木塑复合材料界面改性工艺及性能研究开题报告

1. 研究目的与意义

木塑复合材料(wood polymer composite)是利用热塑性塑料，包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯以及它们的共聚物等作为基体材料，用木粉、稻壳、秸秆等废弃生物质纤维作为增强相，再加入一些相关的添加助剂，通过注塑、挤压、模压等单一或多种成型工艺加工而成的复合材料。木塑复合材料既具有热塑性塑料的易成型性,又有类似木材的二次加工性,如可切割、能粘接、可涂饰,且具有抗虫蛀、耐老化、吸水性小、可重复利用等优点,故被广泛的应用于各个领域。但由于植物纤维与聚合物表面极性相差较大，植物纤维在聚合物基体中易发生团聚、分散不佳，界面咬合力较弱，从而导致材料在外力作用下发生破坏。植物纤维与聚合物间较差的界面相容性较差导致了木塑复合材料力学性能的下降，从而阻碍了木塑复合材料的发展与应用。解决这一类问题的关键在于对木塑复合材料界面相容性的改进研究。因此界面改性的研究对于木塑复合材料的性能以及后期在各领域的应用具有重要的意义。

2. 国内外研究现状分析

目前，国内外已有多家公司实现木塑产品商业化生产。美国木塑行业加工起源于20世纪60年代中叶，木塑复合材料因其硬度高、耐磨而大量应用于地板产业。在 这个领域，美国市场1990年至2010年的增长率都保持在10%以上，远远高于同期塑料工业的总体增长率，到2011年，美国市场木塑复合材料需求总值约为54亿美元。我国对木塑的研究始于20世纪五六十年代，截至2005年年底，我国直接从事该行业研究开发、生产的企事业单位已逾150家，从业人员数万人，木塑制品年产量已接近于10万t，年产值可超过8亿元人民币。木塑行业发展速度快，应用领域广，广阔的前景推动了木塑复合材料的深层次的发展，促使其需要拥有更为优秀稳定的性能来适应这种趋势，同时也推动了国内外对于木塑复合材料的界面改性研究。

界面相容性是复合材料研究的关键技术,特别是对木纤维热塑性聚合物复合体系更为突出。因为作为增强材料的木纤维由纤维素、半纤维素和木素组成,纤维素和半纤维素是多糖类大分子,其表面含有大量的醇轻基,表面具有强极性和吸水性,木素是由以苯丙烷为单元经缩合形成的含苯环、含氧和含酚轻基高度交联的大分子。而热塑性聚合物为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等,以聚乙烯和聚丙烯基木纤维复合材料为主,这些聚合物的表面属非极性或极性很小。二者的界面极性相差很大,需通过改性处理来提高界面相容性。目前解决界面相容性的方法主要有两种:对木质纤维进行改性和添加界面反应剂进行处理。

对木质纤维进行改性可以通过化学和物理两种不同的处理方法来达到界面改性的要求。化学法改性是利用化学试剂与植物纤维反应来增强植物纤维与塑料基体的相容性。其原理是植物纤维表面存在许多亲水的羟基，通过添加可以与羟基进行反应的试剂来减少羟基数量，降低植物纤维的亲水性，提高植物纤维与塑料基体的黏结性。或是通过化学反应，将植物纤维中的木素、半纤维素以及果胶等杂质除去，有利于塑料组分的渗透。其具体的处理方法有：碱处理法；酯化处理法；乙酰化处理法等。物理法改性主要是通过物理方法处理，除去植物纤维中极性比较大的的杂物，从而改变植物纤维的极性，增加与塑料基体界面相容性，进而提升复合材料的机械性能。物理法改性主要有热处理法、蒸汽爆破法、水抽提法、离子体处理法等。

3. 研究的基本内容与计划

对木塑复合材料界面改性的工艺方法进行探索，找出最佳的配方组成和工艺路线；利用高速混合机对木粉、塑料、填料以及各种添加剂进行初混合；利用双螺杆挤出机、双辊炼塑机等设备对木质纤维与塑料进行共混造粒，得到木塑材料的半成品；利用注塑机或挤出机对木塑复合材料进行成型加工，得到标准测试样条；利用万能试验机、磨耗试验机、冲击强度试验机等设备，对木塑复合材料进行性能测试。研究材料性能与配方及制备工艺之间的关系；从木质纤维与树脂界面的角度出发，研究偶联剂的种类、添加量、复配等对木塑复合材料力学性能的影响，研究偶联剂的添加操作工艺对木塑复合材料力学性能的影响。

（1）第1周：查阅资料，完成文献综述和开题报告。

（2）第2-3周：准备实验原料和仪器。

4. 研究创新点

界面相容性一直影响木塑性能的重要因素，也一直是研究的重要方向.在界面问题上，国内研究正在如火如荼地开展，但与国外相比，特别是和北美一些国家相比，依然存在较大差距，研究因素相对单一，许多研究成果难以转化为实际应用。

通过国内外关于木塑复合材料的改性研究现状发现，虽然界面改性的方法多种多样，其中原理也各不相同。但是各自都有弊端，物理改性方法虽然处理方便，但其实际的效果却不经如人意。化学改性方法虽有明显的效果，但其使用的化学品有的价格昂贵导致产品的效益大大降低，有的化学品具有毒性，对环境会产生一定的负面影响。因此在改性方法的选择上既要兼顾改性的效果，又要兼顾木塑复合材料的绿色环保等特点。