生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的研究進展＊

王冬至朱莽劉美霞李沖王平李素坤

生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的研究進展＊

王冬至1，2，朱莽1，劉美霞2，李沖1，王平2，李素坤1

（1.山東霞光集團有限公司，山東 濟寧 277600；2.濟南大學(xué)，山東 濟南 250022）

闡述了生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的發(fā)展及其優(yōu)勢，針對生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的應(yīng)用進行分析，綜述了生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的研究進展，歸納總結(jié)了生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的主要研究方向和發(fā)展方向。

生物質(zhì)木塑復(fù)合材料；木質(zhì)纖維；偶聯(lián)劑；熱壓

1 生物質(zhì)木塑復(fù)合材料簡介

生物質(zhì)木塑復(fù)合材料（Biomass Wood-Plastic Composites）是近年來興起發(fā)展的一類新型環(huán)保復(fù)合材料，是以木纖維或天然植物纖維為增強相，熱塑性塑料為基體，進行熔融復(fù)合，采用熱壓、擠出、注射等成型加工方式而制成的一種復(fù)合材料[1]。生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的基礎(chǔ)為熱塑性塑料和木質(zhì)纖維，這也就決定了其具有塑料和木材的某些特性。

1.1 良好的加工性能

生物質(zhì)木塑復(fù)合材料內(nèi)含塑料和木質(zhì)纖維，將塑料的柔性和木材的剛性結(jié)合到一起，具有同木材相類似的加工性能，加工過程一次成型，減少廢料的產(chǎn)生，利用率高，其機械性能明顯優(yōu)于木質(zhì)材料。

1.2 良好的力學(xué)性能

木纖維具有剛性，在一定范圍內(nèi)纖維含量的增加可以提高復(fù)合材料的彎曲性能，使產(chǎn)品不易變形、開裂，耐用性明顯高于普通木質(zhì)材料。制品表面硬度高，一般是木材的2～5倍。

1.3 良好的耐水、耐腐蝕性能，使用壽命長

生物質(zhì)木塑復(fù)合材料具有比木材小得多的吸濕性，而且不易變形，抗菌，質(zhì)輕，耐酸堿。生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的穩(wěn)定性、耐用性，尤其是抗微生物降解能力都優(yōu)于木材。

1.4 優(yōu)良的可調(diào)整性能

塑料可以在其他助劑作用下發(fā)生聚合、發(fā)泡、固化、改性等改變，從而改變生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的密度、強度等特性，還可提高抗紫外線、抗老化、防靜電、阻燃等特殊性能。

1.5 原料來源廣泛

木質(zhì)纖維可采用廢木料、木材加工剩余物、農(nóng)作物秸稈等，資源廣泛，并且價格低廉；塑料所承擔(dān)的組分要求不是非常高，新生產(chǎn)的、舊回收的、混合的料均可，充分體現(xiàn)了資源的綜合利用。

1.6 使用環(huán)保

生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的木粉和塑料及其常用助劑均屬于綠色環(huán)保類型，其生產(chǎn)加工過程中無“三廢”產(chǎn)生，使用過程中無任何有害物質(zhì)產(chǎn)生，材料廢棄后仍然可以很大程度地回收利用，是一種使用環(huán)保、可循環(huán)利用的清潔環(huán)保材料。

2 生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的發(fā)展

生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的產(chǎn)品的出現(xiàn)，可以追溯到20世紀(jì)初，科學(xué)家將木粉纖維和亞麻纖維的韌皮類的纖維摻入到酚醛樹脂中，對酚醛樹脂進行了改性，從而合成酚醛塑料，于是世界上開始出現(xiàn)了生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的概念，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)這種生物質(zhì)木塑復(fù)合材料結(jié)合了木材和塑料的優(yōu)點，具有很好的協(xié)同作用，克服了木材易受潮、易老化的缺點，在很多用途上可以代替木材使用。

到了20世紀(jì)50年代，生物質(zhì)木塑復(fù)合材料開始商用。生物質(zhì)木塑復(fù)合材料具有性能優(yōu)異、價格低、強度好等優(yōu)點，因此人們對于生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的研究逐漸展開并不斷深入，取得了巨大的成果，并將生物質(zhì)木塑復(fù)合材料發(fā)展為一個完整的產(chǎn)業(yè)。20世紀(jì)90年代開始，生物質(zhì)木塑復(fù)合材料進入快速發(fā)展時期，其中在美國發(fā)展最為迅速。進入21世紀(jì)，人們越來越注重綠色環(huán)保，在建筑產(chǎn)品和材料方面也越來越關(guān)注其環(huán)保、耐久性和可持續(xù)性，這使得生物質(zhì)木塑復(fù)合材料成為建筑和裝飾領(lǐng)域不可缺少的一部分。目前世界生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的年均增長速率在10%以上，成為塑料工業(yè)領(lǐng)域增長最快的品種[2]。

生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的優(yōu)點是重量輕、吸水率低、抗白蟻、耐潮濕、尺寸穩(wěn)定性和低維護要求，生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的蠕變響應(yīng)和相對蠕變明顯高于天然木材，這些優(yōu)點使得生物質(zhì)木塑復(fù)合材料在建筑裝飾領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。生物質(zhì)木塑復(fù)合材料技術(shù)也因市場的發(fā)展而日趨成熟，尤其是在原料及混料、成型工藝、溫度控制和冷卻以及配方等方面有了巨大的革新，使生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的發(fā)展和原料來源以及產(chǎn)品應(yīng)用聯(lián)系更加緊密，提高了生產(chǎn)效率并降低了成本[3]。目前，美國是世界上最大的木塑制品生產(chǎn)和應(yīng)用國家，研究也最為廣泛。其最大的制品是鋪板，生產(chǎn)工藝為擠出成型。因為生物質(zhì)木塑復(fù)合材料不會裂縫，也不翹曲，且外表美觀，除鋪板外，還可以做墻板、天花板、地板、裝飾板、建筑模板等。其應(yīng)用的領(lǐng)域也由簡單的低附加值產(chǎn)品，向復(fù)雜的高附加值產(chǎn)品方向逐漸發(fā)展。生物質(zhì)木塑復(fù)合材料制品還可做裝飾邊框、柵欄﹑露天桌椅、垃圾桶等，木塑制品在未來很有可能會替代PVC和其他塑料制品。在美國，生物質(zhì)木塑復(fù)合材料一直保持10%左右的速度增長，近些年增長率更高。

此外，日本的生物質(zhì)木塑復(fù)合材料發(fā)展在世界上也處于領(lǐng)先地位，日本的林業(yè)資源匱乏，使得日本的生物質(zhì)木塑復(fù)合材料應(yīng)用較多，且質(zhì)量優(yōu)良，其外表和天然木材相差無幾。日本在木塑的生產(chǎn)制造方面處于領(lǐng)先地位，擁有木塑行業(yè)的大量專利并且開發(fā)出了很多特殊用途的木塑制品，比如抗菌型生物質(zhì)木塑復(fù)合材料，環(huán)境中的真菌腐蝕生物質(zhì)木塑復(fù)合材料中的木質(zhì)組分和添加劑，破壞材料結(jié)合界面。抗菌型生物質(zhì)木塑復(fù)合材料可用于醫(yī)院、診所、廁所等有細(xì)菌的場所，這種材料可以有效地延長生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的使用壽命。

在中國，每年要消耗大量的木材并且存在大量的浪費，在木材加工中，有20%～30%邊角料和鋸末木粉沒有被充分利用。在森林資源嚴(yán)重缺乏的情況下，要保持森林面積，一個好方法就是發(fā)展生物質(zhì)木塑復(fù)合材料，生物質(zhì)木塑復(fù)合材料可替代木材，通過使用廢棄木材以及木粉或者循環(huán)利用來減少木材的使用，從而保護森林資源。生物質(zhì)木塑復(fù)合材料產(chǎn)品的發(fā)展符合國家的產(chǎn)業(yè)政策和國家廢棄資源綜合利用的產(chǎn)業(yè)發(fā)展意見，是新型綠色環(huán)保的材料。生物質(zhì)木塑復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)是國家鼓勵發(fā)展的環(huán)保節(jié)能新興產(chǎn)業(yè)，可以減少農(nóng)林廢棄物焚燒對環(huán)境產(chǎn)生的嚴(yán)重危害，同時能夠提高農(nóng)林生產(chǎn)中的廢棄物的綜合利用率。

3 生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀

生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的原料主要有生物質(zhì)纖維原料、熱塑性原料、偶聯(lián)劑及其他助劑。生物質(zhì)木塑復(fù)合材料中最常用的生物質(zhì)纖維原料是木材，秸稈等農(nóng)作物纖維也占有一定比例。中國豐富的農(nóng)業(yè)資源優(yōu)勢為生物質(zhì)木塑復(fù)合材料在國內(nèi)的迅速發(fā)展提供良好條件。熱塑性塑料主要是原生和回收的聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）。偶聯(lián)劑能改善填料和高分子材料之間的界面特性，提高界面的黏合性，從而提高復(fù)合材料的性能。其他助劑主要有光穩(wěn)定劑、顏料、潤滑劑、防腐劑、抗氧化劑等，用來改善加工性能和實用性能。擠出成型是生物質(zhì)木塑復(fù)合材料生產(chǎn)過程中的主要成型工藝，目前擠出法生產(chǎn)生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的主要設(shè)備是螺桿擠出機。

由于木粉與塑料的界面相容性很差，所以當(dāng)木粉和塑料的比例不合適時，所制得的生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的物理機械性能很差，因此，改善生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的界面相容性一直是后續(xù)研究的重要方向。

20世紀(jì)80年代，中國開始了生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的研究。中國林科院木材工業(yè)研究所改善了PP基木塑材料的機械性能，在木材纖維和聚丙烯纖維復(fù)合中采用酚醛膠（PF）作為膠黏劑來提高木材的結(jié)合能力，對木材使用處理劑進行預(yù)處理，以改善材料間的相容性[1]。上海交通大學(xué)高分子材料研究所用馬來酸酐接枝聚丙烯作為偶聯(lián)劑應(yīng)用于纖維素填充的PP體系中，并對提高材料相容性的機理進行了分析。北京化工大學(xué)研究的一步法擠出成型技術(shù)，形成了比較完整的生產(chǎn)工藝。近年來，中國對生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的相關(guān)研究給予了很大支持，生物質(zhì)木塑復(fù)合材料在國內(nèi)也得到了很多的關(guān)注，有了一定的發(fā)展。但是與美國、日本相比，差距還是很大的，根本原因是技術(shù)上的落后。近年來國內(nèi)正加大研究生產(chǎn)力度，推動中國木塑產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝較為成熟，在生產(chǎn)工藝方面的研究主要是在原有基礎(chǔ)上進行加工技術(shù)改進創(chuàng)新、對產(chǎn)品性能的改進。目前生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的研究方向主要有以下幾個方向：①木質(zhì)纖維的選擇及添加比例。不同木質(zhì)纖維與熱塑性基體混合，所得到的材料性能明顯不同，同種纖維添加比例不同，所得到的材料性能也有明顯差異。木質(zhì)纖維正在向其他植物纖維材料發(fā)展，比如各種麻類、秸稈麥草、蔗渣等。木質(zhì)纖維的另一重要來源是各種植物纖維廢棄物，比如廢舊木材、廢紙、廢紡織品等。不同種類的植物纖維所含成分不同，在材料合成時需要調(diào)節(jié)配方的組成。②混合塑料的應(yīng)用和研究。各種塑料混合在一起，由于其組分不同，所以熔融溫度也不同，相容性也很差，這往往會造成生產(chǎn)出的產(chǎn)品的力學(xué)性能下降。隨著塑料制品的增加，產(chǎn)生的塑料廢棄物也在逐年上升，中國的塑料回收和分類工作都不太完善，因此混合塑料的研究顯得尤為重要。③偶聯(lián)劑的研究和應(yīng)用。木質(zhì)纖維與塑料的界面相容性很差，需要添加偶聯(lián)劑對材料進行改性。偶聯(lián)劑能夠?qū)⒍呓Y(jié)合到一起，提高二者之間的界面相容性。常用的偶聯(lián)劑主要有馬來酸化聚烯烴偶聯(lián)劑、有機硅烷偶聯(lián)劑和其他偶聯(lián)劑三大類，對于改善塑料和木質(zhì)纖維之間的界面相容性具有極其重要的作用，但是偶聯(lián)劑的價格較高，限制了其在木塑生產(chǎn)中的大量使用，偶聯(lián)劑的添加量通常為木質(zhì)纖維質(zhì)量的1%～8%，因此，需要開發(fā)廉價高效的偶聯(lián)劑。④功能性生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的研發(fā)。近年來，研究者們致力于通過功能化改性來改善生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的阻燃抑煙、耐老化、耐候和抗菌性能，并取得了顯著的成果。但是功能化改性理論、功能影響因子尚未系統(tǒng)化和理論化，改性方法也尚未成熟，有待進一步研究。⑤生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的表面修飾。生物質(zhì)木塑復(fù)合材料主要用于建筑裝飾，對于產(chǎn)品外觀的要求較高，砂光、拉絲和軋花技術(shù)是聚烯烴基生物質(zhì)木塑復(fù)合材料常用的修飾手段，除此之外還有涂飾技術(shù)、貼面裝飾技術(shù)、仿木紋技術(shù)。對于木塑材料制品的表面裝飾的創(chuàng)新也具有很大的商業(yè)潛力。 ⑥發(fā)泡復(fù)合材料。通過添加發(fā)泡劑向材料內(nèi)部引入均勻分布的泡孔，這些分布均勻的泡孔結(jié)構(gòu)有助于鈍化材料內(nèi)部的裂紋尖端，阻止裂紋擴展，提高材料的抗沖擊能力和延展性，一定程度上提高了材料的力學(xué)性能。大量的泡孔結(jié)構(gòu)也使生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的密度顯著降低，顯著降低原料成本，發(fā)泡也能使產(chǎn)品表面有獨特的質(zhì)感，產(chǎn)品的隔音、隔熱性也較好。發(fā)泡劑和發(fā)泡助劑的種類和發(fā)泡方法有待進一步研究。

4 生物質(zhì)木塑復(fù)合材料在3D打印中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字化為基礎(chǔ)的三維立體打印技術(shù)，3D打印要求漿料能在較低溫度下熔融流動，能快速冷卻凝結(jié)，成型后具有一定固性。

單一的高分子材料很難滿足3D打印的條件，生物質(zhì)木塑復(fù)合材料能夠取長補短，通過調(diào)節(jié)原料的粉料直徑和木粉與塑料之間的界面相容性，滿足3D打印對漿料性能的要求，可以很好地應(yīng)用于3D打印技術(shù)中。

生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用在一定程度上解決了木材利用率低的問題，緩解了木材短缺的資源危機，同時又減輕了白色污染對環(huán)境的壓力。生物質(zhì)木塑復(fù)合材料在未來的10年具有很大的上升空間，這對科研工作者來說是一個有利的科研條件，對推動生物質(zhì)木塑復(fù)合材料的發(fā)展有重大的作用。

［1］王清文，王偉宏.木塑復(fù)合材料與制品［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［2］石光，秦?zé)槪稚偃?，?生物質(zhì)木塑復(fù)合材料老化實驗方法及表征［J］.包裝工程，2009，30（10）：14-17.

［3］李思良，曾湘云.木粉填充HDPE的力學(xué)性能［J］.塑料加工，1999，27（1）：36-37.

2095－6835（2019）22－0029－02

TB332

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.22.007

王冬至（1978—），男，博士，副教授，主要研究方向為木塑復(fù)合材料的研發(fā)與制備。

2016年山東省科技發(fā)展計劃項目（編號：2016GGX102012）

〔編輯：張思楠〕