木塑复合材料注射成型的研究进展Word文档格式.docx

1、例如,在德国的汽车行业中,每年会消耗5万t W PC,而仅有1%的材料使用注射成型2。根据Princi p ia（美国一家研究机构的统计,注射成型木塑制品的销售量在整个W PC制品中（不包括模压成型制品仅占3%。而Princi p ia预计,注射成型木塑制品在近两年内将以年均70%的增长速度向前发展3。贴面板制造商希望他们的木塑制品含有更高比例的木质纤维或植物纤维（稻壳、亚麻纤维、大麻纤维等,因为较高的木质纤维或植物纤维含量可以有效防止制品产生陷坑。有极少数定制产品成型商能够做到其注塑制品的木质纤维含量与挤出型材相接近。例如,B lue R idge I ndustries公司为Trex公司生

2、产的杆柱裙边和杆顶件中木纤维的质量分数高达50%;而A tlas公司为Fiber Composites公司生产了木质纤维质量分数为45%的Fiber on贴面板和栏杆型材。A tlas公司称,他们甚至可以成型木质纤维质量分数高达60%的制品。对于成型制品来说,各种纤维都必须短一点才行。一般来说,贴面板制造商使用的挤出级木纤维细度为355500收稿日期:2008203219m,而180250m的木质纤维比较适合于注射成型。有些W PC能够注塑成型材,而且在成型过程中可以把密封条和防水条作为嵌入件加进去,以减少二次加工。A tlas公司和D ines ol Plastics公司曾利用该技术为End

3、ura Pr oducts公司生产了带有这种嵌入件的Z系列门的门框3。有两家提供定制产品的成型商还成功开发了共注塑和发泡的复杂工艺。其中,Cent oco Plastics公司3推出了以木质填料为核心、面层采用不含木纤维的白色聚丙烯（PP的共注塑马桶座圈。为了有利于成型件的顶出和防止产生陷坑,该公司在该配方中加入了质量分数为1%2%的发泡剂。英国A liche m I nt L td UK公司最近开发出一种天然纤维增强W PC,牌号为Naturfl ow PP60,可在标准注塑机上注塑。该产品采用木纤维与PP的混合物,在注射成型时具有较高的尺寸稳定性,成型收缩率低,模具、机械能耗降低,缩短了成

4、型周期。与传统的无机物填充PP相比,该产品的密度较小,只需对压力和温度进行轻微的调整,就可在现有注塑设备上成型,且易于着色。瑞典Scandinavian Wood Fiber AB（斯堪的纳维亚木纤维公司是一家致力于用注射成型和挤出成型法加工木塑制品的公司。该公司开发出木质纤维质量分数为40%的木纤维增强PP复合材料,所用设备为Woodfiber I nject。工程技术人员正努力开发新生产工艺,使注塑木塑制品应用到家电、汽车、日用消费品、包装等多种领域。用注塑法成型的木塑制品有电视机外壳,收音机外壳,电器上的接插件、旋纽、线圈骨架等。据业内专家分析,注塑加工厂商从传统的塑料生产向木塑注塑生产

5、转产相对容易,注塑加工的W PC将逐渐替代矿物填料和玻纤增强的聚乙烯（PE类、PP 类乃至热塑性工程塑料。许多公司正积极使用天然纤维如2纤维素、稻壳等原料研发注塑级W PC。2原料的选择2.1木质纤维原料木纤维和植物纤维来源丰富、价廉、质轻,对设备磨损小,尺寸稳定性好,电绝缘性优,无毒,可反复加工,能生物降解,最初作为低成本改性填料用以提高塑料刚性。木纤维有废木粉、刨花、锯末、竹子等4;植物纤维包括粉碎处理过的稻杆、花生壳、椰子壳、甘蔗、亚麻、黄麻、剑麻、大麻等5。大量对油棕榈空果串纤维、剑麻纤维的研究表明,天然纤维很可能成为热塑性塑料的有效增强材料。天然纤维资源丰富,并且未被充分使用,据估计

6、,有3000万t天然纤维（特别是油棕榈纤维是可利用的6。一般来说,在W PC中木材存在的形态有刨花、纤维、单板等形式,或直接是木材,不同的生产工艺对木材的形态要求也不同6。当采用挤出成型或非气流铺装成型时,要用木纤维;对于模压成型,可采用纤维或刨花;对于注入聚合工艺,则多采用单板或直接用木材;而对于注射成型,目前采用较多的是木纤维。不论哪种成型方法,在与塑料复合时,木纤维的形状、粗细、长短和树种都对复合材料强度有影响。一般说来,木刨花的增强作用最好,因为它们使复合材料成为一个不可分割的垫子,从而更好地保留了塑料和木材的原始特征;木纤维的增强作用次之;木粉的增强作用最差7。目前,木刨花、木纤维、

7、木粉的常用尺寸为38850m。与相应的挤出型材相比,大多数注射成型W PC制品中木质纤维的含量要少得多（一般为挤出W PC制品中木纤维含量的1/2。这是因为木纤维填料加得越多,流动性就越差,而注塑产品需要原料具有较好的流动性。用于挤出成型的复合材料对树种要求不高,而对于注射成型来说,木纤维的种类就很关键,因为不同种类的木纤维对剪切速率的敏感性不同3。例如,橡木的剪切敏感程度比松木大得多,也更容易烧焦,所以橡木纤维的含量一定要比松木低。此外,由于注塑机一般都没有排气装置,因此木质填料的充分干燥就显得很重要。比如,未经干燥的橡木粉（富含丹宁酸会腐蚀注塑模具。2.2塑料原料用于W PC加工的塑料可以

8、是热固性塑料或热塑性塑料。热固性塑料有环氧树脂、酚醛树脂等,热塑性塑料主要包括聚烯烃和聚氯乙烯（P VC等,既可以选择新料、又可以选择回收料或者二者的混合料。热塑性塑料具有受热熔融、冷却固化的特点,循环使用对其性能影响不大。木纤维在温度超过200时,强度会因降解而下降,只有在限定的温度范围内加工成型或回收利用才可以被多次重复利用;而热塑性塑料具有可回收性,且成型温度范围一般在300以下（聚烯烃的成型温度范围在200以下,因此现用于W PC的多为热塑性塑料3。塑料的熔体流动速率（M FR对W PC的性能也有一定影响。在相同工艺条件下,树脂的MFR越高,对木粉的总体浸润性就越好,因而木粉的分布就越

9、均匀,W PC的力学性能（尤其是冲击强度就会越高。在生产实践中,塑料品种的选择主要根据其固有特性、产品需要、原料可得性、成本及对其熟知的程度来进行。例如,PP主要用于汽车制品和日用生活品等;P VC主要用于建筑门窗、铺盖板等。据统计,目前市场上的W PC产品仍以PE为主,约占65%,P VC约占16%,PP约占14%1。2.3助剂一般来说,W PC的硬度较未处理的木材高28倍,耐磨性高45倍。而各种添加剂的应用又赋予多种特殊性能,如加入发泡剂进行发泡挤出,可以减小制品密度,提高其韧性和冲击强度。与挤出成型一样,由于木材表面具有亲水性,使其与热塑性塑料的表面难以形成良好的“熔合”,所以在进行W

10、PC 注射成型时,要加入适当的改性剂或偶联剂来提高木纤维与热塑性塑料的界面相容性,以获得理想的复合性能。偶联剂能使塑料与木粉表面之间产生强的界面结合,同时能降低木粉的吸水性,提高木粉与塑料的相容性及分散性,从而显著提高复合材料的力学性能。例如,硅烷偶联剂可以提高塑料与木粉的粘结力,改善木粉的分散性,减小吸水性;而用碱处理木粉只能改善木粉的分散性,不能改善其吸水性及与塑料的粘结性。常用的偶联剂主要有:异氰酸盐、过氧化二异丙苯、铝酸酯、钛酸酯、硅烷、马来酸酐接枝聚丙烯（PP 2g 2MAH 、（乙烯/丙烯酸酯共聚物（E /AK 等。一般偶联剂的添加量为木粉质量分数的1%8%。需注意的是,马来酸盐偶

11、联剂与硬脂酸盐润滑剂会发生相斥的反应,若同时使用会导致制品质量下降、产量降低8-9。3W PC 注射成型工艺3.1成型工艺路线W PC 注射成型可采用两步法和一步法两种工艺路线。两步法即先造粒后成型,其工艺流程如图1所示。将经干燥处理和表面改性的木粉与基体树脂置于高速混合机中,经充分搅拌后由单螺杆或双螺杆挤出机挤出造粒,再注射成型。该方法可提高木粉在树脂基体中的分散性,且造粒后加料也较容易,但会使整个工艺过程比较复杂。而一步法（如图2所示即采用表面改性后的木粉与树脂经高速混合后直接加料注塑,可省去造粒这一工序,但对设备的要求较高 。3.2配方及工艺参数对制品力学性能的影响虽然W PC 注射成型

12、的制品具有很多优点,但是制品的特性很容易受到配方及注塑条件的影响,配方不同,注塑条件不同,材料的力学性能也就不同。因此通过合理控制注射成型过程中的各种因素能得到性能较好的制品。P .M utje 等10研究了大麻纤维增强PP 复合材料的注塑工艺,考察了纤维长度和细度对注塑工艺和制品性能的影响。结果表明,PP /大麻纤维复合材料的某些力学性能（拉伸强度、弯曲强度、冲击强度要比PP /玻纤复合材料有较大提高。Andrzej K .B ledzki 等11对PP /木纤维微发泡复合材料的注射成型进行了研究。分析了使用化学发泡剂时,PP /木纤维复合材料在注射成型发泡过程中的微发泡行为。他们还研究了纤

13、维种类、纤维软硬程度、化学发泡剂类型（吸热型、放热型、吸-放热型对木塑复合材料密度、物理力学性能、表面质量和微孔形状的影响。并在实验过程中使用PP 2g 2MAH 以改善材料的力学性能。当使用放热型化学发泡剂时,复合材料的密度为0.741g/cm 3,降低了30%左右。光学显微图片显示,复合材料中的微孔为圆形,微孔的大小受化学发泡剂的影响。与未发泡和不使用PP 2g 2MAH 的复合材料相比,发泡材料的力学性能提高了近80%。Thi 2Thu 2Loan Doan 等12对PP /黄麻纤维复合材料的热性能、动态力学性能进行了分析。实验表明,随着木纤维含量的增加,PP 2g 2MAH 改性PP

14、的含水量要比未经改性的PP 含水量低;在木纤维含量相同的情况下,含水量不影响W PC 的力学性能。黄兆阁等13用木粉作为增强材料对PP 进行了改性研究,着重考察了木粉对材料的力学性能和加工流动性能的影响,并且用电子显微镜研究了材料断面的微观结构。结果表明,加入木粉后,复合材料的弯曲强度、拉伸强度、断裂伸长率、硬度和维卡软化温度均有所提高,加工流动性能和冲击强度有所下降。14-15研究了注射成型过程中纤维长度和纤维含量对大麻和棕榈纤维增强聚酯材料拉伸性能的影响。当大麻纤维和棕榈纤维的长度分别不超过30mm 和50mm 时,材料的拉伸强度随着纤维的增长而提高,超过这个尺寸时,拉伸强度降低;在这两个

15、极限尺寸下,其质量分数分别不超过54%和55%时,材料的拉伸强度随着纤维含量的增加而提高。B.Nystr om 等16对注射成型W PC 的强度进行了研究分析,发现纤维的长径比对复合材料的强度有很大的影响;纤维长径比越大,其复合材料的拉伸强度越高。因此,当纤维与树脂基体间的粘结作用较弱时,纤维的强度对复合材料的强度几乎没有影响。R.Gosselin 等17-18研究了W PC 注射成型的微观形态,所采用的工艺为两步法,其注塑工艺参数如表1所示。结果表明,随着木粉含量的增加,材料的冲击强度、弯曲强度、弯曲弹性模量增加,M FR 和拉伸强度降低;木粉尺寸越大,MFR 、弯曲弹性模量和拉伸弹性模量就

16、越大;在拉伸测试中,模温影响断裂伸长率,而对复合材料的发泡性能几乎没有影响。表1PP /木粉复合材料的注塑工艺参数项目数值注塑压力/MPa 147.6背压/MPa 49.2螺杆转速/r m in -140注射速率/c m 3s -1109螺杆行程/mm 31.537.5循环时间/s 30螺杆温度/149,171,210,229模具温度/40,60,80Hu Ruihua 等19采用经过碱处理的大麻纤维来增强聚乳酸复合材料,通过注射成型加工了不同纤维含量的试样,其密度都很低,为1.191.25g/cm 3。实验结果还表明,当麻纤维经过碱处理,并且质量分数为40%时,制品的力学性能最佳,拉伸强度和

17、弯曲强度达到最大,分别为54.6MPa 和112.7M Pa;拉伸弹性模量达到8.5GPa,比纯聚乳酸材料的拉伸弹性模量高出两倍多。Exequiel S.Rodriguez等20研究了纤维的碱处理对树脂传递模塑加工和乙烯基酯树脂/黄麻复合材料力学性能的影响。纤维表面越粗糙,加工制品所需的注射时间越长;碱处理会使纤维的拉伸强度和拉伸弹性模量降低,表现出脆性行为,弯曲性能和冲击性能较低。此外,填料的品种、体积分数、尺寸、形状、粒径分布、填充微粒与聚合物基体之间的相互作用也影响复合材料的力学性能和流变性能21-22。4展望W PC是一种环保材料,原料价廉易得,废料可重复利用,在保护生态环境方面有良好

18、的效益。借助于挤出成型技术,W PC的注射成型技术将发展得更快,注射成型周期短,能注射成型形状复杂的制品,制品尺寸精度高,产品易更新换代,应用领域将越来越广泛。W PC的注射成型也越来越受到研究者的关注,具有广阔的发展前景。参考文献1薛平,等.研究与探讨,2004（11:9-13.2KarusM,et al.U se of natural fibers in composites in the Ger manaut omotive p r oducti on1996till2003,Free short versi on,Nova in2stitute（2004,www.N2Fiber B3J

19、an H Schut.现代塑料,2004（8:48-52.4Varadarajulu A.Journalof Reinf orced Plastics&Composites,1998,17:1507-1512.5Dabade B M,et al.Pr oceeding of3rd I nternati onal Conference onAdvanced Fiber/Textile Materials at Ueda,Japan,2005:175-176.6Abdul Khalil H P S,et al.Journal of Reinforced Plastics and Com2posit

20、es,2007,26（2:203-218.7林铭,等.林业机械与木工设备,2004（6:4-6.8王清文,等.木塑复合材料与制品M.北京:化学工业出版社,2007.9张增红,等.塑料注塑成型M.北京:化学工业出版社,2005.10Mutje P,et al.Journal of Reinforced Plastics and Composites,2006,25（3:313-327.11Andrzej K B ledzki,et al.Composites,2006（7:1358-1367.12Thi2Thu2Loan Doan,et al.Composites Science and Tec

21、hnol ogy,2007,67:2707-2714.13黄兆阁,等.橡塑技术与装备,2005,31（7:21-25.14Dabade B M,et al.Journal of Reinf orced Plastics and Compos2ites,2006,25（16:1733-1738.15Udaya Kiran C,et al.Journal of Reinf orced Plastics and Compos2ites,2007,26（10:1043-1050.16Nystr om B,et al.Journal of Reinf orced Plastics and Composi

22、tes,2007,26（6:579-599.17Gosselin R,et al.Journal of Ther mop lastic Composite Materials,2006,19:639-657.18Gosselin R,et al.Journal of Ther mop lastic Composite Materials,659-669.19Ruihua Hu,et al.Journal of Composite Materials,2007,41（13:1655-1669.20Exequiel S Rodriguez,et al.Journal of Composite Ma

23、terials,2007,41（14:1729-1741.21Zhou Genwen,et al.Journal of Poly mers and the Envir onment,2000,8（3:145-150.22Nathan J Ja m,et al.Journal of Ther mop lastic Composite Materi2als,2007,20:439-451.D EVE LO P M ENT OF INJECT I O N MOLD ING O F WOOD-P LAST I CS COM P O S I TESW ang Chao,He J i m in（I nst

24、itute of Plastic Machinery and Engineering,Beijing University of Che m ical Technol ogy,Beijing100029,ChinaABSTRACTThe injecti on molding hist ory and research situati on of wood2p lastic composites（W PCare p resented and the in2 jecti on molding devel opment of W PC fr om the material choosing,and

25、injecti on molding p r ocess is commented.It is pointed out that in all manufacturing methods,the efficiency of comp ressi on molding is l ow,the p r oduct type of extrusi on is single,however,the app lica2 ti on of injecti on molding become more and more widely,which can due t o its short cycle ti

26、m e,a great variety and different p r oduct shapes.KE YWO RD SW PC,injecti on,devel opment聚乳酸新制备成骨折内固定材料近日,由南开大学承担的“生物可降解骨折内固定螺钉”课题,以国产L-乳酸为原料,制备出了可代替金属材料的骨折内固定螺钉。科研人员首先用国产L-乳酸为原料,制成L-丙交酯,然后在异辛酸亚锡的引发下进行开环聚合,合成出高相对分子质量的聚L-乳酸。聚L-乳酸材料具有很好的生物相容性、生物降解性和生物可吸收性,用在人体内可以被降解吸收。由于聚L-乳酸具有良好的力学性能,与人体骨的强度比较吻合,因此使用该类材料制备的骨折内固定物或可降解缝合线最终可以被人体吸收,避免了二次手术给病人造成的额外痛苦。此外,有些毒性较大、易被分解的药物或非常昂贵的药物可以使用聚L-乳酸或它的共聚物进行包裹,制成可注射微球,使药物在人体内释放速度受控,提高药物的生物利用效率。聚L-乳酸中所含的微量催化剂辛酸亚锡已经通过美国食品医药局（F DA的检验,对人体无毒副作用。该技术实现工业化应用以后,产品可应用于生物工程、医药和医疗器械等领域,同时可以开发各种药物控释剂,以减轻药物的毒副作用,提高药物的生物利用效率。此外,随着聚乳酸产量的逐渐扩大和成本降低,聚乳酸的下游产品将进一步得到开发利用。（工塑