随着木塑复合材料产品在室外领域得到广泛应用,例如作为椅凳、栏杆、栈道板、园林水岸设与建筑模板等,不可避免地受到温度、空气、湿度、紫外线(UV)影响,导致材料光老化,从而出褪色、开裂、物化性质改变、结构力学性能降低等象,减少了材料的使用寿命,严重影响了塑木的推广应用,因此研究木塑复合材料的紫外老化机制与防护措施十分重要。在此介绍木塑复合材料的紫外老化性能,包括微观结构、表观颜色、力学性能3个方面的研究现状,并结合国内外学者已发表研究成果总结了改善木塑复合材料老化性能的方法,包括成型工艺、木粉预处理、添加化学助剂等。通过系统梳理,总结现阶段木塑复合材料紫外老化性能研究与发展中存在的问题,展望未来高性能木复合材料的研究发展重点趋势与应用领域,期望促进木塑复合材料在我国科研、设计、生产中的应用与发展。
塑木在自然环境中的空气、温度、湿度、紫外线等作用下不断发生热氧老化和光氧老化反应,内部出现分子键断裂现象,引起化学组成及结构变化,导致塑木的物化性能和力学性能发生相应改变。近年来,研究者们为探明塑木紫外老化制,对其老化后微观形貌、色差变化、力学性能变化等展开了大量的研究。目前,研究趋势中木塑复合材料的紫外老化研究与发展还存在着以下问题亟待解决。塑木老化机制及规律仍尚未形成统一理论。
塑木中的木材等植物纤维与树脂聚合物的光降解老化相互影响、相互作用,较为复杂,不是简单的效果叠加,目前国内外文章中针对此方面的研究涉及较少,因此有待更深入地探索与研究。在实际应用环境中,温度和湿度的变化,热氧老化与光氧老化的共同作用以及季节、地域等多重因素均会对老化产生影响,而大部分研究者对塑木老化研究仅侧重于单一老化环境下,缺乏多因素综合性试验,针对人工加速老化与户外老化试验之间相关性研究较少。缺乏对塑木老化行为及寿命预测相关方面的理论研究。可以通过建立不同外界环境、外部条件、材料成分等参数与塑木老化行为之间的动态数学模型或者推导剩余强度公式等方式对木塑复合材料进行耐久性评价分级。木塑复合材料被引入国内仅20多年,相比混凝土和钢结构等传统材料的研究发展时间较短,目前生产成本仍然较高,导致其市场价格普遍高于纯木材料。因此,如何降低成本,提高生产效率,例如大量使用秸秆、稻壳、废弃塑料等可回收物且能够保证制品的耐老化性等综合性能,提高生产规模、工艺技术水平等,是当下木塑建材行业需要探究、攻克的难题。木塑复合材料作为一种贴合国家环境保护、合理利用自然资源相关政策,并且可重复利用的生物质材料,正处于高速发展阶段,未来发展大有可为。针对现阶段木塑复合材料颜色稳定性差,耐老化性能较弱,生产成本高等问题,科研人员正以高性能塑木为目标,致力于发展更高强度,更加优异的基体相容性能,耐老化性能,更高回收利用率的木塑材料。在制备生产环节,提高工业化程度,结合人工智能等方式,实现从原料存储、混合搅拌、造粒到共挤成型全生产工序自动化,以此提升精准度和质量,节约人力,大幅提高生产效率。突破当前使用的设备大部分还是木材或塑料的通用生产设备的限制,改进或研发出为生产木塑所定制的大产量、高效率造粒机等设备,提高产业规模,降低生产成本。可与纳米生物等现代高新技术结合,以此改善木塑材料耐老化性能差等缺点,如研究开发出新型核壳型结构,从而降低其光氧化降解速度,提高使用寿命。
摘选自《木塑复合材料紫外耐老化性能研究进展》陈 航等
