天然纤维结构设计思想与技术要点

小熊

　　在结构设计中，首先考虑的是原料的选用。主要的天然纤维为木粉、稻谷壳、花生壳、秸秆等农林加工的下脚料、废弃料，其来源丰富，价格低廉。稻壳的纤维素含量高于木粉，而且水分和木质素的含量也比木粉低，化学成分不象木粉因产地、树种的不同而有很大差异，所以质量比较稳定。而塑料品种常用的有聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、ABS和高抗冲聚苯乙烯(HIPS)等。
　　1.取向问题
　　植物纤维取向是仿木材料生产的关键技术。从形态结构来看，木材中的纤维是长纤维，沿树干方向定向排列，使木材具有优良的刚性、强度和抗弯能力。为了使粉状纤维能起到长纤维类似的增强效果，木粉或稻壳粉的细度、长径比及含量都要进行系列的调控匹配。我们采用了木粉、谷壳搭配，纤维长度双峰分布的办法，以纤维长的提供强度，短的改善加工性能和表面光洁度的办法，有效地解决了长纤维含量的取向度不高，表面光洁度不良、加工困难和短纤维脆性大、强度不高的一对矛盾。
　　取向排列的好坏，虽然与原料、配方有很大的关系，但决定性的还是要由设备、模具和加工条件来保证，因此不是任何挤出机都能满足天然纤维仿木型材的生产要求。用于天然纤维复合仿木材料的挤出机，其设计参数与一般的塑料型材挤出机有很大差别，物料中木质纤维含量高，流动性差，采用顶出法较为理想，即物料在螺杆产生巨大压力的推动下，克服机头压力降，将型胚从口模顶出，型胚离开口模后，不需要定型模和冷却水，但此时机头流道要长。由于挤出压力大，螺杆、减速箱、电机所承受的扭矩很大，这种顶出法适合生产密度较大(1.2g/cm3)的制品。对于密度较小的发泡仿木材料，则采用牵引法，木纤维含量不大于50% ，工艺灵活，通过配方和调整加工工艺条件使制品产生木质纹理，并可辅以降温技术，使树脂的加工温度适应木纤维的特性，在加工生产过程中，要求使树脂(塑料)充分塑化、流动，又使纤维流动并取向，只有在这样的前提下，才能获得理想的仿木制品。
　　2. 纤维的表面处理
　　众所周知，木粉、稻壳粉等植物纤维的化学结构中，含有大量极性很强的羟基基团，每一个纤维素结构环上含有多个一OH基团。而聚乙烯、聚丙烯树脂都是非极性，虽然PVC树脂中含有氯原子，具有一定的极性，但其极性比纤维素小得多，因此它们是两个互不相容的体系——纤维素是典型的亲水体系，而PE、PP则是典型的亲油体系。它们的共混复合必须对纤维进行偶联处理(如硬脂酸钛酸酯等)。通过偶联处理，木塑制品的力学性能得到了明显改善，但至今尚未见较为理想的专用偶联剂处理的报道，而且大多数偶联剂十分昂贵。从研究开发的思路看，这些处理方法和选用的偶联剂类型，基本上是沿用了碳酸钙等无机矿物偶联处理的方法，虽然也获得了一定的效果，但毕竟木粉、植物纤维与矿物填料不同，应选用更合适的方法和偶联体系。
　　我们根据木粉化学结构，采用了新型树脂偶联剂KF树脂和具有阻燃效果的亚磷酸酯两个体系，获得了令人十分欣慰的结果。KF树脂型专用偶联剂是一种环状结构的有机化合物，它能与木纤维很好地粘合，又能与塑料分子相结合，可以大大提高木粉的添加量，改善物料的流动性和产品的表面光洁度。而亚磷酸酯为具有阻燃性的亚磷酸酯基和长链脂肪酸(CH2) 基团的化合物，所以这是一种环状结构和直链基团的组合体系，对多种塑料都有良好的结合能力。针对PVC、PE、PP、ABS四个体系及不同植物纤维品种和原料来源，均获得了较好的效果，并且大大降低了成本。
　　3.发泡技术
　　发泡不仅可以调节材料的密度，降低成本，同时也可以增加弹性，减少脆性，降低导热系数，提高保温性。但发泡也会降低表面硬度，大孔还会产生表面凹陷等残缺。因此从发泡技术来看，必须采用微孔发泡技术。
　　微孔发泡技术与普通发泡不同，泡孔小而均匀，肉眼基本上看不出，有人称之为低发泡，但这是不确切的。因为微孔发泡仅仅是泡孔小而已，发泡倍率依旧可以很高，材料密度可以达到0.5g/cm3以下。影响泡孔大小的因素主要有配方、发泡剂粒径大小及分散情况、发泡温度、时间、压力、工艺等，而其中的关键技术是配方和发泡剂的选择。常用的AC发泡剂属放热型，分解时会放出大量的分解热，使局部温度增高，物料粘度减小，同时气体膨胀率增大，因此不可能形成微孔。而德国生产的发泡剂CT232效果就很好，根据德国专家介绍，他们的发泡剂在分解时不放热。因此，我们根据发泡剂分解有放热型及吸热型两种不同类型，测定了各自的分解热，然后进行复配的办法，消除了放热效应，获得了价格低廉、效果优良的微孔发泡剂。为了获得均一的泡孔，还必须加入发泡改性调节剂，硬聚氯乙烯的结皮微孔发泡技术，我国已经有成熟的经验可以借鉴，而其他塑料品种，如ABS等也可依据以上等温发泡原理，进一步开发。