木塑共混材料做得好

在塑料基質(zhì)中混合和擠出木纖維在技術(shù)上要求很高。它需要特別注意配方、干燥和擠出溫度 。

木塑共混材料 （WPC） 產(chǎn)品于 1990 年代初開(kāi)始作為耐候地板廣泛銷售。產(chǎn)品概念已迅速發(fā)展到欄桿、圍欄、裝飾、汽車零件和其他應(yīng)用。在塑料中添加木材制成木塑，可降低配方成本，提高彈性模量，并降低熱膨脹系數(shù)。然而，這些好處是有代價(jià)的：在塑料基質(zhì)中擠出木纖維在技術(shù)上要求很高。

木材不是塑料共混材料中僅有使用的天然纖維，但它是最常見(jiàn)的。用于 WPC 的木材在擠壓前經(jīng)過(guò)研磨、篩分和干燥。對(duì)于地板和圍欄型材，粗糙的表面紋理是可以接受的，甚至是可取的，將木纖維篩分成 40 至 60 目，具有良好的流動(dòng)特性，并且易于混合到塑料基體中。

對(duì)于欄桿和其他需要光滑飾面的型材，木材被篩分成 80 至 100 目。通過(guò) 120 目篩網(wǎng)的細(xì)粉是不可取的：這些細(xì)粉流動(dòng)性差，難以均勻分布在塑料基質(zhì)中。分布不良的木纖維，稱為“木斑”，是木材中含有過(guò)多細(xì)粉或擠出機(jī)磨損過(guò)大而無(wú)法實(shí)現(xiàn)良好混合時(shí)常見(jiàn)的質(zhì)量問(wèn)題。

磨碎的木纖維在8%至12%的水分（按重量計(jì)）下達(dá)到平衡，具體取決于濕度。離開(kāi)擠出模具的擠出物中的殘留水會(huì)導(dǎo)致WPC型材膨脹，因此有必要在擠出物離開(kāi)模具并暴露在大氣壓下之前去除擠出物中的所有水。

擠出機(jī)具有使用大氣和真空排氣的脫揮能力，但可以從WPC擠出物中去除的水量是擴(kuò)散有限的。對(duì)于反向旋轉(zhuǎn)擠出機(jī)，當(dāng)木纖維在送入擠出機(jī)之前干燥至1%或更低的水分含量時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)高的生產(chǎn)率。同向旋轉(zhuǎn)擠出機(jī)比反向旋轉(zhuǎn)擠出機(jī)實(shí)現(xiàn)更好的擠出物表面更新，并且可以容忍進(jìn)料中較高的木材水分。理想的木材含水量在2%至4%（重量）范圍內(nèi)。將同向旋轉(zhuǎn)擠出機(jī)進(jìn)料中的木材水分降低到2%以下實(shí)際上可以降低產(chǎn)量，因?yàn)閿D出物中蒸汽的逸出具有有益的冷卻效果。

反向旋轉(zhuǎn)和同向旋轉(zhuǎn)擠出機(jī)可以分別以高于 1% 和 4% 的水分含量加工木纖維，但以犧牲產(chǎn)量為代價(jià)。降低產(chǎn)量會(huì)增加擠出機(jī)中的最長(zhǎng)停留時(shí)間，從而增加可從擠出物中去除的水的百分比。如果送入擠出機(jī)的木材中的水量是推薦水平的兩倍（例如，反向旋轉(zhuǎn)擠出機(jī)為 2%，同向旋轉(zhuǎn)擠出機(jī)為 8%），則擠出機(jī)的產(chǎn)量將大約減半。

模具處水分過(guò)多的WPC型材在型材的“皮膚”下形成局部氣泡或“麻疹”。如果水分含量足夠高，隨著水的蒸發(fā)和膨脹，“皮膚”將幾乎完全與底層輪廓分離。

木材是一種復(fù)雜的混合物，主要由纖維素和木質(zhì)素組成。這在WPC生產(chǎn)中很重要，因?yàn)槔w維素和木質(zhì)素在高于190°C（374°F）的溫度下會(huì)熱降解。圖 1 顯示了木纖維的熱重分析 （TGA），這是木纖維樣品剩余重量百分比與溫度的關(guān)系圖。

TGA分析中有兩個(gè)顯著的質(zhì)量損失事件：25°C至125°C時(shí)的失水，占初始樣品重量的6.02%;纖維素和木質(zhì)素在190°C至400°C之間的分解，占樣品重量的73.86%。

圖2顯示了木材干燥、纖維素和木質(zhì)素的緩慢分解以及纖維素和木質(zhì)素的快速分解的溫度范圍。

當(dāng)考慮WPC中常用塑料的標(biāo)準(zhǔn)擠出溫度時(shí)，這給WPC生產(chǎn)商帶來(lái)的困難是顯而易見(jiàn)的，如第34頁(yè)的表格所示。這些是在擠出模具入口處看到的典型熔體溫度范圍。

表中的值與圖2中標(biāo)有“慢速分解”的溫度范圍幾乎完全重疊。這意味著WPC的生產(chǎn)商正在制作一種輪廓，其中配方中重量百分比高的成分在進(jìn)入擠出模具時(shí)可能會(huì)發(fā)生熱誘導(dǎo)分解。防止這種分解（或充其量是充分控制它）是WPC擠出過(guò)程中大的挑戰(zhàn)。木材熱降解引起的常見(jiàn)木塑質(zhì)量問(wèn)題是擠壓型材的變形，在業(yè)內(nèi)稱為“狗骨”、“膨脹”和“起壟”。

圖 3 顯示了中密度纖維板 （MDF） 樣品的熱重分析。這種纖維來(lái)源便宜、豐富且不適合擠出。請(qǐng)注意，在150°C時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)明顯的質(zhì)量損失，這可能是由于MDF工藝中使用的樹(shù)脂或膠水的分解。

 樹(shù)脂的作用

具有塑料背景的WPC新手傾向于認(rèn)為“木頭就是木頭”。木材行業(yè)的新人傾向于認(rèn)為“塑料就是塑料”。實(shí)際上，纖維和塑料性能對(duì)于擠出成功至關(guān)重要。

PVC、聚乙烯和聚丙烯是WPC擠出中最常用的塑料。PVC 適用于低 （<50 rpm） 螺桿轉(zhuǎn)速的反向旋轉(zhuǎn)擠出機(jī)，因?yàn)樗谑艿礁呒羟辛蚋哂跇?biāo)準(zhǔn)加工溫度的溫度時(shí)會(huì)降解。PE 和 PP 更適合同向旋轉(zhuǎn)擠出機(jī)，因?yàn)檫@些聚合物可以承受比 PVC 更高的剪切力和溫度。這使得同向旋轉(zhuǎn)擠出機(jī)在直徑為 103 mm 的機(jī)器中達(dá)到超過(guò) 3000 磅/小時(shí)（1365 千克/小時(shí)）的吞吐量。

由于WPC是一種受溫度限制的擠出工藝，因此放大的粗略經(jīng)驗(yàn)法則是擠出機(jī)直徑的平方。例如，假設(shè) 73 毫米擠出機(jī)的已知吞吐量為 1600 磅/小時(shí)，則 103 毫米擠出機(jī)的預(yù)期吞吐量為 （103/73）2 x 1600 或 3185 磅/小時(shí)。

PE是美國(guó)WPC最常用的塑料，HDPE用于WPC應(yīng)用，因?yàn)樗萀D或LLDPE具有更好的物理性能。熔體流動(dòng)指數(shù)在0.3至1 g/10 min之間的HDPE，稱為熔體流動(dòng)分?jǐn)?shù)等級(jí)，通常用于WPC地板。熔體流動(dòng)分?jǐn)?shù)HDPE比高流動(dòng)性HDPE具有更好的物理性能，但熔體流動(dòng)的實(shí)際低水平是有限的。

熔體流動(dòng)非常低的HDPE，例如小于0.2 g/10 min，在擠出機(jī)中加工需要更高的比能量。這導(dǎo)致更高的熔體溫度。由于木塑共混材料中的木材在190°C以上的溫度下會(huì)降解，為了大限度地提高產(chǎn)量，木塑材料生產(chǎn)商應(yīng)選擇具有高熔體流動(dòng)指數(shù)的塑料，該塑料應(yīng)始終如一地為最終產(chǎn)品提供所需的物理性能。

 塑料原料的變化

塑料的化學(xué)性質(zhì)簡(jiǎn)單，但在鏈長(zhǎng)、鏈構(gòu)型、分子量分布、結(jié)晶度等方面很復(fù)雜。這些特性很少在WPC擠出廠進(jìn)行測(cè)量，但會(huì)對(duì)WPC生產(chǎn)產(chǎn)生巨大影響。

WPC 中使用的大部分塑料都是回收的，另一大部分是寬幅或不合格的原始材料。由于這些流的特性沒(méi)有得到嚴(yán)格控制，因此擠出過(guò)程可能會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生顯著變化。這種變化會(huì)影響吞吐量、產(chǎn)量和廢品率。在幾天內(nèi)，工藝吞吐量變化±15%的情況并不少見(jiàn)。這些變化可能與塑料輸送到WPC生產(chǎn)工廠的頻率相同。測(cè)量來(lái)料塑料的熔體流動(dòng)指數(shù)可以不完整但仍然有用的塑料加工特性指示。但是，即使是這種相對(duì)簡(jiǎn)單的測(cè)量，WPC設(shè)施也經(jīng)常缺乏這種測(cè)量。

木塑生產(chǎn)大量使用潤(rùn)滑劑作為加工助劑。WPC中的潤(rùn)滑劑具有兩大功能。一種是盡量減少擠出物的剪切加熱，以限制熔體溫度，稱為“內(nèi)部潤(rùn)滑”。第二個(gè)功能是克服型材模具表面的無(wú)滑移邊界條件，使型材具有光滑的“表皮”，稱為“外部”潤(rùn)滑。PE基WPC配方中的潤(rùn)滑劑含量通常為重量的3%至5%。PP基配方通常含有1%至3%（按重量計(jì)）的潤(rùn)滑劑。

在木塑地板單一市場(chǎng)——戶外地板中，木塑的機(jī)械性能對(duì)產(chǎn)品的安裝人員和最終用戶都很重要。產(chǎn)品在負(fù)載下的抗彎曲性或彈性模量決定了需要多少結(jié)構(gòu)來(lái)支撐甲板表面和最終用戶腳下甲板的“感覺(jué)”。產(chǎn)品的抗斷裂性或斷裂模量關(guān)系到最終用戶的安全和對(duì)甲板安裝的長(zhǎng)期滿意度。

與100%木材相比，木塑共混材料具有較低的彈性模量和斷裂模量。偶聯(lián)劑已被開(kāi)發(fā)出來(lái)，以改善WPC的機(jī)械性能。最常見(jiàn)的偶聯(lián)劑是接枝到聚烯烴主鏈上的馬來(lái)酸酐。這些通過(guò)提高塑料基質(zhì)對(duì)木纖維表面的附著力來(lái)起作用。必須權(quán)衡偶聯(lián)劑的優(yōu)點(diǎn)與配方成本的增加、擠出機(jī)中更高的比能量以及型材模具中外部潤(rùn)滑效率的降低。

在 WPC 上使用 capstock 層可以通過(guò)多種方式提高產(chǎn)品的性能。PE和PP基WPC相對(duì)柔軟，耐刮擦性差。木塑中的木纖維容易受到霉菌的侵蝕。著色劑、抗氧化劑和抗紫外線劑價(jià)格昂貴，尤其是當(dāng)它們均勻分布在整個(gè) WPC 型材中時(shí)，只需要對(duì)產(chǎn)品表面進(jìn)行著色和保護(hù)。帶有濃縮添加劑的較硬塑料的蓋層可以緩解所有這些問(wèn)題，并大大提高WPC產(chǎn)品的性能。然而，封頂?shù)暮锰幈辉撨^(guò)程的額外復(fù)雜性和成本所抵消。