注塑、壓制成型用木質(zhì)復(fù)合材料
注塑、壓制成型用木質(zhì)復(fù)合材料
擠出貼面仍然是木質(zhì)填充塑料市場(chǎng)的重要組成部分。但是，木質(zhì)復(fù)合材料的注塑和壓制成型以其各自的優(yōu)點(diǎn)正變得越來越普遍。同時(shí)，擠出型材正朝著形狀更復(fù)雜的機(jī)制木工產(chǎn)品的方向發(fā)展。
采用新的工藝，如注塑成型、壓制成型或雙帶成型，可以在簡(jiǎn)單的貼面板的基礎(chǔ)上，將木質(zhì)復(fù)合材料模塑成各種新的形狀，以取代許多機(jī)制木工產(chǎn)品和特形銑制的零件，諸如柱桿的端頭、便池座圈、木工用水平儀、門窗框子、辦公室分隔板、屋頂木瓦或地板等。由于含有較高的填料，使制品不會(huì)發(fā)生蠕變。
木質(zhì)復(fù)合材料的擠出工藝已有十多年的發(fā)展歷史。來自一家研究機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)報(bào)告表明，在所有木質(zhì)填充產(chǎn)品中，型材所占比重為97%，其中大多數(shù)為貼面板或欄柵。
目前，擠出型材領(lǐng)域具有兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：一是中空復(fù)合型材變得更加復(fù)雜，例如木/聚乙烯辦公室隔斷板；二是簡(jiǎn)單的長(zhǎng)方形斷面型材被用于一些新的用途。Craneplastics公司正在用木/聚乙烯來擠出門框的內(nèi)部部件，這些部件與天然木材結(jié)合成一體，然后將其作為一個(gè)整體進(jìn)行磨光和涂刷底漆。
注塑成型用木質(zhì)復(fù)合材料
**種注塑成型用木質(zhì)復(fù)合材料是在4年前被推出的。根據(jù)Principia（一家研究機(jī)構(gòu)）的統(tǒng)計(jì)，這種材料的銷售量在整個(gè)木質(zhì)復(fù)合材料中（不包括壓制成型產(chǎn)品）僅占3%（1900萬磅/年）的比重。Principia預(yù)計(jì)，注塑成型用木質(zhì)復(fù)合材料將在今后4年內(nèi)，以每年70%的速度向前發(fā)展。
2000年，成型商Xtendex公司貼面板廠（現(xiàn)在是Carney公司的一部分）**注塑成型了與貼面板的顏色、紋理以及耐候性能相匹配的板端飾件和桿帽。原來的板端飾件完全是直角的，并伸出于板端之外?，F(xiàn)在，Carney公司注塑出了一種更美觀的半圓形柱狀的飾件，可被平齊地裝在板端里面。
如今，這項(xiàng)注塑成型技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用，而且隨著注塑技術(shù)的發(fā)展和配方的改進(jìn)，制件的質(zhì)量和一致性變得更好了。去年，俄亥俄州wilmington市的Timber Tech公司（型材擠出商CranePlastics公司的貼面板***）**次采用了木質(zhì)復(fù)合材料注塑成型桿帽和飾邊產(chǎn)品。隨后，BriteManufacturing、Carney（Xtendex）、Composatron（Premier）、Correct BuildingProducts（CorrectDeck）、Fiber Composites（Fiberon）、Louisiana-Pacific(Weatherbest)、 Master Mark Plastics (Rhino)和U.S. Plastic Lumber(Carefree)等貼面板生產(chǎn)商也都采用了木質(zhì)復(fù)合材料來注塑成型中空制件。
貼面板制造商希望它們的復(fù)合成型產(chǎn)品含有高木質(zhì)纖維或其它填料（稻殼、亞麻纖維和**纖維），因?yàn)檩^高的填料含量可以防止產(chǎn)生陷坑。但是，與相應(yīng)的擠出貼面板相比，大多數(shù)注塑成型用復(fù)合材料所含填料要少得多（注塑級(jí)填料含量一般為擠出級(jí)的1/2）。這是因?yàn)?，填料加得越多，流?dòng)性就越差，而注塑產(chǎn)品需要具有較好的流動(dòng)性。令人欣慰的是，有極少數(shù)定制產(chǎn)品成型商能夠做到其注塑成型產(chǎn)品的木質(zhì)纖維含量與擠出型材相接近。例如，BlueRidge Industries公司為Trex公司生產(chǎn)的桿柱裙邊和桿頂件，其中的木纖維含量為50%；而Atlas公司為FiberComposites公司成型了45％木含量的Fiberon貼面板和欄桿型材。Atlas稱，它甚至可以成型木含量高達(dá)60％的產(chǎn)品。
對(duì)于成型產(chǎn)品來說，各種纖維都必須短一點(diǎn)才行。一般來說，貼面板制造商使用的擠出級(jí)的木纖維，其細(xì)度為30目至40目，而60目至80目的纖維比較適合于注塑成型。
對(duì)于注塑成型來說，木纖維的種類也是非常關(guān)鍵的，而擠出成型對(duì)此就要求不高了。這是因?yàn)?，不同木纖維對(duì)剪切速率的敏感性不同，例如，橡木的剪切敏感度比松木大得多，也更容易燒焦，所以橡木填充料的含量一定要比松木低。另外，木質(zhì)填充粒料的干燥對(duì)于注塑成型來說也遠(yuǎn)比擠出重要得多，原因是注塑機(jī)一般都沒有排空裝置，沒有排空就會(huì)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。比如，未經(jīng)干燥的橡木粉（它富含丹寧酸）會(huì)腐蝕注塑模具。
有些木質(zhì)復(fù)合材料能夠注塑成型材，而且在成型過程中，可以把密封條和防水條也作為嵌入件加上去，以減少二次加工。Atlas公司和DinesolPlastics 公司曾利用該技術(shù)為Endura Products公司生產(chǎn)了帶有這種嵌入件的Z系列門的門框。
*近，有兩家提供定制產(chǎn)品的成型商還開發(fā)成功了采用共注塑和發(fā)泡的復(fù)雜工藝。其中，CentocoPlastics公司推出了以木質(zhì)填充料作為核心、面層采用不含木纖維的白色聚丙烯的共注塑便池座圈。為了有利于成型件的頂出和防止產(chǎn)生陷坑，這家公司在該工藝中加入了1％～2 ％的發(fā)泡劑。
預(yù)摻混的新方法
注塑成型用的木質(zhì)填充復(fù)合材料要比擠出用的材料成本高，這是因?yàn)樽⑺芰媳仨氝M(jìn)行預(yù)摻混和預(yù)干燥，或者采用木纖維的高濃縮母料。為了降低原料成本，有些定制產(chǎn)品成型商將廢棄的耐用貼面板磨碎以后，用于注塑成型部件。
一家成型商正在嘗試著使用一臺(tái)由Pallmann公司提供的PFV塑化混煉機(jī)Palltruder，用于在木粉和塑料被喂入反向轉(zhuǎn)動(dòng)的雙螺桿擠出機(jī)之前，對(duì)其進(jìn)行預(yù)摻混和干燥?；鞜挋C(jī)可以使塑料軟化，但不會(huì)使它熔化，從而使?jié)駳鈴哪纠w維中逸出?；旌玫奈锪?后被旋轉(zhuǎn)的刀切成顆粒。
壓制成型用木質(zhì)復(fù)合材料
近幾年，用木質(zhì)復(fù)合材料壓制成型的制品越來越多。EpochComposites公司用HDPE（高密度聚乙烯）和木粉壓制成型的長(zhǎng)度為12～20ft(1ft=0.3m)、具有4種顏色的木質(zhì)填充貼面板在市場(chǎng)上供不應(yīng)求。
Epoch公司認(rèn)為，壓制成型制品之所以受歡迎，首先是因?yàn)樗粫?huì)使纖維發(fā)生斷裂；其次，壓制成型所需的木粉填充量可以比采用注塑成型工藝的多。另外，因?yàn)槲锪蠠o需流過狹窄的模具流道，所以壓制成型對(duì)摻混料的流動(dòng)性要求不是很嚴(yán)格。
用Wellington Polymer Technology公司全自動(dòng)化的壓制成型生產(chǎn)線壓制成型的Enviroshake復(fù)合材料木瓦看起來就像被劈開的圓錐形的杉木一樣，它具有很高的填料填充量，90%的摻混料都是一種由工業(yè)使用過的聚乙烯和聚丙烯薄膜、來自輪胎的碎橡膠和天然纖維所組成的混合物。填充纖維可為亞麻、木纖維或者**。其余10％的摻混料是9種化學(xué)添加劑和工藝助劑混合物。
德國(guó)Schilling-knobel公司開發(fā)出的被稱為Thermofix的雙帶成型工藝，可被用來制造木質(zhì)復(fù)合材料地板。該工藝將復(fù)合材料粒料壓在兩條加熱的聚四氟乙烯皮帶之間進(jìn)行加熱，以形成一片連續(xù)的、厚度達(dá)0.75in(1in=25.4mm)的片材。粒料含有60％的木粉和40％的軟聚氯乙烯，由Palltruder機(jī)進(jìn)行加工造粒。
一家木粉和天然纖維復(fù)合材料的壓制成型商采用了在成型前先對(duì)混合填料進(jìn)行預(yù)處理的技術(shù)，這種方法是用一臺(tái)球磨機(jī)擠壓那些看起來很稠密的纖維團(tuán)，然后把小團(tuán)磨成屑片，以便于同樹脂摻混。
替代纖維的進(jìn)展
目前，注塑和壓制成型商正在改善他們的配方，他們或者用**、亞麻、稻殼或者麥秸之類的農(nóng)業(yè)纖維來代替一部分木纖維，或者用滑石粉之類的礦物填料或淀粉來代替一部分木纖維。據(jù)報(bào)道，這些混合填料可以提高剛性、抗蠕變性和抗?jié)裥?。例如，木質(zhì)復(fù)合材料型材在擠出之后可以吸收高達(dá)23％的潮氣，但在加入大約30％的滑石粉后，其吸潮率會(huì)降低一半。
用農(nóng)業(yè)纖維取代木纖維也有一些缺點(diǎn)。例如，亞麻纖維對(duì)模具的磨損特別厲害；農(nóng)業(yè)纖維加熱時(shí)會(huì)發(fā)出很刺鼻的氣味。
澳大利亞Fasalex公司擁有一項(xiàng)將木粉、樹脂和淀粉結(jié)合起來的**工藝，用這種工藝生產(chǎn)的物料有以下幾個(gè)牌號(hào)：LEX452含有70％的木粉、20％的淀粉以及10％的PE和添加劑；LEX468含有75％的木粉、10％的淀粉以及15％的PP和添加劑；LEX474含有60％的木粉、10％的淀粉以及30％的PVC和添加劑；此外還有注塑成型的專用料Fasal。在這些成分中，淀粉可以增加剛性，并能吸收木粉里的水分，從而能夠加工含水量為12％的木粉，而且無需預(yù)先干燥。澳大利亞的JoskoFenster und Turen GmbH（公司）將LEX 474料用于擠出生產(chǎn)門窗型材。
Fasalex公司對(duì)使用預(yù)摻混料和使用直接摻混料成型的產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，前者的壁厚比后者薄1mm左右，因此Fasalex公司采用了預(yù)摻混工藝。
KadantComposites公司申請(qǐng)了一項(xiàng)獨(dú)特的以礦物和木粉為基礎(chǔ)的纖維組合物**，從而開發(fā)了造紙污泥的商業(yè)用途。首先，Kadant公司用造紙過程中所用的高齡土、碳酸鈣和短纖維素纖維來制備一種叫做“Biodac”的多孔粒料（密度1.5g/cc）。因?yàn)轭w粒是多孔的，它們?cè)诤退芰蠐交爝^程中，塑料就會(huì)被吸附到內(nèi)部，從而獲得很好的強(qiáng)度。三年前，Kadant公司**用Biodac做成了一種叫做“Geodeck”的復(fù)合材料貼面板，其中Biodac、高密度聚乙烯和另加的纖維素纖維的含量各占1/3?，F(xiàn)在，Kadant公司每年銷售1000萬磅Geodeck，這是一種帶肋的型材，與該公司注塑成型的端帽裝配在一起供應(yīng)市場(chǎng)。
目前，許多大學(xué)也在進(jìn)行“提高復(fù)合材料的性能”的研究工作。多倫多大學(xué)的研究員TieqiLi建議，用擠出級(jí)的HMW-HDPE來取代普通的樹脂，以提高復(fù)合材料的性能。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，盡管高粘度的樹脂有助于提高強(qiáng)度，但木質(zhì)復(fù)合材料加工時(shí)需要使用低分子量/低粘度的聚乙烯，以便使纖維濕潤(rùn)并提供良好的流動(dòng)性。然而，TieqiLi發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)復(fù)合材料的可加工性更取決于木纖維，而不是聚合物的分子量。
另外，莫斯科Idaho大學(xué)的研究員LanceGallagher發(fā)現(xiàn)，用球磨機(jī)把100目的纖維磨至小于20祄的尺寸后，填料的表面積被增大了，可加工性也得以改善。在HDPE中，當(dāng)100祄纖維的填充量為50％時(shí)，斷裂強(qiáng)度為3190lb/in2（1lb=0.4536kg，lin=25.4mm）而38祄纖維具有同樣的填充量時(shí)，其斷裂強(qiáng)度為3625lb/in2（1lb=0.4536kg，lin=25.4mm），即提高了14％。結(jié)果表明，短纖維與聚合物結(jié)合得更好，致使其抗張強(qiáng)度提高。所以，在木質(zhì)復(fù)合材料體系中，短纖維的強(qiáng)度比長(zhǎng)纖維大，這正好與以往的經(jīng)驗(yàn)相反。
