我国天然林保护工程启动后 ,国内即将面临优质木材供应不足的局面。在当前我省林业发展多以速生杨树为主的情况下 ,速生材的高附加值利用需要强有力的技术支持 ,为此我们开展了以杨木为基材的木塑复合材料制造工艺研究 (以木塑复合材料地板为对象 )。由于木塑复合材料具有形体稳定性好、耐腐、耐虫、滞火的优良性能 ,同时其力学性能高于原木材 ,所以这项技术的研究开发具有良好的市场前景。
木塑复合材料始于六、七十年代的欧、美、日等发达国家。这些国家都有商业规模的生产。我国六十年代在上海以及七十年代在北京的几个单位曾开展过这方面的研究 ,并有替代珍贵木材的小规模生产应用。当时这项技术在我国还不具备开发的环境和技术条件。首先在上海开展的应用研究是采用高能射线照射引发聚合制造木塑复合材料。尽管这一方法得到的材料在性能上优于化学法 ,在发达国家的生产中也采用 ,但其设备投资大 ,操作要求严格且复杂 ,而且存在对人体不利的危险 ,所以在我们这个技术水平较为落后的国家 ,这种技术得到推广的可能性极小。更何况六七十年代我国并不缺乏优质木材 ,相反由于化学工业不发达 ,化学品较贵 ,这就是这项技术在那个年代没有发展起来的原因。七十年代中林院木材所与北京大学联合开展过这项技术的研究 ,采用的是化学引发聚合。但研究的重点在原理和微观过程方面 ,而与工业开发所要求的技术支持相距甚远。
在以往的研究中 ,化学引发聚合制造木塑复合材料的整个过程需要 2 4ｈ以上 ,而且浸注后的试件是先用玻璃纸包裹好后再进行聚合固化 ,显然这种效率和方法不利于实际应用。在我们的研究中 ,对实际应用每个环节可能出现的技术问题都进行了探索 ,并提出采用高熔点石蜡在液态下快速包裹浸注后的材料 ,待石蜡在浸注材料外形成固体保护层后 ,先放置于温度低于石蜡熔点的环境中聚合固化一段时间 ,然后在稍高的温度下继续固化一段时间 ,从而完成整个制作过程 ,而时间却缩短了一半。由于采用上述技术 ,保证了有机单体最大限度的固化于木材内部。在本研究中固化后木塑复合材料单体保持率达 95%以上。
通过优化工艺研究 ,本项目选择了与实际生产相近的工艺、设备和材料规格。在研究中所使用的工艺为 :板材→制成毛坯→干燥→粗加工→真空浸注→石蜡保护→低温中温固化→精加工→木塑制品。
为了加快新鲜杨木的干燥速度 ,需要将其制成板材 ,同时为了防止干裂变形而造成木材利用率降低 ,在进一步的干燥前将板材制成毛坯 ,然后进行室温放置或强制干燥。总之毛坯的最后含水率要控制在 8%以下。干燥后的毛坯在真空浸注前要进行粗加工 ,目的是为了除去因干燥而产生的变形 ,同时也是为了减少精加工时复合材料的祛除量。在对粗加工件进行真空浸注时 ,为了让有机单体能够尽量均匀地进入木材内部 ,浸注过程中要保持真空度的稳定 ,同时根据加工件大小 ,要维持一定的浸泡时间。浸泡时间一般为 1～ 2ｈ。浸注过程结束后 ,要放出剩余的液体 ,如果不及时再用 ,就要保存于零度以下的环境中。尔后要快速将浸滞件置入石蜡油中并取出放入水中好让表层石蜡油固化。石蜡油的温度为 80℃左右 ,温度太低形成的保护层易脱落 ,而温度太高形成的保护层薄。所选石蜡要求软化点越高越好 ,事实上软化点很少高于 60℃ ,所以我们一般选用软化点大于 58℃的石蜡。而在化学引发聚合固化初期的环境温度为 45～ 50℃ ,最短固化时间7ｈ ,在这一时期石蜡保护层不会融化。在第二阶段固化温度升至 80℃ ,这时石蜡渐渐融化离开复合材料表面 ,3ｈ后固化全过程结束 ,复合材料制作完毕。再经过机械精加工后 ,精美的木塑复合材料地板就完成了。
1 试验材料与方法
1 1 试验材料
69-杨 (气干密度 0 3 6,含水率 <1 0 % ) ;有机单体 :甲基丙烯酸甲酯 ;引发剂 :偶氮二异丁腈 ;固化剂 :通用聚酯固化剂 (过氧化环已烷 )。
1 2 试验路线及测试方法
试件→干燥→真空浸注→保护 (不保护 )→固化→硬度测试。
测试方法按ＧＢ1 92 7- 1 943 - 91进行。
1 3 杨木试件
50ｍｍ× 50ｍｍ× 70ｍｍ。先气干 ,在使用前于 80℃下烘干 2 4ｈ。
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