CHINA RuBBER,PLAST|CS TECHNOL0GY AND EOUIPMENT
复合材料成型技术装备
的研 究现状和发屎 方向术
江波,许澍华 ,张金斌
(北京化工大学 ,北京 l()()f)89)
摘要 :本文首先概 述了木塑复合材 料的主要成分 、优良特性 和使用原 因. 接着系统地介绍 了木塑复合材 料的应用领域 ,
包括建筑 工程 、汽车 工业 、包装行业及铁路交通等其他行业.然后重点地阐述 了一 下木塑复合材料的研究现状 ,包括相容性、
微孔发泡及成型装备.其中成型装备中主要介绍了专用单螺杆和双 螺杆加工设备 、串联式磨盘挤出机和 专用机头的研究现状 .
最后 ,对木塑 复合材料 的发 展方向进行 了展 望.
关键词 :木塑复合材料 ,应用 范围 ;相 容性 :微孔发泡 ;成型装备 ,单螺杆 和双螺杆加工设备 ;串联式磨盘挤出机 ;专
用机头
中图分类号:TQ327 8 文献标识码 :B 文章编号:1009—797X(2005)03—0004—10
0 概述
目 前世 界各国塑料 回收产 业正厂泛 兴起,
英国的废 旧塑料回收率为 80%,美国废旧 HDPE
的 回收率 为30% ,日本 的废 旧 塑料 回收 率为
49%I I,特别是进入 2 1世纪后对废旧塑料的再生
利用越 采越引 起世 界各国 的关注 .而我 国的废
旧塑料回收率较低 ,仅为 1 5%左右 .随着我国
国 民经 济持续高速发展,关 于 治理 "白色 污染",提高废 旧资源再生利 用 ,保 护环境 的呼声
日渐强 烈 ,废 旧塑 料的回 收利用 日益引起 厂泛
重视 .因此 ,开拓废 旧塑 料应用领 域 、开发研
究废 旧塑料加工技术和设备也就显得更为迫作者简介:江波 (1942一),男.教授 .硕七 、博士生导师.
作为项 N和技术总负责人共主持了圈家、部 、省市级重大研究项
目 J余项 、曾获 "八五"国家技术 创新优 秀项 }={奖 】项 、部科技
术进步 等奖 2项、" 向平行双 螺杆挤 出机组" 的研究被列 为
国家 "九五 重点推广科研项 目,有4项技术获圈家专利.合编
著作6本 ,在国内外专业期刊和学术会议发表沦文 n【】余篇
收稿 13期:2004一l2-03
收修改稿 日期:2004—0l一2
: 本项目受 高等学 校博 士学科 点专 项科研 基金项 目(201)l00()】(JI)02)资助
.
此外,由于 目前全 球森 林资源日渐 枯竭 ,
各 国环境保 护的意 识不 断高涨 ,要 求限伐 、禁伐森林的 法令不 断颁布 ,对 于木材 的利用 提出
了更高的要 求.一方面尽 量减少木材 的采伐量 ,
推进 寻找 木材的 替代 品 ,另一 方面 要提高 木材
的利用率 .在传统木材 的使用中有 25%~35%属于"废料 ",如何将这 些边角料加以利用 ,提高
木 材工业 利用效 率倍 受人们 的关注 .而且 随着
石油 资源 日益减少 ,塑料原 料的价 格不 断上涨 .
因而将 木质纤维 与废 旧热塑性 塑料经过 特殊处
理 ,合 成新 的材 料—— 木塑 复合材 料也 就应 运
而生 .
用于 木塑复合材料的热塑性 塑料主要为PE、PP、PS等聚烯烃和聚氯乙烯 ,包 括新料 、
回收料 以及二者 的混合 料 ,而木质 纤维则 为木
屑 、稻壳 、麦秸 等资 源丰富 、价格低 廉 的农业
废 弃物 .由于兼 有二者 的优点 ,木 塑复合 材料
制 品因而 具备一 系列独 特的优 良特性 : 1不怕
虫蛀、耐 老化 、耐腐蚀 ,吸 水性小 、不会 吸水
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t涟萼·整砭 鲁摊权啦型披 l术装 备秘册竞珧鞍 趁娃~l-l,;/
变形 、寿堂j乏; 2萎1以东质外观 . 比末
寸隐定1三好 ,不会产生裂缝 、拖臼巨无,、1寸廷
痕 ,百类似不材的二次加工性 .司割、 贴、
用钉 子司螺栓连接 走:3比塑粒谯 睦高 .星
有热 塑-_主塑斟臼加工 畦 重复使用 I回幔毒
利用 .崔刷于环境保护.磕着挤 设备和挤 出
援术的发展 .^们道过I 、墼复合微孔莨洹菠夭
制得 塑复含微孔发范 粒.E比不菱渔材 料
具有 至高芷 耳l五强匪 、耍高朗韧性 、要 芏厩
蒡寿宝、更好的热稳定性干[更怔朗::重 r疆低
比重达 75%戴更高 ). 而进一步}石宽了木塑妄
舍 趟制品堑直用 范围.
1 木丝复合材料镧品的应用
术 塑复兮材料 由于兼有 不材和塑 料的
特惠 ,医 具有许 多糖辑 特性 .这挥I复合材
料制品也随着环保意识的加 和能源矩碾 I 题
的加剧而越哭越受 人们啦重视 . 三 ,木塑
复合材拄与0品已 泛匾用 建筑 r例 地板、
护巷板、逗飘模板、']吾型喇 、l丑崔 护 .以
及百旷宦司屋面板等 、汽 车二 f觑如三f:内
装饰板 、罩钔用 条境箱、餐措盖、座椅靠板、车顶衬等 )、包装及运输 业 (唰矩运输托盂、铁
鸬杭木、船舶鹱腑等 )、家星业 、西 蛰室设备 、
谁百设备等领域 i.
1.1 木纤维在建筑工程中的应用
不纤维要合树料有一芷 概度(视 用途
而定 ), 且防 、防腐 、防霉吐能亏墼 帽.发渔的型材 .其 表面}亡潘 ,篝晰度轭 格
爱也高.可按便习要求l敢昏各种色泽 表面可
制反木数 (类似 高经玎木 、柚木、啦 、椽 木等),匕可 有芒种装饰性匡案 魂鸯装饰树
一
般发强卮制得的型衬的窄重为 1 000 kg/r¨ 左右,E:聚烯堙酯 (PE)或聚氯乙 型 的客重
约为 l l 30-1 400 kg/m') i朗多.而其拉 申强
度亏强性强匿 聚烯烃或 PVC高 E是二述特
点星 得 纤维复合材魁在 建筑 工程中的用途扳
广 .例如复合广二蜜哐 、 梯、软质百旷萄 、
畈等.若用多层挤出型材 , 层可采用国u要料 .
外层用新料 .制甑复兮耐 臼各项机械-竺雏可与
硬木 品瑁照 姜.舌 纤鳃复合材 忸地板 :
目前中密屡木质纤维板 越碍多 .不糖萄 、
、 麦面姜观 .最近匡外己生 静 毛不纤
维曼含 蛙 ,作为 黾嘲或真 静电雇 朗【也板
用栩.在匡 .王厩云等^ '已魂 I也 术粉 、
聚氯乙 等 为原料 ,F发了Ig:V新圣环1栗型建
材——术质堑 地畈 .这种 术质壁 料地皈 仅
鼻再樱佳∞防 水吐雏 、禹 !掸 _芏,而目它的蔓
整个三产和处 理噬序与原 的处理 方式无全不
同.可以大大 节省产 臼生尸嗣间、曛料贮 藏费、原蛙损 费及后 加工费 .
1.2 木皇复合材料{剪品在汽车工业中的应用
近年来 . 墼板 以翼台理 1丑、兮适
鲍性能茌汽车 慌行业运盂增多 ,如 堇的 、 I
板 、后婀轫禧、行李稚侧匿、高翼箱、顶差、夏柱、挛橱靠板等 .
由于木粉填充聚氏 板耐闭优 趣恒能 ,jI
起了人们 洼意,L975年惫太 茌LANCIA和FIAT至上苜毅采用了 衲 科和技求 ,珏在型
养_二n多朗汽车商已买用了 :种】畅魁 :写姜 国的FORD、GM、CRYSLER:日本朗 MMC、ISUZU、
TOYOTA、NISSAN、HONDA: 洲曲MATRA、
PEUGEOT RENAULT FIAT LANCIA ALFA
ROM EO 、 AU DI、 BM W 、 Vo LKSW AGEN 、
ROVER、SEAT:韩匡笺 HYUNDA、KIA、
DAEWOO等.2O世纪 90年代,随着国外专车
公 司加^我 匡汽车工业 .此柙材牲 也梭 ^美匡.首先在 上海大众桑塔纳轿车 (差连型 门
板上运用.目【开始全部从国外进[.1 996仨,我
f一通过对进口材粒的分析丰l=与圄耕蓝技天合1乍.
根据 众毒准 TL5 2203,研剐丰[ 发了此冲材
料,并于 】997年通过 认可.替 弋了进口 .
近E 来 .此 种I}王在我 国 至上运 用越 来越
多 :巫用于 ]板印可新老晏塔纲 、赛馥 、奇瑞 、
派兀奥、英格霉;应用于后搁镪板的再奇 、派
力奥 ;匝用 于顶篷自夸大发 、中毒 .随着我国
汽车工业朗发展和匡冢对环 保朗重视 . 及加
人wTO亏汽三1 梧龅囊争 , 玢交觅聚嚣烯顿
材 以其优越朗赢型性 能和 兮理朗 位 ,将舍更
多 地运 用于汽车上 .
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————————豳鼬蒯赫 i一
的漆器 ,且流 传至今 .利 用植物 纤维与 合成树
脂进 行复合 的研究也 具有较 长的历 史 .最初 的研究中,木纤 维 以粉 状的形 式被用 作填 料加到
热 固性塑料中.LeoH.Bend博士在 l 907年合成
了由热 固性酚 醛树脂与 木粉 复合而 得到 的 1种
复合材 料.但这 一阶 段由于 高分 子科学 的发 展水平及技 术手段 的限制 ,应 用最多 的纤维 是长
度较 大的 韧皮类 纤维 ,如亚 麻 、黄麻等 ;树脂也多为热 固性塑 料 ,如酚醛 树脂 、不饱和 聚酯
等 ;工艺 也较为蔺 单 .其中最 为成功 的应用 是用木浆纤维增强酚醛树脂注射成型,而 且在1970年得到 了商业化的产品 I.
2.1 木塑复合材料的相容性研究
随着 科学技 术和 社会 的发展 ,人们 对塑 料
材料 性能的 要求也越 来越 高 .充分利 用植物 纤
维资 源的潜 力 ,发 挥它独 特的功 能和特 性 ,开
发其新 的应用 领域 ,是 当今引人 注 目的研 究热
点 .而植 物纤维 与热 塑性塑 料复合 是开发和 利
用这 一资源 的有效途径 之~ .与矿 物纤维相
比 ,植 物纤维 具有来 源广泛 、价廉、可 反复加
工、可生物 降解 再生、密度低和较高的长径比、
比表 面积 大等 特性 .此外 ,植物纤 维作 为 1种
增 强材料 用于热 塑性 塑料中还 显示 了较 好的 力学性能 ,例如 :比强度 高 、硬度低 、对加工 设
备磨损小等优点 J.
然而,植 物纤维 也有 加工温 度低 、不 耐潮
湿 及与热 塑性塑 料相 容性 差等缺 点 .而其 中憎
水性 的热塑性 塑料与 亲水性 的植 物纤维之 间的
界 面相容性 差是此 复合材 料的最大 缺点 .这种极差 的界面相 容性导 致 了纤维在 塑料基体 中分
散不佳 、力学 性能下 降 ,限制 了植物纤 维在塑
料中 的应 用 .为 了改善它们 二者之 间的 界面相
容性 ,发 挥各 自的优点 ,增 强木 塑复合材 料的
力学性 能 ,扩大 其使 用范 围 ,长 期以来各 国学
者 都在努 力寻 求新的方 法 ,以使这 种复合 材料
能 够满足 实际 的使用需 要 ,并且 取得 了一 系列
阶段性成果… I.
改善 木塑 复合材 料复合 界面 的相容 性的方
法 主要有 物理或化 学的 方法 .物理 方法包 括表
面原 纤化及放 电处理 . 在植物纤 维 的表 面改性
1.3 包装行业
l 9 9 8年 9月 ,美国签署了 l项针对中国的
临 时性植物 检疫 法令 ,要 求所有 采自中 国的 商
品木质 包装 材料 及其木质 铺垫 物必须 附有 中国
官方检 疫机构 出具的检疫证明 . 1 1月初 ,加拿
大 实施类似 美 国的检疫 措施 . 因为美 、加等 国进口商 品包装新检 疫措 施的 出台 ,我 国处 理木
质包装 费用较之以往增加 l 0%~30%.木质包装
一
方面 面 }缶着 资源短缺 的 困境 ,另一方 面又受
到 美国 、欧盟 的限制 ,内外 夹攻使 其必须 寻求
新 的代木 材料 ,逐步 降低 木质包 装用量 .
从广义上说 ,"以塑代木" 、"以纸代木" 、
"以竹代 木 "的各种 材料 都可 以归入代木材 料.
但 是木 塑复 合材 料 以其 保 护环境 和 资源利 用2个方面的优 势 ,成为包 装代木 材料的 主力军 和
发展方向.据计算 ,推广应用木塑复合材料 l 00
万t,可处理废旧塑料近 5 0万t,利用废弃农作
物50万 t以上 ,30 000 hm 的中密度森林植被将
得到有效的保护 I.
木塑 复合材 料是 木质包 装的 首选替代 品和
换代产 品 .用它替 代传统 的包装材 料 ,可解 决我国目 前面临 的外 贸 出口产 品的包装 难题 .
1.4 其他方面的应用
铁 路作 为 中国交通 运输 的动脉 ,对 中国 国
民经济有 着不 可轻视 的作 用.铁 路枕木传 统上采用木材 ,近 年来 ,也有 钢筋混 凝土枕木 .但木质枕 木需要大 量的 优质 木材 ,而 且易 损坏 ,
需 要不 断地维护和 更新 .钢筋 混凝 土枕木 缺乏
弹性,对 车辆和 路基 的磨 损大 ,在 山洞的进 出口、铁路弯道处 ,混凝土枕木的损坏也很大.国外的研 究表 明天然 纤维塑 料复合枕 木可 以达到
木质枕 木的 机械性 能 ,而且经 济性强 ,是现 有
枕木的理想的替代品.经计算修建 l0 000 km的
铁路需要 l 3 5万m的木材 ,仅枕木 l项 ,每年
的市场需求就有 l 50万一200万 t木塑复合材料 ,
即有 l 40亿元人民币的市场 .
2 木塑复合材料研究现状
植物纤维 复 合材 料在几千 年 前就 有应 用.
我国在 2 000年前 ,就出现 了用麻丝和大漆构成
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黠≯·室争啦艚嚣存 砰窑 '与篓舌'
万面 ,低 品等离子敲电 、戤射故号 、电荤般 电
等越来越 量到^们 广泛关 . 医温等高子般
电处理主要引起 匕学修饰 、疑合 、自当基产三、
结量等耍 I匕:溅 放电处理主要j起物 理万面
的变化 ,比如表面 变得粗糙 等 增豆累面间鲍
粘结悭靛.等葛子悔 的 用包拄质子鲍获得以
及不稳定基匿朗生成 .从 而使醇 、驻 、酾 、羧
酸等朗宴能团发生变 化.艘 电处理 以通i丑降
低纤维 ,聚刍物嚏促 的 匪哭 善曼合耐 粒蔓
力学性雏 :电星放亏∞ 是通过改变纤维素分子
匏表面 能是降嘎 复合 粒 笥熔神 牺磊 .
化学 方法为在与聚合蜘母婊复合之丽遣逛
在言:蛀填壮 表面包覆 】盂 非极性 筻叼料
善再面的蓑容性及纤维在型料基匹丰的 散性.
化学法 般奄 接板共聚法处理 、偶鞋剂处 理、
对垣瑚 纤维浸运 理、碱金属溶 莅晦 处理及
取代反应和乙酰化处 等数砷万洼' .接校共
聚法是 1种 常见的 柱蘩台材料 朗万洼 .此
法广泛 再于列纤蛀黍填粒平[冥他 娄 l亘料朗化
学性质干[极一生进行改性 ;攫瘦l七聚 反应是田
纤维蓑分 子朗自由基熟发由 ,将耋二蛀素用选好
托离子处理并用高能辐 射就形成了言品星 ,嚣
后用 合理鲍方法处理自庄基位 置 .然层艇脂
与纤维素 以共价键缝合 ,聱低了纤维笺亲 一.兰,
所形厩 的聚合物麦观出 2 I}5:f=珂料的性 能 ,因此
它可 以亏树指星体 相香.1里联剂 汪是通过偶联
剂的化学罐与埴翱纤维填料朗 缝蓑对子罐连,
翼 青机 官能团又能亏聚合物连接 .通过这 2万
面的反应 ,在复合研料的 面上形哀 由 竹键
连接的连续俺.浸润处翌法 是遥连对垣物纤维
氡料在与聚合物母 体框窄朗聚兮览中进}亏浸注
的万法来改善界面的相窄1三:纤维袁连I在寝态
单谁中浸润 .然后1壹单体在有幢化剂、 热 、翘
辐射作用的条件下聚合 ;习受联 改耍量谁芏
填充方洼 .改变单傅的聚合过程等 ,可 以得丑
一
系列 同性能的复仑材料 .佩金属溶菔毒艇
处理及取代度匝 朗砸 匕处理 是用硼金属霄短菇
植物纤维 填粒进 行处理 .其 颓果主要积裘于碱
金属渣渣 的类型及 溶液的浓度.乙酰忆是 l
单反应过程 .1个乙酰叠与 】个羟基反应 .不发
生襄兮 ,遮 反压使失去羟星 蔓木质纤维耍
憎性.降1氐了木质纤维与复合 料的畈湿1r三
和膨 性 .发生酯忆咋用朗司肘 ,又有美酸生
氏,盈比2 会改善 亏用 E处理剂的可溶I兰酸匏
相寄· .和未经处理的术质 纤整瑁 比.= 与非
极·|主塑 匣的框冒吐 可得到 夏彗 .
我国木塑复含 的研究 工作县爨起步较
国外晚 ,但却充分玻收了 I、朗研究成果 进
j了大量的工作 其是 l 998军百 ,由于 "天
牛虫 "事件 , 之塑 制品展 弃物及 树资嚣
强口 !不断增加 要观上推动 了我国术 曼合
材垃 蔓友凄 .北裒化工大学 、林科院 、匡防社
夏学、口 化;:京化工研究院以及乐北
业 学等 高咬和列研 量1丑都进 行了有关研究加
F发.丰 匡林耠院木杞 工业研 所对末功 习苯
乙烯 (P s)接枝 聚过程中官能园和辰国橛一生
的变化进行 了研究 ,并使是』瞄丁烯 二酸酐王]
丁二酸酐经过酯忆反匝采降低表匠搬· .敷景
良好 . 海受逢 学高分子 研 新用马来
酸酐接棱娶两烯作为1昆联剂应用于纸盼或纤维
素填充的 PP体系中 ,并对提禹橱 相容性的
理进 了分扩 .
2.2 木蕾复合材料力学性能的实验研究
北京化工大学特种祈出技六中 自l999年趁,栽开始研究木塑 复合材料 的一步法铲出或
莹生产接术,并已形成完整朗工艺生『工路线 ,
而且用偶获 接校 反应等处理 万洼列木 进I=亍表面处理 ,取樗一系列研究厩 果,星体如下
所达.
不 同稿类 的六质纤维 于纤雏蕊身 子结
伺臼不 同,其不塑复合体系臼刀学性艇乜不同.
表 l砖比 3种不 同莲 质纤蛀秸秆、糠壳司锯天
在相 司的添趣比吼日口露不塑复含材料体系朗力
学 性能的影响 ,其中埴龆纤维未经 表面改一生
表1天然埴物纤维种类对复台材料力学性能的影响
2005;~ 并{31卷 7艇
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————圈瞬鲢酗睦雕赫 毫
填充量为 60%.
图1~3为未经 表面处理 的木粉含 量与 复合
材料力学性 能的关 系 .可以看 出 ,当木粉 含量
小于 3 0%~4 0% 的 范围内 ,随着木粉含量的增
加 ,弯曲强度上升 ,拉伸 强度 、 中击强度下降.
这是 因为木 粉的 主要成 分纤维 素和木质 素是属
至商嘲目鐾婪磊皿A一基体树脂 为PS;B一基体树脂为 PP,
C一基体树脂为 HDPE;D一基体树脂为 LDPE
图1木粉的含量对复合材料拉伸强度的影响
A一 基体树脂为 PP;B一基体树脂 为PS:
C一基体树脂 为HDPE;D一基体树脂为 LDPE
图2木粉的含量对复合材料弯曲强度的影响
木粉的质量百分含量
A一基体树脂 为PP:B一基体树脂 为PS;
C一星体树脂为 HDPE:D一基体 树脂为 LDPE
图3木粉的含量对复合材料冲击强度的影响
于 刚性大 分子 ,木粉含 量增加 ,使 得材料 的刚
性 增加 ,韧性下 降 ,此 外它们 之间 很差的相容
性 进一 步降低 了材料 的力 学性能 .
在 上述 实验 分析的基 础上 ,根 据天然 植物
纤 维含有 羟基和 烷氧基 的结构 特点 ,我们 选用
了几种 表 面处 理 剂对 木质 纤 维加 以活 化处 理,
以找出可 改善 木质纤维在 塑料 中的分 散性 ,从
而有效 地改善 木塑复 合材 料 的力学性 能的处 理剂.图 4和图 5列出了不 同木粉含量下 ,3种处
理剂对木粉 /P P复合体 系力学性能 的影响.从宏观的弯曲强度和拉伸强度的提高值来看,
MAN—g—PP的效果最好 ,EAA和硅烷偶联剂
A一1 7 1次之 ,钛酸酯偶联剂最差 .
木粉含量
图4 处理剂的种类对木粉 /PP复合材料的
拉伸强度的影响
图5处理剂的种类对复合材料的弯曲强度的影响
图6、7分别表示了 4种处理剂对不 同含量
木粉 /HDPE复合体系拉伸和弯曲强度的作用效
果.从图中可以看出 ,EAA对提 高复合材料 的
拉伸 强度有较好的效果 ,处理剂 EAA 能使复合
材 料各组分界面粘结力提高显著. 这说 明EAA
对 木粉 /H D P E复合材 料体 系有 一 定的增容 作用.而 M A H—g—P P的增 强效 果却明 显不如
第8页第31卷第3期如鲫加∞—晕王)闺曛维普资讯 http://www.cqvip.com
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盆霄拉嚣笼硝聋力EAA.匿此 ,EAA是木 /HDPE复含 较为
理想 的增雪 .僵从国 7可 以看 不粉 宝量
超过 40%日寸萼凹蓝匪是逐哥下降臼.即在比情
况下 .EAA对Il五系起到曜强作 用 司日匕疆低
了复含 珐的韧性.
不粉害墓
图6 处理剂的种类对 HDPEI木粉复合材料的
拉伸强度的影响
30
20
j0
图7 处理剂的种类对 HDP 木粉复合材料的
弯曲强度的影响
2.3 木塑复合材料的微孔发泡
20世纪 80年首,^们匕把塑 微孔美琵
的理论运用到木 塑复 兮丰来 ,以期解头 ;发渔
塑复含 般低的 中击强度、靓一生、艟蒡寿贫、
热稳足性和 比重 . 孔 塑料这 概念是由姜
亘麻省理工学院 (MlT 蔓Nam P.S LI h习J E
Ma rtini等教授于 80年代视首先提出朗 微j .塑料是1种 由许多 小蓝气泡核鹰凰朗热塑性
泡沫物质,气泡重经为 l~10 btm.翘孔密度为
10 ~1 0"个/cm',密度可降1臣至堑料不发泡时
5%,气泡孔为闭孔结幅.与 般涸沫 粒相一=.
微 孔塑魁l最显著笺特意是气毫 尺 非常0 .而泡孔密度 j 常六 微孔塑料的性能主要取展
密 暖和气泡 互径 .与未发泡塑段相 比.:中击强
度是墓 2~3倍 .瓠匿是萁 5倍 ,蛭劳寿命是其 5
信 ,强度重量::是其 3—5照,且具萑灵好臼
热穆定性 、较1氏∈ 介电常 数及 昆好E 璺热 陛能
等Lattre nt .等人主要研究了PS/木赞鞠 PVC/
耪混合信 舀E9发泡情 ]关用通^ CO
亘N,逛厅微发泡在 很大程要上 了不塑夏含
埘 料制品密度 、不易加 工朗蛩扁 .获得 自j不塑夏兮材 料 品不仅密 匿1旺、易加 工 ,而三整
俺枉能有很大 提禹 Laurem M.Matuana ".等人
系统 究了忆学发泡娄型 、含量和1霍剂等对
发泡曲 HDPE/术粉夏含材料藐密匪 及平
坛气孔酉径的影响.Chu1 B Pa rk等^ .对太纤维中朗水 作为发酒剂 臼PS,不纤维重兮材
料的发泡讲行 了可行 .芏研究 ,结晏曩 利盂
纤韭中的吸阳水和 结掏水 兰能形成很好的气
孔结朽.王 是医为不堡 发溷复兮耐料克服了 木塑夏含 粒芜 多蛰点 逛一步扩展 了术 复
合耐料朗应 用领域 ,使之成为虹年来末塑复 兮对料研 究 域的新热 点.
2.4 木童复合材料成型装备的研究现状
虽然 塑复合材料 有很好 的巫 用前景 ,但
是哇水性 的热 塑性塑料与亲水一生的厘 窥纤维弄
面Z间的相雪性 差 ,不 易均匀分散 , 成型
难 制品啦物理机碱性蓖差等 医素限制 了返
种珂料的挂厂应 用.人们通过各种轫理 和化
学的方法来改善燹合 物基体与握蜘纤维界面 臼相冒忙 ,包 是依然 不能很好 地解 决 _厂述阃题 .
是茌湿舍技 和装备 的研冤方面 .各 国争相
研发新型高效混炼 、珩出西型装 置栗克脏术孽
复合材料难混合 、难成型 题.
木塑 复合 耐 料的 成 型二 艺有 挤成垦二艺、热压成型工艺、护压成型工艺和注 瓯型
工艺等.这真中的衍出成型工艺发屡最快 ,Z
是墼料加 工中最主要 刀[二万法之一 ,是 I冲
低消耗高严 出自9生产工艺 .挤 成型工艺又可
分为一步法铲出赢型和二步法铲 成型. 木塑
复合杞牲 制品的一步法挤出成 型技尤 ,B:直接
用挤出机进 行六塑复台橱蛙 j臣合与厩至 ,
省捧造粒 工亭 ,从 而降低了成五并提高尸 品的
市场竞 争了].二 步法前 出瓯型技术是先对礓 物
兰千维和塑料原 进行菸混造粒 .第 2步是对夏
2005;# 第31卷第9负盂=瘟晒固
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自自毹_
合 粒料 进行塑 化 、挤 出成型加 工.
目前 用于木 塑复合 材料 挤出 成型 的设备 主
要有单 螺杆挤 出机 、锥形 双螺 杆挤 出机 、同向
和 异向旋 转平 行双螺 杆挤 出机 .而采 用串联 式磨盘螺 杆挤 出机进 行一步 法木塑 复合材 料挤 出
成型研 究在 国 内外都 少有 报道 .
2.4.1 木塑复合材料专用单螺杆和双螺杆加工
设备的发展现状
木塑复合材料 (包括制品 )的制备过程 (历程)对 其材 料的性 能影响 很大 ,研究 表明不 合适的加工会 引起不 良的纤维 分 散和浸润 ,而过
分 的配混则 会使纤 维严重 破损 ,这 些都会降 低
木塑 复合材 料的 力学性 能.另外,要防止过 分
剪切 或高温产 生糊 料 、烧 焦等 问题 .一 步法连
续工艺 若脱 挥 (主要是 脱水 )不佳将 影响工艺
的连 续 性和 使 产品 因有 气 泡而 性 能大 幅降低 .
二步 法 因其 加工过 程复杂 ,影响木塑 复合材 料性能的 因素 也随之 增多 ,而且 加工成 本也 高于
一
步法. 目前主要的加工设备为双螺杆挤出机 ,
物料在 其中 的停留 时间 比较短 ,使木 塑复合材
料 的加 工热 历程尽 可 能相近 .
就加 工设备 而言 ,为 了更好 地提 高混合 效果,l 990年KItlYanl2 等人采用了带有 2个进料
口的 同向啮合 双螺 杆挤出 机. 为 了减小 对植 物
纤维的破坏 ,先将 HDPE在第 1个进料口加入 ,
然 后将处 理后 的植物 纤维填 料加入 第 2个进 料口,与 已熔融的 HDPE混合 ,该 实验表 明当 啮
合角为 45.时 ,双螺杆挤出机输送能力最高 ,挤
出制品的拉伸强度和拉伸模量也最高.KltlY an
的这 种一 步法使 加工木 塑复合 材料的 投资明 显降低.
美国 Davi S Standard公司出产的 Woodtru—
dC r牌双挤压系统 ,将木纤维加工与塑 料挤压融
入一 体 ,因此不再 需要 单独的 木粉干燥 机 ,节
省 了空 间 ,降低 了火灾 的危险 ,并且 节省 了能
源和降低 了加 工成本 .这种 设备 采用了 L/D 达28的 l台平行双 螺杆挤出机和 l台单螺杆侧 喂
料挤 出机 . l台填 充 上料输 送机 以崆制 速度将
植 物纤维 复合 材料输 送到 主挤压机 中 .这 台设
备 的第 l部分 采用 了专用 的加热和 真空 排气 系统,以消 除植 物纤维 中 的湿气 .侧 喂料挤 压机
安装在 主挤 压机 旁的中 间部位 ,单 独加热 和混
合 聚合物 .通过 控制它 的挤 出速度 以获 得所 需
的纤维 一聚 合物 的比例 ,用 于室 内木纤 维 比例
最 高可 达80% ,用 于室 外产 品时 比例 最高为50%~60%.该设备可用于加工 HDPE、PP、PS、
PVC和ABS等 ,可以使用各种植物纤维材料 ,包
括花 生壳 、稻米 壳 、木 屑和 黄麻 等 .目前该 设
备有 3种螺杆直径可供选择 :94、II4和l40 mm,
它们的生产能力分别为 300、500和900 kg/h.
近年 来各 国广泛 使用一 步法加 工木 塑复合
材料 .人们通过设计新型螺杆 、新 型混炼装 置、
优化螺杆组合等方法来提高一步法的混炼效果 ,
而且 通过设计 多个排 气 口来 改善装备 的脱 挥效
果.据报道[2 德国 Kauss—Maffei公司出品的新
一代木粉 /聚氯 乙烯共 混挤 出机拥 有较 长的预
热区 段 ,最佳 的螺杆 组合设 计 ,同时设 有双排
气口 ,其L/D达36,其 最大产量的挤出机型号
为KMD90—36D挤出机 ,产量可达 420 kg/h.
然而用 于木 塑复合 材料加 工的装备 多 为单
螺杆 或双 螺杆 挤出机 的组合 ,很少 用 l台挤 出
设备完成植物纤维 /塑料基体的混合和挤 出.为
此北京 化工大 学特种 挤出技 术中心 自l999年
起 ,就 开始研究 单一挤 出设备 上的木 塑复合材
料一步法挤出成型技术.之后 Extru sion Milac—
ron公 司于 200 1年用异 向锥型和平行双螺杆挤
出机 直接挤 出 /配 混木纤维 填 充塑 木型材 I¨I.
Mil ac ron公司的加工工艺中 ,采用垂直加料式
物 料输送装 置连续 预混 各种原 料 ,靠预混 热排
除残 存水 分 ,然 后把预 混料加 入锥型 或平行双
螺 杆挤出机 .为此,在 双螺杆 挤出机 机筒 上增
设 了第 2个排气 口 ,以改进 脱水效 果 ,提高产
量.
此外 ,木塑 复合材 料注射 成型 设备 也在快
速地发展.美国威尔明顿机器 (Wilmington Ma—
Chinc ry)制造公 司成功开发出含 30%木粉填充
PP的注射发泡成型制件 ,可代替硬质板材 用作
工程型材.该公 司独特设计有 l项375 t二级压
力注射技术 ,采用 N 或CO气体 ,直接气体注
射 和气体 辅助注 射成型 结构 泡沫. 目前 正在积
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T:渡荨·本 复台材科威墅往 本装 爵∞研究 敞 与发碾 珈投向家具 c[二 业推 其生 设巷 ,可兰产的
制昼有座碴 、靠背、至动 架、衣埋 、水上游乐
划艇 及拦杆 、扶 手等
2.4.2 用于木塑复合材料加工的串联式磨盘挤
出机
化工 学特 出口. 自行开爱研与!』
朗昂醒式曙盘螺科拼 ∞机耀塑螺 出 和藿
盘矫出机 结构进巧 了科学竭含 .2不仅翼葫
了革蟒矸挤 机机闽简单、 出压力 禹、可三上
承 受六扭延的特点 .而 亘翼备 磨盘 出 超强
的硬碎 、分散、舅切、涯合和塑化,.芏能优势 0.
比9l,=i王菠 内还设置 特蛛结构的 气装置
鞫可以 量控制的强制眼科装置 . 此 曩百高
散 、多功能的特点 .经迎多种物料I事系共湿改
在的要验 研究表 :串联式蘑盘嗉秆捐 机具有I一泛朗工艺适面 性 ,特ij适鬲于与 虞 翦高
粘匪复合耐 的共混改性 ,其砸碎 、是兮 、馒
烁性能要 高于其他传统 蓖j臣烁装置 .星有广泛
的应用前景
当加二温度盖于 200 ℃时 .瞳蜘纤维裁 可
能发王降解和裂忆.而云联式磨盘辱矸抒z出
朗磨 又具有超强 破碎、分敲、湿烁能 ,极
易产 兰适量 剪 切珊 ,园此 必须姆谖 出设备
曲磨盘进行 下3方面的调整 ,使其适合
对剪 敏薏 的末塑夏兮 斟的 威型 理工.
: 逸习淘槽形忱 隧单 、淘槽 数少的扇形磨盘以
藏少埴 纤维经历 的 次数 : 2逢适特别没
计明磨盘间距幅节装雪 .买现 动涩、定盎之
司间距的微调 以降1氐磨盎对复合对 料的剪切强
度:.3:通过左定盛上设置进行薅谆:争部芝通遘,
对喀体盎度进行有效的擅制.
图8—1 o为蘑蠡 臼机和寻 同疆 鞭搡杆挤
出机加工的六糖,HDPE复合博 系自力学-止雏比
较 .实验甲二看 朗酝方框 臣.串殴j=萋盆壕杆
出 在经过磨盘形状 、酒槽数目干【-走盘冷却
方式等的调整舌 也适用于 工末塑复合嘲牲 ,
著呈 和异向平飙挤 机梧 比较而言 ,在 木粉叁
量较低时 ,前考加工的夏合材料朗弯盘囊匿要
饭于后看 .而拉却 强匿干[决]冲击委度要硝葛
于后 看 ;但茌木盼含量较 高时 . 者加工自耍
;
运嘣旧畏.l—O m 20 30 40 50 删70
术盼质蚕母数舳
围B术粉/HDPE复台材料的弯曲强度
90
80
70
60
50
40
30
20
l0
0 10 2O 如40 50 60 0
币粉蘸量分数
图9 木粉/HDPE复合材料的拉伸强度
} +事联式磨盘嫁牡挤出叽 1
0 20 3口40 50 60 70
车耪质量丹散
囤10 木粉/HDPE复合材料的冲击强度
合材半斗朗力学性能 显著 磊 兽孝.举呋葛唇盘
螺杆挤 出机 适应于多种天群磋物纤蛙 鲴木塑
要令材料的挤出加工 ,且埴蜘纤维种类对东塑
复兮轲 力学性能醣影响较0
2.4.3 木塑复合材料专用机头
术塑复合衬料 田j其材 料朗特殊性 ,船于
机 攮臼了许多特殊的要袁 六塑复含材 ==王
拼出条件 下流体授规 固态流体 . .不靛使是
2005 第31卷第11 l
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CHINA RUBBER/PLAS77CS T"ECHNOLUG Y AND EQUIPM ENT
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填料 (比如玻璃纤维等 ),以不断的创新 ,开拓
木塑 复合材 料的 应用领域 ;
(6)设计 新型的混炼 设备和 专用模具 ,以进~步解 决木 塑复合材 料难 混合 、难成 型等 缺点和提 高 生产 效率 .
总之 ,木 塑复 合材料 是 1种 前景很 好的环
保 型材 料 ,加 工技 术 日趋 成熟和 多样 化.
典 型的 压力降 和膨胀 公式 进行计算 . 因此 用于
木塑 复合 机头 的设计与 传统 的机头设 计截 然不
同 ,要根 据 固体 流动 的流 变 状况 采 进行 设计 .
从机 头 的设计 角度 ,除 了保证流道 设计 的圆滑
过 渡与合 理 的流量分 配 ,同时对 于建压 能力 与温度制精度 也要予 以重 点考 虑.
北 京化 工大学 特种挤 出技 术中心 在大 量实
验 的基础 上 ,设 计开发 了木 塑复合 专用的棒 形
机头 、矩 形机头 和工字 型机头 .特 别是运 用计
算机 辅助设计技术设计 的工字型机头 ,如图 1 1
所示 ,这种 机头现 已投入 工业使 用 ,并取 得了良好 的 效果 .
园图11 工字型机头的 CAD造型
3 木塑复合材料成型技术和装 备的发展
方向近年采 木塑复 合材料 成型 技术和装 备 的研
究 正在快 速地发展 .这 项技术 的发展 具有 以下
6个 特点 .
(1)提 高木塑复合材 料表面相容 性依然是
研究 的热 点之 一:
(2)聚合 物基体由单 组分再 生料 向多组分
再生料方向发展,使 回收的多组分废旧塑料(PE、PP、PVC、ABS等 )原料和经过表面改型
的植物纤 维进 行混合成 型 ,制 出木塑复合材 料制品;
(3)植物纤维份数由低份数 (50份以下 )向
高份数 (1 00份以上 )发展 ,进~步降低材料成
本 ,增强产 品 的市场竞 争力 ;
(4)木塑 复合 材料微 发泡技术 、大型宽 幅
较厚 的板材制 品技术 等成套设 备 及制品成 型技
术 的开发 ,改 善木塑 制品应 用中存 在的诸如 密度大、尺 寸不 能满 足 实际需要 等 问题 ,不 断扩
大 木塑 制品 的应用 领域 ;
(5)木 塑复合材料 填充有植 物纤维和其 它
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The present status and developing tread of wood and plastic
com posite m olding technology and equipment
Jiang Bo,XuShuhua,Zhangdinbin
(Beijing chemical industry universih/,Beijing 1 00089,China)
Abstract:This paper sum marized the main com ponents、good characteristics and using reason of
the wood and plastic com posite firstly,then introduced the applied range of the composite m aterial,
including construction engineering、automobile industry、packing industry and railway/transportation
and so on.Finally stressed and described the present status of the composite,consisted of intermiscibility、
m icroporous form ing and m olding equipment.Among w hich the special single screw and twin screw 、
series m illstone extruder and special head are the main processing equipm ent for study.Lastly expati—
ated for the developing trend of the wood and plastic com posite
Key words:wood and plastic com posite j application range;interm iscibility;m icroporous form ing;
m olding equipm ent;single and tw in screw processing equipm ent;series m illstone extruder;special had
(XS一051
华轮公司抓环保见效益华轮 公 司是全 国第 1家 引进美 国技术 专业
生产 子午线轮 胎 的企 业 ,是我 国华南地 区最大
的子午 线轮 胎生产基 地 .该厂将 绿色环 保贯彻
到设备 、生产 及经 营的全过 程 .通过清 洁生产
的实施 ,该厂 的废料损耗率 、单位产品耗油量 、
单位产品耗 电量分别 比以前降低 1 5% 、40%、
25%.据初步统计月节约电费 1 34万元 ,月节约
燃油费用 1 84万元 ,月节约耗水费 4.8万元.同时,公 司成立大 气污 染物治理 整顿小组 ,全面
开展 企业环 保工 作. 在污水处 理上 ,公 司把工
艺直 接冷 却水 收入 循环 水 系统 ,减少 排放 量:
其次 投资 2 00万元用于污 水站改造 ,提高企业
处理效 果和操作 的 自动 化程 度. 在噪音污 染治
理上 ,公 司在设 备 造型 、配套 隔音 设施 方面作
了许 多的投 入来控 制噪音 .
企业追 求经济 效益不 忘绿色 环保 ,绿 色环
保给企业 创造持 续发展 局面 .华轮 公 司产 品在
国内外市场深 受欢 迎 ,产品 6 0% 出 口美 国、欧
洲等 80多个 国家和地区 ,被海外用户誉为 "中
国最好 的轮胎 "公 司持续 多年 以25% 以上的速
度发展 ,2004年创销售收入 1 53 583.6元 ,利润
1 2 534.2元 ,出口创汇 1 3 171.6美元 ,其中销售
利润率 、产品出口量列我国轮胎行业榜首.2004
年 "万力 牌轮胎 荣获 中国名 牌.
陈维芳 ,张谦 供稿
(xs一05)
2005~ 第31卷第1 3页
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