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FRP玻璃鋼復合材料論壇

標題: 應小二哥的申請，新開版面 [打印本頁]

作者: bamstone 時間: 2007-8-17 18:42
標題: 應小二哥的申請，新開版面
聚合物基木塑復合材料(wood plastic composites，簡稱WPC)是指以經過預處理的植物纖維或粉末（如木、竹、花生殼、椰子殼、亞麻、秸稈等）為主要組分(含量通常達到60%以上)，與高分子樹脂基體復合而成的一種新型材料。該材料具有植物纖維和高分子材料兩者的諸多優點，能替代木材，可有效地緩解我國森林資源貧乏、木材供應緊缺的矛盾。其應用范圍非常廣泛，主要應用在建材、汽車工業、貨物的包裝運輸、倉貯業、裝飾材料及日常生活用具等方面。由于植物纖維的可再生性、可被環境消納性，所以WPC是一種極具發展前途的綠色環保材料，其生產技術也被認為是一項有生命力的創新技術。

作者: hackjsh 時間: 2007-8-17 23:01
我同學做的好象就這個!
江陰雙良

作者: everywhere 時間: 2007-8-18 05:57
好啊！復材行業又多了一個發展的方向！
希望版主能多多傳授我們相關知識！

作者: 北極狐 時間: 2007-8-18 07:16
是啊,樓主就先開貼介紹下,具體的工藝.圖片.讓偶們開開眼吧 [s:4]

作者: soundsee 時間: 2007-8-19 17:38
我一直覺得自己比較笨,多了吃不消,所以不多發展了,就抱著傳統FRP跑了,這行了解一下就行了.一直比較佩服鐘師兄,對風能一直很專!

作者: soundsee 時間: 2007-8-19 17:39
可考慮多用一些其他行業的邊角料!!!

作者: shanghai252 時間: 2007-8-19 21:35
贊助一下，以前收集的文章

木塑復合材料兼有木材和塑料的雙重特性。它有著天然木材的外觀，可鋸、可釘、可粘結、可上漆。同時，它防蟲，防腐，吸水性小，不易變形，不開裂、機械性能好，具有堅硬、強韌、持久、耐磨、尺寸穩定等優點。一般來說，木塑復合材料的硬度較未處理的木材高2～8倍，耐磨性高4～5倍，甚至比大理石還高。而各種添加劑的應用，又賦予它許多特殊的性能，比如向木塑復合材料的原料中加入發泡劑進行發泡擠出，可以降低產品密度，提高其韌性和抗沖擊性能。此外，它還是一種環保材料，可回收重復使用，且原料廉價豐富，它在減少環境污染、保護森林資源、促進經濟發展方面都有良好的效益，因而它受到了眾多研究者關注。20世紀90年代以來，北美、歐洲的許多國家對木塑復合材料已進行了大量的研究，近年來國內對它的研究也日益增多。同時它的生產和應用也得到了迅速增加，北美和歐洲2002年消費的木塑復合材料達到68萬t，并預計到2010年前將以14%和19%的速度增長，遠遠高于同期塑料工業的總體增長率。
1  木塑復合材料的發展趨勢與成型方法?
根據木塑復合材料的研究與應用的進一步發展，可以預計其加工技術主要有如下發展趨勢：(1)原料多樣化；(2)木粉填充量超高化；(3)設備工藝專業化；(4)產品高檔化。
目前其工業化生產中所采用的主要成型方法有：擠出成型、注射成型和熱壓成型。由于擠出成型加工周期短、效率高、成型工藝簡單，它在工業化生產中與其它加工方法相比有著更廣泛的應用。
木塑復合材料的擠出成型可分為一步法和多步法。一步法是木塑復合材料的配混、脫揮及制品擠出在一個設備或一組設備內連續完成。多步法是木塑復合材料的配混、脫揮和制品擠出在不同設備中完成，可以先將原料配混制成中間木塑粒料，然后再擠出加工成制品。采用一步法時，若脫揮、脫水不佳將使產品因有氣泡而力學性能大幅度降低；同時，它要求制品的結構不能太復雜。所以，實際加工過程中一步法常常由于木粉含水量高和制品結構復雜而受到限制。目前國內外工業化生產所采用的主要是多步法。北京化工大學塑機所在這方面已進行了多年研究，并有多條生產線已投入了工業化生產。
2  需解決的關鍵問題
木塑復合材料加工的關鍵技術是保證木粉在高填充量的前提下如何確保材料有高的流動性和滲透性，從而能促使塑料熔體能充分地粘接木粉，達到共同復合的力學性能及其他方面的使用性能，最終用較低的生產成本生產出具有較高的使用性能的制品。因此在擠出成型過程中需解決以下三個方面的問題：
(1)原材料—如何提高塑料與木粉之間界面的相容性；
(2)制品的成型設備及成型工藝—如何保持穩定加料、進行有效脫揮、提高木粉在體系中共混分散、設定合適的擠出溫度及建立足夠的成型壓力保證產品的性能；
(3)成型模具的設計與冷卻定型技術。
3  成型工藝
3.1  材料配方的選擇
3.1.1  聚合物的選擇?
用于木塑復合材料加工中的塑料可以是熱固性塑料和熱塑性塑料。熱固性塑料如環氧樹脂。熱塑性塑料如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)及聚氧乙烯(PVC)。但是，由于木纖維熱穩定較差，只有加工溫度在200℃以下的熱塑性塑料才被廣泛使用，尤其是聚乙烯。塑料聚合物的選擇主要依據有：聚合物的固有特性、產品需要、原料可得性、成本及對其熟知的程度。如：聚丙烯主要用于汽車制品和日用生活品等，聚氯乙烯主要用于建筑門窗、鋪蓋板等。此外，塑料的熔體流動速率(MFI)對復合材料性能也有一定影響，在相同加工工藝條件下，樹脂的MFI較高，木粉的總體浸潤性較好，木粉的的分布也越均勻，而木粉的浸潤性和分布影響復合材料的機械性能，尤其是沖擊強度。據統計，目前市場上仍以PE木塑復合材料為主，大約占65%。PVC木塑復合材料占16%左右，PP木塑復合材料占14%左右。
3.1.2  添加劑的選擇
由于木粉具有較強的吸水性，且極性很強，而熱塑性塑料多數為非極性的，具有疏水性，所以兩者之間的相容性較差，界面的粘結力很小，常需使用適當的添加劑來改性聚合物和木粉的表面，以提高木粉與樹脂之間的界面親和能力。而且，高填充量木粉在熔融的熱塑性塑料中分散效果差，常以某種聚集狀態的形式存在，使得熔體流動性差，擠出成型加工困難，需加入表面處理劑來改善流動性以利于擠出成型。同時，塑料基體也需要加入各種助劑來改善其加工性能及其成品的使用性能，提高木粉和聚合物之間的結合力和復合材料的機械性能。
3.1.2.1  偶聯劑
偶聯劑能使塑料與木粉表面之間產生強的界面結合；同時能降低木粉的吸水性，提高木粉與塑料的相容性及分散性，所以復合材料的力學性能明顯提高。常用的偶聯劑主要有：異氰酸鹽、過氧化異丙苯、鋁酸酯、酞酸酯類、硅烷偶聯劑、馬來酸酐改性聚丙劑(MAN-g-PP)、乙烯-丙烯酸酯(EAA)。一般偶聯劑的添加量為木粉添加量的1wt%～8wt%，如硅烷偶聯劑可以提高塑料與木粉的粘結力，改善木粉的分散性，減少吸水性，而用堿性處理木粉只能改善木粉的分散性，不能改善木粉的吸水性及其與塑料的粘結性。需注意的是馬來酸鹽偶聯劑與硬脂酸鹽潤滑劑會發生相斥的反應，一起使用時導致產品質量和產量降低。
3.1.2.2  增塑劑
對于一些玻璃化溫度和熔融流動粘度較高的樹脂如硬度PVC，與木粉進行復合時加工困難，常常需要添加增塑劑來改善其加工性能。增塑劑分子結構中含有極性和非極性兩種基因，在高溫剪切作用下，它能進入聚合物分子鏈中，通過極性基因互相吸引形成均勻穩定體系，而它較長的非極性分子的插入減弱了聚合物分子的相互吸引，從而使加工容易進行。在木塑復合材料中常要加入的增塑劑有：鄰苯二甲酸二丁酯(DOS)等。如在PVC木粉復合材料中，加入增塑劑DOP可以降低加工溫度，減少木粉分解和發煙，改善隨著增劑DOP含量的增加，復合材料的拉伸強度下降而斷裂伸長率增加。
3.1.2.3  潤滑劑?
木塑復合材料常常需要加入潤滑劑來改善熔體的流動性和擠出制品的表面質量，所使用的潤滑劑分為內潤滑劑和外潤滑劑。內潤滑劑的選擇與所用的基體樹脂有關，它必須與樹脂在高溫下具有很好的相容性，并產生一定的增塑作用，降低樹脂內分子間的內聚能，削弱分子間的相互摩擦，以達到降低樹脂熔融粘度、改善熔融流動性的目的。外潤滑劑在塑料成型加工中實際上起了樹脂與木粉之間界面潤滑的作用，其主要功能是促進樹脂粒子的滑動。通常一種潤滑劑往往兼備內、外兩種潤滑性能。潤滑劑對模具、料筒、螺桿的使用壽命，擠出機的生產能力，生產過程中的能耗，制品表面的光潔度及型材的低溫沖擊性能都有一定的影響。
常用的潤滑劑有：硬膽酸鋅、乙撐雙脂肪酸酰胺、聚酯蠟、硬脂酸、硬脂酸鉛、聚乙烯蠟、石蠟、氧化聚乙烯蠟等。美國Struktol公司介紹了許多新的潤滑劑，加用于PVC木粉復合材料的TPW-012、用于聚烯烴木粉復合材料的TPW-101，與傳統的硬脂酸鋅/乙撐雙脂肪酸酰胺潤滑劑相比生產率可提高20～25%，TPW-113潤滑劑中包含了偶聯劑能明顯改善加工性能；Honeywell公司的Optipak300兼具潤滑劑和偶聯劑的雙重性能，對于PE、PP木塑復合材料既能改善產品性能又能提高產量。
3.1.2.4  著色劑
在木塑復合材料使用過程中，木粉中的可溶劑物質易遷移到產品表面，使產品脫色，并最終變成灰色。不同產品在一定使用環境下，還會產生黑斑或銹斑。所以，著色劑在木塑復合材料生產中也有著較為廣泛的應用。它能使制品有均勻穩定的顏色，且脫色慢。美國Americhem公司已經工業化生產了多種著色劑，并不斷對其進行著改進。
3.1.2.5  紫外線穩定劑
紫外線穩定劑的應用也隨著人們對木塑復合材料質量和耐用性要求的提高得到迅速發展。它能使復合材料中聚合物不發生降解或力學性能下降。常用的有受阻胺類光穩定劑和紫外線吸收劑。
3.1.2.6  防菌劑
為了使復合材料能保持良好的外觀和完美的性能，常常需要加入防菌劑。防菌劑的選擇要考慮木粉的種類、添加量、復合材料使用環境中的菌類、產品的含水量等多種因素。如硼酸鋅可以防腐但不能防藻類。
3.1.2.7  發泡劑
木塑復合材料具有很多優點，但由于樹脂與木粉的復合，使其延展性和耐沖擊性降低，材料脆，密度也比傳統木制品大近2倍，限制了它的廣泛使用。而經發泡后的木塑復合材料由于存在良好的泡孔結構，可鈍化裂紋尖端并有效阻止裂紋的擴張，從而顯著提高了材料的抗沖擊性能和延展性，且大大降低了制品的密度。發泡劑種類很多，常用的化學發泡劑主要有兩種：吸熱型發泡劑(如碳酸氫鈉NaHCO。)和放熱型發泡劑(偶氮二甲酰胺AC)，其熱分解行為不同，對聚合物熔體的粘彈性和發泡形態有著不同的影響。要根據制品的使用要求選擇適當的發泡劑。如，選擇AC為PVC/木粉發泡用的發泡劑，使用比例為0.5wt%-1wt%。Reedy Intermational新生產了專門用于木塑復合牌號為SAFETC TFPE-504發泡劑，它氣體產生率高，用量少，降低了生產成本。
3.2  工藝參數的設置
3.2.1  螺桿轉速
從固體輸送理論公式和粘性流體輸送理論公式中，可知轉速與生產能力成正比。因此，提高轉速可以有效地增加生產能力，但木塑復合材料擠出加工過程中螺桿轉速的增加受到許多限制。比如對于PVC木粉復合材料，PVC和木粉都是熱敏性的，過高的螺桿轉速會導致物料的降解和糊化。同時，螺桿轉速還影響著物料的停留時間和擠出壓力。只有在滿足物料的擠出溫度、剪切強度、混合質量及擠出機功率限制的前提下，才能最大限度地提高轉速以提高生產率。
3.2.2  擠出機溫度和壓力
木塑復合材料擠出加工過程中，擠出機的溫度和壓力控制也十分重要。若擠出溫度過高，物料易降解，同時過高的溫度使熔體的粘度較低，擠出壓力不足，造成制品表面粗糙，強度差，影響擠出質量。而溫度過低使得塑料塑化不良，不能充分包裹木粉，也會使制品的強度受到影響。同時，熔體破裂對口模溫度比較敏感，過高與過低的口模溫度都會造成熔體破裂。適當地降低擠出機的溫度，提高機頭壓力，降低螺桿轉速，可以有效地改善木塑復合體系的劑出加工性能。實際加工過程中各段溫度設置如下：Ⅰ段：150～170℃；Ⅱ段：160～190℃；Ⅲ段：170～195℃；Ⅳ段：180～195℃；機頭口模段：180～205℃。各段的溫度應盡可能穩定，且總的停留時間少于15min。
4  成型設備
4.1  成型設備中需注意解決的問題
4.1.1  加料問題
由于加入的木質纖維大部分為粉料，而木粉結構蓬松不易對擠出機螺桿喂料，同時塑料基體與填充填料之間并不能形成理想的混合體并均勻一致地加入到擠出機中，所以加料過程中常常會出現“架橋”和“抱桿”現象。特別是木粉中含有較多的水分時，這一現象就更為明顯。加料的不穩定不僅直接導致擠出產量低，還會使得擠出波動，造成擠出質量降低。同時由于加料中斷，物料在機筒內停留時間延長導致物料燒焦變色，影響制品的內在質量和外觀。因此必須對加料方式和加料量作嚴格的控制，一般采用強制加料裝置以及饑餓喂料，以保證擠出的穩定。
4.1.2  排氣問題
因為木粉中含有大量的小分子揮發物質和水分，且它們極易為制品帶來缺陷，而前處理又無法完全清除它們。所以木塑復合材料擠出機排氣系統的設計要比普通塑料擠出機給與更多重視，在很大程度上，排氣效果越好，擠出制品質量也越好，如有必要可以進行多階排氣。
4.1.3  螺桿結構
木塑復合材料擠出過程中，螺桿結構對產品質量有著很大的影響。合理的螺桿結構能降低螺桿與木纖維的摩擦，得到適當的剪切和分散混合效果，避免纖維分散不良或纖維的破損，如適當減小計量段螺桿直徑有利于熔體流動，適當縮短計量段停留時間可使材料劣化率降至最低，采用銷釘螺桿與普通螺桿相比能避免木粉聚集現象，提高分散混合現象。
4.2  主要擠出成型設備
目前可用于木塑復合材料擠出成型的設備主要有單螺桿擠出機、錐形雙螺桿擠出機、平行雙螺桿擠出機等。
4.2.1  單螺桿擠出機
單螺桿擠出機可以完成物料的輸送和塑化任務。但是，單螺桿擠出機的輸送作用主要是靠摩擦，由于木粉結構蓬松，不易對擠出機螺桿喂料，物料在料筒中停留時間較長，而木粉的填充使聚合物熔體粘度增大，增加了擠出難度；同時其排氣效果不佳；還有其混煉塑化能力不強。所以，單螺桿擠出機在木塑復合材料擠出中受到較大的限制，所用單螺桿擠出機必須采用特殊設計的螺桿，螺桿應具有較強的料輸送和混煉塑化能力，在擠出之前常常對物料進行混煉制粒。
4.2.2  雙螺桿擠出機
雙螺桿擠出機依靠正位移原理輸送物料，沒有壓力回流，加料容易；排氣效果好，能夠充分地排除木粉中的可揮發成分；螺桿互相嚙合，強烈的剪切作用使物料的混合、塑化效果更好；物料停留時間短，不會出現木粉燒焦。因此，目前木塑復合材料的主要的加工設備為雙螺桿擠出機，它可分為平行雙螺桿擠出機和錐型雙螺桿擠出機。
4.2.2.1  平行雙螺桿擠出機
平行雙螺桿擠出機可以直接加工木粉或植物纖維。所以，可以完成木粉干燥后再與熔融的樹脂熔融分開進行。還可以采用另外一種平行雙螺桿擠出機，其前段為脫水、脫揮裝置，將木粉加入擠出機主料口，進行脫水、脫揮，然后通過側加料器加入塑料樹脂、添加劑，進行塑化擠出。因此，擠出機相對長，螺桿長徑比(L/D)可達44～48，其中2/3用于除水和脫揮。這種熔融的加工步驟使熔融溫度較低，避免了熔料燒結的危險。同時也有利于保證下一步木屑混合的均勻性和控制木屑/塑料的比例。但是對木粉的含水量有一定要求。Dawia-Standard公司出產的異向雙螺桿擠出機的L/D為28：1，具有很高的機頭建壓能力，兼備了木屑處理和塑料擠出的功能。市面現有3種螺桿直徑的Woodtruder，分別是94mm、114mm和140mm。螺桿直徑為140mm的Woodtruder的最高WPC產量為900Kg/h。NFM公司制造了同向嚙合雙螺桿擠出系統能提供高的轉矩和螺桿轉速，加工范圍寬，可以加工PVC、PE、PP等塑料與各種木粉的復合材料，不需提前進行原料的干燥或混合處理，節約了設備費用和加工場地，可以用于直接擠出或造粒，產品型號可以從26mm到240mm。
4.2.2.2  錐型雙螺桿擠出機
與“配混”型設備比，異向錐型雙螺桿機被稱之為低速、低能耗“型材”型設備。其錐型螺桿的加料段直徑較大，可對物料連續地進行壓縮。可縮短物料在機筒內的停留時間，而計量段直徑小，對熔融物料的剪切小，這對于加工熱敏性木塑復合材料而言是一大優勢。
與一般錐型雙螺桿機比，為適應熱敏樹脂加工要求，有許多新的特點和要求，要求螺桿能適應的加工范圍寬，對木纖維切斷少，樹脂少時仍能使木纖維均勻分散和物料完全熔融。由于木粉、植物纖維比重小、填充量大，加料區體積比常規型號的大和長。若木粉、植物纖維加入量大，熔融樹脂剛性大，要求耐高背壓齒輪箱，螺桿推動力強，采用壓縮和熔融快、計量段短的螺桿，確保木纖維停留時間短，防止其斷裂和性能劣化。但由于其螺桿在結構上是整體式的，很難滿足不同工藝配方的要求，而且混煉效果比平行雙螺桿擠出機差。國外生產這種設備的主要有C incinatti Milacron公司和DURA公司。其中，美國的Extrusion Tek Milacron公司實際投放使用的WPC擠出設備已超過100臺，而C incinatti擠出機公司已公開展示其WPC用錐型雙螺桿擠出機“Titan”系列產品。
除了以上幾種雙螺桿擠出機，美國的Battenfeld公司生產了行星輥輪雙螺桿擠出機采用計量加料，溫控精確，混煉效果很好，非常適合熱敏性復合材料的加工。
4.3  擠出機頭和冷卻定型系統
機頭是關系到擠出制品質量的重要部件，由于木塑復合材料的特殊性及木粉的高添加量使擠出物料流動性差且不易冷卻，常規的模具和定型設備已無法滿足產品的需要，這使得機頭的設計除了保證流道設計的圓滑過渡與合理的流量分配外，還要對機頭的建壓能力與溫度控制精度進行重點考慮。基于木塑復合材料的流動性差，模具應盡量不采用阻流塊等結構而應通過改變流道尺寸來來調整流道各截面流量；在模具強度足夠的情況下，盡量減少支架筋的數量和尺寸；并采用較大的壓縮比，以保證有較大的擠出壓力，以利于成型。基于木塑復合材料的熱敏感性，模具應采用較大的結構尺寸以增加熱容量，使整個機頭溫度穩定性得以加強；而沿擠出方向尺寸取較小值，以縮短物料在機頭中的停留時間；并合理布置機頭的加熱冷卻裝置，使得其加熱冷卻速度快，精度高。英國設計了易流動口模，不需要使用多孔板，還可以冷卻空心型材的內表面，減少了熔體壓力并增加了產量。
同時，木塑復合材料的在中纖維取向程度對制品性能有較大的影響，要合理設計流道結構，以獲得合適的纖維取向來滿足制品的性能要求。
此外，木塑復合材料在相同強度要求下，厚度要比純的塑料大，且其多為異型材，結構復雜，這使得其冷卻較為困難，一般采用水冷，而對于截面較大或結構復雜的產品多需采用特殊的冷卻裝置和冷卻方法。位于賓夕法尼亞洲匹茲堡Conair公司專為木纖維復合材料設計生產了高強度噴霧冷卻槽，蒸發和冷卻相結合，冷卻效率更高，能為大、重型材生產進行有效地冷卻。
5  結論
木塑復合材料性能優異，發展迅速。在其工業化生產中，多步法擠出加工應用廣泛，但是高填充量木粉的加入，使擠出加工困難：一方面，塑料基體與木粉間的界面相容性和熔融物料的流動性差，這使得木塑復合材料加工過程中需要加入偶聯劑和潤滑劑，同時實際應用中對產品某些性能要求的提高，使得木塑復合材料加工過程中還要加入其它相應的助劑；另一方面，木粉結構蓬松且常含有大量水分，加料和物料的分散混合困難，且物料容易降解，這對擠出溫度和螺桿轉速等工藝參數的設置，及擠出機的加料、排氣、螺桿結構和模具結構等方面提出了許多特殊要求。所以，木塑復合材料加工過程中，為得到好的制品必須合理選擇塑料樹脂和各種添加劑，正確設置工藝參數，并采用合適的加工設備。

作者: kw510 時間: 2007-8-20 09:19
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作者: chedeqang 時間: 2008-4-1 11:33
見識了，謝謝 [s:2]

作者: skyer 時間: 2008-4-13 14:42
不錯。贊一個，比較有用。。 [s:2]

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