一种高性能木塑墙板的制备及性能研究

以陶瓷纤维为填料，添加到PE 基木塑材料（WPC）中，制备了高性能木塑墙板。与不添加陶瓷纤维的木塑墙板相比，添加陶瓷纤维 的木塑墙板其冲击强度增加147.54%，拉伸强度增加43.24%，三点弯曲强度增加76.28%，四点弯曲强度增加79.07%，陶瓷纤维的适宜 添加量为10～14 份，PE 树脂较佳用量为31～34 份。

目前，木塑（WPC）墙板在室外广泛使用，这些WPC 墙板大部分以PE 基塑脂为基础制备，其力学性能一般， 弯曲强度在20 MPa 左右，且安装使用过一段时间后，易 出现开裂、破损，甚至断裂等质量问题。目前解决这些问 题的方案主要有两种：一是通过调配辅料的用量来提高 墙板的强度；二是增加型材的厚度来提高墙板的强度[1]。 通过调整辅料的加入量，虽可以增强WPC 墙板的各种 力学性能，但增加的强度并不足以满足市场的要求；增 加型材的厚度无疑造成材料使用量增大，使得使用成本 明显增高。

陶瓷纤维作为一种无机非金属类材料，具有很高的 强度和化学稳定性，其填充的聚合物基复合材料显示出 良好的综合性能，陶瓷纤维作填充材料以提高聚合物材 料性能的研究也越来越受到人们的关注[2]。本项目拟通 过在木塑墙板中加入陶瓷纤维，制备高强度PE 木塑墙 板，考查了高强度PE 木塑墙板的综合力学性能，以及陶 瓷纤维用量对复合材料性能的影响。经过一系列的实 验，确定了高强度木塑墙板的较佳配方和相关生产工 艺。

1 实验部分

1.1 主要原料

陶瓷纤维（3～6 mm，灵寿县嘉德矿产加工厂）；木 粉、多组分复合型树脂（高密度聚乙烯、中密度聚乙烯和 低密度聚乙烯的复合树脂，熔指0.3 g/10 min，安徽国风 木塑科技有限公司）；硅烷偶联剂（KH- 550，南京曙光硅 烷化工有限公司）；马来酸酐接枝聚乙烯（SZ11，黄山贝 诺科技有限公司）；润滑剂（STR530，上海科泰化工科技有限公司）；轻质碳酸钙（D35，广州福银化工科技有限公 司）；抗氧剂（B225，上海缔睿化工有限公司）；紫外线吸 收剂（UV531，上海缔睿化工有限公司）；光稳定剂 （UV151，烟台新秀化学科技股份有限公司）。

1.2 主要仪器及设备

SHR- 800/2500 高速混合机（张家港联冠科技发展 有限公司）；65/132 锥形双螺杆挤出机（上海金纬机械制 造有限公司）；JWE75/40 型同向双螺杆混炼造粒机（苏 州大云塑料回收辅助设备有限公司）；CMT- 4104 力学试验机（深圳市新三思计量技术有限公司）；XJJ- 5 简支梁冲击试验机（承德市金建检测仪器有限公司）。

1.3 高性能木塑墙板的制备

将陶瓷纤维于马弗炉340℃～360℃下灼烧15 min，冷却后浸渍在KH- 550 溶液中，室温下冷却干燥。 木粉、处理后陶瓷纤维加入高速混合机中搅拌5～ 6 min，将多组分PE 树脂、相容剂SZ11、抗氧剂、紫外线 吸收剂等各种助剂加入高速混合机中90℃搅拌20 min。混合后的物料加入平行双螺杆挤出造粒，机筒温度 190℃～210℃，螺杆转速80～120 r/min。

将上述造粒料与润滑剂加入高速混合机中混合10 min，然后加入锥形双螺杆挤出机挤出成型，挤出条件： 机筒温度150℃～190℃，螺杆转速7～10 r/min。 本项目所用的基础配方如表1 所示，配方1# 是安 徽国风木塑科技有限公司普通高强度墙板配方，2# 是使 用陶瓷纤维的高强度墙板配方。

1.4 性能测试

塑料拉伸性能试验按照GB/T 1040.2- 2006 进行，采用1A 型试样，试验速度为1 mm/min；简支梁冲击强度 按照GB/T 1043.1- 2008（常温无缺口）进行，采用1 型试 样，2 J 摆锤，常温无缺口冲击；三点弯曲按照GB/T 9341- 2000 进行；四点弯曲按照ASTM6109- 05 进行；断 裂较大力按ASTM6109- 05 进行，取试样断裂时压力数 值。

2 结果与讨论

2.1 力学性能比较

表2 是两种基础配方制备的木塑墙板的力学性能 比较。由于使用了多组分复合型树脂，即保证材料的韧 性同时也满足材料的刚性，所以与市场普通的高强度 PE 木塑墙板相比，1# 样的力学性能好，但其力学性能提 高幅度并不大。2# 样是使用陶瓷纤维的高强度墙板配 方，相比1# 样，其拉伸强度增加43.24%，冲击强度增加 147.54%，三点弯曲强度增加76.28%，四点弯曲强度增 加79.07%，可承受较大力增加53.61%，可见加入陶瓷纤 维后对产品的力学性能有很大的提升。

陶瓷纤维增强木塑型材的作用机理是：陶瓷纤维在 混合过程中会分散成若干的陶瓷纤维棒，陶瓷纤维棒与 木粉颗粒在加工过程中因摩擦作用，产生大量的木纤维 微丝，木纤维微丝与陶瓷纤维棒相互缠结；另外，线性聚 乙烯分子链与陶瓷纤维棒相互缠绕，形成了一种中空的 三维结构，木粉颗粒、CaCO₃ 填充在空隙中，较大限度地 发挥陶瓷纤维的增强作用，体现复合材料的耦合效应。 试验中试用的KH- 550、SZ11 等大大增强了陶瓷纤维、 木质纤维与塑料基体的界面相容性，使陶瓷纤维在PE 树脂中分布均匀，从而显著提高了木塑型材的各方向上 的力学性能。

2.2 陶瓷纤维用量对木塑墙板性能的影响

以2# 样为基础配方，改变木塑墙板中陶瓷纤维的 用量，研究陶瓷纤维用量对于复合型材力学性能的影响，图1 是不同陶瓷纤维含量的高强度木塑墙板的各项 力学性能测试结果。

由图1 可以看出，随着陶瓷纤维用量增加，木塑墙 板的拉伸强度、冲击强度、三点弯曲强度、四点弯曲强度 和可承受较大力都先升后降。这是由于木质纤维微丝与 陶瓷纤维相互缠绕，碳酸钙等其他填料填充在其空隙 中，形成三维框架结构，很大地增强了复合型材的力学 性能。随着陶瓷纤维量的增多，这种三维框架结构持续 增多，复合型材的力学性能持续上升。但当陶瓷纤维的 加入量达到一定时，陶瓷纤维过量，多余的陶瓷纤维会 游离在复合型材中，这种游离状的陶瓷纤维与复合材料 之间的界面结合力差，导致复合型材的力学性能有所下 降。实验结果表明，陶瓷纤维用量为10～14 份时，木塑 型材的各项性能相对较好。

2.3 PE 树脂用量对木塑墙板力学性能的影响

基于2# 样配方，保证配方中其他组份加入量不变， 考查改变PE 树脂用量对木塑墙板力学性能的影响，所 得木塑墙板力学性能如图2。

由图2 可见，随着PE 树脂用量的增加，木塑型材的 力学性能不断提高，这是因为随着树脂量的增加，复合 体系中界面（木粉与树脂界面、陶瓷纤维与树脂界面等） 减少，木塑材料整体性更强。虽然随着PE 树脂添加量的 增大，复合型材的力学性能也不断增强，但也会导致木 塑墙板的成本急剧上升，所以PE 树脂的较佳添加量应综合考虑木塑墙板的性能和成本。由实验结果可见，当 PE 树脂的用量在31 份之后，复合型材力学性能虽然增 长，但都增加得较缓慢，所以PE 树脂添加量在31～34 份时为较佳添加量。

3 结论

（1）采用陶瓷纤维制备的高强度木塑墙板，其拉伸 强度达20.67 MPa，冲击强度9.58 kJ/m2，三点弯曲强度 41.92 MPa，四点弯曲强度32.86 MPa，可承受较大力 6828 N，产品的各项性能达到相关企业标准，且在同行 业内处于先进水平。

（2）与市场上大部分高强度木塑墙板相比，本文所 制备的高强度木塑墙板成本大大降低，是一种符合市场 需求的产品，具有良好的社会效益，有很大的应用范围。