木塑共混材料做得好

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

木塑共混材料 （WPC） 產品于 1990 年代初開始作為耐候地板廣泛銷售。產品概念已迅速發(fā)展到欄桿、圍欄、裝飾、汽車零件和其他應用。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。然而，這些好處是有代價的：在塑料基質中擠出木纖維在技術上要求很高。

木材不是塑料共混材料中僅有使用的天然纖維，但它是最常見的。用于 WPC 的木材在擠壓前經過研磨、篩分和干燥。對于地板和圍欄型材，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，具有良好的流動特性，并且易于混合到塑料基體中。

對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 120 目篩網的細粉是不可取的：這些細粉流動性差，難以均勻分布在塑料基質中。分布不良的木纖維，稱為“木斑”，是木材中含有過多細粉或擠出機磨損過大而無法實現良好混合時常見的質量問題。

磨碎的木纖維在8%至12%的水分（按重量計）下達到平衡，具體取決于濕度。離開擠出模具的擠出物中的殘留水會導致WPC型材膨脹，因此有必要在擠出物離開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散有限的。對于反向旋轉擠出機，當木纖維在送入擠出機之前干燥至1%或更低的水分含量時，可以實現高的生產率。同向旋轉擠出機比反向旋轉擠出機實現更好的擠出物表面更新，并且可以容忍進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。將同向旋轉擠出機進料中的木材水分降低到2%以下實際上可以降低產量，因為擠出物中蒸汽的逸出具有有益的冷卻效果。

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

模具處水分過多的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。

木材是一種復雜的混合物，主要由纖維素和木質素組成。這在WPC生產中很重要，因為纖維素和木質素在高于190°C（374°F）的溫度下會熱降解。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系圖。

TGA分析中有兩個顯著的質量損失事件：25°C至125°C時的失水，占初始樣品重量的6.02%;纖維素和木質素在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、纖維素和木質素的緩慢分解以及纖維素和木質素的快速分解的溫度范圍。

當考慮WPC中常用塑料的標準擠出溫度時，這給WPC生產商帶來的困難是顯而易見的，如第34頁的表格所示。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中標有“慢速分解”的溫度范圍幾乎完全重疊。這意味著WPC的生產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入擠出模具時可能會發(fā)生熱誘導分解。防止這種分解（或充其量是充分控制它）是WPC擠出過程中大的挑戰(zhàn)。木材熱降解引起的常見木塑質量問題是擠壓型材的變形，在業(yè)內稱為“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。這種纖維來源便宜、豐富且不適合擠出。請注意，在150°C時開始出現明顯的質量損失，這可能是由于MDF工藝中使用的樹脂或膠水的分解。

 樹脂的作用

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

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） 螺桿轉速的反向旋轉擠出機，因為它在受到高剪切力或高于標準加工溫度的溫度時會降解。PE 和 PP 更適合同向旋轉擠出機，因為這些聚合物可以承受比 PVC 更高的剪切力和溫度。這使得同向旋轉擠出機在直徑為 103 mm 的機器中達到超過 3000 磅/小時（1365 千克/小時）的吞吐量。

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

PE是美國WPC最常用的塑料，HDPE用于WPC應用，因為它比LD或LLDPE具有更好的物理性能。熔體流動指數在0.3至1 g/10 min之間的HDPE，稱為熔體流動分數等級，通常用于WPC地板。熔體流動分數HDPE比高流動性HDPE具有更好的物理性能，但熔體流動的實際低水平是有限的。

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

 塑料原料的變化

塑料的化學性質簡單，但在鏈長、鏈構型、分子量分布、結晶度等方面很復雜。這些特性很少在WPC擠出廠進行測量，但會對WPC生產產生巨大影響。

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有得到嚴格控制，因此擠出過程可能會隨著時間的推移而發(fā)生顯著變化。這種變化會影響吞吐量、產量和廢品率。在幾天內，工藝吞吐量變化±15%的情況并不少見。這些變化可能與塑料輸送到WPC生產工廠的頻率相同。測量來料塑料的熔體流動指數可以不完整但仍然有用的塑料加工特性指示。但是，即使是這種相對簡單的測量，WPC設施也經常缺乏這種測量。

木塑生產大量使用潤滑劑作為加工助劑。WPC中的潤滑劑具有兩大功能。一種是盡量減少擠出物的剪切加熱，以限制熔體溫度，稱為“內部潤滑”。第二個功能是克服型材模具表面的無滑移邊界條件，使型材具有光滑的“表皮”，稱為“外部”潤滑。PE基WPC配方中的潤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）的潤滑劑。

在木塑地板單一市場——戶外地板中，木塑的機械性能對產品的安裝人員和最終用戶都很重要。產品在負載下的抗彎曲性或彈性模量決定了需要多少結構來支撐甲板表面和最終用戶腳下甲板的“感覺”。產品的抗斷裂性或斷裂模量關系到最終用戶的安全和對甲板安裝的長期滿意度。

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。偶聯劑已被開發(fā)出來，以改善WPC的機械性能。最常見的偶聯劑是接枝到聚烯烴主鏈上的馬來酸酐。這些通過提高塑料基質對木纖維表面的附著力來起作用。必須權衡偶聯劑的優(yōu)點與配方成本的增加、擠出機中更高的比能量以及型材模具中外部潤滑效率的降低。

在 WPC 上使用 capstock 層可以通過多種方式提高產品的性能。PE和PP基WPC相對柔軟，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格昂貴，尤其是當它們均勻分布在整個 WPC 型材中時，只需要對產品表面進行著色和保護。帶有濃縮添加劑的較硬塑料的蓋層可以緩解所有這些問題，并大大提高WPC產品的性能。然而，封頂的好處被該過程的額外復雜性和成本所抵消。