摘 要

木塑复合材料(Wood-Plastic Composites，WPC)是近年来兴起的一种环保型复合材料，以各种热塑性塑料和木纤维为基体，加入一定量的添加剂或者是填料，通过不同的复合方法来制备具有高性能、高附加值的复合材料。木塑复合材料拥有塑料和木材的主要特点，可在许多场合替代塑料和木材。因此木塑复合材料的研制和广泛应用，有助于减缓塑料废弃物的污染，也有利于减少农业废弃物焚烧给环境带来的污染。由于木塑成品兼备木材和塑料的双重特性，它将是未来替代传统木材的新一代节能环保产品，市场应用前景相当广泛。

本实验分别研究了不同含量的增强剂（白炭黑），相容剂（PE-g-MAH）对聚乙烯木塑复合材料性能的影响。

（1）研究了不添加相容剂时，增强剂含量变化对试样力学性能的影响，结果表明：随着增强剂含量的增加，复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度均逐渐上升；

（2）研究了增强剂含量为 0.5 份时，加入相容剂对试样力学性能的影响，结果表明：加入相容剂后拉伸强度和弯曲强度均有所提高，但冲击强度下降；

（3）研究了增强剂和相容剂的加入对聚乙烯基木塑复合材料润湿性的影响，结果表明：材料与水之间的接触角在相容剂含量为 0 时，随着增强剂含量的增加而增大，而在增强剂为 0.5 份时，随相容剂的增加先增大后减小。

关键词：聚乙烯；木塑复合材料；增强剂；相容剂

Study on Silica Reinforced Modified Wood-Plastic Composites

ABSTRACT

Wood-Plastic Composites (WPC) is a kind of environmental friendly composite material which is rising in recent years. It uses various thermoplastic plastics and wood fibers as matrix, additives or fillers are added to prepare composite materials with high performance and added value through different composite methods. Wood-plastic composites have the main characteristics of plastics and wood, and can replace plastics and wood in many occasions. Therefore, the development and wide application of wood-plastic composites will help to reduce the pollution of plastic waste and the environmental pollution caused by agricultural waste incineration. Because of the dual characteristics of wood and plastics, wood-plastic products will be a new generation of energy-saving and environmental protection products to replace traditional wood in the future, and the market application prospects are quite extensive.

In this experiment, we have studied the different content of reinforcing agent fumed silica，toughening compatibilizer (PE-g-MAH) on the properties of wood / polyethylene composites.

(1) The effect of the content of reinforcing agent on the mechanical properties of the samples without compatibilizer was studied. The results showed that the tensile strength, flexural strength and impact strength of the composites increased gradually with the increase of the content of reinforcing agent.

(2) The effect of Compatibilizer on the mechanical properties of the specimens with 0.5 phr reinforcing agent was studied. The results showed that the tensile strength and flexural strength of the specimens with compatibilizer are improved, but the impact strength decreases.

(3) The effect of the addition of reinforcing agent and compatibilizer on the wettability of polyethylene-based wood-plastic composites was studied. The results show that the contact angle between the material and water increases with the increase of reinforcing agent content when the content of compatibilizer is 0, and increases first and then decreases with the increase of compatibilizer content when the content of reinforcing agent is 0.5 phr.

Key words: polyethylene; wood-plastic composite; reinforcing agent; compatibilizer

目 录

1 绪 论 - 1 -

1.1 木塑复合材料简介 - 1 -

1.2 木塑复合材料的发展历史和现状 - 1 -

1.2.1 发展历史 - 1 -

1.2.2 国外研究现状 - 2 -

1.2.3 国内研究现状 - 2 -

1.3 木塑复合材料未来发展方向 - 3 -

1.4 木塑复合材料的增强改性研究 - 4 -

1.4.1 增强改性的研究 - 4 -

1.4.2 白炭黑在木塑复合材料增强改性中的应用 - 5 -

2 聚乙烯木塑复合材料的制备及性能研究 - 7 -

2.1 实验原料 - 7 -

2.1.1 材料和试剂 - 7 -

2.1.2 主要仪器 - 7 -

2.2 实验步骤 - 7 -

2.2.1 木粉的预处理 - 8 -

2.2.2 增强剂含量不同的聚乙烯木塑复合材料的制备 - 8 -

2.3 木塑复合材料的性能测试 - 9 -

2.3.1 拉伸性能测试 - 9 -

2.3.2 弯曲性能测试 - 10 -

2.3.3 冲击性能测试 - 10 -

2.3.4 接触角测试 - 11 -

2.4 结果与讨论 - 12 -

2.4.1 不同含量的增强剂对试样力学性能的影响 - 12 -

2.4.2 不同含量的相容剂对试样力学性能的影响 - 14 -

3 结论与展望 - 17 -

3.1 结论 - 17 -

3.2 实验的不足与展望 - 17 -

致 谢 - 18 -

参考文献 - 19 -

1 绪 论

1.1 木塑复合材料简介

在人类漫长的发展进程中，木材与塑料制品在推动社会进步方面的贡献是不可忽视的，但废旧木材与废旧塑料的后期处理却成为了一个让人困扰的难题。焚烧这种传统的处理方式虽然简便，但也带来了严重的温室效应，许多木材加工厂对此问题进行了深入的研究后也在努力寻找把这些残料转化为绿色并具有高附加值新产品的有效方法。同时，废旧塑料的回收和再利用也成为了塑料工业的重点开发方向。人们环保意识不断增强，减少利用新木材、保护森林资源的呼声日趋高涨，在这样的大时代背景下，木塑复合材料应运而生。

木塑复合材料(Wood-Plastic Composites，缩写WPC)是以木纤维或者植物纤维为主要原料，通过对其进行预先处理之后再使之与热塑性塑料或其它材料复合而成，并可根据对材料性能方面的特殊要求加入适量的改性剂的一种新型材料。这种材料独具的结晶态和无序态所构成的多相态结构不仅能够克服单一材料的缺点，还能充分发挥出各组份的优势，具体表现在这种材料既有木纤维或植物纤维的高强度和高弹性，又具有聚合物基体的高韧性和耐疲劳等优点^[1]。WPC的几大显著优点可以具体到以下几点：力学强度良好、抗冲击强度高、热伸缩性和吸水性均比木材小、非易燃，此外，这种材料还兼具木材和塑料的双重加工性能，它既可锯、刨、旋、切、削、敲击、粘贴与胶合，也可挤出、压制和注塑 ^[2]。

1.2 木塑复合材料的发展历史和现状

1.2.1 发展历史

早在1907年LeoH.Bend博士就利用木粉与热固性酚醛树脂复合制得当时被称为Bakelite的木塑复合材料，但由于科学与技术水平在当时还相对落后，纤维的选择受到了很大局限，主要是尺寸较长的韧皮类纤维，如亚麻和黄麻，其所得产品大多存在着毛刺、飞边等缺点，因而其应用并不广泛。到了1916年，这种材料被Rolls Royce 公司用来制作变速杆的把手，自此开始，木塑复合材料开辟出了属于自己的商业道路^[3]。但木塑复合材料在此后几十年的发展历程中，选用的塑料仍一直是热固性塑料。从20世纪60年代起，人们开始尝试采用乙烯基单体或含有碳碳双键的预聚物对实体木材进行浸注处理，然后采用自由基引发剂或高能射线引发聚合物，形成当时被称为塑合木，具有高性能的木塑复合材料。20世纪80年代以后，人们开始广泛研究塑料的填充改性技术，并在 20世纪90年代以后，植物纤维／热塑性塑料逐渐成了木塑复合材料的首选替代品，其产品也进入到了实际应用阶段。

1.2.2 国外研究现状

美国Andex公司对木塑复合材料进行了10多年漫长的研究后，已在日本、美国、加拿大获得了8个专利许可证。加拿大Onyx公司于1997年就在多伦多建立了3条生产线，每条生产线生产能力约为1000 t／a；到了1999年就已达到43条生产线。美国Timtech公司也将原生产木塑托盘的生产线转为具有高附加值的建筑隔音板生产线。俄罗斯伊莫埃特公司开发了30余条高填充量木塑复合材料生产线，并推广到了白俄罗斯、乌克兰和保加利亚等国。此外日本还生产出了木粉填充PE、PP、PVC、HIPS、ABS、尼龙等的复合材料，并计划在 2020 年以后使木材的进口率减至38%^[4]。

1.2.3 国内研究现状

我国从20世纪90年代就开始了对木塑复合材料的研究与开发工作，1998年北化塑料机械研究所开始研究木粉/聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯复合材料，探究了木粉的不同处理方法对复合材料最终性能的影响，以及木粉类型、木粉填充量和木粉粒径对复合材料微观结构、力学性能和流变性能的影响趋势。并对研究成果进行了全面整合之后开发出了不同木塑复合材料的制备、挤出和型材加工工艺。该技术已成功开发出包装托盘产品、木塑宽幅板产品和各种中空型材产品，并已在江苏、上海、北京等省市实现了产业化。安徽蒙城县铝业有限公司-塑料型材有限公司与蒙城县铝塑研究所合作，开发建设出了国内第一条大型木塑材料生产线；南丰塑料工业有限公司开发的复合木塑托盘通过了中国包装协会组织的技术鉴定。广东省森林建材有限公司在充分吸取国外成功经验的基础上，经过一年多的不懈努力，成功研制出了填充木粉的复合木型材，完全打破了合成木不够高档的结论。随着木塑复合材料制造企业的蓬勃发展，相关高校和科研机构也加强了对木塑复合材料的研究广度和深度。北京化工研究院就在填充木塑料挤出工艺、配方、专用设备、产品模具设计等方面取得了重大突破，中国林业科学院木材科学研究所压制技术的木塑板产品在开发中取得了可喜的进展。此外，许多高校也对木粉改性填充塑料进行了研究和开发。

近年来，我国对木塑复合材料的研究力度随着国家政策和社会导向的影响而不断加大，并在这些研究过程中取得了一些阶段性的成果。但仍存在一个摆在科研人员面前的难题：如何在保证拉伸、弯曲和冲击强度等物理机械性能的前提下，尽量降低生产成本，扩大原料的供应量以满足不断增长的大规模工业生产的需求，。

1.3 木塑复合材料未来发展方向

木塑复合材料的基体材料可以通过回收低成本的废旧木材和塑料取得，所得制品可有效替代木材，这对于缓解我国木材供应紧缺、森林资源贫乏的问题有重要意义。木塑复合材料的发展既符合国家的产业政策，也符合国家经济形势发展的需要，而且产品应用范围极广。因此，木塑复合材料是一种极具发展前景的绿色环保新材料，更是一项有生命力的创新技术。