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天纤塑料的性能与应用研究

天纤塑料泛指由合成树脂和各种天然纤维复合而成的一种新型复合材料，它兼有塑料和木材的双重特性，近年来在各种结构性材料和非结构性材料的制造方面己崭露头角，逐渐受到国内外研究者和厂商的关注，并己有各种天纤复合制品投放市场。 天然纤维品种繁多，包括各种木材废料（如下脚料、废料、枝桠、锯屑）、农业稻草纤维（如稻糠、稻草、秸秆、果壳粉）等，这类纤维在我国广大农村储量丰富、其利用水平目前还很低。随着农村生活水平的日益提高，过去被大量用作农村烧柴主要原料之一的农业植物纤维己逐渐被液化气、煤气等清洁燃料所取代，除少量农业植物纤维被用于生产饲料及经济作物（如蘑菇）以外，大量的农业植物纤维（尤其是稻糠、秸秆、果壳等难于自然腐变的材料）被焚烧处理。这不仅造成自然资源的严重浪费，更对农村及其周边城市的环境造成了巨大的损害。我们必须找到一条无污染处理农业废弃纤维的有效途径。 另一方面，由于缺乏一个完整的塑料回收再生渠道以及全民环保意识的淡薄，也由于缺乏成熟可靠的技术、以经济有效的方法规模化地对废旧塑料制品加以回收和综合利用，我国大城市及某些农村地区因塑料废弃制品处理不当而造成的“白色污染”问题迟迟得不到有效的解决，己成为我国环保事业中的另一个棘手难题。 1999年6月2日，市场报以“遏制'白色污染‘尽快'釜底抽薪’”为标题指出：当前在人们的生产、生活中，塑料袋、塑料膜、饮料瓶、发泡包装填充物等塑料包装制品被广泛使用。它在给人们带来方便的同时，也给自然环境带来了危害，成为“白色污染”的主要污染源之一。据统计，各大城市塑料废弃物己占垃圾总的装饰效果；而结构性制品（如木塑复合托盘等）则一量的1/4到1/3，其中就有相当数量的塑料袋。文章般应选用较细的天纤填料。 建议对有关塑料包装制品生产企业实行关停并转，以但是，由于天纤疏松、质轻（如未经破碎的稻糠的期达到杜绝‘白色污染“根源的目的。 但是，我们很难否认塑料包装的诸多优良特性及其给人们的日常生活带来的诸多便利；也很难想象，如果一个现代化的社会彻底杜绝了美观耐用的塑料包装又会是一个什么模样。因此，作为塑料行业的技术工制品、降低并消除塑料制品的潜在危害而不懈努力。 我们开发的天纤塑料生产技术正是采用廉价的天纤填料及回收废旧塑料（，瓦、，卩3等）为主要原料，生产各种结构性或非结构性天纤复合制品，其制成品的物理机械性能甚至可与硬木制品相媲美。由于生产原料中废弃资源的利用比例高达95%以上，因此本技术可大大提高废弃资源的综合利用水平，大大降低因废弃资源处理不当对环境造成的严重损害，对国家的环境综合整治工程具有十分明显的促进作用。它生产本钱也更低也从根本上改变了环保产业社会效益高、经济效益低的弊端，既有社会效益、又有“钱”可赚。 2天纤的选择与预处理2.1天纤的选择天纤的品种和规格不同，其理化性能有较大的差异，由其制备的天纤复合材料的物理机械性能因此也有所不同。选择天纤至少应当考虑以下几个方面：天纤的品种及其特性：如硬木粉质地坚硬、热稳定性较好，容易制备物理机械性能要求较高的天纤制品，但有些硬木材（如樟木粉）颜色较深，对制品的外观会产生影响；稻糠在我国南方地区储量丰富，色泽均匀且较浅，在加工时颜色也容易保持，但其复合制品的物理性能较低；秸秆类天纤性能差异也很大，某些秸杆质地疏松，如玉米秸杆中心含有棉花状物质，不经特殊处理其复合制品的物理性能难以达到结构性材料的性能要求。 天纤的细度：天纤填料的细度越小，其复合制品的物理机械性能一般较好，但天纤破碎加工困难，生产成本较高，我们必须从技术上加以解决。如我们经过对稻糠的特殊处理，在用稻糠生产结构性木塑复合托盘时，甚至直接使用了未经破碎的稻糠（约8目），其物理机械性能完全达到了托盘的使用性能要求。 制品的使用性能要求：如装饰材料本身是没问题的性制品（如建筑装饰材等）应当选用色泽均一的天纤材料，以获得较好表观密度仅为0.1g/cm3~0. 2g/cm3），运输困难，天纤的选择实际上受地理因素的制约很大，在这种情况下，我们可以通过对天纤的处理和配方技术来提高制测试机品的综合性能，也可以通过包覆共挤成型等方法来获得良好的表面装饰效果。 2.2天纤的预处理天纤的预处理主要包括天纤的干燥和表面处理。 自然干燥状态的天纤填料其含水率较高，往往不能满足塑料加工的要求。如南方地区经常使用的有40 Cr、40MnB、40CrNi等自然干燥状态下的稻糠的含水率为8%~10%，北方新鲜秸杆的含水率高达15%以上，室内光缆而各种自然干燥状态的木粉的含水率一般也在5%以上。因此，未经干燥的天纤直接使用时往往会引起制品起泡、烧焦、甚至在机筒内爆炸，给天纤复合材料的成型加工及其物理性能带来许多不利的影响。 落叶松粉在不同温度下的干燥特性天纤品种不同时，其干燥特性有所差异；干燥温度不同时，天纤的干燥特性也有差异，如和所示。天纤干燥的温度、时间和生产效率是天纤干燥中的主要工艺难点，目前我们开发的连续式干燥设备单产可达到700kg/h以上，间歇式干燥设备的单产也达值得一提的是，由可见，干燥温度接近或超过200C时，大多数天纤的失重曲线均呈直线上升的趋势，说明在此温度下天纤己开始热分解，换言之，大多数天纤的加工*高温度上限为200C.表1天纤塑料与通吸水机用塑料及天然木材的性能对比性能项目通用塑料普通木材天纤塑料拉伸强度中等较高中等弯曲模量较低较高较高冲击强度中等较高中等刚性与承载能力中等较高较高吸水性小高小耐老化性低高高耐酸碱性好差好可回收性容易难容易制品成本较高低较低表2几种天纤塑料的性能对比基体树脂密度/（g/cm3）拉伸强度/MPa弯曲模量/GPa弯曲强度/MPa冲击强度表3天纤类型对天纤塑料性能的影响基体树脂密度/（g/cm3）拉伸强度/MPa弯曲模量/Gpa弯曲强度/MPa冲击强度总体上讲，由表1可见，天纤塑料的综合性能介于由表3、、及可见，天纤类型不同时对材料的性能有一定影响，但这种影响并不显著；而天纤的表面处理方法和天纤添加量对材料性能的影响却极其明显，表面处理得当是获得高性能天纤材料的关键，这种多羟基化合物无论从分子的基本组成还是从分子的极性上来说，均与通常的聚烯烃类高分子有相当大的差异，两者的相容性很差。故若直接添加表面未经适当处理的天纤填料时，即使填充量很低也会给材料的性能带来致命的不利影响。 因此，正确选择天纤的表面处理剂及其用量和处理方法是制备性能优良的天纤塑料的另一技术关键。 尤其由于天纤填料的多孔性特征，实际上并不能采用塑料工业常用的偶联剂处理法对其进行有效的表面处理，这更加了天纤材料表面处理的难度。我们经过对60余种表面处理方法的筛选，目前己能使用3%~ 5%的表面处理剂使天纤塑料的物理机械性能提高50%以上，同时通过表面处理，还能兼顾改善天纤塑料的流动性和表面润滑性等成型加工性能。 3天纤塑料的性能合成树脂和天然木材之间，兼备塑料和木材的双重特性，是一种较为理想的“以塑代木”材料。 但是，天纤塑料的物理机械性能受基体树脂类型、天纤种类与规格、天纤预处理方法、天纤填充量、配合技术、成型加工工艺条件等诸多因素的影响，任何一个环节处理不当均难以获得性能优良的天纤制品。 基体树脂是决定天纤材料基本物理机械性能的关键因素，见表2.基体树脂的选择主要受天纤在加工中的极限温度所控制，一般我们只能选用熔点或粘流温度低于200C的塑料树脂为基体否则很难避免天纤在成型加工过程中的热降解。 天纤的添加量则应根据制品的具体性能要求适可而止。 另一方面，天纤制品可以大量采用废旧塑料，这是天纤塑料的*大特点之一。由表4可见，随着HDPE回收料含量的加，天纤材料的各项物理性能均呈下降趋势，其中拉伸断裂强度的下降幅度*大。从试验数据来看，当制备结构性天纤制品时，为了保证天纤材料具有良好的基本性能，应对HDPE回收料的物理性能力口以控制（如熔体指数）且在可能的情况下，应适当减小HDPE回收料的应用比例。 4天纤塑料的成型加工天纤塑料与通常的合成树脂、矿物填充塑料及其它常见改性塑料相比其流变特性及成型加工特性等均有很大的差异，我们必须根据这种差异寻找适用的成型设备与成型工艺。 回收HDPE比例/ 121.18弯曲断裂强MPa20.8222.9019.9217.111厨房秤7.89注：HDPE回收料的熔体指数范围为1.稻糠含量均为50wt%. 4.1成型加工设备的适用性天纤塑料在成型加工中经常会出现以下几个问题：因设备的强烈剪切作用或温度控制不准引起糊料、烧焦甚至爆炸；因天纤塑料较差的流变特性引起设备（如螺杆挤出机）的损伤甚至损坏（如螺杆表面产生刮痕甚至断裂）因设备排气不良引起的制品产生气泡，问题严重时甚至使生产作业无法正常进行。需要注意的是，即便是经过充分干燥处理的天纤填料，由于其热降解温度与成型加工温度极其接近，天纤在加工中也会因部分分解而产生气体因此，天纤加工设备必须具有良好的排气装置；天纤加工设备的另一设计要求是物料在设备中的停留时间分布应尽量窄，以保证天纤塑料在加工过程中的热历史充分一致，避免部分天纤塑料因停留时间过长而降解。研究表明，由于天纤降解过程中有大量热量产生，因此一旦天纤塑料在加工中产生降解其反应历程类似一种自催化的过程，即使将设备的外部加热全部关闭，这种降解反应也难以控制和停止。 近来，我们己专门设计了用于生产天纤塑料的专用挤出机，它实现了设备在低转速下的有效塑化和高产量，通过螺杆的改进可进一步提高物料停留时间的均匀性，同时对设备的温度控制和排气装置等也作了改进，并可适用于各种基材的天纤塑料制品的生产。 4.2成型加工工艺的适用性天纤塑料的成型加工除对加工设备有特殊要求以夕卜，成型加工工艺也必须根据其成型特性作相应的改进：天纤制品在加工中对设备的流动阻力系数较大，模具内表面处容易粘留天纤塑料，从而引起制品表面起皱，影响制品的外观质量，因此必须改进模具结构以及制品的冷却方式和定型方式；粘流状态的天纤塑料普遍缺乏强韧性，在牵引外力的作用下极易断裂，在真空定型时因流动阻力大也易引起熔体的断裂，这些问题不作很好的解决也难以正常生产；解决好壁厚较大的制品的冷却问题与尽量提高生产速度之间的矛盾是天纤塑料加工中必须攻克的又一技术关键。 产品类型产品举例结构性材料工业托盘、门窗异型材、铁轨枕木等非结构性材料建筑装饰板（条）庭院护栏、交通标志物等其他木、塑代用品垃圾桶、电子配件（如音箱壳）、（保温防冻）管材等度（1.5m/min）生产壁厚大于20mm、横截面积超过2500mm2的天纤塑料异型材。 5天纤塑料的应用天纤塑料的技术和应用研究方兴未艾，尽管其工业产品目前刚刚入市、且品种并不多见，但这种新型材料低廉的价格、良好的综合性能、易回收性及其环保特征、对资源的综合利用特点等己使国内外许多研究者和生产厂商产生了浓厚的兴趣。据美国专业市场公司预测，天纤塑料的年长率将超过50%天纤塑料工业将很快成长为一个让世人瞩目的新兴产业。 表5天纤塑料的开发研究方向在天纤塑料的应用方面，本公司己成功开发了木塑复合托盘系列产品，该产品可全部采用回收塑料为基体树脂，天纤填料可因地制宜采用各种木粉、稻糠、秸杆等为基本原料，废气资源的利用率高达95%以上。通过材料配方的调整和专用的成套工艺技术可制造轻、重载周转托盘或一次性托盘，在物流行业具有广阔的应用前景。其他产品（如木塑复合门窗异型材、木塑复合包奘板等）的牛产技术也正在讯谏开发之中。 6结语天纤塑料原料来源广泛、价格低廉、综合性能优良、制品形式丰富，是一类有望以较低成本和环境友好的方式实现“以塑代木”、“以塑代钢”的新型材料和产业领域。天纤塑料的性能改进与制品成型涉及诸多传统塑料加工工艺未曾面临和解决的新的技术问题。天纤填料高效的预处理与表面处理方法，专用的天纤塑料加工设备与加工工艺，以及天纤制品开发与应用中的许多具体的技术环节等均需要我们努力尽早尽快地寻求更为圆满的答案。同时天纤塑料产业的兴起也需要众多塑料机械和塑料制品产业界人士的支持和帮助。相信在我们的共同努力下，新兴的天纤塑料产业必将为社会创造更好的经济效益，同时也必将为提高我国有限资源的综合利用水平、促进我国环保事业的发展做出应有的贡献。