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内外兼修

由木材和塑料制成的复合材料融合了二者的优异性能。Pinuform采用这种复合材料生产出尤其耐用的露台地板。为了提高混合料的和易性,该公司采用了基于有机硅的新型加工助剂。

木材与塑料的完美结合 | 2017年12月6日 | 6:50 min

位于德国乌尔姆的MOCOPINUS集团,历代从事木材相关业务。公司诞生于1865年,最初是在多瑙河两岸经营木材生意。如今,MOCOPINUS拥有约300名员工,已成为德国领先的木材加工企业之一。公司采用欧洲云杉为原料,生产用于护墙板、壁板、吊顶板以及露台地板的实木型材。

在生产过程中,MOCOPINUS每年都会产生大约30,000吨木屑。长期以来,木屑主要当做畜禽舍垫料出售,直到20世纪90年代末,随着由木材和塑料制成的复合材料市场开始在美国迅速兴起,木屑才有了新的用途。“那时我们才意识到木屑是一种宝贵的原材料,绝不仅仅只是铺在动物蹄下。”Diethard Cascorbi说道。

木塑复合材料有效结合了木材与塑料的优异特性,不仅性能稳定,耐候性强,而且用途广泛,容易加工。

Martin Schmid 瓦克功能性有机硅市场经理

露台地板由乌尔姆MOCOPINUS集团的子公司Pinuform生产。Pinuform将木屑加工成木塑复合材料。

Cascorbi是一名资深塑料工程师,MOCOPINUS公司专门聘用他来进一步开拓木塑复合材料(WPC)新业务。这种材料的主要成分是木质纤维和有机塑料,其中塑料的添加量达35%,在欧洲,通常采用聚乙烯或聚丙烯;此外,还包括填料和添加剂,以确保木质纤维与聚合物基体能够完美地结合在一起。MOCOPINUS希望尽可能提高木质纤维的用量,因为石油基聚烯烃的成本显然要比木质纤维高很多。然后,他们再通过挤压成型工艺将混合料加工成所需形状。

针对这一新兴业务领域,MOCOPINUS专门设立了子公司Pinuform,并在2005年向市场推出了首款由木基复合材料制成的露台地板。该项业务一经推出,便大获成功。之后,Pinuform于2011年在莱比锡附近的诺因霍夫(Naunhof)新建了多条生产线。

市场增长强劲

木塑复合材料的应用领域非常广泛:除露台木板之外,还可用于护墙板、围栏、门窗、家具、汽车内饰件以及功能性构件。近几年,木塑复合材料市场发展迅猛,年增长率约为20%。而在中国,这一数字甚至达到25%,位居全球之首。中国还是仅次于美国全球第二大木塑复合材料生产国。

“木塑复合材料完美结合了木材与塑料的优异特性,不仅性能稳定,耐候性强,而且用途广泛,容易加工。”瓦克功能性有机硅市场经理Martin Schmid解释道。

21世纪初,Pinuform的专业人员首次开展木塑复合材料的配制试验并进行试生产。目前,他们已经积累了大量工艺方面的专业知识与经验。首先,将木屑研磨成直径约为630微米的木粉——Pinuform的木塑复合材料颗粒含有高达70%的木质纤维。然后,加入塑料、添加剂和填料,制成均匀的混合料。

这时,本来可以立刻将高温混合料挤压成型,加工成所需要的实心或空心型材,但Pinuform并没有这么做,而是采用以下两道工序:首先,将混合料在水下粒化,制成颗粒。之所以这样做,是因为Pinuform也会将这种粒料卖给其他公司,包括竞争对手。然后,在诺因霍夫,一部分粒料会再次熔化,进一步挤压成型,制成所需要的最终产品,如本文中提到的露台木板。

将摩擦损失降至很低

“在生产过程中,如何确保所有组分均匀混合,如何尽可能减少挤压成型过程中的阻力,是我们所面临的主要挑战之一。”瓦克集团企业研发部门从事新兴业务开发Peter Randel博士介绍说。一般而言,需要添加2%到6%的润滑剂(通常是硬脂酸盐或聚乙烯蜡),才能够将摩擦损失降至很低。如今,瓦克采用基于一种有机硅弹性体的GENIOPLAST®添加剂,成功开发出一种新型加工助剂。这种有机硅共聚物的纯度很高,与传统润滑剂相比,用量明显更低。制造商只需添加少量这种有机硅共聚物即可实现所需的润滑效果。

瓦克的这款有机硅产品是与奥地利林兹木材技术中心共同研发的,其润滑性能是标准润滑剂的十倍。目前,瓦克还向木塑复合材料生产商提供两种GENIOPLAST®母料,分别含有聚乙烯和聚丙烯塑料,其中有机硅共聚物加工助剂已与塑料充分混合,二者的配比为1:4。

木塑复合材料生产商只需要添加1%的GENIOPLAST®母料即可达到预期效果。采用这种预先配制好的即用型混合料,加工助剂可以很好地融入木塑复合材料生产工艺,并与其他组分轻松混合。“在挤压成型过程中,GENIOPLAST®添加剂可确保挤压机中的木塑复合材料平滑运动,减少与挤压机内壁之间的摩擦。”Randel解释道。Randel在瓦克企业研发部门从事GENIOPLAST®有机硅添加剂的应用开发工作。

挤压成型速度更快

瓦克有机硅共聚物研究团队的Deniz-Neslihan Kacar正在实验室测定木塑复合材料试样的拉伸强度。

同时,由于瓦克共聚物分子链中含有极性尿素基团,它们通过氢键固定在木纤维颗粒表面,使颗粒功能化;非极性的有机硅链则向外突出,使颗粒彼此之间的滑移变得更加容易。这就降低了摩擦系数,进而减少了整个生产过程的能耗。除此之外,“尽管我们没有精确计算过,但挤压成型速度明显加快了,产能也相应提高。”Pinuform部门经理Diethard Cascorbi解释道。

另外,GENIOPLAST®不仅优化了木质纤维和其他天然纤维在聚合物中的分散特性,同时还增强了极性天然纤维表面在非极性聚合物基体中的相容性。“材料变得更加均匀,混合效果也更好。”Cascorbi证实道。

GENIOPLAST®添加剂不会影响木塑复合材料的优异特性,而传统的润滑剂则往往会对弹性模量、抗折强度、抗冲击强度、吸水性等技术性能产生不利影响。“凭借基于热塑性有机硅弹性体的新型母料,瓦克开发出了一种创新型加工助剂,这种助剂能够总体上降低木塑复合材料的生产成本,提高经济效益。”Randel强调道。

低吸水性

Pinuform生产厂一角:木塑复合材料也可以用来制造空心型材。

含有瓦克GENIOPLAST®共聚物的木塑复合材料产品吸水率更低,因此材料在潮湿环境下的膨胀和形变更小。Cascorbi会定期测量诺因霍夫生产的木塑复合材料型材的吸水率:将样品放在深平底锅中沸煮5个小时,其重量增加不超过2%。

与花旗松或落叶松实木露台地板相比,木塑复合材料地板由于吸水率低,明显更加耐用。例如,Pinuform的木塑板就拥有十年质保,只有褪色不在质保范围内,这是因为木材中的木质素暴露在紫外线下会发生降解。不过,褪色后的效果可能会更加令人满意,因为这样会使木塑复合材料看起来更接近实木。

“木塑复合材料为木材加工企业开辟了一项新业务,并因此扩展了其供应链。”Cascorbi解释道。凭借其出色的耐候性、颜料着色性和设计灵活性,木塑复合材料备受青睐,堪称纯塑料的理想替代材料,尤其是在家具、建筑和汽车行业,木塑复合材料制成的构件更加坚固,拉伸强度也更高。此外,它们还具有较低的热胀冷缩性和良好的减振性能。

空心型材不在话下

GENIOPLAST®

GENIOPLAST®是瓦克专为塑料工业开发的热塑性塑料改性用有机硅添加剂的注册商标。该产品呈粒状,使用方便,可以非常轻松地添加到传统生产工艺中。作为加工助剂,GENIOPLAST®可防止挤压机出现口模流涎,降低模头压力,提高熔体流动性。作为添加剂,它可提高耐擦洗性,降低摩擦系数,改善改性料的触感。基于GENIOPLAST®,瓦克研发出了用于木塑复合材料的加工助剂。

除挤压成型外,木塑复合材料也可通过注塑成型或其他成型工艺进行加工。每当拜访客户时,Cascorbi总是随身携带一个手提箱,里面装满各种成型制品,从种植箱到电池筒、木塑板样品,不一而足。木塑复合材料既可以生产实心型材,也可以生产空心型材,为轻型建筑提供了更具吸引力的选择。

此外,还可以调整木塑复合材料的木质纤维含量,以适应当地环境条件,满足不同的材料特性要求。在欧洲和美国,木塑复合材料生产主要以软木为原料;而在亚洲,除了使用谷壳等基于生物原料作为填料外,硬木材更为普遍。“采用这些原料制成的木塑复合材料更加环保,可帮助工业客户降低他们的碳排放量。”瓦克市场经理Martin Schmid强调道。

树木在生长过程中会不断吸收二氧化碳,而水泥等其他建筑材料在制造过程中会释放二氧化碳。因此,在全球变暖的今天,木材不仅仅是一种建筑材料,它们对于气候保护、控制温室气体排放具有非常重要的意义。

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