美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(ASTM)對(duì)塑木復(fù)合材料(WPC)給出的定義是“一種主要由木材或者纖維素為基礎(chǔ)材料與塑料(也可以是多種塑料)制成的復(fù)合材料”。由于WPC兼有木材和塑料的優(yōu)點(diǎn),所以具備一系列獨(dú)特的優(yōu)良性能,如比木材有更好的耐老化性、耐吸水性和耐翹曲性,有類似木材的外觀和二次加工性能;比塑料硬度高,具有熱塑性塑料的加工性,用一般的塑料加工設(shè)備或稍加改造后便可進(jìn)行成型加工;值得一提的是,WPC的原料可以采用廢塑料和廢木材,其本身也可回收再利用,因此在保護(hù)環(huán)境和森林資源等方面具有良好的社會(huì)效應(yīng)和生態(tài)效應(yīng)。
盡管WPC具有以上優(yōu)點(diǎn),但是諸如密度大、成本高、脆性大及韌性差等缺陷導(dǎo)致其在某些工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制,不能作為較好的木質(zhì)替代品。近年來,隨著WPC的工業(yè)化進(jìn)展,研究者們通過在WPC中加入發(fā)泡劑,使其內(nèi)部形成具有連續(xù)均勻分布的微孔結(jié)構(gòu)的塑木發(fā)泡復(fù)合材料。因材料內(nèi)部存在良好的泡孔結(jié)構(gòu)可以鈍化裂紋尖端,阻止裂紋的擴(kuò)展,從而可有效地克服上述材料的不足之處。如今,塑木發(fā)泡復(fù)合材料出色的性價(jià)比和較好的比強(qiáng)度使其在汽車內(nèi)飾、運(yùn)動(dòng)器材、航天、園林及室內(nèi)裝潢等方面得到了廣泛的應(yīng)用。
目前塑木發(fā)泡復(fù)合材料的成型方法主要有模壓成型、擠出成型和注射成型等。其中模壓成型和擠出成型已取得了階段性的成果,而注射成型是一個(gè)嶄新的研究領(lǐng)域,還處于探索階段,目前國(guó)內(nèi)外研究的人較少。但是注射成型的塑木復(fù)合發(fā)泡制品已經(jīng)凸顯出其優(yōu)點(diǎn),如與擠出成型的塑木復(fù)合發(fā)泡制品相比,其制品的外觀和質(zhì)感更酷似木材,具有更低的吸水率,注塑發(fā)泡成型過程中由于保壓時(shí)間和冷卻時(shí)間大大縮短,故生產(chǎn)效率較高。此外,注塑級(jí)WPC高溫流動(dòng)性能好、加工性能好、成本低、表面光澤度高,具有較好的強(qiáng)度及韌性,被廣泛用于形狀復(fù)雜的制品生產(chǎn)。塑木發(fā)泡復(fù)合材料的發(fā)泡工藝就是在木質(zhì)纖維和塑料的熔融料中分散氣體,然后將其冷卻、定型而得到具有連續(xù)均勻微孔結(jié)構(gòu)制品的過程。WPC注塑發(fā)泡成型的發(fā)泡工藝類似于其它泡沫塑料,仍可用物理發(fā)泡法和化學(xué)發(fā)泡法制得。
塑木發(fā)泡復(fù)合材料的設(shè)計(jì)思想來源于泡沫塑料的成型原理。塑料的發(fā)泡成型,首先應(yīng)在塑料熔體中形成大量均勻細(xì)密的氣泡核,然后再膨脹為具有所要求的泡體結(jié)構(gòu),最后,通過冷卻固化定型將泡體結(jié)構(gòu)固定下來,最終得到泡沫塑料制品。在WPC的注塑發(fā)泡成型過程中,木質(zhì)纖維和塑料混合物在注塑機(jī)中由于外熱和螺桿剪切的聯(lián)合作用而熔融塑化并混合,混合物中的化學(xué)發(fā)泡劑受熱分解產(chǎn)生的氣體或直接從機(jī)筒注入的物理發(fā)泡劑在高壓下溶解在混合物熔體中并達(dá)到飽和狀態(tài),進(jìn)一步混合均勻,最后從噴嘴射出,因壓力驟降而發(fā)泡,在材料內(nèi)部形成均勻細(xì)密的泡孔結(jié)構(gòu),最后通過冷卻固化定型,得到最終發(fā)泡制品類似于一般泡沫塑料的成型過程,WPC的注塑發(fā)泡過程基本可分為3個(gè)階段:氣泡核的形成、泡孔的增長(zhǎng)、泡孔的穩(wěn)定。
目前,注射成型技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于WPC的生產(chǎn),采用注射成型方法制成的塑木發(fā)泡復(fù)合材料能夠改善現(xiàn)有塑木制品應(yīng)用中存在的諸如表面質(zhì)量差、尺寸形狀不能滿足實(shí)際使用要求等缺陷,可以進(jìn)一步節(jié)約能源,降低生產(chǎn)成本,能夠開發(fā)具有更高附加值和功能性的新一代塑木產(chǎn)品,從而促進(jìn)WPC新一輪發(fā)展高潮的到來。
