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彩色木塑复合材料的研究现状和发展前景

作者:池冰;王燕高;宁莉萍;陈琦;董国龙 来源:本站 浏览数:1153 发布时间:2016-6-20 14:46:21

    目前,对WPC的研究已经取得一定的成果,主要集中在界面改性、发泡工艺、增强机理、阻燃处理及耐侯性等方面。然而,WPC由于原料来源较广、生产工艺复杂、使用环境多变,导致材料的外观颜色难于控制。现在,通过向WPC基体中加入适量颜料的方法,来制备彩色复合材料,满足人们对材料外观颜色多样化的需求。

1WPC外观颜色的主要影响因素

    目前,对WPC外观颜色评估,主要采用国际发光照明委员会(CIE)规定的标准色度系统对材料色差变化情况进行表征,L*a*b*分别表示明度、红绿和黄蓝指数;ΔE为色差,ΔL为明度差,Δa为红-绿色品指数差,Δb为黄-蓝色品指数差,色差ΔE=(ΔL2+Δa2+Δb2)1/2。影响WPC外观颜色的因素较多,主要包括:(1)原料的颜色;(2)工艺参数;(3)使用场所的环境条件。

1.1原料的颜色

    植物纤维作为WPC的主要原料之一,来源广、种类多和价格低。植物纤维的种类、粒径和用量等对WPC的外观颜色均有一定的影响,特别是在制备过程中,由于植物纤维受热后可能发生热解反应,化学结构发生变化,从而导致最终制品的颜色差异明显。有研究表明,毛竹经过蒸气热处理后,材料的化学成分发生了改变,木质素含量提高,纤维素含量降低,且表面颜色随热处理时间的延长和温度的升高逐渐加深变暗。Hu等通过色差分析、红外光谱分析研究了利用稻壳、橡胶木锯末和橡胶籽壳制备的WPC经荧光紫外老化后表面颜色变化情况,结果表明,这3WPC表面均出现褪色,其中橡胶籽壳WPC的变化最大,稻壳次之,橡胶锯末最小。Yi等利用亚麻屑和高密度聚乙烯(HDPE)挤出成型,根据CIE1976 L*a*b*均匀色空间系统判定WPC的颜色,通过实验对比亚麻质量分数逐步增加,外观颜色L*a*b*指数也随之增大。

    WPC生产过程中所使用的塑料多为热塑性塑料,如PEPVCPP。为了避免塑料组分、颜色或性能差异对材料性能的影响,多采用未添加或少量添加助剂。然而,在实际生产过程中,为了降低生产成本,多使用废旧的塑料,但材料的相对分子质量、黏度和颜色等差异较大,对最终制品的性能有较大的影响。Li通过研究红色尿不湿边角料/PE板材、白色尿不湿边角料/PE板材和废弃牛奶盒/PE板材在不同环境下颜色变化,结果表明,在不同老化条件前后,3种板材颜色均存在明显的差异。为了提高废旧塑料的利用率,不仅需要加大科研力度,同时需对按照使用要求的废旧塑料进行严格分类。

1.2工艺参数

    WPC的生产工艺主要包括模压成型、挤出成型和注射成型,以改良后的挤出成型工艺为主。挤出成型的工艺参数主要包括机筒各段温度、机头与口模的温度及螺杆转速、牵引速度等。其中,挤出压力、温度和螺杆转速对材料的性能影响较大。在挤出过程中,随着热处理温度的升高和处理时间的延长,WPC混合料中的木纤维容易发生热降解,导致材料的颜色逐步向褐色至深褐色变化。为了降低混合料在机筒中的停留时间,提高生产效率,常采取增大挤出压力和螺杆转速的方法,但是容易造成堵料、产品表面粗糙和性能下降等。所以,在生产中,需根据原料的配比和特点、制品的形状及规格,合理选择成型温度、剪切速率和压力等参数。

1.3使用场所的环境条件

    WPC用于户外的椅凳、栏杆、地板和园林水岸景观等,由于长时间暴露在阳光和湿热环境中,易引起材料外观颜色的变化及性能下降,影响使用寿命。Zhou等对放置在阳光环境中的WPC地板进行外观颜色的研究。结果表明,放置4个月后,材料白度L*、红绿轴色品指数a*、黄蓝色轴色品指数b*分别增加了9.34.181.42,材料色差ΔE*10.53,表明材料颜色变化大。同时设置了单一变量阳光环境,对放置在干湿环境中的WPC地板进行材料外观颜色的研究。结果表明,放置4个月后,材料颜色变化大,白度L*增加了12.7,材料色差ΔE*14.47

2WPC外观颜色改良方法

    通过对WPC原料来源、工艺参数和使用环境条件的分析发现,WPC作为新型的复合材料,原料种类繁杂、工艺参数控制难、使用环境恶劣,导致产品颜色单一,不仅影响了消费者的选择空间,而且一定程度上限制了WPC行业的发展。为了改善上述不足,通过向WPC基体中添加颜料或在材料表面包覆彩色塑料的方法来改善。向WPC基体中添加颜料,方法简单、操作方便,同时生产成本较低,所以此方法应用较广。目前WPC生产中,使用的颜料包括有机颜料、无机颜料和功能性颜料三大类,同时加入少量光稳定剂和抗氧化剂来提高材料的耐候性。

2.1无机颜料

    无机颜料作为重要的WPC着色剂,具有价格低廉、耐候性强等特点。Du向稻壳粉/高密度聚乙烯复合材料中添加氧化铁、氧化钛和炭黑,经过加速紫外老化后,可以明显看出颜料有阻止复合材料褪色的效果,添加1% Fe2O3的复合材料明度L*增加了41.81%;添加l% TiO2的复合材料明度L*增加了37.16%;添加1%碳黑的样品明度增加了23.76%;未添加颜料的空白样明度增加了91.8%。因此,添加合适的颜料能有效地阻止复合材料褪色。

    WPC添加无机颜料时,不仅需要考虑其对材料外观颜色的影响,同时需要考虑其对材料性能的影响,需要在满足材料基本使用要求下,加入适量的无机颜料来改善材料的外观颜色。Cai等向WPC中加入钛白粉、氧化铁黄、氧化铁红和炭黑,研究其弯曲强度和冲击强度,结果发现,加入颜料后,无论是WPC的弯曲强度还是冲击强度均降低,且降低程度顺序为钛白粉>氧化铁黄>氧化铁红>炭黑。Stark研究了无机颜料对木粉/HDPE复合物在有水或无水的氙弧灯照射3000h老化的影响,证明了无机颜料(铁酸锌)能增强WPC的光稳定性。

2.2有机颜料

    利用颜料来改善WPC外观颜色时,除了添加无机颜料外,使用较广的还包括有机颜料。与无机颜料相比,有机颜料具有色光鲜艳、着色强度高、种类繁多等特点。Zhang使用适当的有机和无机颜料能够对木粉/HDPE(高密度聚乙烯)复合材料很好的着色,且颜料在材料中分散均匀,无条纹和色斑产生。所有着色的试样均获得了艳丽的颜色,并且材料的力学性能有一定的提高。其中有机颜料对木粉/HDPE复合材料的着色能力较强,同时对其强度提高较大。虽然有机颜料的改善效果优于无机颜料,但是有机颜料工艺复杂,价格高,所以在选择有机颜料时,需根据使用条件和市场情况,合理地进行选择。

    有机颜料由于颜色多样,可选择的范围较大,但是仍需考虑有机颜料对材料耐候性、力学性能等。Guang等选择了苯并三唑、受阻胺、氧化锌、酞菁绿、二氧化钛和UV300等制备黎蒴栲/PVC复合材料,考察其对材料耐土壤腐蚀性的影响,发现添加酞菁绿的材料耐土壤腐蚀性最好。

2.3功能性颜料

    随着科技的快速发展和人们生活水平的不断提高,对WPC提出了更高的要求,不仅要求材料具有良好的装饰效果,而且需要材料的性价比高,为了满足消费者的这些需求,WPC将朝着高功能化、智能化的方向发展。WPC本身并不具有高功能化及智能化的特点,但可向材料基体中添加适量的功能性颜料,使WPC具备一定的特殊功能,例如防污、防霉、防火、示温和发光等特殊功能。目前,将功能性颜料应用于WPC的研究还相对较少,具有较大的发展前景。Wu等将变色胶囊加入竹粉/塑料复合材料中,成功制备了可逆热致变色WPC,同时对材料的力学性能、物理性能、流变性能及温度与光响应及热学性能等进行了研究。但功能性颜料相对于有机和无机颜料而言,价格相对较高,同时对环境变化的敏感程度较高,从而在一定程度上限制了在WPC中的应用。为了实现WPC的功能化、智能化,有必要加强无毒或低毒、环保功能性颜料的研发力度,在保证材料功能性的同时,尽量降低功能性颜料的生产成本。

3展望

    WPC作为一种绿色环保的新型材料,具有很好的发展前景,目前已被广泛应用于户外、汽车内饰和建筑等领域。为了生产出性能优异、功能化程度高的彩色WPC,需按照材料种类、物理及化学性质严格选择原料,根据原料配比、使用场所的环境条件等合理调节工艺参数,在不影响材料性能的前提下,添加合适的颜料。通过向WPC基体中添加功能性颜料,不仅不会造成WPC强度的显著破坏,而且具有良好的装饰效果、环保且对人类低毒或无毒,可使材料具有一定的特殊功能,提升了材料的附加值,推动了WPC行业向功能化和智能化方向发展。