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木纤与塑料之共混

木纤与塑料之共混 2011年12月04日 来源： 木纤与塑料的复合物具有的优点是，这两种不同材料的性能可以被理想地结合在一起（图1）。填充有木粉料（锯木灰）或木纤的塑料挤出物到目前为止主要被用在建筑领域，如用于阳台盖板，以及窗户、门和栏杆用到的型材。最为重要的市场是在美国，在2000年约生产出20万吨木塑复合物。全球的年增长率是25%。这些复合物的主要优点是它们设计范围宽、生产无废物和近似木质的外观。

图一

迄今为止，木纤/塑料复合物在注塑中的应用还不常见，尽管它们拥有大量的优点。与残余水分含量和均匀混合有关的质量要求普遍要比在型材挤出中的要求要高，特别是在热流道模具中加工或生产薄壁塑件时。 瑞典的斯堪的纳维亚木纤公司与德国科倍隆公司密切合作，推出了旨在生产粒状木纤/塑料复合物的开发项目，具有注塑所需的高品质。质量主要由两个因素所控制： ◆ 对木纤的加工和木材的种类； ◆ 在双螺杆混炼机中生产复合物过程中的工艺控制。 混炼高档次木纤料 生产出具有良好机械性能的木纤/塑料复合物的一个条件是木纤质量保持优良。注塑粒料用到的木纤必须按质量被归类为技术性纤维。生产的开始材料由经挑选过的粗刨木花组成。能大量获取的锯木屑不符合质量要求。 刨木花在木工厂里被研磨成了技术性木质纤维，具有尽可能大的长度与直径之比值。在研磨过程的末端，木纤通过一个筛网，以特定的长度分布按纤维长度被分类。注塑粒料用的木纤长度一般200至400mm之间，在特殊情况下可以达到3000mm。 生产复合物的混炼机 为生产复合料而不断加工木纤之时，有一个需要考虑的重要限制条件 ：在160℃以上的温度和有氧存在的情况下，会在纤维中出现热氧化，引起发黑，纤维产生机械性损害。因为这种局限性，并根据对不同混炼系统所进行的技术评估结果，科倍隆的双螺杆混炼机被证明是特别适合的。它的主要优点有： ◆ 能够通过螺杆结构和工艺参数来控制能量的引入，这样便可以确保低的加工温度； ◆ 无氧时，在塑料的熔融温度下,由木纤所用去的停留时间极短，仅10至20秒； ◆ 紧密啮合的同向旋转双螺杆有着极佳的混合与分散效果。

在机器制造商的试验车间所进行一系列系统测试，被用来确定适于高档次木纤/塑料复合物加工的最理想螺杆结构和最佳步骤。测试在双螺杆混炼机（ZSK Megavolume）上进行，它有着直径62mm的螺杆，利用了不同的螺杆结构（标题图）。这种混炼机的螺杆螺纹特别深，直径比为1.8，所以有着比ZSK Megacompounder较大的自由体积。这种品牌特别适合于密度极低（0.15kg/dm3）的大体积木纤料。这些试验显示，利用下面描述的工艺，图2所示的装置不仅生产出优质注塑复合物，而且它特别温和地处理纤维。

图二

基础塑料，通常是PP，但有的时候是HDPE，与配方中规定的添加物一起，如粘着剂、紫外线稳定剂、着色剂、抗菌剂或阻燃剂，通过重力测定系统被输送至混炼机的首个外壳，并在第一加工区被熔化。随后，木纤（残余水分含量必须在重量的3%至6%之间，依配方而变）通过重力计量装置和双向喂料装置被直接添加至熔体中。这确保了对纤维的温和处理。木纤带走的气体在大多数情况下能通过装置中的背部排气系统散逸出来。 在第二加工段，木纤被均匀地分散在熔体当中，从而每一点纤维都被塑料熔体完全润湿。接下来的真空排气确保了残余水分和所有其它挥发性成分被回收。接下来一个区段为造粒过程积累了压力。因为木纤/塑料复合物的造粒有着特别的要求，所以出自科倍隆的一套更为先进的造粒系统在工厂试验之后被开发出来。产生出来的极均匀桶状粒（图3）可以在传统注塑机上被加工，不会出现任何问题，生产出干净无条痕的塑件。

图三

依靠装备精良的试验工厂，化合物的性能可以得到优化，在与实际可能碰到的条件相近的条件下做出来的样板的数量可以被检查出来，从而测试其在潜在用途中的适合程度。这意味着感兴趣的顾客能使自己熟悉生产所用的新材料和加工技术。 根据所介绍概念而造出来的机器具有螺杆直径76mm的混炼机，由机器制造商在2003年底交货给斯堪的纳维亚木纤公司（图4）。这种机器能生产重量含量为40-70%的复合物，利用了PP或HDPE作为基层材料。其设计产量为1000kg/hr。一些由其生产出来的木纤/塑料复合物被斯堪的纳维亚木纤公司加工成注塑件，一些就被卖掉。

图四

木纤/塑料复合物的性能 对于所有的纤维增强型塑料，与非增强型基础材料相比，强度、硬度和耐热性提高了，而伸长率降低了。但无论如何，伸长率的降低比具有矿物填充物和增强剂的要小，因为木纤具有天然弹性。 除了纤维含量和纤维形状以外，木纤种类也对复合物性能有着影响。例如硬木头通常具有较好的机械性能，如较高的模量和硬度。另外一方面，它们通常在复合物上形成较暗的固有色彩，即使象可能用到的榉木这样的浅色木材。 木纤/塑料复合物的优点 在许多场合里，加工者因利用木纤/塑料复合物而节省的成本是可观的。同时，最终产品的性能与非填充型塑料的同样不错，一些情况下甚至更佳。对部件的机械和光学要求将自然地在所选材料方面起着重要的作用。与各自环境无关，成本节省潜力来自较低的材料成本和对复合粒料更为经济的加工。尽管有着漫长的研磨过程，木纤的价格要比基层塑料低得多。与其它增强剂相比，木纤的低密度也起着降低成本的作用。所以，木纤/塑料复合物有着极为理想的体积价格。 就加工成本而言，周期时间及产量起着重要的作用。因为只是塑性成分在复合材料中结晶，所以模具冷却系统不得不比非增强型塑料要消散少得多的热量。除此以外，为了在较高温下脱模，复合塑件有着必要的强度和表面硬度。由注塑机制造商完成的测试已经显示，与非填充型塑料相比，木纤/塑料复合物的保压时间和冷却时间可以缩短40%。这使周期时间缩短了20%，并相应地提高了产量。事实上，根据斯堪的纳维亚木纤公司在这种复合物的注塑经验，周期时间可以缩短多达35-50%。 最后，木纤/塑料复合物能带来生态上的好处：它们主要是由可回收的原料组成，并且可以循环利用。 可加工的木材 在许多用途中，木纤/塑料可以和木头一样地被使用，最终产品看起来象木质，并有着木头的特征颜色（图5）。着色剂也可以被添加，产生出着色效果。木纤/塑料复合物还有着其它的优点，形状复合的塑件可以一步就成型，没有任何费时的后处理或装配作业，也没有任何边角废料。斯堪的纳维亚木纤公司最近与瑞典的家具公司签订了一份开发合作协议，是在整个欧洲经营木纤/塑料复合物的应用。

图五

在家具领域和建筑业的应用还有另外一个大优点：木纤/塑料复合物塑件能象木头一样被加工和装配，利用的是锯、钻、削等同样的工具。因为复合物的热膨胀和木头的一致，所以在使用时不会出现问题，变形的可能性要比非增强型塑料的低，稳定度更高。 除此以外，在其它领域，木纤/塑料复合物的很多其它应用已经敞开了大门。例如，汽车业在汽车内饰件中利用了木粉、木纤或其它天然纤维含量各异的材料。在这种情况中，纤维含量一定的木纤/塑料粒料能促进成本的削减。而且，因为这种化合物的机械性能良好，应用新领域已经为结构性部件而开启，其中重量减轻起着重要的作用。(end)

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