熱塑性復(fù)合材料增強木質(zhì)材料的措施研究*

李曉昕

（河南廣播電視大學(xué)，鄭州 450000）

熱塑性復(fù)合材料FRTP（Fiber Reinforced Thermo Plastics）是目前市場上較為常見的熱塑性樹脂。由于其基礎(chǔ)特性之間存在著明顯差別，因此其商業(yè)用途及性能存在較大差異。本文旨在通過研究熱塑性復(fù)合材料的分類、加工技術(shù)和應(yīng)用范圍，提出熱塑性復(fù)合材料增強木質(zhì)材料的措施，為熱塑性復(fù)合材料在木材加工領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供理論支撐。

1 熱塑性復(fù)合材料基本分類

熱塑性復(fù)合材料的發(fā)展，主要是以有效區(qū)分纖維相對含量為主，自20世紀(jì)七十年代歐美國家開始進(jìn)行熱塑性復(fù)合材料基礎(chǔ)研究開始，就有針對性地對纖維相對含量的有效比例進(jìn)行深度分析，然而由于受到技術(shù)條件的限制和對于提取物中復(fù)合材料的成分不同影響，在技術(shù)以及相關(guān)工藝上一直處于技術(shù)研發(fā)的“瓶頸期”。當(dāng)21世紀(jì)初，技術(shù)人員在環(huán)氧樹脂基碳纖維的提取上取得了重大的技術(shù)突破之后，熱塑性復(fù)合材料的發(fā)展就迅速發(fā)展，使其成為新型建筑材料中常見材料。從目前的工藝技術(shù)條件看，熱塑性復(fù)合材料大致分為傳統(tǒng)材料和CFT材料兩種。

1.1 傳統(tǒng)材料

碳纖維復(fù)合材料根據(jù)樹脂基體的不同，可分為熱塑性碳纖維復(fù)合材料和熱固性碳纖維復(fù)合材料兩大類。目前，市場上應(yīng)用的還是以熱固性碳纖維復(fù)合材料為主，尤其是以環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料居多（如圖1所示）。

之所以將熱塑性復(fù)合材料歸類為傳統(tǒng)材料，主要是因為這種熱塑性復(fù)合材料在突破了表面質(zhì)量的基本要求，全面提升了高沖擊強度之后，已經(jīng)逐步成為一些傳統(tǒng)金屬組建、壓鑄件的替代品。這不僅可以全面降低其產(chǎn)品的廢品率或者是報廢率，還可以整體提高其在高溫或者其它惡劣環(huán)境中的產(chǎn)品使用壽命。尤其是在一些建筑環(huán)境中，當(dāng)有效載荷為恒定值時，抗蠕變性能夠讓熱塑性復(fù)合材料比熱固性材料及金屬材料的穩(wěn)定性更強，從而有效提升其綜合性價比，全面拓展其基礎(chǔ)適用范圍。

圖1 2018年全球主要地區(qū)熱塑性復(fù)合材料市場份額Fig.1 Market share of thermoplastic composites in major regions of the world in 2018

1.2 CFT材料

自2015至2020年，受到全球城市基礎(chǔ)建設(shè)不斷增速的利好消息促進(jìn)，玻璃纖維和碳纖維材質(zhì)的熱塑性復(fù)合材料市場份額以每年6.5%～7%的增速快速增長[1]。另外在綜合研究基礎(chǔ)上，Lucintel預(yù)測：航空航天領(lǐng)域有望呈現(xiàn)上述預(yù)測期內(nèi)的平均增長率。

不過值得國內(nèi)材料市場關(guān)注的是，就目前的生產(chǎn)技術(shù)工藝與水平來看,大部分CFT材料供應(yīng)商為國外公司[2]，國外眾多公司在中國大陸地區(qū)都開設(shè)有分公司，其生產(chǎn)線卻沒有在國內(nèi)，所有材料仍須以進(jìn)出口貿(mào)易的形式來引進(jìn)[3]，直接增加了CFT材料的使用成本的同時，也在一定范圍內(nèi)局限了國內(nèi)CFT材料的技術(shù)革新與優(yōu)化能力[4]。

2 熱塑性復(fù)合材料加工技術(shù)

《2019—2025年全球及中國熱塑性復(fù)合材料行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)研及投資前景分析報告》顯示，2018年全球熱塑性復(fù)合材料生產(chǎn)量為735.2萬t[5]，該報告預(yù)計到2025年，全球熱塑性復(fù)合材料市場有望達(dá)到1 864億元[6]。如此龐大的材料市場在整合的過程中，其加工技術(shù)的優(yōu)化備受關(guān)注，任何生產(chǎn)制造工藝的優(yōu)化與調(diào)整，都會影響生產(chǎn)成本。

2.1 注射浸漬成型技術(shù)

這種技術(shù)在建筑材料的應(yīng)用鮮見，常見于替代金屬制品的相關(guān)行業(yè)，注射浸漬成型工藝接觸低壓成型工藝的特點是在熱塑性復(fù)合材料的機加工過程中并不完全依賴機械化制作工藝方式，反而突出手工鋪放增強材料[7]，從而使其能夠全面提升浸漬樹脂的基礎(chǔ)效果，進(jìn)而就能夠讓這些熱塑性復(fù)合材料在接觸成型后施加0.01～0.7 MPa壓力[8]，最大壓力不超過2.0 MPa。

在經(jīng)過不斷的技術(shù)革新后，市場上已經(jīng)出現(xiàn)了以這種技術(shù)為主生產(chǎn)的浸漬紙層壓木質(zhì)地板（見圖2），也稱為強化木地板，是以一層或多層專用紙浸漬熱固性氨基樹脂，鋪裝在高密度纖維板等人造板基材表層，背面加平衡層，正面加耐磨層，經(jīng)熱壓、成型的地板。

圖2 強化木地板圖解Fig.2 Laminate flooring structure

2.2 TRM工藝技術(shù)

從短期來看，熱塑性復(fù)合材料的大批量市場應(yīng)用基礎(chǔ)已經(jīng)成熟，而其技術(shù)革新的拓展空間也的確較大[9]，尤其是考慮到熱塑性復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝基本被國外壟斷的情況下，其技術(shù)的“國產(chǎn)化”前景較為樂觀。

考慮到熱塑性復(fù)合材料的產(chǎn)品性能穩(wěn)定性還有待提升，國內(nèi)在熱塑性復(fù)合材料的工藝優(yōu)化上提出了TRM工藝技術(shù)。吉林某些大學(xué)申請了以碳纖維和玻璃纖維為增強體，以PP、PE、PA6、PA12、PA1212 為基體的連續(xù)纖維增強熱塑性預(yù)浸漬的制備方法[10]。尤其是在當(dāng)下這種熱塑性復(fù)合材料全新生產(chǎn)制作工藝仍在持續(xù)優(yōu)化的時期，碳纖維增強熱塑性預(yù)浸材料的應(yīng)用價值主要體現(xiàn)在具體的產(chǎn)品應(yīng)用中，如果其能適用于更大范圍和領(lǐng)域，尤其是在替代傳統(tǒng)金屬制品方面具有成本可行性[11]，那么它對飛機制造、輕軌交通、高端醫(yī)療，甚至是傳統(tǒng)的工業(yè)發(fā)展都有一定的推動作用。

3 熱塑性復(fù)合材料應(yīng)用范圍

市場基本需求是生產(chǎn)的源動力，美國復(fù)合材料制造者協(xié)會（ACMA）對未來熱塑性復(fù)合材料的市場應(yīng)用進(jìn)行了有效估算，還在其明確提出的“復(fù)合材料增長計劃”中專門開設(shè)了一個技術(shù)研發(fā)小組，用于熱塑性復(fù)合材料應(yīng)用推廣的階段性實驗工作，經(jīng)過一段時間的實驗室數(shù)據(jù)匯總，已經(jīng)為熱塑性復(fù)合材料的拓展應(yīng)用范圍積累了較為豐富的數(shù)據(jù)。

3.1 替代金屬材料

在航天、航空領(lǐng)域中使用的熱塑性碳纖維復(fù)合材料，其樹脂基體的Tg值須大于177，在機械強度方面，通常要求抗拉強度大于70 MPa，抗張模量大于2 GPa，個別情況下要求能分別達(dá)到100 MPa和3 GPa[12]，另外，材料良好的韌性決定了更好的損傷容限和更輕的結(jié)構(gòu)，這對于飛機控制表面和機身之類的薄型結(jié)構(gòu)尤為重要。在此情況下，高性能熱塑性碳纖維復(fù)合材料較為適用。

3.2 替代熱固性塑料

熱固性塑料在建筑生產(chǎn)材料中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，采用熱塑性復(fù)合材料替代熱固性塑料，能夠全面增強其單位面積內(nèi)的有效載荷[13]，從而全面提升產(chǎn)品的使用壽命，這是熱塑性復(fù)合材料的優(yōu)勢所在，但由于熱塑性復(fù)合材料生產(chǎn)及制作工藝基本由國外壟斷，國內(nèi)相對使用成本明顯偏高[14]，所以，現(xiàn)階段只能從技術(shù)上形成有效突破之后，才能夠從量產(chǎn)上突破產(chǎn)品的替代，否則，較高的產(chǎn)品成本，很難使其在終端消費市場上具備明顯的競爭力。

4 熱塑性復(fù)合材料增強木質(zhì)材料的措施

4.1 用作木材包覆材料

目前美國的熱塑性復(fù)合材料技術(shù)在工藝上實現(xiàn)了突破，但受技術(shù)條件的限制，要想真正實現(xiàn)商業(yè)化推廣，在短期來看并不現(xiàn)實[15]。國內(nèi)正在應(yīng)用的碳纖維增強復(fù)合材料以環(huán)氧樹脂為基體的熱固性復(fù)合材料為主，這能夠讓熱塑性復(fù)合材料中的理論纖維保留長度與木制品最終尺寸基本保持一致[16]。將這種技術(shù)應(yīng)用于木材改性或者強化木地板上，將明顯增強木材和木地板的力學(xué)強度。

4.2 提升木質(zhì)材料力學(xué)性能

當(dāng)單向玻璃纖維的抗沖擊力特性得到明顯提升之后，連續(xù)增強纖維同熱塑性聚合物的全新組合方式已經(jīng)極大地提升了產(chǎn)品的強度與剛度，結(jié)合熱塑性復(fù)合材料的物理特性而言，這可以有效降低其基準(zhǔn)重量[17]。雖然這種熱塑性復(fù)合材料不能完全取代木質(zhì)材料，但在木結(jié)構(gòu)建筑中，增加熱塑性復(fù)合材料的使用量，可明顯降低建筑的基準(zhǔn)重量，材料的抗震性效果以及穩(wěn)定性可以得到一定程度的提升。

4.3 提高木質(zhì)材料防腐性能

熱塑性復(fù)合材料采用新工藝制作，即使作為木結(jié)構(gòu)包覆材料，也已經(jīng)實現(xiàn)了木質(zhì)材料與周圍環(huán)境的有效物理隔絕[18]，從而能有效延長產(chǎn)品使用壽命。另外，因為在熱塑性復(fù)合材料的生產(chǎn)與制作過程中增加了碳纖維強度，其抗腐蝕性得到明顯提升[19]，因此這種基于全新技術(shù)生產(chǎn)的材料防腐性能要優(yōu)于傳統(tǒng)建筑材料和熱固性塑料產(chǎn)品。

5 結(jié)語

熱塑性復(fù)合材料因其密度低、強度高、可回收、成本造價低等特點，其市場發(fā)展前景廣闊。本文介紹了熱塑性復(fù)合材料的基本分類，闡述了熱塑性復(fù)合材料加工中的注射浸漬成型技術(shù)、TRM工藝技術(shù)，及其對于金屬材料和熱固性塑料的替代作用，進(jìn)而提出了熱塑性復(fù)合材料用作木質(zhì)材料的包覆材料、增強材料等方面的措施[20]?；诖?，對于熱塑性復(fù)合材料市場應(yīng)用前景進(jìn)行展望,這有助于推動熱塑性復(fù)合材料在木材加工行業(yè)的應(yīng)用。