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木塑復(fù)合材料的性能及其在建筑模板中的運(yùn)用論文
木塑復(fù)合材料顧名思義，是由木材和塑料復(fù)合形成的高分子復(fù)合材料。上世紀(jì)60年代，木塑復(fù)合材料在國際上被提出和開發(fā)，且在發(fā)達(dá)國家中被廣泛應(yīng)用。其木質(zhì)材料是由植物纖維構(gòu)成，不需要直接從木材中進(jìn)行提取，可以通過提取人工速生林木材或者其他非木質(zhì)植物的纖維來作為主體材料，甚至可以利用它們的加工廢棄物等；另外還包括非木質(zhì)植物種類如廢棄塑料制品、秸稈、麻纖維、部分農(nóng)作物和水果的廢棄部分等。通過這幾種環(huán)保材料復(fù)合而成的木塑復(fù)合材料相比于傳統(tǒng)的以木材為主的建筑材料來說，具有更好的耐水性與穩(wěn)定性；而相比較塑料而言，其熱穩(wěn)定性及力學(xué)性能得到了提升。它的開發(fā)不僅有效解決了廢棄塑料的處理問題，緩解了我國對(duì)于廢棄塑料處理的壓力，并且很好地將塑料和木材存在的缺點(diǎn)解決，使它們在復(fù)合材料中能夠更好地發(fā)揮作用。
1 木塑復(fù)合材料
1.1 木塑復(fù)合材料的特點(diǎn)
木塑復(fù)合材料的主體組成材料是塑料和植物纖維，對(duì)于復(fù)合材料來說，主體材料的特性能夠?qū)?fù)合材料產(chǎn)生直接的影響。根據(jù)需求以及所需材料的性能和成本，稻殼和聚丙烯（PP）成為了開發(fā)木塑復(fù)合材料的主體材料。之所以選擇這兩種材料作為主體材料，是因?yàn)榈練ぴ谥袊漠a(chǎn)量極大，來源范圍極廣且成本低，在與其他材料的競爭中有很大的優(yōu)勢。PP是一種很常見的塑料，但相比于其他種類的塑料來說，其耐熱性和延展性均優(yōu)于其他種類。
另外，由于我國對(duì)塑料制品的需求極大，從而導(dǎo)致廢棄的塑料越來越多，而將PP作為木塑復(fù)合材料的主體材料后，可以從廢棄塑料中進(jìn)行提取以及再利用，既起到了環(huán)保的作用又降低了成本[1].
1.2 稻殼及PP性能
1.2.1 稻殼纖維的性能
1.2.1.1 吸濕與溶脹性纖維在與空氣中的水蒸氣接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生吸濕和溶脹現(xiàn)象。這是因?yàn)槔w維分子中含有羥基，該羥基有極強(qiáng)的親水性，而纖維大分子中含有多個(gè)葡萄糖基，每個(gè)葡萄糖基都含有三個(gè)羥基，從而導(dǎo)致了纖維分子的強(qiáng)吸水性。
1.2.1.2 堿和酸的作用纖維與堿之間非常敏感，當(dāng)纖維與空氣接觸時(shí)，纖維里的纖維素能與空氣里的氧元素發(fā)生氧化反應(yīng)，而同樣與空氣接觸的堿能對(duì)它們之間的氧化作用起到催化的功效。而酸在與纖維接觸時(shí)，酸能對(duì)纖維素的水解過程起到催化作用，并使纖維的增強(qiáng)功效降低。
1.2.1.3 光熱、和微生物的作用纖維也可能會(huì)受到自然條件的影響，強(qiáng)烈的日光和大氣會(huì)對(duì)纖維進(jìn)行氧化和裂解。當(dāng)溫度低于100℃時(shí)，纖維在熱作用下比較穩(wěn)定，當(dāng)溫度超過臨界點(diǎn)時(shí)，纖維的穩(wěn)定性會(huì)隨著溫度的升高而下降。
且當(dāng)作用時(shí)間延長時(shí)，纖維將會(huì)有嚴(yán)重的熱退化現(xiàn)象產(chǎn)生，并伴有一定的氧化與水解反應(yīng)。一般的纖維，在幾小時(shí)之內(nèi)并無明顯變化，但時(shí)間一長就會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)。若是有水元素存在，則會(huì)加快各種反應(yīng)。
當(dāng)溫度升高時(shí)，纖維會(huì)產(chǎn)生劇烈的分解作用，并逐漸炭化。另外，微生物細(xì)菌等也會(huì)對(duì)纖維產(chǎn)生作用，將纖維水解成簡單的糖分。
1.2.2 PP塑料的性能
PP對(duì)于蒸汽和沸水的耐受性極強(qiáng)，這個(gè)特性在作為混凝土模板組成的情況下具有決定性的作用，也是其能被用于復(fù)合材料的重要特性之一。此外，PP還具有不易老化、絕緣性能強(qiáng)及耐腐蝕等特性。
1.3 木塑復(fù)合材料的制備
木塑復(fù)合材料是由塑料和植物纖維復(fù)合而成，其中植物纖維是非熔融性的材料，而塑料是可熔融的高分子聚合材料，這兩者的混合需要極高的條件。首先，需要將塑料的溫度控制在高于分解溫度且低于黏流溫度的區(qū)間內(nèi)。在此條件下，由于塑料的黏度降低，且沒有分解，因而使植物纖維分散的阻力降低，在這樣的條件下通過外力的作用，可使塑料材料和植物纖維材料進(jìn)行充分的融合，雙方互相滲透，完成復(fù)合。
2 木塑復(fù)合材料的性能
木塑復(fù)合材料中由于植物纖維與塑料為互不相容的兩種材料，因此必須添加相應(yīng)的增容劑。增容劑包括偶聯(lián)劑和反應(yīng)增容劑，考慮到材料的性能要求，選擇并用方式。偶聯(lián)劑選擇鈦酸酯偶聯(lián)劑；反應(yīng)增容劑選擇馬來酸酐接枝聚丙烯（PP-g-MAH），其與PP不僅具有良好的相容性，而且其分子鍵上的馬來酸酐基團(tuán)在與稻殼粉混合過程中，可與稻殼粉表面的羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的界面化學(xué)鍵結(jié)合改善了相容性，從而提高木塑復(fù)合材料的性能[2].
2.1 稻殼粉用量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響
表1為兩種材料不同比例時(shí)復(fù)合材料的性能情況。從表1可以看出，當(dāng)?shù)練し叟cPP的比例在3:2的時(shí)候，復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度最高，而彈性模量、拉伸強(qiáng)度以及沖擊強(qiáng)度都比較高，綜合性能較好。因此，本研究選擇3:2的質(zhì)量比，這既保證了質(zhì)量，又降低了成本。而且還可以從表1看到，隨著PP用量的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度也隨之升高。
2.2 偶聯(lián)劑對(duì)復(fù)合材料性能的影響
植物纖維本質(zhì)上就是植物體內(nèi)的細(xì)胞，和普通的細(xì)胞一樣，也是由細(xì)胞壁和細(xì)胞腔構(gòu)成。細(xì)胞壁分為兩部分，一部分是初生壁，一部分是次生壁。初生壁由原纖構(gòu)成，但在細(xì)胞壁里呈不規(guī)則排列，因此存在著些許空隙，而這些空隙就由其他元素填充，如果膠、木質(zhì)素等。次生壁則是由纖維素大原纖構(gòu)成，這些纖維寬窄不同，含有大約70根左右的纖維素分子，這些分子之間由其他元素相連，并對(duì)架構(gòu)產(chǎn)生了一些影響。稻殼粉含有吸水性極強(qiáng)的羥基基團(tuán)，有很強(qiáng)的親水性，PP則有很強(qiáng)的吸油性，因此并不能對(duì)二者直接進(jìn)行混合，需要一些助劑來進(jìn)行改性。
本實(shí)驗(yàn)選擇了三種偶聯(lián)劑對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行改性處理，結(jié)果見表2.從表2可以看出，當(dāng)使用偶聯(lián)劑時(shí)，沖擊強(qiáng)度和彈性模量明顯增大，但靜曲強(qiáng)度減小。因此，偶聯(lián)劑可在一定程度上改善材料性能。
2.3 增容劑對(duì)復(fù)合材料性能的影響
在復(fù)合過程中，由于分子之間的作用，致使稻殼粉很容易聚集在一起，不易分散；而且這兩者不相容，在極性上幾乎呈相反態(tài)勢，因此需要使用合適的增容劑，來提高兩者之間的相容性。
2.4 增韌劑對(duì)復(fù)合材料性能的影響
稻殼韌性較低且相對(duì)比較脆弱，而PP具有高結(jié)晶度，堅(jiān)硬且耐熱，但也存在其他一些缺點(diǎn)，如質(zhì)地較脆等。因此，增強(qiáng)材料韌性成為了一個(gè)重要的課題，而且增韌的主要對(duì)象是PP.實(shí)驗(yàn)選擇了三種增韌材料--高密度聚乙烯（HDPE）、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）及膠粉來進(jìn)行增韌改性對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果見表4.由表4可以看出，靜曲強(qiáng)度和彈性模量是模板材料的兩個(gè)重要指標(biāo)，其質(zhì)量好壞和這兩個(gè)指標(biāo)有著很大的關(guān)系，而彈性模量尤其重要。木塑復(fù)合材料彈性模量遠(yuǎn)低于其他建筑材料，因此如何提高木塑材料的彈性模量，是亟待解決的問題。
2.5 增強(qiáng)材料對(duì)復(fù)合材料性能的影響
目前短纖維是主要的增強(qiáng)材料，選取三種纖維材料做增強(qiáng)改性實(shí)驗(yàn)，分別是石棉、尼龍及玻璃短纖維，所得試驗(yàn)結(jié)果見表5.從表5可以看出，玻璃纖維增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的綜合性能良好。
3 木塑復(fù)合材料建筑模板的應(yīng)用
3.1 稻殼/PP建筑模板材料的制備方法
稻殼/PP木塑復(fù)合材料采用高溫?zé)捤軝C(jī)進(jìn)行制備。首先將PP在煉塑機(jī)上塑化至透明狀，然后混入改性稻殼粉、增容劑、加工助劑和防老劑，在煉塑機(jī)上混合均勻后即可下片，以便模壓制樣。稻殼/PP木塑復(fù)合材料的混合加工溫度控制在180~185℃為宜：溫度過低，PP未完全熔融，不易與稻殼粉混合，造成混合分散不均；溫度過高，則造成稻殼纖維粉的高溫氧化裂解變質(zhì)，并出現(xiàn)發(fā)煙現(xiàn)象，使材料性能劣化[3-5].作為建筑模板的木塑復(fù)合材料，其韌性必須達(dá)到一定要求。由于是用在建筑施工上面，所以沖擊強(qiáng)度與耐用度也應(yīng)有極高的水準(zhǔn)。此外，還要考慮到該種材料要長時(shí)間放置于戶外，因此應(yīng)具備優(yōu)異的抗氧化性、耐腐蝕性及抗老化性。
考慮到模板材料的回收利用，對(duì)稻殼/PP木塑復(fù)合材料進(jìn)行熱循環(huán)加工試驗(yàn)。在加工溫度180~185℃下，反復(fù)循環(huán)加工1~5次后，材料的性能變化不大，其中第3次循環(huán)加工性能最好，并且保持良好熱塑性加工性。分析主要原因是在混合到第3次時(shí)，材料的混合均勻性進(jìn)一步提高，在第4~5次混合后，性能就基本穩(wěn)定變化不大，由此證明該材料具有良好的熱加工循環(huán)利用性能，有利于建筑模板報(bào)廢后的循環(huán)利用。通過之前對(duì)兩種材料各種性能的研究，并結(jié)合實(shí)際條件和科研水平，得到了一個(gè)相對(duì)合理的方案來進(jìn)行木塑模板的研發(fā)。該方案具體為：稻殼粉：PP=60:40;防老劑1.0份；輕質(zhì)碳酸鈣3.0~3.5份；PP-g-MAH 3.0~3.5份；石蠟1.0~2.0份；硬脂酸1.0~1.5份；欽酸醋偶聯(lián)劑1.0~1.5份。
從工業(yè)化角度考慮木塑復(fù)合材料模板的生產(chǎn)，制定出以下流程方案：
3.2 稻殼/PP復(fù)合材料建筑模板性能
研制的稻殼/PP木塑復(fù)合建筑模板材料（普通型和增強(qiáng)型）的性能測試結(jié)果見表6,并與膠合板和塑料模板的性能進(jìn)行對(duì)比。從表6可以看出，研制的稻殼/PP木塑復(fù)合建筑模板材料的主要力學(xué)性能指標(biāo)均達(dá)到實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)值要求，是一種性能介于膠合板模板和塑料建筑模板之間的新材料，可以滿足建筑施工業(yè)對(duì)模板材料的性能要求。
4 結(jié)語
稻殼/PP木塑復(fù)合材料中添加玻璃纖維，可以提高其力學(xué)性能。稻殼/PP木塑復(fù)合建筑模板材料是一種新型的模板材料，建議進(jìn)一步開展木塑復(fù)合建筑模板材料的研究與開發(fā)應(yīng)用，為我國建筑模板行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步作貢獻(xiàn)。
參考文獻(xiàn)：
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