森林是維系人類生命的寶貴資源,然而幾個世紀的野蠻砍伐已使寶貴資源幾乎消耗殆盡,嚴重地破壞了地球的生態平衡。如何保護森林資源已是人類面臨的嚴峻課題,對于中國來說,更是如此。另一方面,在開發大量人造、合成材料的同時,如何更合理地利用天然材料及每天產生的工、農業廢棄物,在為人類造福的同時,保護環境,修復已被人類破壞成千瘡百孔的地球,也是擺在材料科學家面前的課題。在復合材料領域,這類課題同樣吸引著人們的目光,世界各大公司及工業集團均投入相當多的人力、物力,取得了一定的成果。
木質復合材料(WPC,woodplasticscompos-ites)就是在這種形勢之下開發出的材料,近年來在復合材料領域發展非常迅速,在人民生活中已占有相當地位,是一種廉價的、與環境友善的材料。
木質復合材料(WPC)是很值得推薦的一種復合材料,它起源于歐洲,后在北美迅速擴展。這種材料是以天然的含有纖維的木材下腳料、亞麻、黃麻、竹子、麥稈、棉花桿、草、玉米皮、甘蔗渣、椰殼等為原料,與聚合物,如聚乙烯(高、低密度均可)、聚丙烯、聚氯乙烯、聚乙烯對苯二甲酸脂或循環再利用的回收樹脂等復合,采用復合材料的制造工藝制備出聚合物木材。由于制造中多采用熱塑性塑料,工藝過程中產生的揮發物很少,有利于環境保護及工人的身體健康;采用熱塑性樹脂的木質復合材料可以多次循環使用,其性能沒有明顯的退化。可以說這種材料是一種“綠色”復合材料,這種材料的出現及發展使傳統的木材工業發生了令人驚詫的革命性的變化。過去5年中這種材料的市場需求增長很快,市場每年以100%的速率增長。
采用人造纖維如玻璃纖維為增強材料來制備復合材料時,復合材料的主要性能如抗張強度將低于纖維的強度,而采用木質纖維時,由于植物纖維本身的復雜結構,如纖維中存在的空腔、導管等,當其浸透了樹脂后,就會大大地增加界面的面積,從而增加了材料抵抗外界應力、消耗變形能量的機制,使木質復合材料的性能優于基體及纖維的性能,這是這種材料的寶貴之處。
通常采用擠出工藝來制備木質復合材料型材,或壓制工藝來制備板材。例如使用40目～60目的鋸木屑,使之與選定的聚合物混合均勻,先將配合料擠成團塊狀,然后經模具擠出型材,對擠出的型材不需額外的矯直,只采用水槽冷卻即可。成型溫度低于150攝氏度。由于是在如此低溫下進行的工藝過程,可保證高速擠出的生產速度及較低的能量消耗。
木質復合材料中固體添加物含量可達70%,可制成外觀與木材相仿的板材、型材,目前用于室內外裝飾、復面板、門窗框等,替代天然木材。型材壁厚為4～6毫米(外用)及2.5～3.5毫米(內用),型材擠出尺寸誤差為±0.2毫米。
該材料的主要特點是:
●尺寸穩定性好;
●不腐朽、抗發霉;
●耐潮濕、吸水率低(僅0.7%,而松木的吸收率為17%,相應的厚度鼓脹率為0.2%,而木材的厚度鼓脹率為2.6%);
●優異的抗壓、抗拉伸、抗剪切強度;
●高的抗沖擊性,彈性模量比普通PVC塑料高20%;
●膨脹系數與鋁合金接近;
●在相當寬的溫度范圍內性能穩定,在一定的高溫下機械性能有所提高,耐低溫性能優異;
●在阻燃性能方面,木質復合材料的火焰蔓延速度約為普通木材的50%,如果添加適當的阻燃劑、防火劑,可使材料的阻燃性能大大提高。
●材料的性能及外觀的可設計性好,可在材料擠出之前,加入各類添加劑,如選定的顏料、阻燃劑、特定防腐劑及紫外線穩定劑等。為了達到使材料具有特定的性能,可以采用不同的纖維混合體,也可采用植物纖維與人造纖維(玻璃纖維,尼龍纖維等),這樣可以發揮各種纖維的不同特性,賦予材料更優異的性能。
●可加工性好。加工、使用這種材料時,復合木質材料與天然的木材一樣,可使用傳統的木工工具進行加工;可彎曲、鉆孔、釘、鋸、刻花紋、開榫;有很好的握釘性能,需加用固緊件時,其固緊強度比天然木材高2～4倍,并可對其進行各種類型的連接。已開發出特種底漆(針對某牌號),在木質復合型材上使用底漆后,可再涂以客戶希望的顏色、花紋,或再與其他" >其他薄膜及飾面鑲板復合。
值得關注的是,這種材料不僅僅用于庭院裝飾或不大受力的地方,如采用一定的技術,可以制備出用于結構件的高強木質復合材料。加拿大的某公司采用定向技術開發出了定向復合木材,具有更優異的力學性能,稱其為第二代復合木材,其外觀、結構、手感更接近木材,并可起到結構件的作用。也可把天然的植物纖維用特定的技術提取出來,再進一步深加工成為纖維織物或氈或復合纖維,從而改善復合木質材料的性能。另外,采用適當的添加劑,可以改善木質纖維與樹脂基體的界面狀態,提高界面的結合力,改善材料的力學性能。
總之,復合木質材料利用大量的廢棄物,制造成本低廉,易于制造及使用,可回收再利用,是對環境友善的綠色復合材料材料,值得推廣。可以想象,如果用這種使用壽命更長、裝飾性更好的材料來替代天然木材,會使我們的家庭、花園更美麗,又為我們國家保護了寶貴的森林資源