木塑復合材料的性能及其在建筑模板中的運用

木塑復合材料顧名思義,是由木材和塑料復合形成的高分子復合材料。上世紀60年代,木塑復合材料在國際上被提出和開發,且在發達國家中被廣泛應用。其木質材料是由植物纖維構成,不需要直接從木材中進行提取,可以通過提取人工速生林木材或者其他非木質植物的纖維來作為
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  木塑復合材料顧名思義,是由木材和塑料復合形成的高分子復合材料。上世紀60年代,木塑復合材料在國際上被提出和開發,且在發達國家中被廣泛應用。其木質材料是由植物纖維構成,不需要直接從木材中進行提取,可以通過提取人工速生林木材或者其他非木質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;另外還包括非木質植物種類如廢棄塑料制品、秸稈、麻纖維、部分農作物和水果的廢棄部分等。通過這幾種環保材料復合而成的木塑復合材料相比于傳統的以木材為主的建筑材料來說,具有更好的耐水性與穩定性;而相比較塑料而言,其熱穩定性及力學性能得到了提升。它的開發不僅有效解決了廢棄塑料的處理問題,緩解了我國對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解決,使它們在復合材料中能夠更好地發揮作用。

  1 木塑復合材料

  1.1 木塑復合材料的特點

  木塑復合材料的主體組成材料是塑料和植物纖維,對于復合材料來說,主體材料的特性能夠對復合材料產生直接的影響。根據需求以及所需材料的性能和成本,稻殼和聚丙烯(PP)成為了開發木塑復合材料的主體材料。之所以選擇這兩種材料作為主體材料,是因為稻殼在中國的產量極大,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于其他種類。

  另外,由于我國對塑料制品的需求極大,從而導致廢棄的塑料越來越多,而將PP作為木塑復合材料的主體材料后,可以從廢棄塑料中進行提取以及再利用,既起到了環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,會產生吸濕和溶脹現象。這是因為纖維分子中含有羥基,該羥基有極強的親水性,而纖維大分子中含有多個葡萄糖基,每個葡萄糖基都含有三個羥基,從而導致了纖維分子的強吸水性。

  1.2.1.2 堿和酸的作用纖維與堿之間非常敏感,當纖維與空氣接觸時,纖維里的纖維素能與空氣里的氧元素發生氧化反應,而同樣與空氣接觸的堿能對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,酸能對纖維素的水解過程起到催化作用,并使纖維的增強功效降低。

  1.2.1.3 光熱、和微生物的作用纖維也可能會受到自然條件的影響,強烈的日光和大氣會對纖維進行氧化和裂解。當溫度低于100℃時,纖維在熱作用下比較穩定,當溫度超過臨界點時,纖維的穩定性會隨著溫度的升高而下降。

  且當作用時間延長時,纖維將會有嚴重的熱退化現象產生,并伴有一定的氧化與水解反應。一般的纖維,在幾小時之內并無明顯變化,但時間一長就會產生反應。若是有水元素存在,則會加快各種反應。

  當溫度升高時,纖維會產生劇烈的分解作用,并逐漸炭化。另外,微生物細菌等也會對纖維產生作用,將纖維水解成簡單的糖分。

  1.2.2 PP塑料的性能

  PP對于蒸汽和沸水的耐受性極強,這個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、絕緣性能強及耐腐蝕等特性。

  1.3 木塑復合材料的制備

  木塑復合材料是由塑料和植物纖維復合而成,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間內。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行充分的融合,雙方互相滲透,完成復合。

  2 木塑復合材料的性能

  木塑復合材料中由于植物纖維與塑料為互不相容的兩種材料,因此必須添加相應的增容劑。增容劑包括偶聯劑和反應增容劑,考慮到材料的性能要求,選擇并用方式。偶聯劑選擇鈦酸酯偶聯劑;反應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在與稻殼粉混合過程中,可與稻殼粉表面的羥基發生化學反應,產生的界面化學鍵結合改善了相容性,從而提高木塑復合材料的性能[2].

  2.1 稻殼粉用量對復合材料力學性能的影響

  表1為兩種材料不同比例時復合材料的性能情況。從表1可以看出,當稻殼粉與PP的比例在3:2的時候,復合材料的靜曲強度最高,而彈性模量、拉伸強度以及沖擊強度都比較高,綜合性能較好。因此,本研究選擇3:2的質量比,這既保證了質量,又降低了成本。而且還可以從表1看到,隨著PP用量的增加,復合材料的拉伸強度和沖擊強度也隨之升高。

  2.2 偶聯劑對復合材料性能的影響

  植物纖維本質上就是植物體內的細胞,和普通的細胞一樣,也是由細胞壁和細胞腔構成。細胞壁分為兩部分,一部分是初生壁,一部分是次生壁。初生壁由原纖構成,但在細胞壁里呈不規則排列,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、木質素等。次生壁則是由纖維素大原纖構成,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,并對架構產生了一些影響。稻殼粉含有吸水性極強的羥基基團,有很強的親水性,PP則有很強的吸油性,因此并不能對二者直接進行混合,需要一些助劑來進行改性。

  本實驗選擇了三種偶聯劑對復合材料進行改性處理,結果見表2.從表2可以看出,當使用偶聯劑時,沖擊強度和彈性模量明顯增大,但靜曲強度減小。因此,偶聯劑可在一定程度上改善材料性能。

  2.3 增容劑對復合材料性能的影響

  在復合過程中,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 增韌劑對復合材料性能的影響

  稻殼韌性較低且相對比較脆弱,而PP具有高結晶度,堅硬且耐熱,但也存在其他一些缺點,如質地較脆等。因此,增強材料韌性成為了一個重要的課題,而且增韌的主要對象是PP.實驗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)及膠粉來進行增韌改性對比試驗,結果見表4.由表4可以看出,靜曲強度和彈性模量是模板材料的兩個重要指標,其質量好壞和這兩個指標有著很大的關系,而彈性模量尤其重要。木塑復合材料彈性模量遠低于其他建筑材料,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 增強材料對復合材料性能的影響

  目前短纖維是主要的增強材料,選取三種纖維材料做增強改性實驗,分別是石棉、尼龍及玻璃短纖維,所得試驗結果見表5.從表5可以看出,玻璃纖維增強木塑復合材料的綜合性能良好。
  
  3 木塑復合材料建筑模板的應用

  3.1 稻殼/PP建筑模板材料的制備方法

  稻殼/PP木塑復合材料采用高溫煉塑機進行制備。首先將PP在煉塑機上塑化至透明狀,然后混入改性稻殼粉、增容劑、加工助劑和防老劑,在煉塑機上混合均勻后即可下片,以便模壓制樣。稻殼/PP木塑復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,并出現發煙現象,使材料性能劣化[3-5].作為建筑模板的木塑復合材料,其韌性必須達到一定要求。由于是用在建筑施工上面,所以沖擊強度與耐用度也應有極高的水準。此外,還要考慮到該種材料要長時間放置于戶外,因此應具備優異的抗氧化性、耐腐蝕性及抗老化性。

  考慮到模板材料的回收利用,對稻殼/PP木塑復合材料進行熱循環加工試驗。在加工溫度180~185℃下,反復循環加工1~5次后,材料的性能變化不大,其中第3次循環加工性能最好,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,材料的混合均勻性進一步提高,在第4~5次混合后,性能就基本穩定變化不大,由此證明該材料具有良好的熱加工循環利用性能,有利于建筑模板報廢后的循環利用。通過之前對兩種材料各種性能的研究,并結合實際條件和科研水平,得到了一個相對合理的方案來進行木塑模板的研發。該方案具體為:稻殼粉:PP=60:40;防老劑1.0份;輕質碳酸鈣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;欽酸醋偶聯劑1.0~1.5份。

  從工業化角度考慮木塑復合材料模板的生產,制定出以下流程方案:
  
  3.2 稻殼/PP復合材料建筑模板性能

  研制的稻殼/PP木塑復合建筑模板材料(普通型和增強型)的性能測試結果見表6,并與膠合板和塑料模板的性能進行對比。從表6可以看出,研制的稻殼/PP木塑復合建筑模板材料的主要力學性能指標均達到實驗的設計值要求,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對模板材料的性能要求。

  4 結語

  稻殼/PP木塑復合材料中添加玻璃纖維,可以提高其力學性能。稻殼/PP木塑復合建筑模板材料是一種新型的模板材料,建議進一步開展木塑復合建筑模板材料的研究與開發應用,為我國建筑模板行業的技術進步作貢獻。

  參考文獻

  [1] 糜嘉平。 建筑模板與腳手架研究及應用[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2001.
  [2] 黃麗。 植物纖維/聚丙烯復合材料結構與性能的研究[D]. 北京:北京化工大學, 2001.
  [3] 楊慶賢,黃福跡,劉治生。 木塑復合材料建筑模板的研制[J]. 福建林學院學報, 1992, 13(3): 238-241.
  [4] 楊淑慈。 植物纖維化學[M]. 北京: 中國輕工業出版社, 2001.
  [5] 高潔,湯烈貴。 纖維素科學[M]. 北京: 科學出版社, 1996.

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