设为首页 | 添加收藏 | 我的商务办公室 | 繁體中文 | English
(WPC)塑木复合材料的应用与性能测试
来源: 作者: 发布日期:2015-08-21 阅读次数:704 评论数:0 收藏 打印 
(WPC)塑木复合材料的应用与性能测试

木塑复合材料(wood-plastic composites,缩写为WPC)是一种主要由木材或者纤维素为基础材料与塑料制成的复合材料。纤维部分最初是以木粉为主要原材料,近几年逐渐向其他植物纤维材料拓展,如竹粉、稻壳、麦秸和棉秆等资源丰富的天然植物纤维材料。塑料部分使用的是热塑性塑料,主要有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等聚烯烃和聚苯乙烃(PS)、聚氯乙烯(PVC)包括新料、回收料以及二者的混合料。将各种植物纤维和各种不同塑料为主要原料,通过一定的工艺而制成的一种可逆性循环利用的多用途绿色环保型材料。木塑复合材料在实际应用中,可根据用户和市场需求生产出不同性能和形状的制品。从20世纪90年代开始,木塑复合材料被作为替代实木材料应用在各个领域。

一、木塑复合材料的分类及性能和用途

   木塑复合材料按使用不同塑料可分为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、ABS塑料及塑化木质材料等;按产品不同形态可分为线材、型材、板材、片材和异性材等;按不同制造工艺可为低发泡、中发泡、空心结构及实心材料等;按不同的使用性能分结构型、装饰型、专用型等。

由于木塑复合材料兼有木材和塑料的特点,因而具有以下优良特性:

(1)耐虫蛀、耐腐蚀、耐老化、吸水性小、不会吸水变形、寿命长;

(2)外观类似木质材料、比木材尺寸稳定性好,不会产生裂缝、翘曲等缺陷,且无木材疤痕;有类似木材的二次加工性,可切割、粘贴、可用五金连接件固定;

(3)制品表面光滑、平整、坚固,并可压制出立体图案和其他形状要求,加入各种着色剂或覆膜,能够生产色彩绚丽的各种制品,装饰效果好。

(4)比塑料硬度高,具有热塑性塑料的加工性,能重复使用和回收再利用,也可生物降解,对环境友好(附表木塑复合材料物理性能表)。

    木塑复合材料用途广泛,适用于建筑产品方面,如地板、护墙板、建筑模板、门窗型材、护栏、百叶窗和屋面板等;汽车工业领域,如车门内装饰板、司机用杂物箱、备胎盖、座椅靠板、车顶内衬等;包装及运输业、家具业、园林景观、室内装潢、办公室设备和体育设备等诸多领域。

    木塑复合材料集木材和塑料的优点于一身,不仅有像天然木材那样的外观,而且克服了其不足,具有防腐、防潮、防虫蛀、尺寸稳定性高、不开裂、不翘曲等优点,比纯塑料硬度高,又有类似木材的加工性,可进行切割、粘接,用钉子或螺栓固定连接,可涂漆。正是凭借成本和性能上的双重优势,近年来木塑复合材料不断扩大应用领域,进入新的市 场,越来越多地替代其他传统材料。 
  北美是目前世界上木塑复合材料市场最大的地区,其中美国在开发和应用上走在最前列,美国Pricipi aPartner咨询公司的专题报告《2001 年木塑复合材料用作建筑的板材———充满活力的室外建筑应用》指出, 2001年仅北美市场用量就达32万吨,预计2005年前需求以两位数速率递增,2005年用量将增加为2001 年的两倍。其中板材需求量最大,占总需求量60%以上。 
  木塑复合材料主要应用于护墙板、壁板、装饰板、建筑模板、高速公路噪音隔板、海边路板、铁路轨枕、包装和物流用组合托盘、仓储架,还可做装饰边框、栅栏、楼梯扶手、舶船座舱隔板、办公室隔板、室外露天桌和长凳、存储箱、花箱、活动架、汽车内饰件(门内装饰板、底板、备用轮罩、座椅靠背、仪表板、手套箱、遮光板、头枕插件等), 正在开发中的材料还有披叠板、百叶窗、屋顶板等。 
  住宅和商用建筑板材是木塑复合材料的最大用户,且呈上升势头,因此木塑复合材料加工建筑和结构用板材( 包括异型材)也是塑料挤出行业最活跃的部分,需求增长率为两位数,其他工业/农业用和海边路板、码头站台板等设施用板材比较稳定。由于木板不耐海水腐蚀,易开裂和翘曲、寿命短,用木塑复合材料做的制品有明显的优势,美国海军每年用于维修、更换木板费用达2.5亿美元,因此启动了一个为期5年、总金额达1000万美元的木塑复合材料替代木材开发项目,由华盛顿州立大学承担。此外,在研究中还发现,木塑复合材料做建筑用屋面板性能超过木板,而成本为木材原料的85%~95%。 
  用木塑复合材料制造铁路轨枕目前虽然用量不大,但却是一个上升较快的应用领域,其市场份额从1998年的不到1%上升为2000年的2%~ 4%,最近更是有向传统的木质轨枕发动挑战的势头。传统的轨枕要选用优质木材用杂酚油处理,不仅寿命短(5~10年),污染环境,而且成本高,而塑料轨枕保质期长达50年。因此美国芝加哥运输局估计10年内塑料轨枕在其轨枕份额将上升至25%~30%。美国大量运输系统和主要运输干线正在大量安装这种新轨枕。北美目前每年更换轨枕1200万根,未来2~5年会进一步提高为1400~1600万根/年。塑料轨枕可以采用木质轨枕同样的紧固件,也能与木质轨枕混合使用,推广方便,成本低。塑料轨枕用原料50%以上是可回收HDPE 。 
  著名的美国咨询公司Freedonia集团预计2006年前美国木塑复合材料需求年均增长率为13%, 2006年总产值将达20亿美元,增长较快的市场为各种板材、窗框、门框和栅栏、围墙市场。其中用量最大的板材市 场从2001年的4.10亿美元增加为2006年的9亿美元,靠不断改进性能和公众对高压处理木材利弊认识的提高,栅栏和围墙同期从1.63亿美元提高为3.15亿美元,而窗框和门框也将从2001年仅0.65亿美元,提高到20 06 年1.35亿美元。

二、木塑复合材料在家具中的应用

  近几年随着人们环保意识的加强和能源短缺问题的加剧,木塑复合材料开始逐渐成为家具制造的材料之一,受到了全球的关注。但由于木塑产业与家具行业还缺乏必要的沟通和了解,所以木塑家具的大面积推广尚有待时日。尽管如此,木塑家具的发展已经是势在必行,探究木塑复合材料自身特点及其目前在家具市场应用主要集中在以下几个领域:

1)户外家具

由于木塑复合材料有很好的耐候性,较强的耐老化性,从而使木塑家具在户外有较长的使用寿命。从经济角度分析,木塑复合材料损耗低、免油漆、可以做到免维护,因此,木塑户外家具得到了很多国家的认可,正在逐步替代木材在户外家具的使用。

2)卫浴家具

木塑复合材料具有优良的防水和防虫蛀性能,决定了其在潮湿的环境下具有独特的性能。日本EIN Engineering公司还研制了具有抗菌作用的木塑复合材料,这些特点这大大地加快了木塑卫浴家具的脚步。目前木塑复合材料主要使用在桑拿房、浴缸架、脸盆架、换衣柜和换衣凳等卫浴家具上。随着卫浴家具的大量使用,木塑卫浴家具还有着更为广泛的市场。

3)厨柜家具

木塑复合材料优良的防水性能、耐阻燃性、表面耐油污、易清理和无毒害等特点,使其在目前高价位的整体厨房中赢得了一席之地。目前已有厂家开始生产木塑厨柜,随着人们开始大量使用,可以预言,木塑厨柜将成为未来厨柜家具的发展趋势。

4)桌、凳类家具

木塑复合材料具有天然木材的质感和美丽的木纹,较木材低的弯曲变形温度,可比较容易地得到弯曲的造型,并且可用五金件连接,这些都使木塑家具设计获得了更大的空间。

1 木塑材料在家具行业应用的限制因素

1.1 生产方式

目前木塑材料的生产主要采用挤出成型,即把木粉和熔融的塑料混合后挤出模孔得到各种型材与板材,型材成长率远远高于板材。为了减少原料用量,企业多采用微发泡技术降低材料的密度和通过模具技术在型材中产生细小通孔。表面可采用喷漆或油墨印刷技术进行装饰和保护,其中印刷技术不仅可以得到非常逼真的木材、石材纹理,而且由于油墨渗透到材料内部,一定范围内的表面划伤不会对外观产生较大影响。

木塑材料的生产方式对于家具设计制造有以下限制:

(1)造型自由度低

由于是挤出成型,木塑材料大多数情况下只能呈现直线状态,几乎没有曲线造型和圆滑的转折,因此难以体现出家具应有的亲和感和舒适感,用于家具生产的造型设计自由度大打折扣。
  从目前的状况来看,用木塑材料开发家具产品可采用的生产方式更接近于板式家具,外观也很类似,但成本稍高因而市场竞争力较弱。所以,如果外观不能具备实木家具的主要特征,木塑家具的开发就会受到很大的市场阻力。

(2)端面处理要求高

型材的通孔可以减轻重量、节约用材,是木塑材料使用成本较低的主要原因。但是,型材的端面部位强度较低,易遭受碰撞或局部受力产生破损,而家具的受力节点又往往在材料的端部,因此需要对其端部进行特殊的处理以增加强度,提高了成本和技术难度;另外,消费者在欣赏家具时对细节的要求较高,要求端面处理不仅考虑受力,还必须考虑形式的美观和变化、使用过程的清洁和舒适要求,这都为木塑材料在家具领域的使用带来困难。

(3)联结方式有限

目前木塑材料常用的联结方式是通过企口卡接,钉合、粘结。企口卡接可以很好的限制材料间两个维度的活动,结构可靠,但用途仅限于面的拼合,难以用作支撑结构;钉合要求有足够的铰钉深度,一般需要在中空的型材内部填充木块,生产效率偏低;粘结对接触面有较高要求,生产难以实现自动化,胶水可能流到表面影响美观。

1.2 表面质量

(1)面平整度是家具质量的一个重要因素,无论实木家具还是板式家具对此都要求很高,对木塑材料来说,这个要求显得尤为苛刻。木塑材料从型孔挤出后会因内应力产生局部变形,虽然环境湿度的变化对木塑材料产生的影响微乎其微,但较大的温差却会导致平面薄板的翘曲变形。目前用木塑材料制做的办公隔断在出口时碰到的难题就是产地和出口国的温差导致的产品变形。

(2)木塑材料的表面硬度低也是影响其在家具行业应用的不利因素。家具在安装、运输和使用过程都可能会遭到各种冲撞,如果家具的表面硬度低,很容易就会产生表面缺陷。木塑型材的表面用钥匙甚至指甲就能划出痕迹,虽然印刷木纹可以起到掩饰作用,但作为家具材料毕竟是一个较大的不足。

(3)采用印刷面饰的材料表面纹理受印刷辊轮直径限制形成规律性重复,大面积使用时影响其真实感。有些木材如榉木的纹理呈点状分布,没有大的图案化纹理,重复出现后不会有明显的人工化痕迹,而花梨木、酸枝木则有明显的线状纹理,同样的纹理重复出现后感觉很不自然。

1.3 消费价值观念

现在大多数消费者都认为实木家具比板式家具高档,一方面是因为板式家具的大批量机械化生产使得其成本下降,市场价格远远低于实木家具,另一方面,由于森林资源危机造成人们对木材的价值判断提高,实木家具的身价也就不断增长。另外,一些企业为了提高自身的市场身价,将名贵木材和能师巧匠的超凡雕刻技艺结合,生产出几套镇店之宝,标出几十万的天价,引导消费者的价值判断。相比之下,密度板、胶合板等人造板材的价值感明显偏低,这种价值观决定了木塑家具很难以较大的利润空间挤进家具市场。没有较大的利润,新材料是很难进入市场的。

2 应对方案的提出

2.1 采用二次加工技术和适用塑料、五金件设计弥补生产技术的不足

(1)木塑型材的弯曲试验证明木塑型材的单一直线风格可以得到改观,曲线造型和弯折都可以在木塑家具上出现。试验方法和过程如下:

根据试点企业资料和初步测试,确定且变形温度范围在155度左右,参考金属弯管工艺和初步试验,确定选用填充热砂,在模具内弯曲的方法;根据设计目标确定弯曲半径和角度范围;根据前阶段试验确定最佳变形温度;根据每次试验结果调整弯曲技术;根据试验纪录分析得出结论。

本次试验共弯曲型材39次,有记录价值的37次(部分试验样本照片附后)。经过分析得出结论:实心材料的最佳变形温度在摄氏155度左右;空心材料的最佳变形温度在摄氏162度左右;90度转角时的最小弯曲半径极限:JF11020为20mm,JF7040为40mm;45度转角时的最小弯曲半径:JF11020为31mm。  从实验结果来看,木塑型材用于家具设计和生产的造型自由度和转角问题可以解决,弯曲工艺有利于产生造型特色。

(2)发泡成型技术是试点企业已经成熟运用的生产技术,目前用于木塑房门的制造,基本原理是在两块木塑博板中间充入发泡剂,利用发泡剂产生的热量和压力使木塑板材紧压在模具内表面产生拉伸变形,冷却后自然粘结为整体门板。这样生产的门板可以预埋铰链、拉手、垫木和电路及锁具的管道,生产效率高、成本低廉、具有实木门的外观品质。

这项技术稍加改进就可用于生产有预埋件的家具门板、面板、整体靠背椅等部件,不但成本低、效率高、便于安装,而且可以利用模具得到不同的浮雕图案,使家具造型和表面装饰形式的选择更多。

(3)借助专用五金件和塑料件解决木塑型材的封口和联结问题。通常铝合金型材制品是通过着色或电镀塑料扣件封闭端口的,木塑型材不仅可以借鉴这种方法,而且可以利用材料的弹性使扣件与型材结合的更紧密,从而起到更整体的视觉效果。一个较好的例子是木塑装饰绒的安装方式:装饰钱上开有一个带封条的钉槽,用钉子固定好装饰线后再把封条卡在槽上,这样钉孔就不会影响美观了。

木塑件专用联结件设计要考虑以下因素:木塑型材内孔尺寸没有铝合金型材精确,联结件要有较大的适应性;薄壁强度较金属材料小,五金件和木塑型材的固定要有足够大的接触面积;利用型材的内腔空间安装微妙的机构从而实现某些特殊功能;利用发泡技术可以把五金件预埋在型材内部。

2.2 用设计手段提高表面质量

(1)材料变形轻则影响家具外观,重则影响家具的使用,无论实木家具还是板式家具都面临这个问题。目前通常采用油漆或贴面的方法保持材料内部水分含量的稳定防止变形,或在较大面积的家具部件上用色彩或雕刻纹样来掩饰变形并起到装饰作用。由于木塑材料变形的主要原因是温度变化所以用油漆隔离的方法无济于事,这就使得表面装饰设计成为非常重要的一项工作。除了雕花、镶嵌、分割、质感变化等常用表面装饰手法外,木塑材料还有其独特的装饰手法,如印刷、拼接、模压等等。

(2)木塑材料的表面硬度可以通过涂饰高硬度漆层提高,一些企业已经开发出了木塑地板,其硬度虽然不能和强化复合地板相比,但用作家具表面却是不成问题的。

(3)通过增加印刷辊轮的直径来解决表面纹理的重复成本高但效果有限,可以考虑用喷墨印刷机取代现有辊印方式。目前德国爱克发公司生产的喷墨印刷机可以印刷大幅面海报、广告牌及招牌,通过技术改进和模仿使之适应板材的表面印刷能够使木塑板材的表面质量大幅提高。

2.3 选准产品开发方向

按照传统标准看木塑材料可以得出一个结论,即处在实木家具的高品质和板式家具的低价格这个夹缝中的木塑家具很难在客厅和卧室占有一席之地,但是木塑材料优良的防水性能决定了它独特的使用价值。卫浴装修风潮和整体厨房的高价位给木塑材料提供了进军家具市场的契机,以卫浴家具为木塑家具开发的突破口是让消费者认识和接受木塑材料的捷径。

户外家具对材料的耐侯性要求较高,木塑材料能够满足这一要求。阳光中的紫外线使大多数塑料制品加速老化,但是木塑材料中的木粉能够有效遮挡紫外线进入材料内部,从而使木塑材料可以在户外有较长的使用时间。从经济因素分析,木塑材料比木材和金属材料的生产成本和维护成本都要低,因此,用它来开发户外家具很有发展前途。

在木塑材料的针孔注射成型技术成熟以前,二次加工技术是解决单件和小批量家具造型和结构问题的有效手段,发泡填充成型技术可用于大批量制做外观较为复杂的装饰部件或预埋联结件生产组合家具的部件;通过专用五金件和塑料件设计可以解决型材的封口和联结问题;用模压、高硬度漆和喷墨印刷技术能够提高板材的表面质量;最重要的是选准产品开发方向,卫浴家具、橱柜和庭院家具是木塑材料进军家具市场的突破口。

三、木塑复合材料在室内装饰中的应用

    目前,人们对室内装饰的要求越来越高,木质材料已不局限于客厅、卧室的地面,为了满足人们崇尚自然、返朴归真的心理需求,木塑复合材料在室内装饰中应用也日趋多样化,这里介绍几种木塑室内装饰材料的应用:

1)木塑装饰线条、装饰板

木塑装饰线条和装饰板,具备木制装饰板、条的所有安装性能,并且不含有甲醛是一种绿色环保性材料,已通过国家环保部门的检测,彻底解决了装修污染、有毒气体的问题。装饰性木质感强,可印刷出各类树种的材色及木纹,免除色差的烦恼。

2)木塑地板

在国际上被视为21世纪创新科技的高分子木塑地板,将居住健康舒适、绿色环保、时尚美观、装修便捷等集于一身,崭露头角就受到了装饰企业和户主的欢迎,成为室内装修的主角。木塑复合地板性能良好,防潮耐水,耐酸碱,无味,抑真菌,抗静电,防蛀,免漆,不仅用在家居,也使用在一些公共场所。

3)木塑门窗

木塑门窗型材的生产,在木塑复合材料使用上占有重要的地位。木塑门窗具有快装结构,安装省时省力,并可在木塑门表面印上各种木纹膜,有樱桃木、椐木、水曲柳等多种木材,可配以不同色彩。其产品既有逼真的实木感,又有耐水耐腐、防蛀防霉、隔音隔热、保温阻燃、环保(不含甲醛)等特性。

以上只是木塑复合材料作为在家具和室内装饰行业运用的一角。作为一种新型复合材料,它已经给家具和室内装饰行业带来了新的契机,由于木塑复合材料对人体和环境无不良影响、满足可持续发展的要求,将成为发展的主流和方向。但是,我们也注意到木塑复合材料还有一些问题有待解决,如表面耐划痕、抗蠕变性和木塑复合材料的专用连接件等,这需要多学科、多专业的人士共同合作完成。

随着人们对木塑复合材料的逐渐认识和使用,把新型木塑复合材料环保材料应用于家具和室内设计中,赋予产品的新功能与内涵,那么它将具有更加广阔的应用前景。

四、木塑复合材料耐老化性能

美国材料实验协会(ASTM)开发了世界上第一个木塑复合材料铺板的质量标准。ASTM D7031,测试方法的概要,在2004年获得批准作为WPC制造商的指南。2008年又公布了ASTM D7032,它设定了建筑规范所接受的WPC铺板和护栏的产品规格。目前ASTM正致力于制定更多的标准,扩展木材和天然纤维复合材料在更高级建筑领域的应用。据CTBA的研发经理Gilles Labat介绍,欧洲工作者也在解决老化和耐候问题,包括测试吸水性、重量损失、耐候性、老化性、颜色坚牢度、防霉菌、防藻类、防昆虫的需要。

人们对全球市场木材和天然纤维复合材料期望很高,Principia公司估计2003年消耗量为17亿磅,假定年增长率达到15%,则2005年消耗量高达21亿磅。美国市场占了总用量的接近85%,Principia的高级合伙人James Morton说。

因此主要兴趣集中于耐候试验方法和结果。首先,近期数据显示木质纤维的类型、长度、纤维组合、着色剂、偶合剂、润滑剂和其他添加剂间的相互作用非常复杂。木塑复合材料表现中组分作用的方式并不简单,也无法预测,并且看起来它们对风化、潮湿老化、霉菌和颜色损失都有影响。

木材和天然纤维复合材料的市场和技术在北美和在欧洲大不相同。北美市场的一半是铺板或与铺板相关的部件,剩下的大多数也是挤出型材-从船桩到铅笔。另外还有一些压缩成型的汽车和建筑部件,注塑成型只占非常小的一部分。而且大多数复合材料都使用木纤维,填充量很少超过50%,农用纤维的使用很有限。

但在欧洲,木材和天然纤维复合材料的使用更为多样化,技术也更先进。据德国Nova-Institut的最新研究结果,汽车部件是一个大市场,包括注塑和压缩成型,2003年消耗了3.5亿磅。其它大市场包括家具和橱柜的面板。欧洲主要使用农用纤维如剑麻、洋麻、亚麻、大麻纤维、黄麻、棉线,木纤维用得相对较少。欧洲的纤维填充量也高得多-从70%到85%(在汽车部件中最高达50%)。

1)面板的带式成型法

最近两次会议中介绍了一种新型加工方法,无需挤出用木质复合材料生产平板。Pallmann Maschinenfabrik公司(美国Pallmann Pulverizers的德国母公司)与德国的Schilling-Knobel公司共同努力,开发了双带式木质复合材料加工方法,并在法国的CTBA会议上展示。在这种加工方法中,Pallmann的Palltruder机第一步先用木粉或纤维、加上原生或再生HDPE造粒。然后这些被称作Pallwood的粒料分散到Schilling-Knobel公司提供的PFIX加热双带成型机(以前常用于制造PVC地板)下面一个皮带上。Schilling-Knobel公司也在为一家大型美国层压公司和世界其他客户开发其他木质复合材料产品。它的双带成型生产线经过测试,可以将60%木材粒料加工为2米宽、8至10毫米厚的片材。

在去年Principia公司举办的WPC会议上,Verset Technologies公司介绍了另一种加热皮带技术,应用于平板部件如板壁的成型。经过十余年的开发,Verset专利的Pressaire加工方法将制材业原来用于压制粗纸板的设备进行改进,并于2003年安装在华盛顿州Elma的Boise Cascade专业工厂制造面墙板,但是由于Boise Cascade工厂的重新规划,墙板还没有商业化。

Verset加工开始是将回收聚乙烯薄膜和未干燥的木箔或木片在室温下混合。然后热空气通过混合物,一秒左右熔化塑料。混合物开始厚度约为7英寸,经过加热后成为一个2至3英寸厚的热垫块。热垫块通过皮带输送到一个冷压机,通过它成型为0.25至0.75英寸厚带内成型木材纹理的平板,随之墙板打底准备油漆。Boise Cascade的在线加工可以连续运转。

2)泡沫状木纤维

添加剂、润滑剂、填料、纤维的类型和尺寸都会影响复合材料的刚性、耐候性、吸水性和颜色坚牢度,但它们之间的相互作用非常复杂,通常不能预计。在Madison会议上,多伦多大学的微孔塑料制造实验室报道说,例如木纤维的尺寸就会影响生成均匀细密泡孔的能力。

该大学用HDPE复合材料和CO2成泡,使用了120至200目(25至125微米粒子)、20至60目(250至850微米)等三种尺寸的木纤维。预期最小的纤维会生成最高的熔融粘度,因为最小的纤维表面面积最大,但是却没有。相反,中等尺寸的纤维获得了最大粘度。研究者认为可能是小纤维较大的表面面积使其可以释放更多的挥发物,这帮助其降低了粘度。另外,较小的木纤维有利于更精细的泡孔结构-可能是因为小纤维更能增强成核作用。

据位于East Lansing的密歇根州立大学森林系在Madison会议上报道,分批将木-PVC复合材料和CO2成泡时,抗冲改性剂会加速气体损失的速率。抗冲改性剂也会阻止体积膨胀(粗略估计20%的木质复合材料可以成泡,大多数以PVC为基础)。

3)老化预测

预测天气已经够难了,但预测木纤维的老化反应却更为困难。Madison会议展示了两项耐候性老化研究,比较了标准实验室测试条件和天然或模拟老化条件下的吸湿性,并发现了一些令人费解和惊奇的结果。

美国农业部森林产品实验室测试了紫外光加上喷水对50%木填充HDPE注塑件的影响。他们发现紫外光加上喷水给木质复合材料造成的损害比单独的紫外光或浸水要大得多。

按照标准的ASTM 测试方式,3000周期的紫外光和喷水——每个周期包括102分钟的紫外光照射,然后是18分钟的紫外光加喷水——使得测试复合材料的颜色浅了87%。而同样周期数,每个周期2小时单独使用紫外光,颜色只浅约28%。单独浸在水中的颜色变化也比紫外光/喷水小得多。通过紫外光加喷水,复合材料的密度也从1.08降到1.05g/cc,而如果是单独紫外光,密度仅降到1.07 g/cc。暴露在紫外光和喷水环境后,复合材料板也变薄了,而单独的紫外光并不会改变厚度。研究得出结论,紫外光加上水实际上会洗掉一层木质素,使木材降解。

这次会议上,位于密苏里州Lamar的Epoch Composite Products公司讨论了一项正在进行的耐候性研究的初期测试结果(12个月),比较了其EverGrain压缩成型铺板(聚烯烃中加入50%木粉)自然和加速老化的颜色坚实度。Epoch公司比较了自然老化8个月(ASTM G7)和1200小时的氙弧加速老化(ASTM G155)。测试涉及了两种铺板颜色,红杉和雪松,标准染料对特殊浓缩颜料,混合金属氧化无机颜料,颜料加抗氧剂和紫外稳定剂。

Epoch公司最初发现浓缩颜料可以提高老化性和颜色坚牢度。紫外/抗氧化剂稳定作用不能防止颜色变化,但肯定可以提高表面完整性和耐候性,混合金属氧化颜料完全不能提高颜色坚牢度。最初的数据也显示在化合前对木粉着色只能提高雪松色的颜色坚牢度,而对红杉色没有作用。使用二次加工的HDPE会引起表面降解,但不会影响颜色老化。

研究也揭示了自然室外使用和标准ASTM实验室测试其吸水性之间的巨大差异。Marek Gnatowski,加拿大塑料咨询公司Polymer Engineering Co.,的研究总监在Madison报道说,根据ASTM D1037 24小时浸渍实验铺板样品吸湿仅为1%。但如果是暴露在室外风化21个月,吸水至少为15%。

据称通常木质复合材料的总体水分含量不超过2%。但在板材末端和板表面1至7毫米以下的材料“经常含湿量超过25%”,Gnatowski注意到。25%的含湿量正适合于霉菌来攻击木塑复合材料。较高的木含量会提高这个高度充满湿气的表面区域的深度。Gnatowski发现在铺板化合物中添加硼酸锌作为生物杀灭剂,也可以降低吸水性。“这个功能是不知道,也没有想到的,”他补充道。

在Madison会议上,密歇根州立大学森林系还展示了木-HDPE复合材料在加速冰冻-熔化周期下的耐久性。冰冻和熔化会导致刚性的显著下降,而添加2%的偶合剂就可以避免这种现象。

4)菌类问题

Madison会议上还报道了墨西哥州Guadalajara大学和Corvalis Oregon州立大学合作的研究结果,研究表明在适当的环境下,木含量超过50%的复合材料,霉菌吃掉的不仅仅是表层。一种是在实验室中用非常薄的样板涂上琼脂——微生物增长介质的凝胶,用这些样品接种不同类型的霉菌,并在潮湿环境下培养12周。另一种试验方法,称作盐块试验(ASTM D1413),是把铺板样板暴露在湿盐中一段时间。虽然这些方法听起来并不象木塑铺板在真实世界中的情况,树叶和灰尘的聚集就能造成同样的影响。暴露在琼脂中的样板重量损失为10%至25%,而暴露在盐中的失重为12%至18%。

比利时Beologic公司在Madison会议上报道说,在这些试验中复合材料的含湿量飙升到65%至95%。而表面2微米厚的木质复合材料如果湿度超过25%,12周后就足已引起发霉。Beologic公司是聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯和聚氯乙烯木质填充塑料粒子的生产商,已经有五年的历史。他发现两种因素可以有效减少霉菌生长:使用抗霉菌剂或使用更长的木质纤维。

据Houghton密歇根科技大学森林资源学院报道,较高的润滑剂含量也有利于霉菌生长。加入生物杀灭剂,如2%至5%的硼酸锌或1%至1.5%的四氯异苯腈可以抑止霉菌生长。

一项最新的发现是低含量的偶合剂可以大大提高表面的防潮性,而使发霉不再成为一个问题。即使非常低含量(0.5%)的功能性酐聚烯烃偶合剂,如杜邦公司的Fusabond也可以显著降低吸水性。“我本来以为加入偶合剂是为了获得更好的性能,”一个之前销售木质复合材料偶合剂的人士说。“但是他们现在却用于提高抗湿性。”

 

五、木塑复合材料阻燃性能

由公安部制定的《公共场所阻燃制品及组件燃烧性能要求及标识》标准将于明年初开始正式施行,其中对塑料制品阻燃性能提出了更高要求。据了解,该标准是公安部为了有效控制公共场所发生火灾时造成人员伤亡和财产损失而制定的,由全国消防标准化技术委员会防火材料分委员会归口管理。该标准明确了公共场所用阻燃制品及组件的定义及分类、燃烧性能要求及标识等内容,规定了公共场所使用的建筑制品、铺地材料、电线电缆、插座、开关、灯具、家电外壳等塑料制品以及座椅、沙发、床垫中使用的保温隔热层及泡沫塑料的燃烧性能,提出了相应的阻燃标准等级要求。

GB2408-80水平燃烧试验方法

水平试验法是在实验室条件下测试试样水平自支撑下的燃烧性能。

GB2409-84垂直燃烧法 

垂直燃烧法是在规定条件下,对垂直放置具有一定规格的试样施加火焰作用后的燃烧进行分类的一种方法。

GB2406-80氧指数试验法

氧指数(OI) ——指塑料燃烧时,所需混合气体中最低氧的含量。空气中氧气平均浓度为21%。一般氧指数在21以下为可燃性塑料,22-27为自熄性塑料,27以上为阻燃性塑料。该方法比较简单,数字重现性较好,具有以数字表现材料燃烧性能的特点,所以国外普遍采用,(例如美国的氧指数试验标准为 ANST/ASTM D2863-1977) 。该方法不但适用于具有自支撑型材料,而且对薄膜,泡沫塑料等也适用。

GB8323—87烟密度试验方法

该试验方法是在规定试验条件下测定材料受辐射或燃烧时所产生的比光密度。比光密度是以规定的试验箱容积,光程长度,和试验面积所测定的透光率计算出的比光密度值。最大光密度值用来表示材料的光密度。

 

阻燃技术的目的是使非阻燃材料具备阻燃的性能,在一定条件下不容易燃烧或者能够自熄。阻燃的途径不外乎以下几种:
  1、阻燃剂使可燃烧物炭化,从而达到阻燃效果。这种阻燃效果主要是在固相中发挥作用,这种类别的阻燃材料主要是磷类阻燃剂(包括有机磷类和无机磷类)。
  2、阻燃剂在燃烧条件下形成不挥发隔膜,隔绝空气达到阻燃目的。这种阻燃效果主要是在液相中发挥作用。这种类别的阻燃材料主要有硼酸盐、卤化物、氧化锑和磷类材料,或者这几种材料间的相互反映生成的物质。
  3、阻燃剂分解产物将氢氧自由基连锁反应切断从而达到阻燃目的。这种阻燃效果主要是在气相中发挥作用。这种类别的材料主要是在气相中发挥作用。这类阻燃材料主要是卤化物和氧化锑。
  4、燃烧热的分散和可燃物质的稀释。这类阻燃材料主要是硼酸锌、氢氧化铝、氢氧化镁等物质,主要是因分解大量吸热、所产生的不燃物质稀释可燃性气体而达到阻燃目的。
  一般,阻燃体系要尽量选用无毒、经济和具有协同效应的阻燃材料。常用的阻燃体系有:卤素-氧化锑,磷-氮。但是最常用的还是混合选用的阻燃体系,这样可以确保发挥综合的阻燃效能。
  按照标准的规定,一般采用酒精喷灯燃烧实验或者模拟巷道丙烷燃烧实验来检测产品的阻燃性能。

阻燃技术是根据可燃性材料的燃烧特性,使其转化为难燃性材料,降低物质燃烧速度,阻止火灾扩大。无论使用无机阻燃剂还是有机阻燃剂,虽然都提高了聚合物的阻燃性能,但阻燃剂本身也存在有一些缺点,在使用过大量的程中带来一些问题,主要表现在:1、放出有毒气体,产生烟雾;2、产生的腐蚀性物质;3、添加量大,影响机械性能;4、对环境有一定的污染。因此,针对阻燃剂的不足之处,开发低毒、低烟雾、无害、高效的阻燃抑烟型阻燃剂成为阻燃剂发展的趋势。

关于材料燃烧性能方面的专业术语,国际标准化组织和国外一些国家都制定有相应的标准,我国有关部门和单位积极采用国际标准也制定了适用于不同领域的材料燃烧性能专业术语标准。下面我们综合国际国内标准将有关材料燃烧性能方面的专业术语作简单介绍。
1.实际热值:在规定的实验条件下,一定量的材料燃烧时释放的热能。
2.续燃:在规定的实验条件下,移开点火源后材料持续的有焰燃烧
3.续燃时间:在规定的实验条件下,移开点火源后材料持续有焰燃烧的时间。
4.阴燃:在规定的实验条件下,当有焰燃烧终止后或者无火焰产生时,移开点火源后,材料持续的无焰燃烧。
5.阴燃时间:在规定的实验条件下,当有焰燃烧终止后或者无火焰产生时,移开点火源后,材料持续的无焰燃烧的时间。
6.面积燃烧速率:在规定的实验条件下,单位时间内材料烧着的面积。
7.灰烬:燃烧所产生的粉末状无机残余物。
8.烧毁面积:在规定的实验条件下,材料因燃烧或热解而受到破坏的面积。
9.燃烧性能:材料或制品置于规定的火源中所发生的所有变化.
10.炭化:在热解或不完全燃烧所生成碳质残渣的过程。
11.熔渣:完全燃烧或不完全燃烧所生成的固态结块残余物。
12.燃烧作用:可燃物与氧化剂发生的放热反应,通常伴有火焰,发光和发烟。
13.烧损长度:在规定的实验条件下,材料烧损面积在规定方向上的最大长度。
14.爆燃:以亚音速传播的爆炸。
15.爆轰:以冲击波为特征,以超音速传播的爆炸。
16.爆炸;由于物质急剧氧化或分解产生温度,压力增加或两者同时增加的现象。
17.爆炸极限:可燃的气体,蒸汽或粉尘与空气混合后,遇火会产生爆炸的最高或最低浓度。
18.火:以释放热量并伴有烟或火焰或两则兼有为特征的燃烧现象。
19.火灾荷载:在一个空间里所有物品包括建筑装修材料在内的总潜热能。
20.火焰:发光的气象燃烧。
21.火焰蔓延:火焰前沿的扩展。
22.火焰蔓延速率:在规定的实验条件下,单位时间火焰蔓延的距离。
23.火焰蔓延时间:在规定的实验条件下,火焰在燃烧的材料上蔓延规定距离所需要的时间。
24.易燃性:在规定的实验条件下,材料或制品进行有焰燃烧的能力。
25.无焰燃烧:材料处于固态而没有火焰的燃烧。
26.闪燃:在液体表面上能产生足够的可然蒸汽,遇火能产生一闪即灭的燃烧现象。
27.闪燃温度:在规定的实验条件下,液体表面上方产生足够的可燃蒸汽,遇火能产生闪燃的最低温度。
28.轰燃:一定间内的可燃材料发生火灾时,所有可燃物表面全部卷入的迅速状态。
29.燃烧热:单位质量的物质完全燃烧所释放出的热量。
30.热释放速率:在规定的实验条件下,单位时间内材料燃烧所释放出的热量。
31.用来点燃材料或制品的能源。
32.点着温度:在规定的实验条件下,使材料开始持续燃烧的最低温度。
33.最小点燃时间:在规定的实验条件下,材料暴露于点火源中以获得持续燃烧所需的最少时间。
34.极限氧指数:在规定的实验条件下,材料在氧氮混合气流中刚好能保持燃烧状态所需要的最低氧浓度,以氧的百分数表示。
35.熔滴:熔融材料的滴落物,不论它是否燃烧。
36.不燃性:在规定的实验条件下,材料不能进行有焰燃烧的能力。
37.烟:由燃烧或热解作用所产生的悬浮在大气中可见的固体或液体微粒。;
38.无发烟燃烧:材料的一种无可见光通常有烟雾的燃烧。
39.烟灰:有机材料不完全燃烧时所产生并沉积的微粒,主要是碳的微粒。
40.烟雾光密度:材料燃烧时产生烟的阻光度的一种量度,通常以入射光强度与透射光强度之比的常用度对数来表示。
41.自燃:可燃物在没有外部火花,火焰等火源的作用下,因受热或自身发热并蓄热所产生的自然燃烧。
42.表面燃烧:在材料的基本机构未点着的情况下,火焰在其表面迅速蔓延。
43.自熄性;在规定的实验条件下,移开火源后材料停止燃烧的特性。
44.阻燃性:材料所具有的减慢,终止或防止有焰燃烧的特性。,
45.焦化:由于受热造成的有限炭化使材料的表面变质。

 

 

六、国内外WPC标准的概况

1 美国

在20世纪90年代初期,美国创建了少量的小型木塑企业。随着木塑制品的普遍应用,就急需有准确测定木塑产品的理化和力学性能的规范。起初,生产商采用合成树脂的测试方法来测量材料的特性,后来发现这样不能准确的反应产品的性能。因为这些测试都是小试样。

1993年7月,为制定适应木塑产品所需的标准,美国材料试验协会ASTM建立了木塑分技术委员会,先后制定了木塑抗压性能、材料挠性、密度、蠕变、热膨胀线性系数等相关标准。

2 加拿大

目前,加拿大还没见到有木塑的国家标准,但其建筑材料中心对木塑产品有2个规范《06522热塑性塑料与木材复合材料的矩形室外铺板(实心截面)的技术规范》和《06525纤维素/聚合物复合材料的室外铺板(空心截面)的技术规范》。

这两个规范中对木塑产品的物理及机械性能的试验方法进行了规范。其中大部分采用了ASTM标准。

3 欧洲

欧洲标准化委员会的塑料专业委员会组织起草了《木塑复合材料》的技术规范 。分为三部分:

   (1)木塑复合材料和产品性能的测试方法

    (2)木塑复合材料的性能

   (3)木塑复合材料制品的性能

4 中国

国内目前可见的标准有:

LY/T 1613 挤压木塑复合板材   林业行业标准

BB/T 0020  组合型塑木平托盘  包装行业标准

目前国内企业对于木塑复合材料的性能基本还是参照相关塑料和木材行业的标准,还没有比较合适的标准。

近年来,我国的木塑工业因顺应重视资源循环利用,加强环境保护和节约能源的形势,进入了快速发展的阶段,出口不断扩大,在这样的背景下,尽快制定国家标准的呼声越来越高,通过对木塑标准国内外的分析有几点体会:

(1)对于一个新行业来说,为了有利于行业内外和国际的交流与沟通,首先对木塑相关的名词和术语要有一个统一的规范。

(2)对于木塑产品而言,它有木材和塑料的双重特性,但它的性能不能简单的全部套用塑料或木材的相关标准。必须根据木塑的特点制定相关性能的标准。

(3)目前木塑产品因用途不同,塑料品质不同,木和塑的比例不同,导致木塑复合材料品种繁多,性能要求各异,因此不能用一个塑木型材的标准来涵盖。需制定各种性能试验方法的标准。

目前主要标准

1 .ASTM 7031 《木材-塑料复合产品的机械和物理性能的评估标准指南》

2 .ASTM 7032 《木塑复合材料铺板和围栏体系(护栏或扶手)性能等级建立的标准规范》

3 .《AC109热塑复合木材产品的验收标准》

4.《AC174铺板跨距等级和护栏体系(护栏和扶手)的验收标准》

5. LY/T 1613 《挤压木塑复合板材》 

6   .BB/T0020  《组合型塑木平托盘》

7   .DB44/T 349-2006 《木塑复合材料  技术条件》

8   .DB44/T411-2007《木塑复合材料  检验与实验方法》 

急需提出的标准

(一)针对木塑复合材料的相关标准

1 木塑复合材料的理化性能指标的试验方法

(1)与木塑复合材料相关的标准术语

(2)含水率及吸水率的标准试验方法

(3)线膨胀率的标准试验方法

(4)防腐性的标准试验方法

(5)防白蚁破坏的标准试验方法

(6)阻燃性能的标准试验方法

(7)实验室光源暴露试验方法

(8)硬度的试验方法

(9)密度的试验方法

(10)耐磨性的试验方法

(11)握钉力的试验方法

(12)耐候性的试验方法

2、木塑复合材料力学性能的试验方法

(1)拉伸强度的试验方法

(2)弯曲强度的试验方法

(3)冲击强度的试验方法

(4)压缩强度的试验方法

              。。。。。。。。

3、木塑复合材料理化性能与力学性能的性能要求

(二)针对木塑制品的相关的标准

1、木塑托盘的性能要求

2、平板玻璃包装箱的性能要求

3、室内装饰装修用木塑材料的性能要求

4、室外装饰装修用木塑材料的性能要求   

责任编辑:雍娟

发表评论

共0条 [查看全部]
 
好评
 
0% 0
中评
 
0% 0
差评
 
0% 0
 
好评 中评 差评