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木塑復(fù)合材料生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)狀與發(fā)展
摘要：本文介紹了木塑復(fù)合材料發(fā)展的現(xiàn)狀以及各種生產(chǎn)設(shè)備，以及木塑材料的特點，介紹了木塑復(fù)合材料的生產(chǎn)特點和發(fā)展理由。
關(guān)鍵詞：木塑復(fù)合材料；可塑化；經(jīng)濟化；回收再生化 木塑復(fù)合材料是指以低值或廢棄的生物質(zhì)材料為主原料，利用高分子界面化學(xué)原理和塑料填充改性的特點，配混一定比例的塑料基料，經(jīng)專業(yè)工藝處理后加工成型的一種可循環(huán)加工利用的新型材料。木塑材料的最大特性在于它同時具備了天然木材與合成塑料兩種材質(zhì)截然不同的基礎(chǔ)材料的多重優(yōu)點，它具有五大特點：1、原料資源化；2、產(chǎn)品可塑化；3、應(yīng)用環(huán)保化；4、成本經(jīng)濟化；5、回收再生化。木塑復(fù)合材料生產(chǎn)設(shè)備就是為該材料提供生產(chǎn)，通過自主集成創(chuàng)新問世的新型設(shè)備。
一、木塑材料的生產(chǎn)設(shè)備
木塑復(fù)合材料的制造主要有擠出成型、熱壓成型、注塑成型等工藝，但目前應(yīng)用較廣、技術(shù)最為成熟的是擠出成型工藝。根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，整條生產(chǎn)線所需設(shè)備主要由以下幾個部分構(gòu)成：
1. 生物質(zhì)原料制備設(shè)備
該設(shè)備主要由木材削片機和木材磨粉機組成混合機組，主要用于木塑復(fù)合材料中生物質(zhì)原料的制備。該機組要求可以對各種木材和農(nóng)業(yè)剩余物進(jìn)行粉碎，并根據(jù)產(chǎn)品制造的要求生產(chǎn)出不同粒徑的生物質(zhì)粉體材料。
2. 高速混料機組
該機組由高速熱混機和冷混機組成，熱混的物料自動進(jìn)入，冷混的物料進(jìn)行冷卻混合，排除殘余氣體。主要用于各種樹脂與生物質(zhì)粉體材料的混合、干燥、配料、著色、脫揮等。
3. 造粒設(shè)備
造粒設(shè)備的主要功能是使木/塑兩相材料實現(xiàn)預(yù)塑化的過程，能將生物質(zhì)粉體材料與塑料在熔融條件下實現(xiàn)均勻混合，為木塑復(fù)合材制品的生產(chǎn)進(jìn)行前處理。由于木塑熔體的流動性較差，所以木塑材料造粒機與塑料造粒機的設(shè)計并不完全相同。針對不同的塑料，造粒機的設(shè)計也有所差異。通常用于聚烯烴類塑料的木塑復(fù)合材料造粒機采用的是平行雙螺桿擠出機。而用于聚氯乙烯的造粒機通常選用錐型雙螺桿擠出機，這是因為聚氯乙烯為熱敏感性樹脂，錐型雙螺桿擠出機具有較強的剪切力，且螺桿長度較平行雙螺桿擠出機短，減少了物料在料筒中的停留時間。螺桿外徑從大到小成錐形設(shè)計，因此壓縮比相當(dāng)大，可以使物料在料筒中塑化得更充分、均勻。
4. 擠出機
在擠出成型的木塑復(fù)合材料制造過程中，擠出機是實現(xiàn)木塑復(fù)合材料制造的關(guān)鍵設(shè)備。其性能不但對材料的物理力學(xué)性能，也對單位時間內(nèi)的產(chǎn)量產(chǎn)生很大的影響，由此影響到單位能耗和生產(chǎn)成本等。
通常用于木塑復(fù)合材料生產(chǎn)的擠出機型主要為單螺桿擠出機和錐形雙螺桿擠出機。擠出機的主要作用為：完成物料的進(jìn)一步塑化，提供溫度均勻與組分均勻的熔體，進(jìn)行穩(wěn)定、可控制的輸送，從而實現(xiàn)生產(chǎn)的進(jìn)行。
螺桿擠出機主要由三部分組成：擠出系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和加熱、冷卻系統(tǒng)。擠出系統(tǒng)主要由螺桿和料筒組成；傳動系統(tǒng)組要由電機、調(diào)速與傳動裝置組成；加熱、冷卻系統(tǒng)主要由加熱器和制冷裝置構(gòu)成。這些系統(tǒng)均可采用集成模塊設(shè)計，實現(xiàn)自動控制。由于木塑復(fù)合熔體粘度較高，要求該螺桿具有較強的原料混煉塑化和輸送能力，因此需采用特殊設(shè)計的專用螺桿設(shè)計，以滿足生產(chǎn)的需要。
雙螺桿擠出機與單螺桿擠出機的不同點主要表現(xiàn)為：1.雙螺桿擠出機由兩根相互緊密嚙合的螺桿組成；2.，雙螺桿擠出機物料的輸送是正向位移輸送，其位移程度取決于一根螺桿與另一根螺桿相對應(yīng)的螺槽接近程度。所以，緊密嚙合的反向旋轉(zhuǎn)螺桿中的物料能獲得最大的正向位移；3. 雙螺桿擠出機中的物料輸送速度分布比單螺桿擠出機復(fù)雜得多。
用于木塑復(fù)合材料制造的雙螺桿擠出機主要為平行和錐型雙螺桿兩大類。 與單螺桿擠出機相比。雙螺桿擠出機在木塑材料的成型加工時具有如下特點：
1）單螺桿的物料輸送效率取決于固體物料的摩擦性能和熔體的粘度。在雙螺桿擠出機中，物料的輸送是靠正位移的原理進(jìn)行的，不會產(chǎn)生壓力回流。因此，物料較單螺旋擠出機相比易加入。
2）由于雙螺桿擠出機的螺桿長度較短，因此物料在雙螺桿擠出機中停留時間短，這一方面可避免木質(zhì)纖維熱降解的發(fā)生，還可降低功率消耗。
3）物料經(jīng)縱、橫向的剪切、混合，具有優(yōu)異的均化合塑化效果。 4）具有優(yōu)異的排氣和自潔功能。
5）雙螺桿擠出機的流率對口模壓力不敏感，用來擠出大尺寸和面積的制品比較有效。而單螺桿擠出機的流率對口模壓力比較敏感。
5. 成型模具
模具是使木塑熔體冷卻成型獲得擠出制品的重要部件。由于木塑復(fù)合材料通常具有較高木粉含量，使熔體流動性差且不易冷卻。因此常規(guī)的模具和定型設(shè)備已無法滿足生產(chǎn)的需要。對于生產(chǎn)木塑復(fù)合材料的模具的設(shè)計除了要保證流道設(shè)計的圓滑過渡與合理的流量分配外，還需要口模的進(jìn)口區(qū)流線型化，這可以使熔體的臨界剪切速度增大10倍或更多，從而減少熔體的破裂。此外，木塑復(fù)合熔體的臨界值將隨著口模的長徑比和擠出溫度的提高而上升，并且與模具材料的關(guān)系較大，因此要求模具所使用的材料具有較高的熱容量。
二、木塑材料專用生產(chǎn)設(shè)備的特點
木塑材料的擠出加工方式與主要設(shè)備雖然表面上與塑料相似，但作為一個具有邊緣性、多方位、專業(yè)化特點的新興產(chǎn)業(yè)，其裝備、技術(shù)和工藝涉及到化學(xué)工程、精細(xì)化工、精密機械、液壓傳動、真空技術(shù)、熱力傳導(dǎo)、流體力學(xué)、傳感技術(shù)、電子自控、微機編程和物理化學(xué)等專業(yè)和學(xué)科，其生產(chǎn)設(shè)備獨具特色。經(jīng)過多年的開發(fā)應(yīng)用，實踐證明木塑材料作為具有獨立特性的新型材料，其加工難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出普通塑料制品，生產(chǎn)設(shè)備也越來越傾向?qū)I(yè)化和特殊化。木塑材料生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)是保證木粉在高填充量的前提下確保有較高的流動性和塑化性，從而促使塑料熔體能充分地與木粉結(jié)合，達(dá)到共同復(fù)合的目的，使產(chǎn)品具有較高的物理力學(xué)性能以及良好的使用性能，最終用較低的成本制造出具有優(yōu)良功能和高附加值的產(chǎn)品。
與加工塑料相比，木塑材料的生產(chǎn)設(shè)備有許多新的特性和要求。由于木塑復(fù)合材料在生產(chǎn)過程中，其原料中有大量的木材或其它生物質(zhì)材料存在，阻礙了熱量的傳遞，使得融體的塑化性能下降，流動性變差，擠出阻力加大，螺桿扭矩增大，且木材在高溫下容易分解，造成產(chǎn)品質(zhì)量下降。因此這就要求在螺桿設(shè)計時要采用特殊工藝，以滿足在較低溫度下具有良好的物料塑化性能和物料輸送功能。此外，由于大量的木粉存在，會增加設(shè)備中機筒和螺桿的磨損。因此用于木塑復(fù)合材料生產(chǎn)的設(shè)備所使用的鋼材也不能沿用傳統(tǒng)的塑料機械所使用的鋼材。由于木質(zhì)材料比重小、填充量大，加料區(qū)體積要比常規(guī)型號的大而長；若木粉加入量大，熔融樹脂剛性強，還要求有耐高背壓齒輪箱；螺桿推動力強，應(yīng)采用壓縮和熔融快、計量段短的螺桿，確保木粉停留時間短等等。同時，木塑復(fù)合材料在加工過程中的纖維取向程度對制品性能有較大的影響，所以必須要合理設(shè)計流道結(jié)構(gòu)，以獲得合適的纖維取向來滿足制品的性能要求。在模具設(shè)計方面，由于木塑復(fù)合材料融體流動性較差，熔體自修復(fù)能力較差，極易造成熔體的破裂。因此要求在模具設(shè)計時內(nèi)腔具有較高的光潔度或采用特殊材料進(jìn)行處理。此外，木塑復(fù)合材料在相同強度要求下，厚度要比純塑料大，且其多為異型材料，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這使得其冷卻較為困難，一般采用水冷，而對于截面積較大或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品還需采用特殊的冷卻裝置和方法。
品。
與加工塑料相比，木塑材料的生產(chǎn)設(shè)備有許多新的特性和要求。由于木塑復(fù)合材料在生產(chǎn)過程中，其原料中有大量的木材或其它生物質(zhì)材料存在，阻礙了熱量的傳遞，使得融體的塑化性能下降，流動性變差，擠出阻力加大，螺桿扭矩增大，且木材在高溫下容易分解，造成產(chǎn)品質(zhì)量下降。因此這就要求在螺桿設(shè)計時要采用特殊工藝，以滿足在較低溫度下具有良好的物料塑化性能和物料輸送功能。此外，由于大量的木粉存在，會增加設(shè)備中機筒和螺桿的磨損。因此用于木塑復(fù)合材料生產(chǎn)的設(shè)備所使用的鋼材也不能沿用傳統(tǒng)的塑料機械所使用的鋼材。由于木質(zhì)材料比重小、填充量大，加料區(qū)體積要比常規(guī)型號的大而長；若木粉加入量大，熔融樹脂剛性強，還要求有耐高背壓齒輪箱；螺桿推動力強，應(yīng)采用壓縮和熔融快、計量段短的螺桿，確保木粉停留時間短等等。同時，木塑復(fù)合材料在加工過程中的纖維取向程度對制品性能有較大的影響，所以必須要合理設(shè)計流道結(jié)構(gòu)，以獲得合適的纖維取向來滿足制品的性能要求。在模具設(shè)計方面，由于木塑復(fù)合材料融體流動性較差，熔體自修復(fù)能力較差，極易造成熔體的破裂。因此要求在模具設(shè)計時內(nèi)腔具有較高的光潔度或采用特殊材料進(jìn)行處理。此外，木塑復(fù)合材料在相同強度要求下，厚度要比純塑料大，且其多為異型材料，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這使得其冷卻較為困難，一般采用水冷，而對于截面積較大或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品還需采用特殊的冷卻裝置和方法。 三、木塑材料專用生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)狀
從科技發(fā)展的實例看，各種材料的混配復(fù)合是新材料發(fā)展的一個必然進(jìn)程，木塑材料也不例外。木塑材料的產(chǎn)業(yè)化推廣約起于上世紀(jì)80年代，主要誕生地之一是美國。初期的木塑材料一直是被當(dāng)作改性塑料來對待的。但隨著木塑材料生產(chǎn)技術(shù)水平的不斷提高，其制成品逐漸具備了諸如塑料、木材、金屬等單質(zhì)材料的諸多優(yōu)點，產(chǎn)品特色逐步凸現(xiàn)，漸漸成為一類自成體系的新型材料。木塑材料所具有的各種優(yōu)點不僅非常符合建筑業(yè)、物流業(yè)、包裝業(yè)等領(lǐng)域的使用要求，同時也解決了回收塑料、木材行業(yè)，甚至農(nóng)業(yè)領(lǐng)域廢棄資源的再生利用問題，這就推動和加速了木塑材料的研制進(jìn)程，使其最終形成了一個新的產(chǎn)業(yè)。
目前國內(nèi)木塑專用設(shè)備的生產(chǎn)廠家數(shù)量較少，但其影響和作用一直在逐漸擴大。作為相對龐大的塑料加工機械行業(yè)，雖有更多的企業(yè)欲躋身木塑專用設(shè)備生產(chǎn)行列，但囿于對木塑材料加工的理解不夠和工藝技術(shù)的限制，實現(xiàn)這一目標(biāo)還有很多困難。但是，為數(shù)不多的木塑專用設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)在發(fā)展中也遇到人員、資金、規(guī)模等因素的局限，其發(fā)展也不順利。我們必須注意到的另一個現(xiàn)象是國外一些木塑專用設(shè)備制造企業(yè)，如：美國的米拉克龍·辛辛那提公司、戴維斯·丹頓公司、特克帕斯公司等長期覬覦中國龐大的木塑材料市場。如果我們不在這個領(lǐng)域有果斷的措施和相應(yīng)的手段扶持國內(nèi)企業(yè)，作為在國內(nèi)制造業(yè)中為數(shù)不多的，能夠與歐美平等對話的新興的中國木塑產(chǎn)業(yè)將會受到很大的擠壓。
四、鼓勵木塑材料專用生產(chǎn)設(shè)備發(fā)展的理由
伴隨木塑復(fù)合材料的優(yōu)點逐漸被發(fā)掘，2002年，該材料就已經(jīng)進(jìn)入中國科學(xué)院《2002高技術(shù)發(fā)展報告》；同年，被列入國家科技部“863”項目和國家林業(yè)局“948”計劃，為此設(shè)立了專項課題組；2001－2006年，國家發(fā)改委（經(jīng)貿(mào)委）一直將木塑復(fù)合材料列為“國家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化新材料專項項目”；2005年12月，國家發(fā)改委公布了《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2005本）》，其中鼓勵發(fā)展的產(chǎn)業(yè)中有關(guān)或涉及到生物質(zhì)（木塑）復(fù)合材料的項目高達(dá)18項之多；2006年1月國務(wù)院發(fā)表的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展綱要》中，列入優(yōu)先發(fā)展的68項主題中，生物質(zhì)（木塑）復(fù)合材料與五個領(lǐng)域的5個主題相關(guān)聯(lián)，在前沿技術(shù)和基礎(chǔ)研究中分別占有一席之地。在剛通過的《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展十一五規(guī)劃綱要》中，新型復(fù)合材料又榮幸入列。
依據(jù)木塑企業(yè)調(diào)查情況和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，我們認(rèn)為：木塑復(fù)合材料體現(xiàn)了源于自然、融于自然、優(yōu)于自然、歸于自然的循環(huán)產(chǎn)品生命特征，符合“資源－產(chǎn)品－廢棄物－再生資源”的反饋式循環(huán)過程，可以更有效地利用資源和保護(hù)環(huán)境，實現(xiàn)了國家所倡導(dǎo)的“以盡可能小的資源消耗和環(huán)境成本，獲得盡可能大的經(jīng)濟效益和社會效益，從而使經(jīng)濟系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)過程相互和諧，促進(jìn)資源永續(xù)利用”的目標(biāo)。同時也符合《當(dāng)前國家鼓勵發(fā)展的環(huán)保產(chǎn)業(yè)設(shè)備（產(chǎn)品）目錄》的各項推薦原則。
根據(jù)現(xiàn)有調(diào)查表明，木塑材料目前的適用范圍幾乎可以涵蓋所有原木、塑料、塑鋼、鋁合金及其它相似復(fù)合材料現(xiàn)在的使用領(lǐng)域。已開始涉及到的木塑材料應(yīng)用范圍包括：墻裙、窗套、套門、樓板、連廊、隔斷、頂棚、包邊、柵欄、棧橋、桑拿房、休息亭、汽車庫、船甲板、家具飾件、水上通道、露天座椅、樓梯踏步、露天平臺、建筑模板、集裝箱鋪板、運動場座椅、輕軌隔音墻、多功能墻隔板、高速公路隔音墻等；可以說木塑材料已開始滲入建筑、家裝、家具、汽車、交通、物流、包裝、園林、市政、環(huán)保、體育，甚至軍事領(lǐng)域，輻射面和影響力正逐年擴大，應(yīng)用前景十分廣闊。木塑材料作為北京奧運會和上海世博會場館及配套設(shè)施的選用材料，其影響力非常巨大。從市場應(yīng)用的需求分析，國內(nèi)木塑企業(yè)最有可能在以下領(lǐng)域開始規(guī)模性拓展：
1、建筑材料：包括基材、墻材、地板、裝飾材以及建筑模板等系列； 2、戶外設(shè)施：包括柵欄、鋪板、地板、立柱、扶手等幾大類產(chǎn)品； 3、物流運輸：主要有包裝箱、集裝箱板、輕、重型托盤等等； 4、交通設(shè)施：譬如隔欄、隔板、護(hù)墻、標(biāo)示牌等等； 5、家具用品：譬如衣柜、櫥柜、茶幾、花架等等。 盡管目前國內(nèi)各個省區(qū)木塑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程不盡一致，綜合各方面的因素，中國木塑產(chǎn)業(yè)也已經(jīng)到了新一輪發(fā)展的臨界點。根據(jù)現(xiàn)在的條件預(yù)測，至“十一五”結(jié)束，我國的木塑產(chǎn)銷量有望突破50萬噸，產(chǎn)值超過50億元人民幣；到“十二五”期間，我國的木塑材料總產(chǎn)量有望趕上美國，達(dá)到100萬噸/年的水平，從而進(jìn)入世界木塑大國、強國的行列；而以目前我國10萬噸左右的生產(chǎn)能力，其生產(chǎn)設(shè)備的發(fā)展空間可謂空前廣闊。
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