吴文文, 何洪城, 陈 超

(1.湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004； 2.中南林业科技大学材料学院， 湖南 长沙 410004)

生态木竹纤维复合装饰板材成型工艺

吴文文1, 何洪城1, 陈 超2

(1.湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004； 2.中南林业科技大学材料学院， 湖南 长沙 410004)

天然纤维复合材料是国内外近年蓬勃兴起的一类新型绿色复合材料。本文研发了一种用于家具及室内装饰的多层复合板,其利用竹、木等植物纤维、原生态树脂、重钙粉为原料，采用共挤复合一次成型工艺实现产品其表层(植物纤维同质透心柔性卷材)与芯层(植物纤维微发泡材料)一次复合成型。同时，结合开炼、捏合和无胶黏剂复合等多项成型工艺新技术。产品生产和使用过程绿色环保,具有广阔的发展前景。

植物纤维; 绿色复合材料; 成型工艺

天然植物纤维(Natural Vegetable Fibers, NVF) 是自然界最丰富的天然高分子材料[1-3]，如木材、竹材、稻草、麦桔、谷糠、花生壳、甘蔗渣、椰子壳、亚麻、苎麻等，自然界中每年生长的纤维素(以天然植物纤维的形式存在)总量多达千亿吨,远远超过了地球上现有的石油总储量。此外，还有大量的农业加工废弃物等天然纤维资源，一些热带地区尤为丰富，每年从农业废弃物中提取的木质纤维可达2.5×109t[1-3]。

可再生资源的研究已列入国际上24个前沿领域之一，各国都投入大量资金对其进行研究与开发。根据美国能源部(DOE)“植物及粮食基可再生资源技术路线图”的规划，到2020年，来自植物可再生资源的基本化学结构材料将增加到20%，到2050年要达到50%[4-5]。如何充分利用天然植物纤维的潜力，发挥其独特的功能和特性，开发新的应用领域，是引人注目的热点[6-7]。天然植物纤维具有众多优点，如价格低廉、密度小、具有较高的弹性模量等，最为重要的是它的生物降解性和可再生性，这是其它任何增强材料无法比拟的，具有广阔的发展前景[8]。

因此，天然纤维复合材料(natural fiber reinforced plastics 简称NFRP)是国内外近年蓬勃兴起的一类新型绿色复合材料。我国有不少学者开展了这一方面研究，取得了一些阶段成果，但均未实现产业化[9-10]。

本文所研发的植物纤维复合板材是利用热塑性树脂，与植物纤维粉末、重质碳酸钙粉等混合，经挤出延压、模压成型工艺，同时结合开炼、捏合等橡胶加工工艺而生产出的板材。主要用于建材、家具、物流包装等行业。具有工艺简单，成本较低，产品性能优良的优势，有广阔的市场前景。

1 成型工艺

1.1 原材料及配比

生产原料主要有： 木质纤维粉(木、竹小径材和枝桠材、加工剩余物以及农作物秸秆等)、重质碳酸钙、热塑性树脂(聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯等)、发泡剂、辅料以及矿石颜料。

植物纤维多层复合板材采用三层夹芯结构，中间为纤维微发泡支撑层，厚度为8～20mm，支撑层为可再生热塑性树脂25%～35%(wt)、木质纤维粉55%～65%(wt)、发泡剂5%～10%(wt)、辅料8%～12%(wt)；上下两层为同质透心柔性植物纤维复合卷材增强层，厚度为1～2mm，增强层为可再生热塑性树脂25%～35%(wt)、木质纤维粉25%～35%(wt)、石灰石粉30%～40%(wt)、矿石颜料1%～3%(wt)。

1.2 植物纤维粉制备及纤维界面处理

(1) 将林区采伐后的小径材、枝桠材运至车间；

(2) 输送至刨片机打成长度20～30mm的刨花；

(3) 将刨花通过管道输送至干燥窑，干燥至含水率低于8%；

(4) 将干燥的刨花输送至打粉机研磨成纤维粉末；

(5) 由于纤维粉末与树脂、石灰石为非同性材料，界面相容性差，仅仅通过聚酯难以将其充分捏合[11]，将增强层纤维粉末通过洗涤、偶联剂浸渍处理、洗涤、干燥等工序进行纤维表面处理[11-12]；

(6) 将表面处理后的纤维粉末输送至干燥窑，干燥至含水率低于8%。

1.3 微发泡植物纤维复合素板(支撑层)成型

(1) 木质纤维粉末颗粒大小为0.154～0.180mm，可再生树脂选用PVC，按照比例混炼；输送至高速搅拌机，搅拌20～30min至混合均匀；

(2) 将混合物料注入锥形双螺杆挤出机，使其塑化及微发泡；温度：100～120℃，时间：15～20min；

(3) 输送至双滚延压机开炼延压成厚度为9～22mm板材，时间：1～5min；

(4) 输送至冷压机冷却定型，时间：20～30min；

(5) 输送至纵横切割机，制成规格为1220mm×2440mm×9～22mm成品。

1.4 同质透心卷材(增强层)成型

(1) 将增强层原料按可再生热塑性树脂、木质纤维粉末、石灰石粉、辅料配方输送至另一高速搅拌机，搅拌20～30min至混合均匀；

(2) 加入预设矿物颜料再次搅拌，注入锥形双螺杆挤出机，使其充分塑化，温度：100～120℃；时间：15～20min；

(3) 输送至双滚延压机开炼延压成厚度为1～2mm板材，时间：1～5min；

(4) 输送至冷压机冷却成型；

(5) 输送至纵横切割机，制成规格为1220mm×2440mm×1～2mm成品[13]。

1.5 植物纤维多层复合板材成型

(1) 将微发泡植物纤维复合素板和同质透心卷材输送至热压机，上下两层为同质透心卷材，进行热压；

(2) 输送至冷压机冷却成型；

(3) 输送至纵横切割机，制成规格为1220mm×2440mm成品。

经上述工艺成型后的板材如图1所示：

图1 植物纤维多层复合板材Fig.1 Plant fiber multi-layer composite board

2 工艺流程

植物纤维多层复合板材的制备流程如图2所示：

图2 植物纤维多层复合板材工艺流程图Fig.2 Process flow diagram of plant fiber multi-layer composite board

3 主要性能指标

将上述方法(图2)制备的植物纤维多层复合板材按照国标锯制试件，并进行性能检测，其结果如表1所示：

表1 植物纤维多层复合板材性能指标Tab.1 Theperformanceofplantfibermulti-layercompositeboard性能检测项目性能指标板材密度(g/cm3)≤0.6±0.5抗冲击强度(kj/m2)≥20～60弯曲强度(MPa)≥30邵氏硬度60～70加热变化率(%)横向-0.17纵向-0.20断裂伸长率(%)10弹性模量(MPa)≥1500～3000吸水率(%)≤0.5燃烧级别B1落球冲击无裂纹握螺钉力(N)2158维卡软化温度(℃)83.1

通过表1可以看出，经检测，其各方面的性能指标已超过普通人造板的力学性能，完全可以代替现有中密度纤维板、木竹胶合板等建筑模板的应用领域[14-15]。

4 讨论

(1) 植物纤维多层复合板材表面增强层采用独特的同质透心染色-双层压光技术，使其表层可以按需要生产出各式鲜艳的花纹图案，无需贴面工艺处理，实现免油漆；保证了表层最大可能的平整性，并为今后的保养创造了最佳条件。同时提高了产品抗压痕性能。

(2) 采用了微发泡工艺使其产品密度与一般木材相近，这样可有效节约原材料，减轻产品质量，降低生产成本，并可达到木材的质感效果。

(3) 将塑料、橡胶的挤出、压延、层压三种工艺优化组成在一条生产线中，解决了木纤维只能在“挤出模口”工艺生产的技术难题。在混料中，完成了原料的初级捏合，使木纤维与树脂、以及各种粒径的重钙与树脂都均匀粘合，使原料外观均为一种性质；混料的同时，可按不同需求、不同步骤加入各种助剂，如颜料、润滑剂、稳定剂、发泡剂等，以满足不同产品的需要；压延工艺多次压辊捏合改为挤出机捏合(需改变挤出机工况)，保证压延、覆膜原料供应的温度及数量稳定，保证产品颜色一致；由开炼机压片、成型，优点是可以多规格生产，节约模具投入，避免木纤维的炭化，解决木纤维薄片产品的生产难题。

(4) 同质透心卷材与植物纤维多层复合素板的无胶黏剂复合工艺，由于两种板材均采用同种树脂材料，在高温下可实现紧密结合。这消除了由于使用胶黏剂释放甲醛等有害气体的可能性。

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(文字编校：龚玉子)

Foamingprocessofecologicalwood-bamboofibercompositedecorativeboard

WU Wenwen1, HE Hongcheng1， CHEN Chao2

(1.Hunan Academy of Forestry，Changsha 410004，China； 2.Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004，China)

The natural fiber reinforced plastics is a new green composite which is rising in both home and abroad in recent years. The plant fiber multilayer decorative board in this paper which used with the Wood and other plant fibers , the original ecological resin , heavy calcium powder as raw material. Using a molding process to achieve coextruded product of its surface ( plant fiber homogeneity through the heart of the flexible membrane ) and core ( plant fiber microcellular foam material ) a composite molding. It combined with supercritical fluid foaming molding, rubber mixing delay and no adhesive gluing technique. It no harm to environment in both producing and using, it’s also biodegradable and comply with the environmental protection material requirements and has a broad development prospect.

plant fiber; green composite material; process

2013 — 08 — 05

国家林业局948项目“木质天然纤维增强复合材料关键技术引进”(2011-4-11)。

TB 322

A

1003 — 5710(2013)05 — 0051 — 03

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2013. 05. 014