木塑复合物之耐候性能分析下秋千

木塑复合物之耐候性能分析(下)

最优化纤维混合物

结构性复合材料通过与不同的纤维或者是纤维及矿物填料组合，可以优化获得更高的性能。木粉混合其他纤维已经用了很多年了，如用于木质填充及玻璃增强船桩。一些铺板和木瓦产品也结合天然纤维如带木纤维的米糠（吸水少）、矿物和其他填料。

CreaFill Fibers公司是纤维素纤维的供应商，它在Madison报告了其复合材料半固化片（prepreg）的开发进展，半固化片用60%纤维素纤维和40% PTT（聚对苯二甲酸亚丙基酯）纤维（杜邦公司的Sorona地毯纤维）制成。半固化片采用湿式造纸加工方法，然后在热压机中固化，它使PTT熔融浸湿纤维素。其潜在的应用目标是高强度平板。

CreaFill公司说，纤维素纤维为扁平带状物，可显著提高冲击模量和弯曲模量。牛皮纸纤维厚1至2微米，宽30微米，长500至5000微米。而新闻纸纤维厚1至2微米，平均宽度64微米，平均长度1717微米。

PTT使得纤维素压缩成型而不发生热降解成为可能，因为PTT的熔融温度为437F，比PET的熔融温度（490F）低得多。PTT纤维也可以用壳牌公司（Shell）的Corterra树脂制成，其成本只略高于PET。

CreaFill公司测试了含60%新闻纸或牛皮纸纤维素和40%PTT纤维的半固化片。另外还测试了15% PET纤维/40% PTT纤维/45%牛皮纸纤维素混合物，及30% PET/40% PTT/30%牛皮纸纤维素混合物。添加PET可使极限伸长增加最高达27%，抗冲强度也有很大改善。

CreaFill公司供应一种由新闻纸制成的低成本纤维素纤维（牌号TC 1004），售价为20分/磅。平均的纤维长度为850微米，对于新闻纸类纤维素这已经很长了。TC 1004用于福特汽车公司（Ford Motor Co.,）的测试。与单独使用纤维素纤维相比，添加10%滑石粉和30%回收新闻纸纤维素到PLA（聚乳酸）的生物降解树脂基体中，可提高弯曲强度和弯曲模量。加入纤维素和滑石粉的PLA弯曲强度为94MPa，而如果只有纤维素，则为77 MPa。同样加入纤维素和滑石粉的弯曲模量为10.8MPa，只加纤维素的话，弯曲模量仅为6.7MPa。硅烷处理过的滑石粉（如Luzenac的 Mistron CB）可进一步明显提高各项性能。

图4：N-Fiberbase是一个免费数据库，提供有关天然纤维、塑料化合物、以及含以上材料的成品的数据信息。

泡沫状木纤维

添加剂、润滑剂、填料、纤维的类型和尺寸都会影响复合材料的刚性、耐候性、吸水性和颜色坚牢度，但它们之间的相互作用非常复杂，通常不能预计。在Madison会议上，多伦多大学的微孔塑料制造实验室报道说，例如木纤维的尺寸就会影响生成均匀细密泡孔的能力。

该大学用HDPE复合材料和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）等三种尺寸的木纤维。预期最小的纤维会生成最高的熔融粘度，因为最小的纤维表面面积最大，但是却没有。相反，中等尺寸的纤维获得了最大粘度。研究者认为可能是小纤维较大的表面面积使其可以释放更多的挥发物，这帮助其降低了粘度。另外，较小的木纤维有利于更精细的泡孔结构-可能是因为小纤维更能增强成核作用。

据位于East Lansing的密歇根州立大学森林系在Madison会议上报道，分批将木-PVC复合材料和CO2成泡时，抗冲改性剂会加速气体损失的速率。抗冲改性剂也会阻止体积膨胀（粗略估计20%的木质复合材料可以成泡，大多数以PVC为基础）。

老化预测

预测天气已经够难了，但预测木纤维的老化反应却更为困难。Madison会议展示了两项耐候性老化研究，比较了标准实验室测试条件和天然或模拟老化条件下的吸湿性，并发现了一些令人费解和惊奇的结果。

美国农业部森林产品实验室测试了紫外光加上喷水对50%木填充HDPE注塑件的影响。他们发现紫外光加上喷水给木质复合材料造成的损害比单独的紫外光或浸水要大得多。

按照标准的ASTM 测试方式，3000周期的紫外光和喷水——每个周期包括102分钟的紫外光照射，然后是18分钟的紫外光加喷水——使得测试复合材料的颜色浅了87%。而同样周期数，每个周期2小时单独使用紫外光，颜色只浅约28%。单独浸在水中的颜色变化也比紫外光/喷水小得多。通过紫外光加喷水，复合材料的密度也从1.08降到1.05g/cc，而如果是单独紫外光，密度仅降到1.07 g/cc。暴露在紫外光和喷水环境后，复合材料板也变薄了，而单独的紫外光并不会改变厚度。研究得出结论，紫外光加上水实际上会洗掉一层木质素，使木材降解。

这次会议上，位于密苏里州Lamar的Epoch Composite Products公司讨论了一项正在进行的耐候性研究的初期测试结果（12个月），比较了其EverGrain压缩成型铺板（聚烯烃中加入50%木粉）自然和加速老化的颜色坚实度。Epoch公司比较了自然老化8个月（ASTM G7）和1200小时的氙弧加速老化（ASTM G155）。测试涉及了两种铺板颜色，红杉和雪松，标准染料对特殊浓缩颜料，混合金属氧化无机颜料，颜料加抗氧剂和紫外稳定剂。

Epoch公司最初发现浓缩颜料可以提高老化性和颜色坚牢度。紫外/抗氧化剂稳定作用不能防止颜色变化，但肯定可以提高表面完整性和耐候性，混合金属氧化颜料完全不能提高颜色坚牢度。最初的数据也显示在化合前对木粉着色只能提高雪松色的颜色坚牢度，而对红杉色没有作用。使用二次加工的HDPE会引起表面降解，但不会影响颜色老化。

研究也揭示了自然室外使用和标准ASTM实验室测试其吸水性之间的巨大差异。Marek Gnatowski，加拿大塑料咨询公司Polymer Engineering Co.,的研究总监在Madison报道说，根据ASTM D1037 24小时浸渍实验铺板样品吸湿仅为1%。但如果是暴露在室外风化21个月，吸水至少为15%。

据称通常木质复合材料的总体水分含量不超过2%。但在板材末端和板表面1至7毫米以下的材料“经常含湿量超过25%”，Gnatowski注意到。25%的含湿量正适合于霉菌来攻击木塑复合材料。较高的木含量会提高这个高度充满湿气的表面区域的深度。Gnatowski发现在铺板化合物中添加硼酸锌作为生物杀灭剂，也可以降低吸水性。“这个功能是不知道，也没有想到的，”他补充道。

在Madison会议上，密歇根州立大学森林系还展示了木-HDPE复合材料在加速冰冻-熔化周期下的耐久性。冰冻和熔化会导致刚性的显著下降，而添加2%的偶合剂就可以避免这种现象。

菌类问题

Madison会议上还报道了墨西哥州Guadalajara大学和Corvalis Oregon州立大学合作的研究结果，研究表明在适当的环境下，木含量超过50%的复合材料，霉菌吃掉的不仅仅是表层。一种是在实验室中用非常薄的样板涂上琼脂——微生物增长介质的凝胶，用这些样品接种不同类型的霉菌，并在潮湿环境下培养12周。另一种试验方法，称作盐块试验（ASTM D1413），是把铺板样板暴露在湿盐中一段时间。虽然这些方法听起来并不象木塑铺板在真实世界中的情况，树叶和灰尘的聚集就能造成同样的影响。暴露在琼脂中的样板重量损失为10%至25%，而暴露在盐中的失重为12%至18%。

比利时Beologic公司在Madison会议上报道说，在这些试验中复合材料的含湿量飙升到65%至95%。而表面2微米厚的木质复合材料如果湿度超过25%，12周后就足已引起发霉。Beologic公司是聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯和聚氯乙烯木质填充塑料粒

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