如何提高木塑复合材料的使用寿命

如何提高木塑复合材料的使用寿命
 影响复合材料的使用寿命与原材料，产品抗环境能力，生产工艺等有关。
 一：木塑复合材料的吸水性。 
木塑复合材料(WPC)是近年来兴起的一类绿色环保材料，生产木塑复合材料的主要原料是农林废弃物(木粉、竹粉、糠粉等植物纤维)和废旧塑料PE/PP,  用作**木材的替代品， 由于植物纤维存在着高吸水性的缺点，如何降低木塑复合材料的吸水率已经成为一个非常重要的技术问题。在此介绍了木塑复合材料吸水的原因、危害以及吸水率的影响因素。 
  1 WPC吸水的原因 ：    
 木塑复合材料的主要原料是农林废弃物，其主要成份为植物纤维。植物纤维主要由纤维素、半纤维素、木质素组成，其中纤维素含量较多，纤维素大分子的重复单元每一个基环内含有3个羟基，使纤维素具有很高的吸水性。另外，纤维素是由结晶区和无定型区交错联结而成的二相体系，其中还有许多的空隙系统，这增强了纤维素的吸水性。半纤维素是由多糖基组成的一种聚合物，同样含有较多的羟基而易吸水，此外，半纤维素不能形成结晶区，水分子容易进入，吸水性比纤维素还要高。木质素也含有极性基团，因此也具有一定的吸水性，但由于**木质素的分子量很大，亲水性基团相对于纤维素较少，所以吸水率稍低。     
 木塑复合材料中填充大量的植物纤维，不可避免地具有一定的吸水性。虽然木塑复合材料中的植物纤维已被塑料所包覆，而且在生产过程中植物纤维表面的部分羟基已与某些偶联剂或相容剂作用而酯化或醚化。因此，木塑复合材料的吸水率远低于木材的吸水率。研究表明，木塑复合材料长时间地浸水后的吸水率并不低，尤其是聚烯烃木塑复合材料主要是作为木材替代品用于户外建筑和户外装饰，长期暴露在自然环境中，更加剧了木塑复合材料的吸水。
 2 WPC吸水的危害 
a,力学性能：木塑复合材料吸收水后导致其性能降低的原因是多方面的。吸收的水分子会显着降低了植物纤维的力学强度，且植物纤维会发生膨胀，并使周围的塑料基体产生微小裂纹，这些微小裂纹又加剧了木塑复合材料的吸水，使得应力传递效率大大降低，结果使木塑复合材料的力学强度降低、耐冻融性能变差。  
 木塑复合材料吸水后，进入木塑复合材料中的自由水可以与植物纤维产生分子间氢键，导致木/塑界面亲和性进一步降低，而且这些自由水还会溶解植物纤维中的某些可溶性物质，改变了木与塑界面相容情况，结果也降低了木塑复合材料的强度。    
  木粉含量为50%，MAPE含量为8%的木塑复合材料，在室温下浸水40d后可使材料的拉伸强度下降20%，弯曲强度下降13%，冲击强度下降8%。    
   木塑复合材料吸水后，模量也显着降低。木纤维含量为40%的HDPE基木塑复合材料在水中浸泡2000h后，拉伸模量下降了39%；木粉含量为65 %HDPE基木塑复合材料在饱和吸水状态下，拉伸模量损失了40%。木纤维含量为30%的HDPE基木塑复合材料在沸水煮50h后，弯曲模量下降了约25%；木纤维含量为40%的PP基木塑复合材料在水中浸泡2000h后，弯曲模量损失了39%。      
b,变形：木塑复合材料吸水后会发生显着变形。这是因为植物纤维吸水后膨胀对周围的塑料基体施加了作用力，在这一作用力下，塑料基体大分子链容易产生分子松弛蠕变，因而易导致木塑复合材料发生变形。水份存在破坏了木/塑界面，结果会使塑料分子的松弛更容易发生，因此随着水份量的增加，木塑复合材料在恒外力作用下的总变形显着增加，撤去恒外力后，木塑复合材料的*变形也显着增加。       
  由于吸水作用使植物纤维膨胀，还会使木塑复合材料的尺寸发生变化，加剧其变形。随着浸水时间的延长，木塑复合材料的厚度膨胀逐渐增加，而且膨胀的厚度与植物纤维含量直接相关。
C，材料霉变：
 木塑复合材料的真菌腐蚀问题。木塑复合材料由于填充了大量的植物纤维，虽然植物纤维被塑料包覆以及被偶联剂或相容剂所作用，因而没有纯植物纤维那么容易被霉腐真菌(霉菌以及木腐真菌)等感染，但吸水率到一定含量可为真菌提供良好的生存环境，造成木塑复合材料霉变，甚至腐烂，大大缩短其使用寿命。同时，霉变会使木塑复合材料表面产生肉眼可见的霉菌斑点，影响其美观。 
  3影响WPC吸水率的因素
 a,界面相容性
 如上所述，木塑复合材料吸水的根本原因是植物纤维含有极性的羟基，因此，木塑复合材料中植物纤维的羟基与某些基团反应后降低极性、良好的界面相容性、减少植物纤维在木塑复合材料中的含量等因素均会影响到木塑复合材料的吸水率。   如果纤维与塑料基体之间能够产生亲和性，可以降低木塑复合材料的吸水性，界面亲和性越好，吸水率越低。用5%MAPP改性的木塑复合材料的吸水率比未改性的低约2%，如用较高接枝率MAPP改性的木塑复合材料具有较低的吸水率。    
 采用不同的偶联剂改性的木塑复合材料，其吸水率不同。采用马来酸酐改性的木塑复合材料吸水率低于硅烷和钛酸酯，原因是前者的改性效果较好，能更好地封闭植物纤维的羟基，使木/塑界面相容性优于后两者。      
 在相同的木粉含量下，马来酸酐越高与植物纤维作用的越多，木塑复合材料的吸水率越低。MAPE含量为30%、木粉含量为70%的木塑复合材料，其吸水率可与MAPE含量为8%、塑料含量为42%、木粉含量50%的木塑复合材料的吸水率相当。这表明，木塑复合材料的吸水率并不是简单地与植物纤维的含量成正比，其界面作用情况具有重大影响，植物纤维填充很高的木塑复合材料，如果具有较好的界面相容性，其吸水率可以低于较低植物纤维含量的木塑复合材料。
 a,木粉含量
 木粉含量对吸水率的影响，在木粉处理技术相同的条件下，木粉含量越高，木塑复合材料的吸水率越高，原因是在相同的制备技术条件下，木粉越多，其表面羟基越多，结果导致木粉含量越高，木塑复合材料的吸水率越高；木塑复合材料的吸水率要远小于木材，吸水速度比木材大大减缓。    
   复合材料中的吸水率与植物纤维中纤维素的含量有关，植物纤维含量增加，纤维素的含量也就相应增加，木塑复合材料的吸水率也就增加。也就是说，木塑复合材料的吸水主要是纤维素的吸水。
 C,水温对木塑复合材料的吸水率具有很大影响。水温越高，木塑复合材料吸水达到饱和所需要的时间越短。
 d,成型方法
  成型方法对木塑复合材料的吸水率存在着一定的影响。采用传递模塑这一新型方法制备木塑复合材料，与压制成型相比具有较低的吸水率。原因是传递模塑比压制成型具有更好的木/塑界面亲和性和更少的空隙率。       
   相同的配方制备木塑复合材料，挤出成型的材料吸水率高，压制成型次之，注塑成型较小，原因是压制和注塑成型的材料质地比较致密。此外，采用压制成型和注塑成型的木塑复合材料，其表面塑料含量较高，孔隙较少，因而吸水率较低。
 e,纤维种类
   不同纤维的木塑复合材料的较终吸水率各不相同，可能的原因是纤维的成分不同，基本化学成分(纤维素、半纤维素、木质素)的种类和比例不同会影响纤维的吸水性能。
 以上是关于PP/PE木塑的吸水性，PVC木塑的吸水基本如上面差不多好在pvc木塑制品用于室内较多，但也有用于室外的如花箱，护栏及相关户外装饰等，pvc木塑有发泡和不发泡两种，发泡的木粉的添加量比不发泡的量要少得多，不发泡的也有木粉的添加量是树脂的两倍的，所以pvc木塑复合材料的吸水性同样要引起我们的高度重视。
 4 如何降低木塑复合材料的吸水率除上所述外还包含以下几点。
 a 加工过程中木粉水分的排除，尽可能木粉的含水率控制在1%以下，这样对生产的稳定和产品致密性都有提高。对于PP/PE/pvc木塑不发泡制品，水的存在还会起到发泡剂的作用这样产品的致密性更会受到影晌，这样提高了制品的吸水率和降低力学性能也给真菌的生长提供了土壤。    
 b设备和生产工艺的选择，设备（挤出机和模具）的选择很重要对于双螺杆来说螺杆结构的设计，如何保证物料良好的塑化。模具压缩比和流道设计有利于提高制品的致密性和尺寸稳定性。    
 c木粉的目数大小和木粉基材的选择及木粉的偶联处理（如何提高木粉与树脂的相容性）及木粉与无机填料的合理搭配及合理的添加量等。    
  d木塑生产离不开润滑剂，润滑剂的好坏及润滑剂与润滑剂之间的种类与用量的搭配是保证正常生产和产品质量的关键。如润滑剂的种类、质量的好坏、熔点的高低，酸值的高低、分子量的大小、液态与固态等。国内用于PP/PE木塑基本以硬脂酸、石蜡、PE蜡、硬脂酸盐搭配使用。润滑剂的熔点在50-60度左右，其中硬脂酸，石蜡，不好的PE蜡都会影晌到产品的热变形且会溶解于树脂中而降低纤维的浸润效果。这样一来就会影晌到木粉和无机填料与树脂的相容和偶联，且降低产品力学性能。
 雅旸复合材料科技有限公司研发的PA系列润滑剂是以胺基类复合物和马来酸酐接枝复合物按相应比例组成的PP/PE木塑**助剂，马来酸酐接枝复合物不会溶解于树脂中且对木粉和无机填料具有较强的偶联作用，这样大大提高了木粉和无机填料与树脂的相容性，降低了复合材料的吸水率，复合材料的力学性能不但不降低反而有所提高。具添加量小，适用于PP/PE木塑挤出，注塑，模压等工艺，且具有分散，润滑，偶联，相容多功能性。
 二、复合材料的耐候性。      
  1、复合材料的耐候性的好坏对于材料的使用寿命和外观影晌很大。     
 2、影响木塑复合材料的耐候性的因素有客观因素（外界环境如紫外线、水、氧气、酸、碱、温度等）和复合材料中的添加剂（色粉、润滑剂、稳定剂、发泡剂等）客观因素是没办法解决的，只有在选材上尽量不要添加或少加影晌木塑复合材料耐候的助剂。
 
  3、如何提高木塑复合材料的耐候性。     除了2中提到的影晌耐候性的添加剂少加或不加外还需添加提高复合材料耐候性的助剂如抗氧剂、紫外线吸收剂等。但是也很难达到使用要求，为此采用共挤工艺在复合材料表面共挤0.1mm厚左右的耐候性好的材料如ASA，但PP/PE木塑共挤较难PVC木塑是可以的。
 三、润滑剂的选择。润滑剂上面已做了一些讲述，下面做一些补充。润滑剂的好坏会影晌木塑复合材料的以下性能。   
 1、制品的表观变差（润滑剂析出表面出现斑点、变色等）。  
 2、制品的维卡下降也就是制品变形：一旦制品在使用过程中出现变形就会影晌产品外观、力学性能、耐候性下降、吸水率提高、真菌更易产生等。
 3、尺寸的稳定性。    
 4、对于PVC木塑而言除了润滑剂会影晌制品的相关性能外还与以下添加剂有关：增塑剂有利于生产加工但会降低产品的维卡。增韧剂CPE 有利于提高产品的韧性但会降低材料的强度、刚性和模量。CPE会导致材料的热稳定性和光稳定性下降，耐候性变差。雅旸科技有限公司研发的增韧剂PA-48在增韧PVC的同时热稳定性和光稳定性得以大幅度提高，较大地改善PVC制品耐侯性。同等用量PA-48的PVC制品比用 CPE的PVC制品在拉伸强度、屈服强度、常温冲击、低温冲击、弹性模量等机械性能方面要高30-40%。
  雅旸科技有限公司为客户提供的PVC木塑配方技术在润滑剂和添加剂的选择上：    
 a,硬脂酸在100公斤树脂中较大添加量在0.2公斤左右，绝不加石蜡。  
 b,不加少加DOP和大豆油。   
 c,不加CPE或类似于CPE的弹性体增韧剂。   
 d,发泡剂以本司的强效发泡剂CCR-10为主添加发泡剂总量的20-40%的CCR-20的搭配体系基本不会有发泡剂残留于产品中可提高产品表面刚性和对产品的耐候性影晌相当小。CCR-10是我司经过多年努力应用于对热变形，耐候性，环保性等要求较高的片材，型材，管材而开发的一支改性发泡剂，发气量略小CCR-20,但分解完全，对提高制品的刚性，维卡均有帮助。其分解速度慢使挤出物离开模头时表面很快冷却，有助于形成密实表面的泡孔结构是，适用于赛卢卡和结皮发泡。所以生产出来的产品具有：产品在使用过程中变形小很小，产品强度好，模量高，耐候性好。