微孔發(fā)泡木塑復(fù)合材料
http://m.dcyhziu.cn 2007/6/18 源自:中華職工學(xué)習(xí)網(wǎng) 【字體：
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與普通木塑復(fù)合材料相比，微孔發(fā)泡木塑復(fù)合材料不僅具有更低的密度，而且具有更高的抗沖擊強(qiáng)度、韌性、疲勞周期及熱穩(wěn)定性等。近年來，隨著技術(shù)水平的不斷升級以及人們對其了解的逐漸深入，微孔發(fā)泡木塑復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，顯示出良好的發(fā)展前景。
木塑復(fù)合材料一般是指用木纖維或植物纖維填充、增強(qiáng)改性的熱塑性材料。木塑復(fù)合材料使用纖維素纖維作為聚合物基體的增強(qiáng)填料，能夠降低材料成本，提高制品剛度。然而，相對于高密度純塑料或木料，木塑復(fù)合材料的其他一些物理機(jī)械性能，如延展性、沖擊強(qiáng)度等都有下降，再加上材料本身的脆性等因素都限制了其廣泛應(yīng)用。
在分析木塑復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量、抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度模量之間的差異后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，木塑復(fù)合材料的抗彎性能遠(yuǎn)低于鵝掌楸和速生楊。因此，用木粉和廢舊塑料經(jīng)擠出成型的木塑復(fù)合材料表現(xiàn)出塑料力學(xué)性質(zhì)為主的特點(diǎn)，木材的力學(xué)性質(zhì)不明顯，用于代替木材做結(jié)構(gòu)材料尚不成熟，并且抗彎、抗沖擊和縱向抗壓強(qiáng)度還有待進(jìn)一步提高。另外，熱塑性木塑復(fù)合材料的密度較大（通常約為實(shí)木密度的2倍多），在某種程度上也限制了其應(yīng)用。
應(yīng)用木塑復(fù)合材料的微孔發(fā)泡技術(shù)，可以解決普通木塑制品中存在的諸如密度大、尺寸不能滿足實(shí)際需要等問題，從而擴(kuò)大木塑制品的應(yīng)用領(lǐng)域。微孔發(fā)泡木塑復(fù)合型材是以熱塑性塑料為基體，木屑或植物纖維為主要填充料，表面結(jié)皮、芯層發(fā)泡的一種低發(fā)泡擠出制品。其表層必須形成硬皮，屬于發(fā)泡類型中的可控制發(fā)泡。當(dāng)熔體從口模擠出時(shí)，發(fā)泡熔體表面受到強(qiáng)烈的冷卻作用，材料表面形成硬皮，截面不再增大，發(fā)泡只在芯部進(jìn)行。微孔發(fā)泡的泡孔密度為109～1015個(gè)/cm3 ，泡孔直徑在0.1～10μm，其泡孔尺寸遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)發(fā)泡材料。這些小氣泡能夠有效阻止材料中原有裂紋的擴(kuò)展，使裂紋尖端變鈍，不僅可以減小材料密度，而且能夠顯著提高材料的抗沖擊強(qiáng)度、韌性、疲勞周期、熱穩(wěn)定性等。因此，對木纖維復(fù)合材料進(jìn)行微孔發(fā)泡能夠克服材料物理機(jī)械性能等方面的缺陷，有效改善其使用性能。
成核理論
微孔發(fā)泡的成核理論主要有Colton的經(jīng)典成核理論和由該理論發(fā)展而來的一系列新理論。實(shí)際上，界面成核理論就是一種非均相成核理論，也是經(jīng)典成核理論所涉及到的成核。在發(fā)泡機(jī)機(jī)頭表面與聚合物熔體的界面上，或固體粒子（如成核劑、填料、雜質(zhì)等）與聚合物熔體的界面上，由于氣體分子對固相表面更潤濕，使其界面上成核所需克服的自由能壘降低，當(dāng)外界條件改變時(shí)，氣體分子將優(yōu)先聚集在固體-液體界面上形成氣泡核。另外，當(dāng)體系中存在成核劑或其他固體顆粒時(shí)，某些顆粒具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，或者具有粗糙不平的表面，這些顆粒在進(jìn)入機(jī)筒之前，空氣等氣體已被吸附在顆粒的內(nèi)部或表層深處。由于粗糙表面內(nèi)的劈楔作用，以及劈楔阻力和氣體的存在，外部熔體不易進(jìn)入到劈楔內(nèi)部，使劈楔尖端被熔體封閉成微小的空穴。在這種空穴存在的情況下，會(huì)優(yōu)先成核。
氣泡成長模型
與海島模型相比，細(xì)胞模型具有更廣泛的適用范圍。細(xì)胞模型認(rèn)為，在氣泡的增長過程中，大量氣泡的存在使每個(gè)氣泡擁有熔膜的質(zhì)量保持不變，氣泡只能與各自的熔膜進(jìn)行質(zhì)量、動(dòng)量及能量的傳遞。經(jīng)研究表明，泡孔外面包裹著一層很薄的熔膜，而被無限的熔體包圍，并且考慮熔體壓力和流速等參數(shù)對泡核增長的影響，仍對單個(gè)泡孔進(jìn)行描述。實(shí)際上，在大量泡孔存在的條件下，泡孔間距遠(yuǎn)小于泡孔的直徑，泡孔間的影響不能忽略，基于這種考慮，采用細(xì)胞模型研究多個(gè)氣泡在等溫、可壓縮牛頓流體中的增長過程，假設(shè)在氣泡增長過程中外層的熔膜質(zhì)量保持不變，用數(shù)值分析的辦法，描述氣泡增長過程。
以細(xì)胞模型為基礎(chǔ)，采用數(shù)值模擬手段在氣泡增長控制方面進(jìn)行大量的研究，首次將氣泡與熔膜間的質(zhì)量傳遞、動(dòng)量傳遞和能量傳遞等復(fù)雜的交換過程作為氣泡增長的控制參數(shù)。這種方式的不足之處是未能將計(jì)算直接與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合起來，模擬的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步考證。氣泡增長的影響因素大致可分為兩大類：一類屬于發(fā)泡體系的物性參數(shù)，如氣體的種類、擴(kuò)散系數(shù)、溶解度、熔體的粘彈性、氣體-聚合物熔體的界面張力等，這些參數(shù)主要通過界面間的物理傳遞來影響氣泡增長；另一類屬于加工工藝參數(shù)，如壓力、溫度、剪切速率、添加劑等，這類參數(shù)主要通過熱力學(xué)性能來影響氣泡增長。
同時(shí)，氣泡增長決定泡孔大小，當(dāng)氣泡增長停止，也就意味著泡孔定型。所以，研究泡孔定型過程歸根結(jié)底還是要研究氣泡增長過程。
各因素對發(fā)泡的影響
1、基體材料的影響
木塑復(fù)合材料的基體材料包括PE、PVC、PP、PS等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前市場上的木塑復(fù)合材料仍以PE為主，其次是PVC、PP木塑復(fù)合材料。其中，PE、PS為非極性材料，PVC為極性材料，而木粉、稻殼、麥秸等植物纖維多為非極性的。極性材料和非極性材料之間必須有一定強(qiáng)度的界面力才能形成比較好的粘結(jié)。
有專家認(rèn)為，PE 熔體的塑化溫度必須略低于主發(fā)泡劑AC的分解溫度，PE 樹脂平均聚合度越低，熔體塑化所需要的加工溫度越低。因此，選擇熔體指數(shù)約為1 g/10min(190 ℃，3 2. 16 kg) 的PE樹脂為宜。經(jīng)有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，高熔體質(zhì)量流動(dòng)速率的PP基體樹脂有助于改善泡孔的形態(tài)及其分布。
2、增強(qiáng)體（或填料）的影響
增強(qiáng)體（或填料）主要包括木粉、稻殼粉，麥秸、竹粉等植物纖維，還包括如玻璃纖維等一些增強(qiáng)材料，其添加份額對發(fā)泡的影響很大。
北京化工大學(xué)塑料研究所分別研究了PVC/竹粉、PVC/楊木粉、PVC/砂光粉等木塑復(fù)合材料的發(fā)泡性能。砂光粉因含有較多的粘合劑和石膏粉，大大增加了材料的發(fā)泡難度。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，采用復(fù)配助劑和發(fā)泡劑可成功發(fā)泡PVC/砂光粉木塑復(fù)合材料，材料發(fā)泡后的密度可控制在0.70～0.85 g/cm3之間。
對木粉/聚乙烯復(fù)合發(fā)泡技術(shù)的配方進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)木粉含量較少時(shí)，材料中以聚乙烯為主，木粉對發(fā)泡程度沒有太大影響。因此，模頭出口處膨脹大，芯部結(jié)構(gòu)疏松，而由于聚乙烯本身密度比木粉大，使制品最終密度大；當(dāng)木粉含量較多時(shí)，則占據(jù)材料中較大的空間，減少了發(fā)泡空間，降低了發(fā)泡程度。因此，離模膨脹較小，雖泡孔小，但制品中所含密度很低的木粉占到了相當(dāng)比例，從總體上降低了制品的密度；而當(dāng)木粉含量大到完全占據(jù)了發(fā)泡空間時(shí)，發(fā)泡過程不能進(jìn)行，模頭出料基本不膨脹，這時(shí)則純粹是木粉與聚乙烯的填充擠出，木粉雖能起到一定的降低制品密度的作用，但遠(yuǎn)不如木粉加發(fā)泡的效果明顯。
有研究表明，木粉可作為泡孔成核劑。在一定的范圍內(nèi)，增加木粉的用量不但有助于提高泡孔密度，而且減小了泡孔的平均尺寸。
在物料的擠出過程中，木粉里含少量的水分可以起到發(fā)泡劑的作用。當(dāng)木粉中含水分在10 %以上時(shí)，受熱形成的水蒸汽不能及時(shí)排出，過多地混合于材料中，容易降低材料的粘度，破壞發(fā)泡劑所形成的均勻泡孔，使制品泡孔大小不一。此外，在模頭出口處仍有大量水蒸汽逸出，會(huì)影響表面結(jié)皮，牽引易斷裂。因此，應(yīng)對木粉進(jìn)行適當(dāng)?shù)母稍锾幚�，以利于擠出牽引，提高材料發(fā)泡程度并降低其密度。
各種機(jī)制木粉的長徑比不同，用途也不同。長徑比大于15的木粉可作為增強(qiáng)材料，然而價(jià)格昂貴；長徑比小于2.5的木粉則不能作為增強(qiáng)材料。木粉的粒徑必須控制在合適的范圍內(nèi)，以保證在復(fù)合材料中能最緊密配置，使木粉顆粒被PE 等很好地濕潤。同時(shí)，木纖維較長有利于提高復(fù)合物的強(qiáng)度，但另一方面給發(fā)泡氣體提供了易散的通道，在一定程度上影響發(fā)泡效果。有相關(guān)研究表明，發(fā)泡木塑復(fù)合材料中木纖維的直徑不能超過100～200 μm，并且木纖維的長度、幾何形狀及其用量均對復(fù)合材料中泡孔的大小、形狀及分布有一定影響。
3、發(fā)泡劑及其助劑的影響
常用的化學(xué)發(fā)泡劑分為放熱型發(fā)泡劑和吸熱型發(fā)泡劑。AC (偶氮二甲酰胺)是常用的放熱型發(fā)泡劑，以發(fā)氣量高，分解產(chǎn)物無毒無嗅，室溫貯藏穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而成為目前應(yīng)用最廣泛的發(fā)泡劑。另外，NaHCO3是最常用的吸熱型發(fā)泡劑。
對化學(xué)發(fā)泡劑類型、用量對高密度聚乙烯(HDPE)／木粉復(fù)合材料影響的研究表明，化學(xué)發(fā)泡劑類型對復(fù)合材料的泡孔尺寸基本上沒有影響。但隨著發(fā)泡劑用量的增加，復(fù)合材料的空隙率增加，并在發(fā)泡劑用量為一定時(shí)達(dá)到最大。進(jìn)一步增大發(fā)泡劑用量，空隙率基本保持不變。
單獨(dú)使用AC作為PVC發(fā)泡劑的效果卻并不理想。AC的分解溫度為195℃～220℃，而PVC的加工溫度為170℃～190℃。在PVC的加工溫度內(nèi)，AC的分解發(fā)泡是一個(gè)放熱型的反應(yīng)，而且熱分解溫度范圍小，分解速度較快，使樹脂局部溫度上升，導(dǎo)致PVC分解或老化，制品發(fā)黃。
國內(nèi)外大量實(shí)踐表明，復(fù)合化學(xué)發(fā)泡劑用于生產(chǎn)低發(fā)泡木塑復(fù)合材料能夠取得較好的效果。這種復(fù)合發(fā)泡劑的主要成分為NaHCO3（分解溫度100℃～140 ℃）和AC （分解溫度220 ℃），經(jīng)過特殊的混合和表面處理工藝，使之與PE 、PVC樹脂形成相容性好、分散性優(yōu)良的混合體系。其中，AC 為主發(fā)泡劑，NaHCO3為輔助發(fā)泡劑。復(fù)合發(fā)泡劑釋放出的氣體主要為氮?dú)狻⑺魵�、二氧化碳，這些氣體對機(jī)械模具無腐蝕作用，并且不易燃燒和爆炸。需要注意的是，發(fā)泡劑的用量會(huì)直接影響制品的密度。在相同的加工條件下，發(fā)泡劑濃度增加，氣體體積分?jǐn)?shù)增加，即制品發(fā)泡倍率增加，相對密度減小。
目前，吸放熱型發(fā)泡劑一般都是以改性吸熱性發(fā)泡劑NaHCO3同AC 加上成核劑混合而成，其混合比必須滿足：吸熱熱焓等于放熱熱焓；混合物的發(fā)氣速度相對較快，但是不能沖破泡壁，以便形成規(guī)整、均勻的微孔；應(yīng)能控制起發(fā)泡過程。德國B1L1Chemical 公司開發(fā)的吸放熱發(fā)泡劑EXOCEROL232 具有熱分解過程平緩、分解時(shí)吸放熱基本平衡的特點(diǎn)，使發(fā)泡過程、泡沫結(jié)構(gòu)與尺寸容易控制。其分解溫度在180 ℃左右, 分解發(fā)氣量為16713cm3/ g ，低于AC 發(fā)泡劑，但分解反應(yīng)比AC更穩(wěn)定。
此外，利用NaHCO3 、AC、ZnO、檸檬酸硬酯酸鉛等混合制成吸放熱平衡發(fā)泡劑。該發(fā)泡劑可以降低AC 的分解溫度，放熱峰值為152 ℃，吸熱峰值為169 ℃，吸熱熱焓為25018J/g，放熱熱焓為25215J/g。
4、表面處理劑的影響
木纖維表面有大量的極性官能團(tuán)，在木塑復(fù)合材料的制備過程中，親水性的木纖維與憎水性的聚合物基體之間存在比較大的界面能差，兩者界面很難充分融合。因此，木纖維與聚合物基體的粘接狀況是影響復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素，界面粘接強(qiáng)度決定了復(fù)合材料的強(qiáng)度。在通常情況下，可對木纖維進(jìn)行表面改性處理來提高界面粘接強(qiáng)度。表面處理劑主要通過化學(xué)反應(yīng)以減少木纖維表面的羥基數(shù)目，在木粉和聚合物之間建立物理和化學(xué)交聯(lián)，通過在木粉表面形成一層憎水性薄膜，從而提高與聚合物的相容性并促進(jìn)木粉的分散。目前，常用的方法包括潤滑劑法、偶聯(lián)劑法、超分散劑法及相容劑法等。
為確保木粉與PE 的相容性，通過加入占木粉質(zhì)量1 %的鈦酸酯偶聯(lián)劑，大大提高PE 對木粉的浸潤性，并提高界面的結(jié)合力。
采用脂肪酸、鋁酸酯偶聯(lián)劑和丙烯酸烷基酯接枝聚合表面處理的木粉為增強(qiáng)材料制備PVC/木粉發(fā)泡復(fù)合材料。有專家在研究木粉的處理方法對復(fù)合材料力學(xué)性能、發(fā)泡性能的影響，并用掃描電子顯微鏡對木粉和PVC 基體之間的結(jié)合界面進(jìn)行觀察后發(fā)現(xiàn)，用鋁酸酯偶聯(lián)劑和丙烯酸丁酯偶聯(lián)劑處理木粉可顯著提高木粉填充PVC 發(fā)泡材料的力學(xué)性能。
利用表面接枝甲基丙烯酸甲酯來處理木纖維，可增強(qiáng)其與PVC樹脂的界面粘合性。用硝酸鈰銨作為引發(fā)劑在木纖維表面羥基處形成自由基，這些自由基與甲基丙烯酸甲酯發(fā)生反應(yīng)，形成接枝物。
在某些研究中，選用硅烷作為處理劑，對比木粉未處理和已處理兩種情況下PVC/木纖維復(fù)合材料試樣的氣體滲透能力，發(fā)現(xiàn)木粉處理后會(huì)降低試樣的氣體滲透能力。在發(fā)泡PVC/木纖維復(fù)合材料的性能方面，拉伸強(qiáng)度隨木粉含量的增加而增加（這種趨勢在木粉處理后更加明顯），但木粉處理與否對試樣的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能影響不明顯。
發(fā)展前景
作為一種發(fā)展迅速的新型木塑復(fù)合材料，微孔發(fā)泡木塑復(fù)合材料具有極其寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域，并且優(yōu)異的性價(jià)比、可回收性、環(huán)境友好性成為該類材料的發(fā)展方向。近年來，隨著技術(shù)水平的不斷升級以及人們對其了解的逐漸深入，微孔木塑復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，如汽車內(nèi)飾（美國福特，德國奔馳、奧迪、法國雪鐵龍、瑞典沃爾沃等名牌轎車的內(nèi)裝飾基材，均不同程度使用了木塑復(fù)合材料）、復(fù)合管材、鐵路枕木、車廂箱板、電纜護(hù)管、井蓋等，其中很多產(chǎn)品已從論證階段步入應(yīng)用測試階段。值得注意的是，從近幾屆國際汽車博覽會(huì)推出的轎車零部件產(chǎn)品來看，采用木塑復(fù)合材料制造轎車內(nèi)飾件基材，已經(jīng)成為此類產(chǎn)品發(fā)展的主要應(yīng)用趨勢之一。此外，充分利用計(jì)算機(jī)資源，將軟件模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)引入到發(fā)泡木塑復(fù)合材料的配方設(shè)計(jì)中，也是賦予其更卓越性能的重要方法。
木塑復(fù)合材料一般是指用木纖維或植物纖維填充、增強(qiáng)改性的熱塑性材料。木塑復(fù)合材料使用纖維素纖維作為聚合物基體的增強(qiáng)填料，能夠降低材料成本，提高制品剛度。然而，相對于高密度純塑料或木料，木塑復(fù)合材料的其他一些物理機(jī)械性能，如延展性、沖擊強(qiáng)度等都有下降，再加上材料本身的脆性等因素都限制了其廣泛應(yīng)用。
在分析木塑復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量、抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度模量之間的差異后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，木塑復(fù)合材料的抗彎性能遠(yuǎn)低于鵝掌楸和速生楊。因此，用木粉和廢舊塑料經(jīng)擠出成型的木塑復(fù)合材料表現(xiàn)出塑料力學(xué)性質(zhì)為主的特點(diǎn)，木材的力學(xué)性質(zhì)不明顯，用于代替木材做結(jié)構(gòu)材料尚不成熟，并且抗彎、抗沖擊和縱向抗壓強(qiáng)度還有待進(jìn)一步提高。另外，熱塑性木塑復(fù)合材料的密度較大（通常約為實(shí)木密度的2倍多），在某種程度上也限制了其應(yīng)用。
應(yīng)用木塑復(fù)合材料的微孔發(fā)泡技術(shù)，可以解決普通木塑制品中存在的諸如密度大、尺寸不能滿足實(shí)際需要等問題，從而擴(kuò)大木塑制品的應(yīng)用領(lǐng)域。微孔發(fā)泡木塑復(fù)合型材是以熱塑性塑料為基體，木屑或植物纖維為主要填充料，表面結(jié)皮、芯層發(fā)泡的一種低發(fā)泡擠出制品。其表層必須形成硬皮，屬于發(fā)泡類型中的可控制發(fā)泡。當(dāng)熔體從口模擠出時(shí)，發(fā)泡熔體表面受到強(qiáng)烈的冷卻作用，材料表面形成硬皮，截面不再增大，發(fā)泡只在芯部進(jìn)行。微孔發(fā)泡的泡孔密度為109～1015個(gè)/cm3 ，泡孔直徑在0.1～10μm，其泡孔尺寸遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)發(fā)泡材料。這些小氣泡能夠有效阻止材料中原有裂紋的擴(kuò)展，使裂紋尖端變鈍，不僅可以減小材料密度，而且能夠顯著提高材料的抗沖擊強(qiáng)度、韌性、疲勞周期、熱穩(wěn)定性等。因此，對木纖維復(fù)合材料進(jìn)行微孔發(fā)泡能夠克服材料物理機(jī)械性能等方面的缺陷，有效改善其使用性能。
成核理論
微孔發(fā)泡的成核理論主要有Colton的經(jīng)典成核理論和由該理論發(fā)展而來的一系列新理論。實(shí)際上，界面成核理論就是一種非均相成核理論，也是經(jīng)典成核理論所涉及到的成核。在發(fā)泡機(jī)機(jī)頭表面與聚合物熔體的界面上，或固體粒子（如成核劑、填料、雜質(zhì)等）與聚合物熔體的界面上，由于氣體分子對固相表面更潤濕，使其界面上成核所需克服的自由能壘降低，當(dāng)外界條件改變時(shí)，氣體分子將優(yōu)先聚集在固體-液體界面上形成氣泡核。另外，當(dāng)體系中存在成核劑或其他固體顆粒時(shí)，某些顆粒具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，或者具有粗糙不平的表面，這些顆粒在進(jìn)入機(jī)筒之前，空氣等氣體已被吸附在顆粒的內(nèi)部或表層深處。由于粗糙表面內(nèi)的劈楔作用，以及劈楔阻力和氣體的存在，外部熔體不易進(jìn)入到劈楔內(nèi)部，使劈楔尖端被熔體封閉成微小的空穴。在這種空穴存在的情況下，會(huì)優(yōu)先成核。
氣泡成長模型
與海島模型相比，細(xì)胞模型具有更廣泛的適用范圍。細(xì)胞模型認(rèn)為，在氣泡的增長過程中，大量氣泡的存在使每個(gè)氣泡擁有熔膜的質(zhì)量保持不變，氣泡只能與各自的熔膜進(jìn)行質(zhì)量、動(dòng)量及能量的傳遞。經(jīng)研究表明，泡孔外面包裹著一層很薄的熔膜，而被無限的熔體包圍，并且考慮熔體壓力和流速等參數(shù)對泡核增長的影響，仍對單個(gè)泡孔進(jìn)行描述。實(shí)際上，在大量泡孔存在的條件下，泡孔間距遠(yuǎn)小于泡孔的直徑，泡孔間的影響不能忽略，基于這種考慮，采用細(xì)胞模型研究多個(gè)氣泡在等溫、可壓縮牛頓流體中的增長過程，假設(shè)在氣泡增長過程中外層的熔膜質(zhì)量保持不變，用數(shù)值分析的辦法，描述氣泡增長過程。
以細(xì)胞模型為基礎(chǔ)，采用數(shù)值模擬手段在氣泡增長控制方面進(jìn)行大量的研究，首次將氣泡與熔膜間的質(zhì)量傳遞、動(dòng)量傳遞和能量傳遞等復(fù)雜的交換過程作為氣泡增長的控制參數(shù)。這種方式的不足之處是未能將計(jì)算直接與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合起來，模擬的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步考證。氣泡增長的影響因素大致可分為兩大類：一類屬于發(fā)泡體系的物性參數(shù)，如氣體的種類、擴(kuò)散系數(shù)、溶解度、熔體的粘彈性、氣體-聚合物熔體的界面張力等，這些參數(shù)主要通過界面間的物理傳遞來影響氣泡增長；另一類屬于加工工藝參數(shù)，如壓力、溫度、剪切速率、添加劑等，這類參數(shù)主要通過熱力學(xué)性能來影響氣泡增長。
同時(shí)，氣泡增長決定泡孔大小，當(dāng)氣泡增長停止，也就意味著泡孔定型。所以，研究泡孔定型過程歸根結(jié)底還是要研究氣泡增長過程。
各因素對發(fā)泡的影響
1、基體材料的影響
木塑復(fù)合材料的基體材料包括PE、PVC、PP、PS等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前市場上的木塑復(fù)合材料仍以PE為主，其次是PVC、PP木塑復(fù)合材料。其中，PE、PS為非極性材料，PVC為極性材料，而木粉、稻殼、麥秸等植物纖維多為非極性的。極性材料和非極性材料之間必須有一定強(qiáng)度的界面力才能形成比較好的粘結(jié)。
有專家認(rèn)為，PE 熔體的塑化溫度必須略低于主發(fā)泡劑AC的分解溫度，PE 樹脂平均聚合度越低，熔體塑化所需要的加工溫度越低。因此，選擇熔體指數(shù)約為1 g/10min(190 ℃，3 2. 16 kg) 的PE樹脂為宜。經(jīng)有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，高熔體質(zhì)量流動(dòng)速率的PP基體樹脂有助于改善泡孔的形態(tài)及其分布。
2、增強(qiáng)體（或填料）的影響
增強(qiáng)體（或填料）主要包括木粉、稻殼粉，麥秸、竹粉等植物纖維，還包括如玻璃纖維等一些增強(qiáng)材料，其添加份額對發(fā)泡的影響很大。
北京化工大學(xué)塑料研究所分別研究了PVC/竹粉、PVC/楊木粉、PVC/砂光粉等木塑復(fù)合材料的發(fā)泡性能。砂光粉因含有較多的粘合劑和石膏粉，大大增加了材料的發(fā)泡難度。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，采用復(fù)配助劑和發(fā)泡劑可成功發(fā)泡PVC/砂光粉木塑復(fù)合材料，材料發(fā)泡后的密度可控制在0.70～0.85 g/cm3之間。
對木粉/聚乙烯復(fù)合發(fā)泡技術(shù)的配方進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)木粉含量較少時(shí)，材料中以聚乙烯為主，木粉對發(fā)泡程度沒有太大影響。因此，模頭出口處膨脹大，芯部結(jié)構(gòu)疏松，而由于聚乙烯本身密度比木粉大，使制品最終密度大；當(dāng)木粉含量較多時(shí)，則占據(jù)材料中較大的空間，減少了發(fā)泡空間，降低了發(fā)泡程度。因此，離模膨脹較小，雖泡孔小，但制品中所含密度很低的木粉占到了相當(dāng)比例，從總體上降低了制品的密度；而當(dāng)木粉含量大到完全占據(jù)了發(fā)泡空間時(shí)，發(fā)泡過程不能進(jìn)行，模頭出料基本不膨脹，這時(shí)則純粹是木粉與聚乙烯的填充擠出，木粉雖能起到一定的降低制品密度的作用，但遠(yuǎn)不如木粉加發(fā)泡的效果明顯。
有研究表明，木粉可作為泡孔成核劑。在一定的范圍內(nèi)，增加木粉的用量不但有助于提高泡孔密度，而且減小了泡孔的平均尺寸。
在物料的擠出過程中，木粉里含少量的水分可以起到發(fā)泡劑的作用。當(dāng)木粉中含水分在10 %以上時(shí)，受熱形成的水蒸汽不能及時(shí)排出，過多地混合于材料中，容易降低材料的粘度，破壞發(fā)泡劑所形成的均勻泡孔，使制品泡孔大小不一。此外，在模頭出口處仍有大量水蒸汽逸出，會(huì)影響表面結(jié)皮，牽引易斷裂。因此，應(yīng)對木粉進(jìn)行適當(dāng)?shù)母稍锾幚�，以利于擠出牽引，提高材料發(fā)泡程度并降低其密度。
各種機(jī)制木粉的長徑比不同，用途也不同。長徑比大于15的木粉可作為增強(qiáng)材料，然而價(jià)格昂貴；長徑比小于2.5的木粉則不能作為增強(qiáng)材料。木粉的粒徑必須控制在合適的范圍內(nèi)，以保證在復(fù)合材料中能最緊密配置，使木粉顆粒被PE 等很好地濕潤。同時(shí)，木纖維較長有利于提高復(fù)合物的強(qiáng)度，但另一方面給發(fā)泡氣體提供了易散的通道，在一定程度上影響發(fā)泡效果。有相關(guān)研究表明，發(fā)泡木塑復(fù)合材料中木纖維的直徑不能超過100～200 μm，并且木纖維的長度、幾何形狀及其用量均對復(fù)合材料中泡孔的大小、形狀及分布有一定影響。
3、發(fā)泡劑及其助劑的影響
常用的化學(xué)發(fā)泡劑分為放熱型發(fā)泡劑和吸熱型發(fā)泡劑。AC (偶氮二甲酰胺)是常用的放熱型發(fā)泡劑，以發(fā)氣量高，分解產(chǎn)物無毒無嗅，室溫貯藏穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而成為目前應(yīng)用最廣泛的發(fā)泡劑。另外，NaHCO3是最常用的吸熱型發(fā)泡劑。
對化學(xué)發(fā)泡劑類型、用量對高密度聚乙烯(HDPE)／木粉復(fù)合材料影響的研究表明，化學(xué)發(fā)泡劑類型對復(fù)合材料的泡孔尺寸基本上沒有影響。但隨著發(fā)泡劑用量的增加，復(fù)合材料的空隙率增加，并在發(fā)泡劑用量為一定時(shí)達(dá)到最大。進(jìn)一步增大發(fā)泡劑用量，空隙率基本保持不變。
單獨(dú)使用AC作為PVC發(fā)泡劑的效果卻并不理想。AC的分解溫度為195℃～220℃，而PVC的加工溫度為170℃～190℃。在PVC的加工溫度內(nèi)，AC的分解發(fā)泡是一個(gè)放熱型的反應(yīng)，而且熱分解溫度范圍小，分解速度較快，使樹脂局部溫度上升，導(dǎo)致PVC分解或老化，制品發(fā)黃。
國內(nèi)外大量實(shí)踐表明，復(fù)合化學(xué)發(fā)泡劑用于生產(chǎn)低發(fā)泡木塑復(fù)合材料能夠取得較好的效果。這種復(fù)合發(fā)泡劑的主要成分為NaHCO3（分解溫度100℃～140 ℃）和AC （分解溫度220 ℃），經(jīng)過特殊的混合和表面處理工藝，使之與PE 、PVC樹脂形成相容性好、分散性優(yōu)良的混合體系。其中，AC 為主發(fā)泡劑，NaHCO3為輔助發(fā)泡劑。復(fù)合發(fā)泡劑釋放出的氣體主要為氮?dú)狻⑺魵�、二氧化碳，這些氣體對機(jī)械模具無腐蝕作用，并且不易燃燒和爆炸。需要注意的是，發(fā)泡劑的用量會(huì)直接影響制品的密度。在相同的加工條件下，發(fā)泡劑濃度增加，氣體體積分?jǐn)?shù)增加，即制品發(fā)泡倍率增加，相對密度減小。
目前，吸放熱型發(fā)泡劑一般都是以改性吸熱性發(fā)泡劑NaHCO3同AC 加上成核劑混合而成，其混合比必須滿足：吸熱熱焓等于放熱熱焓；混合物的發(fā)氣速度相對較快，但是不能沖破泡壁，以便形成規(guī)整、均勻的微孔；應(yīng)能控制起發(fā)泡過程。德國B1L1Chemical 公司開發(fā)的吸放熱發(fā)泡劑EXOCEROL232 具有熱分解過程平緩、分解時(shí)吸放熱基本平衡的特點(diǎn)，使發(fā)泡過程、泡沫結(jié)構(gòu)與尺寸容易控制。其分解溫度在180 ℃左右, 分解發(fā)氣量為16713cm3/ g ，低于AC 發(fā)泡劑，但分解反應(yīng)比AC更穩(wěn)定。
此外，利用NaHCO3 、AC、ZnO、檸檬酸硬酯酸鉛等混合制成吸放熱平衡發(fā)泡劑。該發(fā)泡劑可以降低AC 的分解溫度，放熱峰值為152 ℃，吸熱峰值為169 ℃，吸熱熱焓為25018J/g，放熱熱焓為25215J/g。
4、表面處理劑的影響
木纖維表面有大量的極性官能團(tuán)，在木塑復(fù)合材料的制備過程中，親水性的木纖維與憎水性的聚合物基體之間存在比較大的界面能差，兩者界面很難充分融合。因此，木纖維與聚合物基體的粘接狀況是影響復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素，界面粘接強(qiáng)度決定了復(fù)合材料的強(qiáng)度。在通常情況下，可對木纖維進(jìn)行表面改性處理來提高界面粘接強(qiáng)度。表面處理劑主要通過化學(xué)反應(yīng)以減少木纖維表面的羥基數(shù)目，在木粉和聚合物之間建立物理和化學(xué)交聯(lián)，通過在木粉表面形成一層憎水性薄膜，從而提高與聚合物的相容性并促進(jìn)木粉的分散。目前，常用的方法包括潤滑劑法、偶聯(lián)劑法、超分散劑法及相容劑法等。
為確保木粉與PE 的相容性，通過加入占木粉質(zhì)量1 %的鈦酸酯偶聯(lián)劑，大大提高PE 對木粉的浸潤性，并提高界面的結(jié)合力。
采用脂肪酸、鋁酸酯偶聯(lián)劑和丙烯酸烷基酯接枝聚合表面處理的木粉為增強(qiáng)材料制備PVC/木粉發(fā)泡復(fù)合材料。有專家在研究木粉的處理方法對復(fù)合材料力學(xué)性能、發(fā)泡性能的影響，并用掃描電子顯微鏡對木粉和PVC 基體之間的結(jié)合界面進(jìn)行觀察后發(fā)現(xiàn)，用鋁酸酯偶聯(lián)劑和丙烯酸丁酯偶聯(lián)劑處理木粉可顯著提高木粉填充PVC 發(fā)泡材料的力學(xué)性能。
利用表面接枝甲基丙烯酸甲酯來處理木纖維，可增強(qiáng)其與PVC樹脂的界面粘合性。用硝酸鈰銨作為引發(fā)劑在木纖維表面羥基處形成自由基，這些自由基與甲基丙烯酸甲酯發(fā)生反應(yīng)，形成接枝物。
在某些研究中，選用硅烷作為處理劑，對比木粉未處理和已處理兩種情況下PVC/木纖維復(fù)合材料試樣的氣體滲透能力，發(fā)現(xiàn)木粉處理后會(huì)降低試樣的氣體滲透能力。在發(fā)泡PVC/木纖維復(fù)合材料的性能方面，拉伸強(qiáng)度隨木粉含量的增加而增加（這種趨勢在木粉處理后更加明顯），但木粉處理與否對試樣的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能影響不明顯。
發(fā)展前景
作為一種發(fā)展迅速的新型木塑復(fù)合材料，微孔發(fā)泡木塑復(fù)合材料具有極其寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域，并且優(yōu)異的性價(jià)比、可回收性、環(huán)境友好性成為該類材料的發(fā)展方向。近年來，隨著技術(shù)水平的不斷升級以及人們對其了解的逐漸深入，微孔木塑復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，如汽車內(nèi)飾（美國福特，德國奔馳、奧迪、法國雪鐵龍、瑞典沃爾沃等名牌轎車的內(nèi)裝飾基材，均不同程度使用了木塑復(fù)合材料）、復(fù)合管材、鐵路枕木、車廂箱板、電纜護(hù)管、井蓋等，其中很多產(chǎn)品已從論證階段步入應(yīng)用測試階段。值得注意的是，從近幾屆國際汽車博覽會(huì)推出的轎車零部件產(chǎn)品來看，采用木塑復(fù)合材料制造轎車內(nèi)飾件基材，已經(jīng)成為此類產(chǎn)品發(fā)展的主要應(yīng)用趨勢之一。此外，充分利用計(jì)算機(jī)資源，將軟件模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)引入到發(fā)泡木塑復(fù)合材料的配方設(shè)計(jì)中，也是賦予其更卓越性能的重要方法。
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