郝笑龍，周海洋，孫理超，林東融，歐榮賢*，王清文

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，生物基材料與能源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642；2. 嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642；3. 惠東美新塑木型材制品有限公司，廣東 惠州 516321)

木塑復(fù)合材料(WPCs)是以極性木質(zhì)纖維與非極性的熱塑性聚合物為主要原料，通過(guò)熔融復(fù)合，采用擠出、熱壓、注塑等成型工藝制成的復(fù)合材料，簡(jiǎn)稱木塑[1-3]。WPCs具有環(huán)境友好、成本低廉和優(yōu)良的物理力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)[4]。近年來(lái)，WPCs被廣泛應(yīng)用于建筑裝修裝飾、室內(nèi)家居、室外園林景觀等領(lǐng)域[5]。隨著人們對(duì)WPCs及制品性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)WPCs由于其耐UV老化性能差，受到長(zhǎng)期力載荷和熱負(fù)荷時(shí)易發(fā)生蠕變和熱變形，由此導(dǎo)致的耐久性和安全性變化受到消費(fèi)者質(zhì)疑，難以滿足市場(chǎng)發(fā)展需求，因此，迫切需要WPCs產(chǎn)品克服以上缺點(diǎn)，從單一功能向高附加值和多功能化等方向拓展[6]。如何提高WPCs的長(zhǎng)期使用性能并具備多功能性，是目前研究迫切需要解決的熱點(diǎn)和重點(diǎn)問(wèn)題。共擠出成型技術(shù)是使用2臺(tái)或2臺(tái)以上擠出機(jī)，將物料熔融后通過(guò)特定的模具連續(xù)擠出成型為多層復(fù)合材料，將其應(yīng)用到WPCs的擠出成型中，可以很大程度上改善WPCs的各項(xiàng)性能。共擠出成型木塑復(fù)合材料(Co-WPCs)可以較低的成本和較高的效率，賦予WPCs高附加值和多功能化，是制備高附加值、多功能木塑制品的重要方法之一[7-12]。Co-WPCs具備特殊的核/殼結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)殼層功能化改性可以實(shí)現(xiàn)Co-WPCs整體性能的改善。

殼層對(duì)Co-WPCs的保護(hù)作用，可以改善由親水性木質(zhì)纖維引起的WPCs吸濕性較強(qiáng)、耐久性偏低等問(wèn)題，包括WPCs長(zhǎng)期使用過(guò)程中由紫外線引起的表面粉化、褪色和劃痕等現(xiàn)象，以及潮濕環(huán)境導(dǎo)致的表面開(kāi)裂、污漬和霉變等現(xiàn)象(圖1)。通過(guò)在殼層中添加光穩(wěn)定劑和UV吸收劑，可以有效改善由于UV降解導(dǎo)致的WPCs表面粉化、破裂和褪色現(xiàn)象；且殼層中聚合物含量相對(duì)較高，可有效阻隔水分進(jìn)入WPCs內(nèi)部，避免潮濕環(huán)境下WPCs發(fā)生的霉變現(xiàn)象；殼層對(duì)水分子的抑制同樣可以避免由于吸濕行為導(dǎo)致的WPCs膨脹變形和表面開(kāi)裂等現(xiàn)象。此外，通過(guò)殼層改性，Co-WPCs可以在保證較高韌性的前提下，提高表面硬度和耐刮擦性能，避免在長(zhǎng)期使用后表面出現(xiàn)明顯的劃痕。因此，研究Co-WPCs可以為拓寬WPCs應(yīng)用范圍和改善其綜合性能提供理論和技術(shù)支撐。筆者從Co-WPCs研究現(xiàn)狀和主要性能、新型Co-WPCs及Co-WPCs的應(yīng)用方面，對(duì)Co-WPCs的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了概述，最后提出Co-WPCs發(fā)展所面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，為Co-WPCs的創(chuàng)新和發(fā)展提供新思路，并闡述了未來(lái)研究的重點(diǎn)。

圖1 傳統(tǒng)木塑產(chǎn)品室外老化降解現(xiàn)象Fig.1 The aging and degradation problems of traditional WPCs products in outdoor applications

1 Co-WPCs研究現(xiàn)狀

共擠出技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，通過(guò)多臺(tái)擠出機(jī)將熔融物料分別輸入一個(gè)共擠出模具中，加工成型得到多層復(fù)合制品[6]，包括聚合物加工復(fù)合管材、復(fù)合薄膜、異型材及電線電纜等制品[13-15]。相關(guān)專利申請(qǐng)數(shù)量整體呈上升趨勢(shì)并趨向平穩(wěn)，說(shuō)明該技術(shù)已經(jīng)處于成熟期[16]。據(jù)于旻等[6]報(bào)道，有研究人員于2007年通過(guò)共擠出技術(shù)首次制備出了具有核殼結(jié)構(gòu)的WPCs，即Co-WPCs。Co-WPCs伴隨著木塑行業(yè)多年的發(fā)展，已經(jīng)日趨成熟并逐漸成為WPCs領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。共擠出作為相對(duì)比較先進(jìn)的木塑成型技術(shù)之一，將WPCs與其他材料優(yōu)化組合，揚(yáng)長(zhǎng)避短，設(shè)計(jì)制備具有不同結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的多層木塑復(fù)合材料，不僅可大幅改善WPCs易蠕變、脆性大、易老化和易燃燒等問(wèn)題，還將成為制備高附加值、多功能木塑復(fù)合材料的重要途徑[17]，具有良好的發(fā)展?jié)摿?。近年?lái)，傳統(tǒng)WPCs產(chǎn)品需求放緩，但Co-WPCs產(chǎn)品發(fā)展迅猛，其市場(chǎng)份額逐漸上升并已經(jīng)超過(guò)50%，這將會(huì)是WPCs產(chǎn)業(yè)的主流發(fā)展趨勢(shì)[6]。在歐美等國(guó)家和地區(qū)，Co-WPCs產(chǎn)品以戶外墻板、鋪板、柵欄(欄桿)和門窗等高端產(chǎn)品為主，同時(shí)也包括室外花箱、座椅、垃圾箱等配套產(chǎn)品；而國(guó)內(nèi)主要以室內(nèi)產(chǎn)品為主，包括門窗、室內(nèi)墻板、屋頂、地板等產(chǎn)品，目前正逐漸向戶外產(chǎn)品發(fā)展，其潛力和市場(chǎng)巨大。殼層的存在，不僅可以賦予Co-WPCs多功能性，還可使其具備豐富的色彩和表面紋理等可裝飾特性，因此，Co-WPCs產(chǎn)品將會(huì)呈現(xiàn)多元化的發(fā)展趨勢(shì)。

近年來(lái)，已有不少國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)核/殼結(jié)構(gòu)的Co-WPCs開(kāi)展研究[18-19]，其制備流程及截面如圖2所示。在保證Co-WPCs核/殼結(jié)構(gòu)完整的前提下，通過(guò)在殼層中添加功能性填料，如無(wú)機(jī)粒子/纖維、阻燃劑、抗老化劑等，研究殼層改性對(duì)Co-WPCs性能的影響，是目前常見(jiàn)的Co-WPCs改性方法。盡管針對(duì)Co-WPCs在不同領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)開(kāi)展了大量與其力學(xué)性能、尺寸穩(wěn)定性(吸水、蠕變和熱膨脹)、耐候性及阻燃性等相關(guān)的研究，但缺乏系統(tǒng)的總結(jié)和概述。

圖2 共擠出木塑制備流程(上)及截面(下)[18-19]Fig. 2 Preparation schematic diagram (up) and section diagram (down) of the Co-WPCs

2 Co-WPCs主要性能

Co-WPCs具有特殊的核/殼結(jié)構(gòu)，殼層以完全包覆的形式與核層進(jìn)行復(fù)合，通過(guò)在殼層添加少量不同功能的助劑或填料，改善WPCs的力學(xué)性能、尺寸穩(wěn)定性、耐候性及阻燃性等性能，從而獲得多功能一體化的WPCs產(chǎn)品，拓寬其應(yīng)用范圍。首先，與普通WPCs相比，Co-WPCs表現(xiàn)出較好的韌性，但強(qiáng)度和模量會(huì)有不同程度的降低，尤其是在殼層添加不同功能化填料后，對(duì)力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生明顯的影響，而力學(xué)性能一直是Co-WPCs研究的重點(diǎn)問(wèn)題；其次，殼層中聚合物含量較高，使得Co-WPCs表現(xiàn)出更高的溫度依賴性，因此，研究外界環(huán)境作用(溫度、濕度和外力)對(duì)其尺寸穩(wěn)定性的影響顯得尤為必要；最后，Co-WPCs產(chǎn)品在室內(nèi)外長(zhǎng)期使用過(guò)程中，對(duì)其阻燃性和耐候性有一定的要求，同時(shí)還需考慮阻燃性、耐候性與其他性能之間的平衡，避免單一性能劇烈下降的問(wèn)題。綜上所述，本部分以Co-WPCs力學(xué)性能、尺寸穩(wěn)定性、阻燃性和耐候性為例，系統(tǒng)總結(jié)并概述Co-WPCs的主要性能。

2.1 力學(xué)性能

WPCs的力學(xué)性能包括彎曲、拉伸和沖擊性能，但是由于Co-WPCs特殊的核殼結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有的研究通常只對(duì)Co-WPCs進(jìn)行彎曲和沖擊性能測(cè)試。主要原因是測(cè)試Co-WPCs力學(xué)性能時(shí)，需要在保持共擠出結(jié)構(gòu)完整的前提下進(jìn)行，從而充分體現(xiàn)殼層完全包覆結(jié)構(gòu)對(duì)整體Co-WPCs性能的影響[17]。在商業(yè)化的WPCs制品中，通常以提高木質(zhì)纖維含量或采用回收塑料作為聚合物基體等方法來(lái)降低成本[20]，但上述方法使得WPCs在不同濕度、溫度或紫外線等室外環(huán)境下具有較差的耐久和力學(xué)性能[10,21-23]。殼層對(duì)于Co-WPCs的整體性能具有重要影響，其厚度和各組分配比等對(duì)Co-WPCs力學(xué)性能影響較明顯[19，24-25]。殼層增強(qiáng)增韌Co-WPCs的機(jī)理可以解釋為：韌性殼層能夠抑制脆性核層在受到外力時(shí)的裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)散[19,26-27]，使得Co-WPCs破壞時(shí)吸收更多的能量[19，26]，因此，破壞方式從脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂。韌性殼層可以將沖擊或彎曲作用力分散在Co-WPCs上下表面，有效避免應(yīng)力集中，如圖3所示?；谏鲜鲈?，通過(guò)增強(qiáng)殼層的方式可以實(shí)現(xiàn)整體Co-WPCs增強(qiáng)的目的。簡(jiǎn)單且常用的方法是填充剛性材料到殼層中，包括氧化硅、滑石粉、碳酸鈣、玄武巖纖維、玻璃纖維、碳納米管及木質(zhì)纖維等[19，24-30]，可以達(dá)到增強(qiáng)整體Co-WPCs的目的。與普通WPCs相比，因?yàn)闅泳哂休^高的聚合物含量，Co-WPCs通常表現(xiàn)出彎曲強(qiáng)度和模量降低而沖擊韌性提高的現(xiàn)象[10,21]。

圖3 Co-WPCs沖擊斷裂破壞(左)及彎曲(右上)和沖擊受力(右下)有限元模擬[18，26]Fig. 3 Impact fracture processes of Co-WPCs (left) and the finite element analysis under the flexural (top right) and impact stress (lower right)

殼層添加不同填料對(duì)Co-WPCs彎曲、沖擊及吸水性能的影響見(jiàn)表1。在殼層添加少量木質(zhì)纖維或阻燃劑，可以提高Co-WPCs的彎曲強(qiáng)度，但彎曲模量依舊呈下降趨勢(shì)[19,30-31]。采用無(wú)機(jī)碳納米管或玄武巖纖維增強(qiáng)殼層，可以同時(shí)提高Co-WPCs的彎曲強(qiáng)度和模量[25,32]。Kim等[27]分別以回收聚丙烯和高密度聚乙烯新料作為樹(shù)脂基體，制備了強(qiáng)度較低和較高的2種核層材料(對(duì)照組)，研究殼層添加木質(zhì)纖維和碳酸鈣對(duì)Co-WPCs力學(xué)性能的影響，結(jié)果顯示，與對(duì)照組相比，以強(qiáng)度較低的核層制備的Co-WPCs彎曲強(qiáng)度和模量均有所提高，但以強(qiáng)度較高的核層制備的Co-WPCs則呈現(xiàn)出相反的結(jié)果[26]。上述研究表明樹(shù)脂基體的種類也對(duì)Co-WPCs力學(xué)性能有重要影響。采用硅烷改性的納米二氧化硅增強(qiáng)殼層，可以得到與空白組WPCs力學(xué)性能相當(dāng)?shù)腃o-WPCs[27]，硅烷改性不僅提高二氧化硅與聚合物基體的界面相容性，同時(shí)也提高了其在木塑基體中的分散性[33]。此外，通過(guò)調(diào)控優(yōu)化殼層與核層木質(zhì)纖維的含量，也可以得到力學(xué)性能優(yōu)越的Co-WPCs，避免無(wú)機(jī)填料復(fù)合時(shí)的分散和高熔體黏度等問(wèn)題[18]。綜上所述，對(duì)比分析表1中Co-WPCs的力學(xué)性能可知，通過(guò)改變韌性殼層中填充物的種類或含量，雖然在保證韌性不變的前提下能一定程度提高Co-WPCs的強(qiáng)度和模量，但實(shí)現(xiàn)Co-WPCs同時(shí)增強(qiáng)增韌仍需繼續(xù)探索。

表1 不同核/殼層組分對(duì)共擠出木塑性能的影響Table 1 Effects of different combinations of core/shell layer on the properties of Co-WPCs

2.2 尺寸穩(wěn)定性

木質(zhì)材料極性大，吸濕后尺寸變化較大，但是溫度變化對(duì)其尺寸影響較??；聚合物吸濕通常小于1%，濕度對(duì)其尺寸變化影響可忽略，但是溫度變化會(huì)導(dǎo)致較大的尺寸變形。此外，聚合物在外力或自身重力長(zhǎng)期作用下會(huì)發(fā)生蠕變變形。WPCs由極性木質(zhì)纖維和非極性聚合物復(fù)合組成，其尺寸穩(wěn)定性包括由濕度引起的吸濕膨脹和解吸收縮、溫度升高和降低所導(dǎo)致的熱膨脹和冷縮，以及在長(zhǎng)期載荷作用下的蠕變變形。根據(jù)地域和季節(jié)的不同，還需要考慮濕度、溫度和載荷等多種因素對(duì)WPCs尺寸穩(wěn)定性的綜合影響。鑒于Co-WPCs特殊的多層結(jié)構(gòu)，研究其尺寸穩(wěn)定性顯得尤為重要。

2.2.1 吸水性能

極性木質(zhì)纖維作為WPCs中的親水性組分，其羥基與自由水通過(guò)氫鍵結(jié)合是WPCs吸濕的主要原因[38]，聚合物基體在加工過(guò)程中對(duì)木質(zhì)纖維進(jìn)行浸潤(rùn)和包覆可以有效抑制吸濕行為的發(fā)生[39-40]。與普通WPCs相比，Co-WPCs具有較低的吸濕增重率和厚度膨脹率。研究表明，即使將殼層中的改性碳酸鈣(TPCC)和木質(zhì)纖維含量分別提高至18%和15%，Co-WPCs的吸濕增重率和厚度膨脹率也無(wú)明顯變化，這主要是因?yàn)楦呔酆衔锖繗訉?duì)水分遷移起到了抑制作用[29]。由表1可知，除了殼層添加高含量木質(zhì)纖維的Co-WPCs吸水率增加，其他均有不同程度降低，說(shuō)明Co-WPCs吸濕行為與殼層和核層中木質(zhì)纖維含量密切相關(guān)。提高木質(zhì)纖維含量，Co-WPCs吸水增重率和厚度膨脹率顯著增大，說(shuō)明木質(zhì)纖維含量較高時(shí)，聚合物基體對(duì)其并不能完全包覆，導(dǎo)致木質(zhì)纖維團(tuán)聚并形成缺陷孔洞[10,21,38-39]。Co-WPCs吸濕行為主要貢獻(xiàn)者為核層，水分主要通過(guò)共擠出木塑的兩端進(jìn)入，殼層不僅可以阻止水分從Co-WPCs表面進(jìn)入，其完整包裹作用還可以進(jìn)一步限制核層的吸濕膨脹行為[41]。采用封邊或密封劑等手段將Co-WPCs兩端封閉，可以顯著降低其吸濕行為[10]。水分的進(jìn)入會(huì)破壞木質(zhì)纖維與聚合物基體之間的界面結(jié)合，最終降低木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能。與普通WPCs相比，殼層的存在可以較好地保持Co-WPCs吸濕-干燥循環(huán)后的力學(xué)性能，說(shuō)明Co-WPCs在高溫高濕環(huán)境中具有更好的潛在優(yōu)勢(shì)[41]。此外，由于Co-WPCs擠出過(guò)程中木質(zhì)纖維的定向分布，吸濕膨脹率應(yīng)該考慮除厚度方向外的其他2個(gè)方向，即長(zhǎng)度和寬度方向，綜合分析由吸濕造成的不同方向膨脹的各向異性。

2.2.2 蠕變性能

WPCs在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，其聚合物基體分子鏈段的運(yùn)動(dòng)和滑移導(dǎo)致的蠕變行為會(huì)嚴(yán)重影響其宏觀性能和使用周期。鑒于殼層具有較高的聚合物含量，Co-WPCs在長(zhǎng)期使用過(guò)程中會(huì)表現(xiàn)出更明顯的時(shí)間和溫度依賴性的蠕變行為[18,27,29]。提高木質(zhì)纖維含量可以有效降低WPCs的蠕變變形，研究表明，將木質(zhì)纖維(質(zhì)量分?jǐn)?shù))從50%提高到70%，其24 h蠕變變形可降低58%[42]。與力學(xué)性能類似，在殼層中添加剛性粒子，例如二氧化硅或木質(zhì)纖維，同樣可以通過(guò)顯著降低殼層的蠕變變形，以達(dá)到降低Co-WPCs整體長(zhǎng)期蠕變變形的目的[18,27]。這主要?dú)w功于剛性二氧化硅或木質(zhì)纖維可以有效抑制聚合物鏈段的滑移和重排，從而提高其抗蠕變性能[43-44]。相比于微米級(jí)二氧化硅，納米級(jí)二氧化硅可以更高程度地降低殼層和Co-WPCs的蠕變變形，這主要?dú)w功于納米尺寸的增強(qiáng)效應(yīng)，將納米二氧化硅表面硅烷改性后可以在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高Co-WPCs的抗蠕變性能。但是殼層增強(qiáng)對(duì)Co-WPCs整體抗蠕變性能提高有限，而核層作為Co-WPCs的主體，提高核層木質(zhì)纖維含量同樣可以有效降低Co-WPCs整體的蠕變變形[18]。

2.2.3 熱膨脹性能

由于聚合物基體的存在，Co-WPCs的熱膨脹性能也是不可忽視的問(wèn)題之一，尤其在溫度變化較大的環(huán)境中使用時(shí)。聚合物的線性熱膨脹系數(shù)一般高于1×10-4℃-1，遠(yuǎn)大于金屬、陶瓷的2×10-5℃-1，而天然生物質(zhì)材料的熱膨脹系數(shù)為5×10-6～5×10-5℃-1[45-46]，因此木質(zhì)纖維的存在可以有效降低聚合物基體的熱膨脹行為。由于熱膨脹行為的本質(zhì)主要來(lái)源于熱塑性聚合物基體[47]，所以Co-WPCs殼層的存在使得其熱膨脹系數(shù)通常大于普通WPCs[17]。提高殼層或核層木質(zhì)纖維含量，或者在殼層中添加低膨脹系數(shù)的材料，例如無(wú)機(jī)粒子或纖維，均可以有效降低Co-WPCs的熱膨脹行為[24,37]。通過(guò)玻璃纖維增強(qiáng)殼層，可以在提高Co-WPCs整體彎曲性能的前提下，降低Co-WPCs的熱膨脹系數(shù)；隨著玻璃纖維含量增加，或保持玻璃纖維含量不變而增加殼層厚度，可以進(jìn)一步提高Co-WPCs的彎曲性能并降低整體熱膨脹系數(shù)[48-49]。與HDPE新料相比，回收LDPE具有較低的分子質(zhì)量和更強(qiáng)的分子鏈段運(yùn)動(dòng)能力，導(dǎo)致其制備的Co-WPCs具有較大的熱膨脹系數(shù)[24]。

殼層對(duì)核層的完全包覆作用，從結(jié)構(gòu)上也可以一定程度地限制Co-WPCs的熱膨脹行為。此外，WPCs擠出過(guò)程中木質(zhì)纖維的定向排列呈現(xiàn)出明顯的熱膨脹各向異性，即沿著木質(zhì)纖維定向排列方向的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)小于厚度和其他方向[50]，說(shuō)明具有不同長(zhǎng)徑比的木質(zhì)纖維通過(guò)限制聚合物基體的變形達(dá)到降低Co-WPCs熱膨脹系數(shù)的目的[17]。研究Co-WPCs熱膨脹行為的各向異性具有重要的實(shí)際意義，木塑制品在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，其長(zhǎng)度尺寸遠(yuǎn)大于厚度尺寸，雖然長(zhǎng)度方向的熱膨脹系數(shù)較低，但實(shí)際熱脹冷縮的尺寸變化絕對(duì)值明顯大于厚度方向，這也是Co-WPCs鋪板、地板、墻板等在長(zhǎng)期使用過(guò)程中發(fā)生變形、翹曲和收縮的主要原因之一。

2.3 耐候性能

WPCs在室外使用時(shí)，由于受到雨水侵蝕、UV光照等因素影響會(huì)降低其使用壽命，通過(guò)研究其耐候性能，可以為WPCs延長(zhǎng)使用壽命、拓寬應(yīng)用范圍提供理論和技術(shù)支持。相比于普通WPCs，Co-WPCs由于殼層的存在，很大程度上提高了耐候性能[31]。以HDPE或者PP作為殼層制備Co-WPCs為例，研究其對(duì)耐候性能的影響：HDPE或者PP殼層可以有效降低Co-WPCs的吸濕性，而吸濕性對(duì)耐候性有著至關(guān)重要的作用，即Co-WPCs隨著吸濕性的降低，耐候性能有所提高[51]；但殼層會(huì)在UV光降解作用下產(chǎn)生裂痕，促進(jìn)吸濕作用，從而降低其耐候性。由于PP較HDPE對(duì)光更敏感，所以PP為殼層的Co-WPCs在長(zhǎng)期耐候測(cè)試中顏色變化較大，如圖4所示。

圖4 不同殼層共擠出木塑老化前后的對(duì)比[51]Fig. 4 Comparison of Co-WPCs with different cap surfaces before and after weathering

普通WPCs在老化過(guò)程中，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)其顏色迅速變淺，這是因?yàn)樽贤饩€將木質(zhì)纖維中的木質(zhì)素分解為具有顯色基團(tuán)的物質(zhì)，在循環(huán)噴淋作用下，其降解產(chǎn)物很快被沖刷走，在WPCs表面生成裂痕，加速了WPCs的褪色。因此，WPCs中木質(zhì)纖維與聚合物基體的界面結(jié)合對(duì)于老化行為起到關(guān)鍵性作用。與普通WPCs相比，Co-WPCs的老化機(jī)理可以解釋為：在殼層保護(hù)下，循環(huán)噴淋不能沖刷走顯色分解物，隨著時(shí)間推移Co-WPCs顏色會(huì)逐漸加深，當(dāng)殼層光降解形成裂痕后，其顯色物質(zhì)被水沖刷走，顏色開(kāi)始變淺[52]。因此，在殼層中添加光穩(wěn)定劑或者紫外吸收劑，可以在殼層保護(hù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高Co-WPCs的耐候性[22-23]，而在殼層中添加金屬氧化物類的顏料(例如二氧化鈦、氧化鐵、氧化鋅等)可以在改善力學(xué)性能的前提下使其具備良好的顏色穩(wěn)定性[35-36,53]。采用PMMA改性HDPE共混物作為Co-WPCs的殼層，可以有效降低殼層在加速老化過(guò)程中的開(kāi)裂問(wèn)題，且隨著PMMA含量的增加，Co-WPCs表現(xiàn)出優(yōu)異的抗老化性能[53]。此外，在殼層中添加無(wú)機(jī)納米氧化硅或玄武巖纖維，Co-WPCs在保持良好力學(xué)性能的同時(shí)也具備較好的抗老化性能[22-23,54]。

2.4 阻燃性能

WPCs作為室內(nèi)用建筑裝飾材料，必須符合一定的阻燃等級(jí)要求。針對(duì)WPCs的阻燃問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了系列研究，常用且有效的手段是在WPCs中直接添加阻燃劑，例如金屬氧化物(氫氧化鋁或氫氧化鎂)、聚磷酸銨、膨脹石墨、硼類化合物及無(wú)機(jī)納米粒子等一種或幾種復(fù)配[37,55]，但阻燃劑的加入通常會(huì)導(dǎo)致WPCs物理力學(xué)性能的降低。采用共擠出方式，將少量阻燃劑加入到殼層中，可以在降低阻燃劑用量的同時(shí)保留WPCs優(yōu)異的力學(xué)性能并達(dá)到阻燃要求。研究表明，殼層中單獨(dú)添加滑石粉，燃燒后Co-WPCs表面形成連續(xù)的炭層，當(dāng)滑石粉添加量超過(guò)20%時(shí)可以明顯降低Co-WPCs的熱釋放總量，但仍然大于普通WPCs[56]。殼層中添加玄武巖纖維或?qū)⑿鋷r纖維與滑石粉復(fù)配使用，也可以在提高Co-WPCs阻燃性能的同時(shí)，一定程度上提高其力學(xué)性能[29,32]。將聚磷酸銨與天然石墨或膨脹石墨復(fù)配添加到Co-WPCs的殼層中，與單獨(dú)添加一種阻燃劑相比，可以顯著降低Co-WPCs熱釋放總量并延長(zhǎng)點(diǎn)燃時(shí)間，表現(xiàn)出優(yōu)異的阻燃性能[30,57]。與石墨和碳纖維相比，將納米級(jí)的炭黑和碳納米管添加到殼層中，可以更顯著地降低Co-WPCs熱釋放速率、熱釋放總量并延長(zhǎng)點(diǎn)燃時(shí)間，具有更優(yōu)異的阻燃性能，但與不添加阻燃劑的Co-WPCs相比，其一氧化碳釋放量均有不同程度增加[12]。鑒于Co-WPCs殼層較薄，在燃燒過(guò)程中如何降低其熱量由外部向內(nèi)部核層傳遞，這是在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高其阻燃性能的關(guān)鍵。因此，膨脹性阻燃劑將會(huì)是未來(lái)制備阻燃型Co-WPCs較好的選擇之一。綜上所述，在殼層添加少量阻燃劑即可達(dá)到Co-WPCs整體阻燃的目的，不僅可以改善其力學(xué)性能，還能有效降低成本，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。

3 新型共擠出木塑復(fù)合材料

3.1 木塑-實(shí)木多元共擠出復(fù)合材料

線型結(jié)構(gòu)熱塑性聚合物固有的黏彈特性導(dǎo)致了WPCs易蠕變，盡管適當(dāng)提高木質(zhì)纖維的用量有助于改善WPCs的抗蠕變性能[18]，但是過(guò)高的木質(zhì)纖維用量(70%以上)會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的脆性急劇增大、吸水性升高、抗微生物侵害能力降低等問(wèn)題。因此，僅靠提高木質(zhì)纖維用量不僅不能徹底解決WPCs蠕變問(wèn)題，而且會(huì)產(chǎn)生脆斷、腐朽等新問(wèn)題[58]。另一方面，我國(guó)速生人工林木材資源豐富，但是其材質(zhì)軟、易開(kāi)裂變形且耐腐性差，作為低質(zhì)木材其直接利用的價(jià)值不高。速生人工林木材及其集成材、單板層積材等重組材料的尺寸穩(wěn)定性差，硬度和橫紋抗壓強(qiáng)度不到木塑的50%，但其剛性好，拉伸、抗沖擊和抗蠕變性能突出。針對(duì)WPCs和速生木材這兩類材料的不同特點(diǎn)，需揚(yáng)長(zhǎng)避短、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。有學(xué)者提出了以WPCs為表層，以速生人工林木材及其重組材(簡(jiǎn)稱實(shí)木)為芯材，通過(guò)共擠出成型等方法進(jìn)行復(fù)合，制備抗蠕變不脆斷、輕質(zhì)高強(qiáng)、高性價(jià)比、耐久性優(yōu)異的木塑-實(shí)木多元共擠出復(fù)合材料[59-63]。與傳統(tǒng)Co-WPCs相比，木塑-實(shí)木多元共擠出復(fù)合材料僅需一臺(tái)擠出機(jī)，通過(guò)特定的共擠出模具，配合實(shí)木輸送裝置，即可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單或異型截面共擠出復(fù)合材料的制備，如圖5所示。木塑-實(shí)木多元共擠出復(fù)合材料綜合性能優(yōu)良且綠色環(huán)保，成本介于木塑和木質(zhì)多層板之間，因而性價(jià)比高，不僅適于作為傳統(tǒng)防腐木和人造板的升級(jí)換代產(chǎn)品，而且在高品質(zhì)建筑門窗、建筑模板、大跨度木質(zhì)構(gòu)件、建筑部品、多功能墻體、綠色建筑，以及其他對(duì)材料的環(huán)保、承重、防水防潮、防腐防蛀、耐候等性能要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域，具有突出的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊[64]。

圖5 木塑-實(shí)木共擠出流程(a)及實(shí)物(b)[64]Fig. 5 WPC-solid wood co-extrusion progress (a) and the prepared products (b)

3.2 門窗用共擠出木塑復(fù)合異型材

WPCs最典型的應(yīng)用是通過(guò)擠出異型材，制備環(huán)保節(jié)能門窗，代替現(xiàn)有的塑鋼窗、鋁合金門窗、實(shí)木門窗等，解決鋁合金生產(chǎn)耗能高且保溫隔熱差、PVC有環(huán)境污染隱患、實(shí)木價(jià)格高且尺寸穩(wěn)定性差等突出問(wèn)題[65-66]。室內(nèi)用門窗需要具備一定的阻燃性、抗靜電、表面裝飾性和抗菌性等功能。此外，建筑外窗受到長(zhǎng)期的風(fēng)吹雨淋和日曬，其老化問(wèn)題不容忽視，雖然采用涂漆、覆膜等后期處理技術(shù)可以一定程度上解決老化問(wèn)題，但同時(shí)也會(huì)增加成本。研究木塑門窗異型材的共擠出技術(shù)，利用功能化的殼層包覆性能單一的WPCs核層，制備多功能化、高附加值的門窗用Co-WPCs異型材，是未來(lái)重要的研究?jī)?nèi)容之一[53,65]。普通WPCs異型材窗戶或Co-WPCs異型材窗戶，雖已經(jīng)成功制備并作為產(chǎn)品代替部分傳統(tǒng)窗戶(圖6)，但要大范圍地應(yīng)用和推廣依舊任重道遠(yuǎn)。綜上所述，共擠出木塑異型材雖然優(yōu)勢(shì)很大，但對(duì)擠出成型設(shè)備尤其是模具的要求更高，需要木塑擠出工藝與模具設(shè)計(jì)協(xié)同優(yōu)化，這將是木塑門窗未來(lái)發(fā)展的挑戰(zhàn)和難題所在。

圖6 單層木塑異型材(a、d)與共擠出木塑異型材截面(b、c、e)Fig. 6 The sections of single layer WPCs profiles (a and d) and Co-WPCs profiles (b, c and e)

4 共擠出木塑的應(yīng)用

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，WPCs產(chǎn)品在歐洲已經(jīng)達(dá)到市場(chǎng)成熟階段，其中：戶外地板和汽車內(nèi)飾兩類約占市場(chǎng)總量的90%；戶外墻板、柵欄和家具等方面雖然所占市場(chǎng)份額不高，但也表現(xiàn)出了較強(qiáng)的增長(zhǎng)勢(shì)頭。我國(guó)的WPCs 產(chǎn)品主要包括門窗、內(nèi)墻面板和戶外棧板等產(chǎn)品[67]。WPCs系列產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，許多使用木材和鋼材的傳統(tǒng)建筑設(shè)施正逐步被WPCs所替代，如鋪板、欄桿、圍欄、窗戶框架、外墻掛板等[68]。然而，在戶外使用時(shí)，水分和光照等外部因素產(chǎn)生的吸濕、老化褪色、開(kāi)裂變形、蟲(chóng)蛀霉變等現(xiàn)象依舊是制約普通WPCs產(chǎn)品在戶外使用周期的重要因素。通過(guò)共擠一層功能化的殼層，可以有效解決并避免上述問(wèn)題。本部分以Co-WPCs戶外墻板和鋪板產(chǎn)品為例，重點(diǎn)介紹Co-WPCs在室外的應(yīng)用。

4.1 戶外墻板

WPCs外墻板作為一種新型綠色建材，被廣泛用于建筑外圍，特別是用于低層建筑時(shí)，具備質(zhì)輕高強(qiáng)、抗震、施工快捷、節(jié)能環(huán)保、可循環(huán)利用等優(yōu)勢(shì)[69]。WPCs替代木材作為戶外墻板，不僅能提高房屋建筑的耐久性，使房屋建筑易于保養(yǎng)和維修；同時(shí)，WPCs也比木材表現(xiàn)出更多的藝術(shù)價(jià)值和審美價(jià)值，顯著提高了房屋建筑的使用價(jià)值[70]。在國(guó)外，WPCs墻板已較早地應(yīng)用于民用建筑和一般工業(yè)建筑的非承重內(nèi)隔墻和外圍護(hù)墻領(lǐng)域，其技術(shù)和產(chǎn)品日趨成熟(圖7)。雖然國(guó)內(nèi)WPCs墻板起步較晚，相關(guān)研究和應(yīng)用相對(duì)較少[69]，但相關(guān)企業(yè)和產(chǎn)品正逐步興起，具有巨大的市場(chǎng)潛力和發(fā)展空間。

圖7 國(guó)外(上)和國(guó)內(nèi)(下)共擠出木塑墻板的戶外應(yīng)用Fig. 7 The outdoor applications of Co-WPCs panels by foreign (up) and domestic (down) manufacturers

戶外使用時(shí)對(duì)木塑外墻板的耐腐性、抗老化性、耐水防潮性等要求相對(duì)更高，而且長(zhǎng)期暴露在大氣中，會(huì)在水、紫外線等因素作用下產(chǎn)生一定的吸水、吸濕、褪色、蟲(chóng)蛀現(xiàn)象；其次，針對(duì)不同氣候地區(qū)，木塑外墻板也需要考慮是否能滿足建筑節(jié)能及保溫的要求[71]。通過(guò)殼層改性，Co-WPCs墻板具有突出的耐水、防腐、防蟲(chóng)、抗老化等特性，另外表面色澤紋理可調(diào)，具備良好的裝飾性能，各項(xiàng)性能指標(biāo)可以滿足建筑對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本要求。與傳統(tǒng)WPCs墻板相比，Co-WPCs后期維護(hù)量大大減小，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中不易產(chǎn)生材料碎裂、褪色等問(wèn)題。

4.2 戶外鋪板

相比于木塑外墻板，木塑戶外鋪板是WPCs應(yīng)用最早也是最多的領(lǐng)域，約占WPCs市場(chǎng)份額的75%[68]。WPCs鋪板在戶外使用時(shí)，除了需要考慮耐腐朽、抗老化、耐水防潮等問(wèn)題，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中其力學(xué)性能、耐磨防滑、抗變形等也需要達(dá)到使用要求。對(duì)于PVC基Co-WPCs，采用抗紫外老化、耐高溫性能優(yōu)異和顏色持久的丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯共聚物(ASA)作為殼層材料，輔以色粉、色母粒和其他加工助劑，共擠包覆后可解決因氣候環(huán)境原因造成的性能下降和色彩變化。對(duì)于HDPE基Co-WPCs，通常采用低溫抗沖擊韌性、抗磨損性能、刮擦性能和穩(wěn)定性能優(yōu)異的沙林樹(shù)脂(Surlyn)對(duì)HDPE進(jìn)行改性用作殼層材料，輔以紫外光吸收劑、光穩(wěn)定劑、色粉、色母粒和其他加工助劑，通過(guò)共擠出成型技術(shù)制備綜合性能優(yōu)異的Co-WPCs鋪板。Co-WPCs戶外鋪板廣泛應(yīng)用于碼頭、園路、觀景平臺(tái)、棧道、庭院等場(chǎng)合，可根據(jù)需要和使用場(chǎng)地選擇不同的顏色(圖8)。在進(jìn)行戶外景觀設(shè)計(jì)時(shí)，將涼亭、圍欄、護(hù)欄、花箱等WPCs制品與周圍環(huán)境結(jié)合，使其更具創(chuàng)意及觀賞性，實(shí)現(xiàn)人造景觀與自然環(huán)境的完美融合[72]。

圖8 共擠出木塑鋪板的戶外應(yīng)用Fig. 8 The outdoor applications of Co-WPCs’ decking

5 展 望

Co-WPCs作為木塑復(fù)合材料的重要研究方向之一，在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中必然會(huì)面臨一定的問(wèn)題和挑戰(zhàn)：首先，多功能集成是其發(fā)展的必然趨勢(shì)，單一功能已經(jīng)不能滿足使用需求，發(fā)展多功能集成化Co-WPCs及其制品，是木塑在高檔門窗、交通工具、綠色建筑等高附加值領(lǐng)域大規(guī)模推廣應(yīng)用的重要途徑；其次，降低Co-WPCs成本依舊是研究和生產(chǎn)過(guò)程中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，用作Co-WPCs共擠殼層的樹(shù)脂原料ASA和Surlyn基本由跨國(guó)公司壟斷市場(chǎng)，原料成本居高不下，通過(guò)核心技術(shù)攻關(guān)，開(kāi)發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的原料生產(chǎn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)ASA和Surlyn的國(guó)產(chǎn)化將是降低Co-WPCs成本的重要途徑之一；最后，核/殼結(jié)構(gòu)賦予Co-WPCs優(yōu)良的性能，但核/殼結(jié)構(gòu)的界面問(wèn)題將是影響材料性能的重要因素，涉及共擠出模具設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、核/殼材料的流變行為等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

Co-WPCs及其制品發(fā)展日趨成熟，其未來(lái)發(fā)展必將成為木塑行業(yè)的重要引領(lǐng)方向之一。雖然國(guó)內(nèi)外針對(duì)Co-WPCs已經(jīng)展開(kāi)了一系列研究，但是Co-WPCs的潛力和潛在應(yīng)用價(jià)值還有待進(jìn)一步挖掘。

1)Co-WPCs由于高樹(shù)脂含量殼層的存在，能夠賦予其良好的沖擊韌性，通過(guò)殼層改性，在保證韌性的前提下提高力學(xué)強(qiáng)度和模量，是其未來(lái)在建材領(lǐng)域應(yīng)用的必要條件之一。因此，距離實(shí)現(xiàn)Co-WPCs同時(shí)增強(qiáng)增韌的目標(biāo)仍需做更多探索研究。

2)與普通WPCs相比，殼層的存在同樣影響Co-WPCs的尺寸穩(wěn)定性，雖然核/殼結(jié)構(gòu)可以很大程度上降低吸水性能，但同時(shí)又引入了蠕變和熱膨脹問(wèn)題，這對(duì)于其長(zhǎng)期使用顯然是不利的。參考力學(xué)改性的方法，通過(guò)摻雜無(wú)機(jī)或功能化粒子到殼層中是改善蠕變和熱膨脹行為的簡(jiǎn)單且有效途徑之一。

3)阻燃與耐候是Co-WPCs在室內(nèi)外應(yīng)用時(shí)必須考慮的2個(gè)問(wèn)題，也是目前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題：在綜合考慮制造成本和工藝的前提下，多功能一體化將是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)之一；其次還需要考慮耐候、阻燃與其他性能之間的平衡，避免單一性能劇烈下降的問(wèn)題。

4)Co-WPCs及其制品會(huì)向著新型化、多元化的方向發(fā)展，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)進(jìn)一步創(chuàng)新和再發(fā)展，滿足研究、生產(chǎn)及市場(chǎng)各方需求，實(shí)現(xiàn)多功能、高附加值的應(yīng)用，是發(fā)展Co-WPCs的最終目標(biāo)。