木塑复合异型材及挤出模具设计

在建筑门窗业内，塑料异型材和木材的使用一直处在激烈的竞争之中。当优质木制产品越来越受到人们青睐，原木产品在都市越来越流行的时候，森林消失的速度也越来越快。塑料异型材行业的发展，在很大程度上取代了木制门窗，却又带来一些无法回避的缺憾，如塑料型材的质感和颜色等。在塑料型材的研究和应用领域涉足较早的欧洲国家，又率先推出将木材纤维和塑料结合起来制成的复合型材，并已经在诸多方面成功地实现了应用。

近年来，新加坡一家公司已成功地将木材纤维填充量提高50％，而所制造的门窗强度也能满足有关标准要求。

1 木塑复合材料的物料性能。

1.1 木塑复合原料

木粉由软质木材除去树皮、树节后经机械粉碎、研磨而得。主要是使用木制品加工行业生产中的边角余斜和木屑。其颜色根据树种配比不同而不同，有白色、淡褐色至褐色等不同品种。按粒度一般分为4个等级15－30目、30－50目、50－80目和80目以上。木粉制备后，将树脂、木粉和其它助剂按一定的体系和配比混合经塑炼和造粒即可获得木塑复合粒料。
颗粒料根据不同的型材发泡要求配置了发泡及调节体系。

颗粒料根据不同的颜色要求，结合木粉添加量配置了颜料调节体系。

造粒的成品原料根据木粉的填充量分成三个等级：Ⅰ级含木粉30％（质量组分），Ⅱ级40％，Ⅲ级50％。

1.2 木塑复合挤出制品

和木材比较：木塑复合材料经挤出工艺的制成品的外观和质感酷似木材，并具有和木材一样的加工性能、施工性能。制品密度在600－1000kg/m3之间，根据木纤维填充量的多少和发泡率的高低有所不同，一般在600－800kg/m3左右，和木材相当接近。含水量约为2％，而木材的含水量在12％－13％之间，与原木相比木塑复合型材具有更好的抗水、抗腐蚀等功能。此外，还不存在木材自然的缺陷，如龟裂、翘曲、疤结、明显色差等。

除机械的、理化的损伤外，木制门窗还有一个致合的弱点，那就是虫害的损伤，如白蚁、蠹虫等害虫的侵害。而木塑复合型材含有多种化学制剂，可以抵御虫害。

此外，挤出制品断面设计灵活，可以设计装饰性强的装饰结构和各种功能结构。而木制品的功能结构和装饰结构往往受加工方法的限制。

和普通塑料型材比较：木塑复合材料具有普通塑料型材的绝大部分优点，如阻燃、抗老化等，同时又具有普通塑料型材不能替代的其它优点，如色泽、质感重量轻等品质性能，可钉、可钻、可锯、可刨、可上油漆、可粘接等加工性能。

木塑复合材料的挤出制品焊接性能较差，基本上不适宜焊接，因此，门窗组装要采用螺接形式。一方面，可以在现场行施工，给门窗的运输和安装带来很多方便。

表1所示数据为新加坡工业鉴定局根据英国标准规定的方法对木塑复合型材进行测试的报告摘录。

表1 木塑复合型材有关项目测试数据:
密 度 BS EN232：1993 669.4kg/m3
含水率 BS EN322：1993 2%
吸水率 BS 5669：1979 2.38%
弯曲强度 BS EN310：1993 28.9N/mm2
抗压强度 BS EN789：1995 12.17N/mm2
拉抗强度 BS EN205：1991 850N/mm2
拔钉抵抗 BS 6948：1989 48.36N

1.3 挤出加工性能

由于木粉的加入，熔融物料的流动性能较UPVC材料大大降低，从Ⅰ级到Ⅲ级，流动逐渐变低。因此，挤出模具的压缩角和扩张角都不宜太大，防止滞料区的产生与存在。
木塑复合材料在挤出加工过程中对温度的变化相当敏感，要求料筒、模头各区的温度有非常严格的控制：一方面各区温度要适合发泡，另一方面温度的设置除考虑塑料降解外，还应该考虑木粉的炭化。因此对挤出设备、模具、工艺条件要求也相对苛刻。

2 制品结构及工艺特点

由于木粉的填入，强度值有一定的下降。因此，对不同的使用场合，型材壁厚应有不同的设计。用作室内装饰材料的，如护墙板、墙角线、踢脚线等，可考虑壁厚较薄，一般壁厚在3－5mm，而用于门窗的型材，则应设计较大壁厚，通常在5－7mm。

2.2 通常是低发泡制品

根据使用场合和功能要求的不同，木塑复合型材的发泡率有高有低，装饰型材一般采用相对较高的发泡率（600kg/m3左右），用作门窗构件的型材则采用较小的发泡率（800kg/g3左右 ）。结皮厚度则可以根据要求通过工艺在一定范围内进行调整。

2.3 过渡圆角大

普通型材圆角半径可小至0.3－0.5，少数特殊要求“尖角”的地方还可以做到R0.2以下。但木塑复合材料型材的圆角达不到此种要求，一般在R1以上，否则不利于成型。

2.4 内筋的设置不同

普通PVC型材断面设计中，内筋设置是为了加强或用来分隔功能腔室，分隔功能腔的内筋往往很长。对于木塑复合型材，则应尽量避免长的内筋。在不影响使用功能的情况下，尽可能使用开放结构。

3 模具设计要点

基于上述物料性和制品特点分析，结合我公司对该类模具的开发试制的成功经验，木塑复合异型材模具设计的要点如下：

基于木塑复合物料对温度敏感性，模具应采用较大的结构尺寸，以增加热容量，使整个挤出机头的温度稳定性得以加强。

机头挤出方向的尺寸尽量取小，缩短物料在机头中经过的时间，结合发泡的要求选较小的稳定段长度，一般为口模间隙的10－15倍

取较大的压缩比以增加模具压力。保证有足够的熔体强度，以利于发泡。一般情况下，木塑复合发泡型材压缩在6－10。

尽量不要使用阻流块等结构来调整流道截面上各处的流量，各个局部流量的平衡要依靠流道尺寸变化来调节。

在结构强度足够的情况下，尽量减少支架筋的数量。同时应该设计足够长度的汇料段，使物料在压缩之前充分融合。

尽量不要采用内流道。对长内筋非采用独立供料不可时，要考虑独立流道有足够大的截面积。独立供料流道的压缩比应比主流道的压缩比小，约为87％。

由于壁厚较大、导热系数小，型材内部热量不容易传出，因此，冷却定型部分应考虑加热交换速度，并增加有效冷却时间。根据经验，壁厚6mm左右的型材，除干式定型外，需要6m长的水浸式冷却，才能冷却充分。