室外使用的木質(zhì)纖維復(fù)合材料，如鋪板、欄柵等并沒有做到其早期壽命長、無需維護(hù)的要求。實(shí)際上，木填充量高的復(fù)合材料鋪板和天然木材一樣，會(huì)收縮、膨脹、染污、彎曲、開裂、褪色，也可能發(fā)霉、長出菌類、受水的侵蝕，甚至被白蟻吃掉。
誰懂得這些？即使木塑復(fù)合材料（WPC）的制造商也不一定很清楚，因?yàn)檫@些材料在市場上太新了。木材和天然纖維復(fù)合材料的室外用途在最近10到15年間從零增加到超過20億磅/年，但很少甚至沒有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)或試驗(yàn)方法理論來研究其耐候和老化效果。
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| 圖1：木塑復(fù)合材料風(fēng)化帶來的 不受歡迎的意外之一是鋪板上長 出硬幣大小的蘑。生物殺滅劑如 硼酸鋅可以幫助解決此問題。 （照片：U. S. Borax） |
通過一系列的技術(shù)會(huì)議，最近開始有了一些這樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。一個(gè)特別值得一提的例子是在美國威斯康星州Madison召開的第八屆木塑復(fù)合材料會(huì)議，這次會(huì)議于五月舉行，由Madison的美國農(nóng)業(yè)部森林產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室（USDA Forest Products Laboratory）和多倫多大學(xué)贊助?！坝袔灼浅３錾恼撐拿枋隽俗钚碌脑囼?yàn)結(jié)果，并比較了真實(shí)世界的潮濕老化結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室結(jié)果，”Kadant Composites公司的研發(fā)工程師Tatyana Samoylova說，該公司是位于馬薩諸塞州Bedford的鋪板制造商?！斑@正是我們行業(yè)所需要的。”
木材和天然纖維復(fù)合材料制造者的另一個(gè)巨大需求是開拓新市場，使其不再局限于鋪板。2004年十月在巴爾的摩由Principia Partners咨詢公司舉辦的第四次WPC會(huì)議就聚焦于新產(chǎn)品開發(fā)，尤其是注塑成型加工、最新和最小的復(fù)合材料加工方法。（去年十月舉行的第五次WPC會(huì)議也有類似的重點(diǎn)）。
同時(shí)2004年三月在法國Bordeaux舉行的第二屆木質(zhì)纖維聚合物復(fù)合材料會(huì)議主要集中于建筑用途、新型加工技術(shù)和先進(jìn)的性能標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)新的每三年舉行一次的會(huì)議由Bordeaux的CTBA（木材與家具技術(shù)中心，Centre Technique du Bois et de I'Ameublement）贊助。
在美國，美國材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）開發(fā)了世界上第一個(gè)木塑復(fù)合材料鋪板的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。ASTM D7031，測試方法的概要，在2004年獲得批準(zhǔn)作為WPC制造商的指南。今年又公布了ASTM D7032，它設(shè)定了建筑規(guī)范所接受的WPC鋪板和護(hù)欄的產(chǎn)品規(guī)格。目前ASTM正致力于制定更多的標(biāo)準(zhǔn)，擴(kuò)展木材和天然纖維復(fù)合材料在更高級(jí)建筑領(lǐng)域的應(yīng)用。據(jù)CTBA的研發(fā)經(jīng)理Gilles Labat介紹，歐洲工作者也在解決老化和耐候問題，包括測試吸水性、重量損失、耐候性、老化性、顏色堅(jiān)牢度、防霉菌、防藻類、防昆蟲的需要。
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| 圖2：Schilling-Knobel公司的雙帶式加熱冷 卻壓制機(jī)，過去常用于制造PVC地板，也 可以生產(chǎn)木/塑板。 |
人們對(duì)全球市場木材和天然纖維復(fù)合材料期望很高，Principia公司估計(jì)2003年消耗量為17億磅，假定年增長率達(dá)到15%，則2005年消耗量高達(dá)21億磅。美國市場占了總用量的接近85%，Principia的高級(jí)合伙人James Morton說。
因此主要興趣集中于耐候試驗(yàn)方法和結(jié)果。首先，近期數(shù)據(jù)顯示木質(zhì)纖維的類型、長度、纖維組合、著色劑、偶合劑、潤滑劑和其他添加劑間的相互作用非常復(fù)雜。木塑復(fù)合材料表現(xiàn)中組分作用的方式并不簡單，也無法預(yù)測，并且看起來它們對(duì)風(fēng)化、潮濕老化、霉菌和顏色損失都有影響。
世界大不同
木材和天然纖維復(fù)合材料的市場和技術(shù)在北美和在歐洲大不相同。北美市場的一半是鋪板或與鋪板相關(guān)的部件，剩下的大多數(shù)也是擠出型材-從船樁到鉛筆。另外還有一些壓縮成型的汽車和建筑部件，注塑成型只占非常小的一部分。而且大多數(shù)復(fù)合材料都使用木纖維，填充量很少超過50%，農(nóng)用纖維的使用很有限。
但在歐洲，木材和天然纖維復(fù)合材料的使用更為多樣化，技術(shù)也更先進(jìn)。據(jù)德國Nova-Institut的最新研究結(jié)果，汽車部件是一個(gè)大市場，包括注塑和壓縮成型，2003年消耗了3.5億磅。其它大市場包括家具和櫥柜的面板。歐洲主要使用農(nóng)用纖維如劍麻、洋麻、亞麻、大麻纖維、黃麻、棉線，木纖維用得相對(duì)較少。歐洲的纖維填充量也高得多-從70%到85%（在汽車部件中最高達(dá)50%）。
面板的帶式成型法
最近兩次會(huì)議中介紹了一種新型加工方法，無需擠出用木質(zhì)復(fù)合材料生產(chǎn)平板。Pallmann Maschinenfabrik公司（美國Pallmann Pulverizers的德國母公司）與德國的Schilling-Knobel公司共同努力，開發(fā)了雙帶式木質(zhì)復(fù)合材料加工方法，并在法國的CTBA會(huì)議上展示。在這種加工方法中，Pallmann的Palltruder機(jī)第一步先用木粉或纖維、加上原生或再生HDPE造粒。然后這些被稱作Pallwood的粒料分散到Schilling-Knobel公司提供的PFIX加熱雙帶成型機(jī)（以前常用于制造PVC地板）下面一個(gè)皮帶上。Schilling-Knobel公司也在為一家大型美國層壓公司和世界其他客戶開發(fā)其他木質(zhì)復(fù)合材料產(chǎn)品。它的雙帶成型生產(chǎn)線經(jīng)過測試，可以將60%木材粒料加工為2米寬、8至10毫米厚的片材。
在去年P(guān)rincipia公司舉辦的WPC會(huì)議上，Verset Technologies公司介紹了另一種加熱皮帶技術(shù)，應(yīng)用于平板部件如板壁的成型。經(jīng)過十余年的開發(fā)，Verset專利的Pressaire加工方法將制材業(yè)原來用于壓制粗紙板的設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，并于2003年安裝在華盛頓州Elma的Boise Cascade專業(yè)工廠制造面墻板，但是由于Boise Cascade工廠的重新規(guī)劃，墻板還沒有商業(yè)化。
Verset加工開始是將回收聚乙烯薄膜和未干燥的木箔或木片在室溫下混合。然后熱空氣通過混合物，一秒左右熔化塑料?；旌衔镩_始厚度約為7英寸，經(jīng)過加熱后成為一個(gè)2至3英寸厚的熱墊塊。熱墊塊通過皮帶輸送到一個(gè)冷壓機(jī)，通過它成型為0.25至0.75英寸厚帶內(nèi)成型木材紋理的平板，隨之墻板打底準(zhǔn)備油漆。Boise Cascade的在線加工可以連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。
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| 圖3：Verset的系統(tǒng)使用熱 風(fēng)和冷壓機(jī)來將木箔和回 收聚乙烯薄膜成型為平板， 如墻板。 |
首個(gè)纖維數(shù)據(jù)庫
為了促進(jìn)木塑產(chǎn)品的發(fā)展，德國M-Base Engineering + Software公司創(chuàng)建了第一個(gè)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫包含天然纖維和含這些纖維的塑料化合物的各種性質(zhì)，稱作N-FibreBase，它有三種語言，可以在上免費(fèi)獲得。它于2004年提出并在去年五月的Madison會(huì)議上展出。
N-FibreBase提供了各種不同天然纖維的標(biāo)準(zhǔn)測試數(shù)據(jù)，包括纖維類型、生產(chǎn)商、牌號(hào)、纖維尺寸、長度、強(qiáng)度、剛性、顏色、氣味和成霧可能性。它可以識(shí)別不同規(guī)格，如無紡布或在塑料化合物中的吸濕性和強(qiáng)度，以及培養(yǎng)的場所、方法，纖維分離方法和表面處理。在美國M-Base數(shù)據(jù)庫由Madison集團(tuán)提供。
在Madison一家瑞典的紙業(yè)研究機(jī)構(gòu)STFI-Packforsk AB也展示了纖維數(shù)據(jù)。STFI測試了熱固性乙烯基酯復(fù)合材料，它是用各種不同木纖維組成的各向同性和取向纖維墊通過RTM（樹脂傳遞模塑）制成。STFI發(fā)現(xiàn)未漂白的纖維和硬木纖維比漂白纖維和軟木剛性更好。
最優(yōu)化纖維混合物
結(jié)構(gòu)性復(fù)合材料通過與不同的纖維或者是纖維及礦物填料組合，可以優(yōu)化獲得更高的性能。木粉混合其他纖維已經(jīng)用了很多年了，如用于木質(zhì)填充及玻璃增強(qiáng)船樁。一些鋪板和木瓦產(chǎn)品也結(jié)合天然纖維如帶木纖維的米糠（吸水少）、礦物和其他填料。
CreaFill Fibers公司是纖維素纖維的供應(yīng)商，它在Madison報(bào)告了其復(fù)合材料半固化片（prepreg）的開發(fā)進(jìn)展，半固化片用60%纖維素纖維和40% PTT（聚對(duì)苯二甲酸亞丙基酯）纖維（杜邦公司的Sorona地毯纖維）制成。半固化片采用濕式造紙加工方法，然后在熱壓機(jī)中固化，它使PTT熔融浸濕纖維素。其潛在的應(yīng)用目標(biāo)是高強(qiáng)度平板。
CreaFill公司說，纖維素纖維為扁平帶狀物，可顯著提高沖擊模量和彎曲模量。牛皮紙纖維厚1至2微米，寬30微米，長500至5000微米。而新聞紙纖維厚1至2微米，平均寬度64微米，平均長度1717微米。
PTT使得纖維素壓縮成型而不發(fā)生熱降解成為可能，因?yàn)镻TT的熔融溫度為437F，比PET的熔融溫度（490F）低得多。PTT纖維也可以用殼牌公司（Shell）的Corterra樹脂制成，其成本只略高于PET。
CreaFill公司測試了含60%新聞紙或牛皮紙纖維素和40%PTT纖維的半固化片。另外還測試了15% PET纖維/40% PTT纖維/45%牛皮紙纖維素混合物，及30% PET/40% PTT/30%牛皮紙纖維素混合物。添加PET可使極限伸長增加最高達(dá)27%，抗沖強(qiáng)度也有很大改善。
CreaFill公司供應(yīng)一種由新聞紙制成的低成本纖維素纖維（牌號(hào)TC 1004），售價(jià)為20分/磅。平均的纖維長度為850微米，對(duì)于新聞紙類纖維素這已經(jīng)很長了。TC 1004用于福特汽車公司（Ford Motor Co.,）的測試。與單獨(dú)使用纖維素纖維相比，添加10%滑石粉和30%回收新聞紙纖維素到PLA（聚乳酸）的生物降解樹脂基體中，可提高彎曲強(qiáng)度和彎曲模量。加入纖維素和滑石粉的PLA彎曲強(qiáng)度為94MPa，而如果只有纖維素，則為77 MPa。同樣加入纖維素和滑石粉的彎曲模量為10.8MPa，只加纖維素的話，彎曲模量僅為6.7MPa。硅烷處理過的滑石粉（如Luzenac的 Mistron CB）可進(jìn)一步明顯提高各項(xiàng)性能。
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| 圖4：N-FiberBase是一個(gè)免費(fèi)數(shù)據(jù) 庫，提供有關(guān)天然纖維、塑料化合 物、以及含以上材料的成品的數(shù)據(jù) 信息。 |
泡沫狀木纖維
添加劑、潤滑劑、填料、纖維的類型和尺寸都會(huì)影響復(fù)合材料的剛性、耐候性、吸水性和顏色堅(jiān)牢度，但它們之間的相互作用非常復(fù)雜，通常不能預(yù)計(jì)。在Madison會(huì)議上，多倫多大學(xué)的微孔塑料制造實(shí)驗(yàn)室報(bào)道說，例如木纖維的尺寸就會(huì)影響生成均勻細(xì)密泡孔的能力。
該大學(xué)用HDPE復(fù)合材料和CO2成泡，使用了120至200目（25至125微米粒子）、20至60目（250至850微米）等三種尺寸的木纖維。預(yù)期最小的纖維會(huì)生成最高的熔融粘度，因?yàn)樽钚〉睦w維表面面積最大，但是卻沒有。相反，中等尺寸的纖維獲得了最大粘度。研究者認(rèn)為可能是小纖維較大的表面面積使其可以釋放更多的揮發(fā)物，這幫助其降低了粘度。另外，較小的木纖維有利于更精細(xì)的泡孔結(jié)構(gòu)-可能是因?yàn)樾±w維更能增強(qiáng)成核作用。
據(jù)位于East Lansing的密歇根州立大學(xué)森林系在Madison會(huì)議上報(bào)道，分批將木-PVC復(fù)合材料和CO2成泡時(shí)，抗沖改性劑會(huì)加速氣體損失的速率?？箾_改性劑也會(huì)阻止體積膨脹（粗略估計(jì)20%的木質(zhì)復(fù)合材料可以成泡，大多數(shù)以PVC為基礎(chǔ)）。
老化預(yù)測
預(yù)測天氣已經(jīng)夠難了，但預(yù)測木纖維的老化反應(yīng)卻更為困難。Madison會(huì)議展示了兩項(xiàng)耐候性老化研究，比較了標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室測試條件和天然或模擬老化條件下的吸濕性，并發(fā)現(xiàn)了一些令人費(fèi)解和驚奇的結(jié)果。
美國農(nóng)業(yè)部森林產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室測試了紫外光加上噴水對(duì)50%木填充HDPE注塑件的影響。他們發(fā)現(xiàn)紫外光加上噴水給木質(zhì)復(fù)合材料造成的損害比單獨(dú)的紫外光或浸水要大得多。
按照標(biāo)準(zhǔn)的ASTM 測試方式，3000周期的紫外光和噴水——每個(gè)周期包括102分鐘的紫外光照射，然后是18分鐘的紫外光加噴水——使得測試復(fù)合材料的顏色淺了87%。而同樣周期數(shù)，每個(gè)周期2小時(shí)單獨(dú)使用紫外光，顏色只淺約28%。單獨(dú)浸在水中的顏色變化也比紫外光/噴水小得多。通過紫外光加噴水，復(fù)合材料的密度也從1.08降到1.05g/cc，而如果是單獨(dú)紫外光，密度僅降到1.07 g/cc。暴露在紫外光和噴水環(huán)境后，復(fù)合材料板也變薄了，而單獨(dú)的紫外光并不會(huì)改變厚度。研究得出結(jié)論，紫外光加上水實(shí)際上會(huì)洗掉一層木質(zhì)素，使木材降解。
這次會(huì)議上，位于密蘇里州Lamar的Epoch Composite Products公司討論了一項(xiàng)正在進(jìn)行的耐候性研究的初期測試結(jié)果（12個(gè)月），比較了其EverGrain壓縮成型鋪板（聚烯烴中加入50%木粉）自然和加速老化的顏色堅(jiān)實(shí)度。Epoch公司比較了自然老化8個(gè)月（ASTM G7）和1200小時(shí)的氙弧加速老化（ASTM G155）。測試涉及了兩種鋪板顏色，紅杉和雪松，標(biāo)準(zhǔn)染料對(duì)特殊濃縮顏料，混合金屬氧化無機(jī)顏料，顏料加抗氧劑和紫外穩(wěn)定劑。
Epoch公司最初發(fā)現(xiàn)濃縮顏料可以提高老化性和顏色堅(jiān)牢度。紫外/抗氧化劑穩(wěn)定作用不能防止顏色變化，但肯定可以提高表面完整性和耐候性，混合金屬氧化顏料完全不能提高顏色堅(jiān)牢度。最初的數(shù)據(jù)也顯示在化合前對(duì)木粉著色只能提高雪松色的顏色堅(jiān)牢度，而對(duì)紅杉色沒有作用。使用二次加工的HDPE會(huì)引起表面降解，但不會(huì)影響顏色老化。
研究也揭示了自然室外使用和標(biāo)準(zhǔn)ASTM實(shí)驗(yàn)室測試其吸水性之間的巨大差異。Marek Gnatowski，加拿大塑料咨詢公司Polymer Engineering Co.,的研究總監(jiān)在Madison報(bào)道說，根據(jù)ASTM D1037 24小時(shí)浸漬實(shí)驗(yàn)鋪板樣品吸濕僅為1%。但如果是暴露在室外風(fēng)化21個(gè)月，吸水至少為15%。
據(jù)稱通常木質(zhì)復(fù)合材料的總體水分含量不超過2%。但在板材末端和板表面1至7毫米以下的材料“經(jīng)常含濕量超過25%”，Gnatowski注意到。25%的含濕量正適合于霉菌來攻擊木塑復(fù)合材料。較高的木含量會(huì)提高這個(gè)高度充滿濕氣的表面區(qū)域的深度。Gnatowski發(fā)現(xiàn)在鋪板化合物中添加硼酸鋅作為生物殺滅劑，也可以降低吸水性?！斑@個(gè)功能是不知道，也沒有想到的，”他補(bǔ)充道。
在Madison會(huì)議上，密歇根州立大學(xué)森林系還展示了木-HDPE復(fù)合材料在加速冰凍-熔化周期下的耐久性。冰凍和熔化會(huì)導(dǎo)致剛性的顯著下降，而添加2%的偶合劑就可以避免這種現(xiàn)象。
菌類問題
Madison會(huì)議上還報(bào)道了墨西哥州Guadalajara大學(xué)和Corvalis Oregon州立大學(xué)合作的研究結(jié)果，研究表明在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下，木含量超過50%的復(fù)合材料，霉菌吃掉的不僅僅是表層。一種是在實(shí)驗(yàn)室中用非常薄的樣板涂上瓊脂——微生物增長介質(zhì)的凝膠，用這些樣品接種不同類型的霉菌，并在潮濕環(huán)境下培養(yǎng)12周。另一種試驗(yàn)方法，稱作鹽塊試驗(yàn)（ASTM D1413），是把鋪板樣板暴露在濕鹽中一段時(shí)間。雖然這些方法聽起來并不象木塑鋪板在真實(shí)世界中的情況，樹葉和灰塵的聚集就能造成同樣的影響。暴露在瓊脂中的樣板重量損失為10%至25%，而暴露在鹽中的失重為12%至18%。
比利時(shí)Beologic公司在Madison會(huì)議上報(bào)道說，在這些試驗(yàn)中復(fù)合材料的含濕量飆升到65%至95%。而表面2微米厚的木質(zhì)復(fù)合材料如果濕度超過25%，12周后就足已引起發(fā)霉。Beologic公司是聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯和聚氯乙烯木質(zhì)填充塑料粒子的生產(chǎn)商，已經(jīng)有五年的歷史。他發(fā)現(xiàn)兩種因素可以有效減少霉菌生長：使用抗霉菌劑或使用更長的木質(zhì)纖維。
據(jù)Houghton密歇根科技大學(xué)森林資源學(xué)院報(bào)道，較高的潤滑劑含量也有利于霉菌生長。加入生物殺滅劑，如2%至5%的硼酸鋅或1%至1.5%的四氯異苯腈可以抑止霉菌生長。
一項(xiàng)最新的發(fā)現(xiàn)是低含量的偶合劑可以大大提高表面的防潮性，而使發(fā)霉不再成為一個(gè)問題。即使非常低含量（0.5%）的功能性酐聚烯烴偶合劑，如杜邦公司的Fusabond也可以顯著降低吸水性?！拔冶緛硪詾榧尤肱己蟿┦菫榱双@得更好的性能，”一個(gè)之前銷售木質(zhì)復(fù)合材料偶合劑的人士說。“但是他們現(xiàn)在卻用于提高抗?jié)裥?。”（完?
（轉(zhuǎn)載）
