发展趋势不但使用再生材料，而且使用新塑料再生材料供应问题再生材料价格增加更好的质量，生产过程更均匀、稳定木纤维与塑料结合更加均匀与紧密，性能优，填充量大发泡结构减轻重量复合结构增加硬度与刚性其他纤维材料的填充与应用根据国内外木塑复合材料的研究与应用的进一步发展，可以预计其加工技术主要有如下发展趋势：（1）原料多样化；（2）木粉填充量超高化；（3）设备、工艺专业化；（4）产品高档化。谢谢！