亚临界流体挤出法制备HDPE木塑复合材料的研究——亚临界水及转速对材料性能的影响文献综述

文 献 综 述

随着经济发展与能源供求、生态环境之间的矛盾不断激化，人们正致力于寻求社会经济可持续发展与环境保护、资源开发的平衡点。这一矛盾在材料开发和利用领域尤其突出。一方面，全球森林资源日渐枯竭，而木制品的需求却不断增长。我国木材利用率很低，在木材加工和使用过程中有 20%～30%的木粉和边角余料未被有效利用。由于废木材和植物纤维以前都是焚烧处理，产生的气体对地球有温室效应，因此木材加工厂也在努力寻求将其转化为高附加值新产品的有效方法。塑料回收再利用也是塑料工业技术重点开发的方向，塑料能否回收利用已成为塑料加工业选材的重要依据之一。在这种情况下，木塑复合材料应运而生。

一. 木塑复合材料定义

木塑复合材料（Wood-Plastic Composites，缩写为WPC）在美国材料试验协会（ASTM）中给出的定义是：一种主要由木材或纤维素为基础材料与塑料（也可以是多种塑料）制成的复合材料。由于其兼具木材和塑料的优点，使得木塑复合材料及其制品具有一系列独特的优良性质，既有木材美观的质感和可以二次加工，又有塑料的耐久性和可重复加工性能。木塑复合材料广泛利用农林废弃物（如废弃木材、农作物秸秆等）有利于保护森林资源，还可以将产生环境污染的废旧塑料充分利用起来，很好地解决了使用塑料产品废弃后所带来的一系列社会和生态问题。

1.1 HDPE木塑复合材料

许民等人以桦木粉和 HDPE 为原料，采用双螺杆挤出机造粒、单螺杆挤出机成型的方法加工木塑复合材，在加工过程中发现设备转速为 40r/min，加工温度为 130℃、135℃、145℃、152℃、157℃、170℃时复合材料的综合性能较好。

1.2影响HDPE木塑复合材料性能的因素：

1.2.1界面改性对HDPE木塑复合材料性能的影响

采用二辊开炼和压制成型的方法，以马来酸醉接枝聚乙烯(MApE)、马来酸醉(MAH)和(或)过氧化二异丙苯(DCP)处理木粉制备高密度聚乙烯(HDPE)基木塑复合材料(WPC)，考察了几种方法对复合材料力学性能、动态热机械性能及加工性能的影响，并借助扫描电子显微镜(SEM)对复合材料界面进行了形貌分析。结果表明:MAH和DCP共同改性HDPE基WPC，在改善复合材料界面相容性的同时也提高了基体强度，材料综合性能最佳。

1.2.2界面改性剂对 PE 基木塑复合材料性能的影响

以高密度聚乙烯 ( HDPE) 和木粉为主要原料、马来酸酐接枝聚乙烯 ( MAPE) 和硅烷偶联剂 ( KH570)为界面改性剂，采用压制成型法制备了 PE 基木塑复合材料。研究了界面改性剂 MAPE 和 KH570 用量对复合材料力学性能的影响，并采用 FT-IR 和 SEM 对复合材料的微观结构进行了表征。结果表明: 界面改性剂 MAPE 和 KH570 可以显著改善木塑复合材料的拉伸强度、冲击强度和弯曲强度，当木粉、HDPE、MAPE、KH570 质量比为 40 3∶6 2∶4 5∶ 时，木塑复合材料的综合力学性能最佳; FT-IR 和 SEM 表明: 在界面改性剂 MAPE 和 KH570 的作用下，木粉在塑料基体中的分散均匀，相容性提高，并发生了一定程度的化学键合。

1.2.3木粉的碱化处理对木塑复合材料性能的影响

采用木粉填充高密度聚乙烯(HDPE)制备复合材料。为增强亲水性的木粉和憎水性的HDPE基质之间的化学亲和力,对木粉碱化处理。研究了相容剂用量和木粉的碱化处理对复合材料力学性能的影响。结果显示,马来酸酐接枝HDPE可明显提高复合材料的力学性能,表现出很好的增容效果;与用未碱化处理的木粉填充的复合材料相比,木粉的碱化处理使复合材料的弯曲强度和弯曲模量分别下降20. 4%和36. 2%;在不使用相容剂的情况下,木粉的碱化处理也会使复合材料的拉伸强度下降,但在使用适量相容剂后,则可使复合材料的拉伸强度从未处理时的30. 3MPa提高到36. 5MPa,与纯HDPE相比,拉伸强度提高了44. 8%.

1.2.4木粉改性处理与木塑复合材料性能研究

通过对木粉进行改性处理，研究了不同改性剂及处理条件对高密度聚乙烯木塑复合材料物理力学性能的影响。结果表明：改性剂使木粉的玻璃化温度降低，纤维素的结晶度提高；随着改性剂用量的增加，木塑复合材料的弯曲强度、拉伸强度、弹性模量都有所提高，吸水率也略有升高；50℃下处理48 h的木粉制备的木塑复合材料的物理力学性能较好；改性剂C处理的木塑复合材料综合性能较好。

1.2.5填料和润滑剂对木塑复合材料力学性能的影响

研究填料和润滑剂对挤出成型工艺制作木粉/高密度聚乙烯（HDPE）木塑复合材料力学性能的影响。研究结果表明，当木塑质量比为6:4，选择碳酸钙为填料，硬脂酸为内润滑剂，PE蜡为外润滑剂时，木塑复合材料可以获得较好的力学性能。

1.2.6偶联剂在热塑性聚合物/天然纤维复合材料中的研究进展

偶联剂是一种重要的助剂，按化学组成可分为有机偶联剂、有机-无机偶联剂、无机偶联剂。文章重点阐述应用于热塑性聚合物/天然纤维复合材料中各种偶联剂的作用机理及改性效果。

1.2.7高温水蒸汽处理木粉对木塑复合材料性能的影响

通过对木粉进行高温水蒸气处理，研究了不同蒸汽压力对木粉结构及木塑复合材料性能的影响。实验结果表明：高温蒸汽处理使木粉纤维结晶度提高，pH值下降，木塑复合材料的静曲强度、拉伸强度、弹性模量分别提高了7.85％、12.49％和34.48％。

1.2.8超/亚临界水解技术在生物质转化中的应用研究进展

超/亚临界水用于生物质水解转化是近年来出现的新技术。本文首先对纤维素超/亚临界水解机理、产物分布与水解动力学、水解条件优化进行了归纳和总结。在此基础上,综述和分析了生物质超/亚临界水解技术研究进展和工艺发展方向,并对生物质水解转化利用的新途径和反应器技术发展状况进行了讨论。指出超/亚临界水解技术在生物质资源化领域具有广阔的应用前景。

（1） 木质纤维素在亚/超临界水中液化的初步研究

在保持盐浴温度为420℃、压力为25MPa、反应时间为1 min的实验条件下,对亚/超临界水中木质纤维素的液化进行了实验研究。液化产物经高效液相色谱分析,结果表明,液相产物中含有酸、葡萄糖、果糖及其它一些水溶性有机物。通过扫描电镜(SEM)观察,水解残渣可以明显的发现木质纤维素从粒状高结晶束到粉化成絮状残渣的水解过程,同时发现在盐浴温度为420℃,压力在20MPa时木质纤维素的液化率最高。

（2）超/亚临界水条件下生物质和塑料的共液化

　 采用500 mL间歇式高压反应釜,在超临界和亚临界水条件下进行了一系列生物质和塑料单独及共液化实验,考察了反应温度、反应时间、水与木屑-聚乙烯的配比和反应压力对两者共液化的影响。实验结果表明,温度对共液化影响比较大。在653 K,混合物的组成是对液化物产率影响最大的因素,生物质与塑料质量比为1 ∶4时油产率最高,可达到60 %。生物质能降低塑料的降解温度,塑料为生物质供氢,两者在共液化过程中具有协同作用。生物质和塑料共液化能够提高反应转化率,提高油产率,减缓反应条件的苛刻度。

（3）亚临界水挤出法制备HDPE木塑复合材料中亚临界水及转速对材料性能的影响

在亚临界水挤出反应条件下，研究了双螺杆挤出机的螺杆转速、亚临界水温度、压力对HDPE木塑复合材料性能的影响。