微孔发泡木塑复合材料

与普通木塑复合材料相比，微孔发泡木塑复合材料不仅具有更低的密度，而且具有更高的抗冲击强度、韧性、疲劳周期及热稳定性等。近年来，随着技术水平的不断升级以及人们对其了解的逐渐深入，微孔发泡木塑复合材料的应用领域不断扩大，显示出良好的发展前景。

木塑复合材料一般是指用木纤维或植物纤维填充、增强改性的热塑性材料。木塑复合材料使用纤维素纤维作为聚合物基体的增强填料，能够降低材料成本，提高制品刚度。然而，相对于高密度纯塑料或木料，木塑复合材料的其他一些物理机械性能，如延展性、冲击强度等都有下降，再加上材料本身的脆性等因素都限制了其广泛应用。

在分析木塑复合材料的抗弯强度和抗弯弹性模量、抗压强度和抗弯强度模量之间的差异后，实验结果表明，木塑复合材料的抗弯性能远低于鹅掌楸和速生杨。因此，用木粉和废旧塑料经挤出成型的木塑复合材料表现出塑料力学性质为主的特点，木材的力学性质不明显，用于代替木材做结构材料尚不成熟，并且抗弯、抗冲击和纵向抗压强度还有待进一步提高。另外，热塑性木塑复合材料的密度较大（通常约为实木密度的2倍多），在某种程度上也限制了其应用。

应用木塑复合材料的微孔发泡技术，可以解决普通木塑制品中存在的诸如密度大、尺寸不能满足实际需要等问题，从而扩大木塑制品的应用领域。微孔发泡木塑复合型材是以热塑性塑料为基体，木屑或植物纤维为主要填充料，表面结皮、芯层发泡的一种低发泡挤出制品。其表层必须形成硬皮，属于发泡类型中的可控制发泡。当熔体从口模挤出时，发泡熔体表面受到强烈的冷却作用，材料表面形成硬皮，截面不再增大，发泡只在芯部进行。微孔发泡的泡孔密度为109～1015个/cm3 ，泡孔直径在0.1～10μm，其泡孔尺寸远小于传统发泡材料。这些小气泡能够有效阻止材料中原有裂纹的扩展，使裂纹尖端变钝，不仅可以减小材料密度，而且能够显著提高材料的抗冲击强度、韧性、疲劳周期、热稳定性等。因此，对木纤维复合材料进行微孔发泡能够克服材料物理机械性能等方面的缺陷，有效改善其使用性能。

成核理论

微孔发泡的成核理论主要有Colton的经典成核理论和由该理论发展而来的一系列新理论。实际上，界面成核理论就是一种非均相成核理论，也是经典成核理论所涉及到的成核。在发泡机机头表面与聚合物熔体的界面上，或固体粒子（如成核剂、填料、杂质等）与聚合物熔体的界面上，由于气体分子对固相表面更润湿，使其界面上成核所需克服的自由能垒降低，当外界条件改变时，气体分子将优先聚集在固体-液体界面上形成气泡核。另外，当体系中存在成核剂或其他固体颗粒时，某些颗粒具有疏松多孔的结构，或者具有粗糙不平的表面，这些颗粒在进入机筒之前，空气等气体已被吸附在颗粒的内部或表层深处。由于粗糙表面内的劈楔作用，以及劈楔阻力和气体的存在，外部熔体不易进入到劈楔内部，使劈楔尖端被熔体封闭成微小的空穴。在这种空穴存在的情况下，会优先成核。

气泡成长模型

与海岛模型相比，细胞模型具有更广泛的适用范围。细胞模型认为，在气泡的增长过程中，大量气泡的存在使每个气泡拥有熔膜的质量保持不变，气泡只能与各自的熔膜进行质量、动量及能量的传递。经研究表明，泡孔外面包裹着一层很薄的熔膜，而被无限的熔体包围，并且考虑熔体压力和流速等参数对泡核增长的影响，仍对单个泡孔进行描述。实际上，在大量泡孔存在的条件下，泡孔间距远小于泡孔的直径，泡孔间的影响不能忽略，基于这种考虑，采用细胞模型研究多个气泡在等温、可压缩牛顿流体中的增长过程，假设在气泡增长过程中外层的熔膜质量保持不变，用数值分析的办法，描述气泡增长过程。

以细胞模型为基础，采用数值模拟手段在气泡增长控制方面进行大量的研究，首次将气泡与熔膜间的质量传递、动量传递和能量传递等复杂的交换过程作为气泡增长的控制参数。这种方式的不足之处是未能将计算直接与实验研究结合起来，模拟的准确性有待进一步考证。气泡增长的影响因素大致可分为两大类：一类属于发泡体系的物性参数，如气体的种类、扩散系数、溶解度、熔体的粘弹性、气体-聚合物熔体的界面张力等，这些参数主要通过界面间的物理传递来影响气泡增长；另一类属于加工工艺参数，如压力、温度、剪切速率、添加剂等，这类参数主要通过热力学性能来影响气泡增长。

同时，气泡增长决定泡孔大小，当气泡增长停止，也就意味着泡孔定型。所以，研究泡孔定型过程归根结底还是要研究气泡增长过程。

各因素对发泡的影响

1、基体材料的影响
木塑复合材料的基体材料包括PE、PVC、PP、PS等。据统计，目前市场上的木塑复合材料仍以PE为主，其次是PVC、PP木塑复合材料。其中，PE、PS为非极性材料，PVC为极性材料，而木粉、稻壳、麦秸等植物纤维多为非极性的。极性材料和非极性材料之间必须有一定强度的界面力才能形成比较好的粘结。

有专家认为，PE 熔体的塑化温度必须略低于主发泡剂AC的分解温度，PE 树脂平均聚合度越低，熔体塑化所需要的加工温度越低。因此，选择熔体指数约为1 g/10min(190 ℃，3 2. 16 kg) 的PE树脂为宜。经有关研究发现，高熔体质量流动速率的PP基体树脂有助于改善泡孔的形态及其分布。

2、增强体（或填料）的影响
增强体（或填料）主要包括木粉、稻壳粉，麦秸、竹粉等植物纤维，还包括如玻璃纤维等一些增强材料，其添加份额对发泡的影响很大。

北京化工大学塑料研究所分别研究了PVC/竹粉、PVC/杨木粉、PVC/砂光粉等木塑复合材料的发泡性能。砂光粉因含有较多的粘合剂和石膏粉，大大增加了材料的发泡难度。经研究发现，采用复配助剂和发泡剂可成功发泡PVC/砂光粉木塑复合材料，材料发泡后的密度可控制在0.70～0.85 g/cm3之间。

对木粉/聚乙烯复合发泡技术的配方进行研究时发现：当木粉含量较少时，材料中以聚乙烯为主，木粉对发泡程度没有太大影响。因此，模头出口处膨胀大，芯部结构疏松，而由于聚乙烯本身密度比木粉大，使制品最终密度大；当木粉含量较多时，则占据材料中较大的空间，减少了发泡空间，降低了发泡程度。因此，离模膨胀较小，虽泡孔小，但制品中所含密度很低的木粉占到了相当比例，从总体上降低了制品的密度；而当木粉含量大到完全占据了发泡空间时，发泡过程不能进行，模头出料基本不膨胀，这时则纯粹是木粉与聚乙烯的填充挤出，木粉虽能起到一定的降低制品密度的作用，但远不如木粉加发泡的效果明显。