全 文 ：第 !" 卷 第 # 期
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林 业 科 学
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收稿日期" "$%! >%" >%!# 修回日期" "$%# >$% >%"$
基金项目" 林业公益性行业科研专项%"$%"$<=$"& #国家自然科学基金项目%?%"8$#$=& $
!王清文为通讯作者$
纤维增强木塑复合材料研究进展!
王海刚B张京发B王伟宏B王清文
%东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室B哈尔滨 %!$$<$&
摘B要! 木塑复合材料属于生物质复合材料的范畴!是一种无毒’可循环利用的环境友好型材料!从 "$ 世纪末开始
到现在经历了 "$ 多年的高速产业化发展$ 但木塑复合材料力学性能偏低!特别是韧性差!导致应用领域偏窄!是
目前制约木塑复合材料发展的主要因素之一$ 众多研究表明!将纤维添加到木塑复合材料中形成多元结构复合材
料!可提高木塑复合材料的力学性能$ 本文概述了纤维增强木塑复合材料的研究现状!按天然纤维素纤维’合成纤
维’非金属纤维’金属纤维 < 大类归纳了常用作增强复合材料的纤维!综述了采用玻璃纤维’矿物质纤维’碳纤维’
芳纶纤维’聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维和天然纤维素纤维等增强木塑复合材料的制备方法和增强效果$ 结果表
明!不同种类的纤维对木塑复合材料均有不同程度的增强或增韧作用$ 短切纤维在添加量上存在+临界值,!在+临
界值,之前!添加量与增强效果呈正相关!在+临界值,之后呈负相关$ 连续玻璃纤维的增强效果尤为明显!其中冲
击强度可增加 "$ 倍$ 天然纤维素纤维在木塑复合材料中的应用虽然较少!但目前在欧洲已被用于高附加值的汽
车零部件领域$ 本文还介绍了银纹剪切带机制’刚性粒子增强理论’多缝开裂理论和复合力学理论等用于解释纤
维增强复合材料的作用机制!这些理论均被用于解释纤维对于木塑复合材料基体的作用效果!其中后 " 种理论最
常用于解释纤维对于复合材料强度提高的作用机制$ 本文同时指出!目前尚没有哪一种理论能全面揭示由于纤维
加入后结构趋于复杂的木塑复合材料的力学行为$ 总结了纤维的添加对材料力学性能’吸湿性和热性能的影响!
发现纤维的添加不仅可以提高木塑复合材料的力学强度!对于降低吸湿性和提高热稳定性也有积极效果!一些纤
维的添加还可以提高基体的结晶度$ 本文最后提出纤维增强木塑复合材料产业化发展前景和需要解决的问题!包
括进一步提高生产效率!研制纤维增强木塑复合材料专用装备!开发连续纤维增强木塑复合材料技术和开拓高性
能’高附加值木塑复合材料市场$
关键词"B木塑复合材料# 纤维# 力学性能# 冲击强度# 增强机制
中图分类号!&8=%BBB文献标识码!,BBB文章编号!%$$% >8<==""$%##$# >$%?$ >%$
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QO030/ZOX7TOYZ! ZW4UROU7QX7TOYZ! 74/YHE47Q4/4;NOUE07QX7TOYZE46 NOUE0X7TOYZ5+ROLY/63QU7/4 NOUR/6ZE46 YO74X/YQ74H
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ZUYO4HUR /YU/3HR4OZZ/XGD’Z5+ROYO7ZE+QY7U7QE0VE03O, X/YUROE667U7/4 j3E4U7UW/XZR/YUX7TOYZ5GRO4 UROX7TOYQ/4UO4U
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B第 # 期 王海刚等" 纤维增强木塑复合材料研究进展
GD’ZREVOTOO4 3ZO6 74 E3U/LEYUZX7O06 \7UR R7HR E66O6 VE03O74 )3Y/LO! UR/3HR UROELL07QEU7/4 7Z4/UVOYWL/L30EY5+RO
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BB木塑复合材料 %\//6 L0EZU7QQ/NL/Z7UOZ!GD’&
简称+木塑,!是指由聚乙烯%D)&’聚丙烯%DD&或聚
氯乙烯%D.’&等热塑性塑料和木粉’竹粉’秸秆粉’
壳粉等生物质纤维材料通过熔融共混加工而形成的
一种复合材料%王清文等!"$$8&$ 一般来讲!木塑
复合材料中生物质纤维材料含量较高!因此属于生
物质复合材料的范畴$ 热塑性塑料中添加生物质纤
维材料!赋予了材料可生物降解的因素!木塑复合材
料的两大原料---生物质材料和热塑性塑料均可使
用回收料!且木塑复合材料在生产过程中不产生
+三废,’使用过程中不释放有害物质!废弃后也可
以回收重新加工成新产品!因此!木塑复合材料是一
种可循环加工利用的环境友好型材料$ 此外!木塑
复合材料还具有良好的防水’防腐’耐老化性’尺寸
稳定性和良好的力学性能!在很多领域和场合独具
优势%杨庆贤! %@@<&$ 鉴于以上众多优点!木塑复
合材料逐渐得到了从学者到政府’到生产商’再到消
费者的认可!从 "$ 世纪 @$ 年代在北美开始产业化!
本世纪初国内开始零星出现木塑复合材料生产商!
到现在木塑复合材料产品已经广泛应用于人们的
生活$ BB
随着木塑复合材料产量和应用范围的不断扩
大!其韧性差’蠕变等问题逐渐暴露出来$ 目前针对
木塑复合材料增强增韧的研究较多!方法主要有添
加增强体%刚性粒子’增强纤维&’改善塑料基体的
韧性%塑料改性处理&’使用相容剂改善生物质纤维
与聚合物之间的界面相容性等$ 增强纤维在高分子
复合材料中已广泛应用%’]7Hu4W&,3%"! "$$!#GE4H
&,3%"! "$$=&!对木塑同样也具有比较有效的增强’
增韧作用%G3! "$$#&$
"$ 世纪 <$ 年代!因航空工业需要!玻璃纤维增
强塑料%玻璃钢&出现在公众面前!从此纤维增强复
合材料得到了迅速发展%姜肇中等! %@@8&$ 随着纤
维制造技术的成熟和进步!碳纤维’芳纶纤维和碳化
硅等高模量’高强度纤维逐渐被用作增强相添加到
树脂基体中制成复合材料!增强效果显著$ 同样!将
纤维添加到木塑复合材料中制备由热塑性塑料’木
粉和纤维复合而成的多元复合材料可大幅度提高木
塑复合材料的强度% &EUR7ZR[3NEY&,3%"! "$%<&$ 随
着材料科学的迅速发展!用于增强复合材料的纤维
种类越来越多!如玻璃纤维’碳纤维’玄武岩纤维’矿
物棉’聚酯纤维等 %CE07Q[! "$$8# .m4UZ7&,3%"!
"$%<&#天然纤维素纤维以其环保无污染的优势在
最近十几年内也越来越多地被用于增强聚合物材料
%卢珣等! "$$"# E^07E&,3%"! "$$@# 3^ &,3%"! "$%%#
韩宋佳等! "$%?&$ 这些纤维均可用于提高木塑复
合材料的力学性能$
%B增强纤维在木塑复合材料中的应用
常用于复合材料的纤维可分为有机和无机纤维
" 大类!有机纤维又可分为天然纤维素纤维和合成
纤维!无机纤维又可分为金属纤维和非金属纤维
%表 %&!其中金属纤维在木塑复合材料中尚未见应
用$ 为了达到不同的增强目的!如提高模量’强度或
韧性!可以选择不同种类的纤维$
<=<>玻璃纤维增强木塑复合材料
玻璃纤维具有抗拉强度高’弹性模量高’耐磨损
等特点!是最早被用来增强树脂合成复合材料的纤
维$ 玻璃纤维增强木塑复合材料方面的研究较多
%张娟等!"$%!#.E0O4UO&,3%"! "$%%# ,0CEE6OO6 &,
3%"! "$%"# ’RO4 &,3%"! "$%!&$ 崔益华等%"$$#&通
过先造粒后热压成型方式利用玻璃纤维来增强木
%?%
林 业 科 学 !" 卷B
BBBBBBBBBB 表 <>常见的增强纤维
F&2M<>F8$’)JJ)"%$("*)%’("5 *(2$%6
有机纤维 SYHE47QX7TOYZ 无机纤维 (4/YHE47QX7TOYZ
天然纤维素纤维
*EU3YE0QO030/ZOX7TOYZ
合成纤维
&W4UROU7QX7TOYZ
非金属纤维
*/4NOUE0X7TOYZ
金属纤维
COUE0X7TOYZ
麻纤维 dEZUX7TOY 聚酯纤维 D/0WOZUOYX7TOY 玻璃纤维 K0EZZX7TOY 铜丝 ’/LLOYX7TOY
竹纤维 dENT//X7TOY 芳纶纤维 ,YEN76 X7TOY 矿物质纤维 C74OYE0X7TOY 钢丝 &UOO0X7TOY
棉纤维 ’/U/4 X7TOY 尼龙纤维 *W0/4 X7TOY 碳纤维 ’EYT/4 X7TOY
粉9高密度聚乙烯 %iID)&复合材料!认为玻璃纤
维’木粉和塑料三者相互作用形成了稳定的三维空
间结构!这种三维结构作为坚固骨架在塑料基体中
存在!阻止了裂纹的产生和扩展!从而提高了复合材
料的力学强度和抗冲击性能#该研究结果还显示木
塑复合材料的力学性能随着玻璃纤维含量的增加呈
现先上升后下降的趋势$ 郭栋等 %"$%"&通过模压
成型方法制备了玻璃纤维增强的木质素9聚丙烯复
合材料!发现当玻璃纤维质量分数为 ?$F时!复合
材料的冲击强度’弯曲强度和弯曲模量达到最大!分
别比未添加玻璃纤维的复合材料提高了 %1"%!%18<
和 $18@ 倍#当玻璃纤维含量上升到 <$F时!其力学
性能下降$ 短切玻璃纤维的加入还能够提高复合材
料的耐磨性!2OENUYE[30等 %"$%" & 的研究中加入
%$F玻璃纤维%长度 ? a%? NN&后复合材料的耐磨
性明显提高$
玻璃纤维增强木塑复合材料的力学强度存在一
个纤维含量的 +临界值,!当纤维含量小于 +临界,
时!纤维太少!增强效果不明显#纤维含量过多!则会
产生纤维团聚!导致材料力学性能下降 %秦志国!
"$$!# 杨晓雄! "$$## M7]V7&,3%"! "$$=&$ 但该+临
界值,不是一个固定的数值!会因纤维长度’塑料基
体的类型和含量’加工工艺 %加工温度’成型方法
等&等因素的改变而变化$
不同加工方式对纤维增强木塑复合材料的效果
也有影响$ ,ZRYEX7等 %"$%%&在采用热压成型制备
短切玻璃纤维增强非洲红木粉9酚醛树脂的试验中
发现!添加玻璃纤维后复合材料的强度反而下降!通
过电镜及其他表征显示!其原因是玻璃纤维与基体
界面结合差!纤维没有起到有效地传递力的作用$
i3E4H等%"$%"&’ 7^N等%"$%<&采用共挤出的加工
方式加工具有核9壳结构的木塑复合材料!壳层采用
短切玻璃纤维增强的 iID)!芯层采用 iID)木塑
复合材料!结果显示!壳层的纤维降低了材料的线性
膨胀!壳层厚度和纤维含量对不同强度的核层木塑
复合材料增强效果各异#但总体来讲!这种核9壳结
构既可减少纤维的用量!又达到了增强的目的!可谓
事半功倍$
增强纤维还可以长纤维或连续纤维的形式存
在! 并 且 比 短 切 纤 维 具 有 更 好 的 增 强 效 果$
k/0XEHREY7等%"$%?&通过特殊的挤出模具制备了连
续无捻玻璃纤维束增强的木塑复合材料!结果连续
玻璃纤维增强后的木塑复合材料显示出了较高的力
学性能!弯曲强度’纵向拉伸强度分别提高了 "1? 和
!1@ 倍!特别值得一提的是冲击强度得到了显著改
善!提高幅度达到了 "$ 倍!这对于解决木塑复合材
料的脆性问题’拓展木塑复合材料的应用意义重大$
然而!木塑复合材料的加工特性使得添加连续纤维
的加工方式不易被实施!在加工过程中连续纤维添
加困难!对设备要求较高!加工效率低!制约了长纤
维增强木塑复合材料的发展$
玻璃纤维表面比较光滑!与塑料基体的界面结
合性较差!未经过改性处理的玻璃纤维对木塑复合
材料的增强效果有限!因此如何提高玻璃纤维与木
粉9塑料复合体系的相容性是目前需要解决的问题
之一$ 此外!玻璃纤维在复合材料的加工制备过程
中会对人体和设备产生不良影响$ 国内曾经有木塑
复合材料制造企业生产过玻璃纤维增强的木塑复合
材料!但目前这类产品未得到大量推广应用$
<=?>矿物质纤维增强木塑复合材料
矿物质纤维作为增强材料应用得比较多的有玄
武岩纤维和矿物棉$ 玄武岩纤维与玻璃纤维性能相
近!是由二氧化硅’氧化铝’氧化钙’氧化铁和二氧化
钛等氧化物组成的玄武岩石料在高温熔融后快速拉
制而成的一种新型无机高性能纤维!除了具有高强
度’高模量的特点外!还具有耐高温性佳’抗压缩强
度和剪切强度高等优异性能!适应于各种环境下使
用!被广泛应用于复合材料中$
近年来!玄武岩纤维被越来越多地应用在木塑
复合材料中$ 关苏军等%"$%%E&采用开炼后热压成
型工艺将长度为 ? NN的短切玄武岩纤维添加到木
塑复合材料中!得出随着纤维含量增加复合材料力
学性能先升高再降低的结果!含量为 "$F时增强效
果最好!随后力学强度开始下降#提出了+弱端面,
假说!即随着纤维含量升高!基体中存在的结合薄弱
点增多$ ’RO4 等%"$%%&用 %" NN的玄武岩纤维增
"?%
B第 # 期 王海刚等" 纤维增强木塑复合材料研究进展
强木塑复合材料!也出现了材料强度随纤维含量增
加先上升后降低的现象!并指出是由于玄武岩纤维
分散不均匀!出现团聚而破坏了基体的连续性造成
的!这说明所用纤维长度不同!产生的现象也有差
异$ 玄武岩纤维在用作增强材料前!通常先进行改
性处理!以改善其与基体的界面结合性$ 卢国军等
%"$%<&利用硅烷偶联剂改性后的玄武岩纤维来增
强木塑复合材料!挤出成型后测试结果显示!改性后
的玄武岩纤维与木塑复合材料基体的界面结合性得
到改善!与未改性的玄武岩纤维9木塑复合材料相比
力学性能显著提高!改性纤维的添加量为
上研究表明!玄武岩纤维增强木塑复合材料同样存
在纤维含量的+临界值,!与玻璃纤维相同$
矿物棉包含岩棉和玻璃棉!主要成分与玄武岩
纤维类似!为二氧化硅’氧化钙’氧化铝和氧化铁等$
用胶黏剂将矿物棉黏合后可作为保温’绝缘’隔热’
吸声 等 材 料 使 用 %Cv0OY&,3%"! "$$@ &$ .m4UZ7
%"$%!&采用回收的岩棉增强聚丙烯基木塑复合材
料!结果发现岩棉可以增强木塑复合材料的某些力
学强度!降低木塑复合材料的吸湿性和可燃性!但阻
止不了木塑复合材料成分的热降解#采用硅烷偶联
剂处理后的岩棉可提高增强效果!但马来酸酐接枝
聚丙烯作为偶联剂效果更为明显$ 相比玻璃纤维!
岩棉增强木塑复合材料具有更好的环保效应$
<=@>碳纤维增强木塑复合材料
碳纤维是 "$ 世纪 #$ 年代研制开发的一种高性
能纤维!是新一代的增强纤维!具有超高的抗拉强度
和弹性模量’比性能高’无蠕变’耐疲劳性好’耐腐蚀
性好’ 电磁屏蔽性好等优良特点 %IOE[ &,3%"!
"$$@&$ 目前!碳纤维作为增强材料被加入到树脂’
金属’陶瓷’混凝土等材料中形成的复合材料!在航
空航天’国防军工和民用工业各个领域得到了广泛
应用$ 由于其军民两用的性质!我国碳纤维的研究
发展较晚且受限制$ 此外!碳纤维的价格昂贵!将其
应用于增强木塑复合材料目前也仅限于研究阶段$
kR/3 等%"$%<&通过挤出成型加工方式探究了
短切碳纤维对木塑复合材料力学性能的影响!结果
显示!碳纤维增强木塑复合材料的拉伸’弯曲和抗冲
击性比未添加碳纤维之前分别提高了 @8Fa%??F!
%%?Fa%%@F和 %=%Fa"!%F#与其他短切纤维增强
木塑复合材料相比!碳纤维对木塑复合材料的增强’
增韧效果更加有效$ 采用热压方式将碳纤维布作为
增强相可以更加有效地改善木塑复合材料的力学性
能%杜凤等!"$%!&$ 碳纳米管作为一种超微结构的
碳纤维也能够起到增强作用!提高木塑复合材料的
力学强度%h3 &,3%"! "$%$# /^Y6[RO707&,3%"! "$%?&$
<=A>合成纤维增强木塑复合材料
得益于高分子科学的发展!越来越多的合成纤
维被应用到复合材料中!大多数合成纤维具有高强
度’高模量’耐腐蚀等优点$ 合成纤维不但具有与碳
纤维类似的力学性能!而且成本低’结构和性能可变
范围大’性价比高$
S3 等%"$%$&利用 O^V0EY纤维来增强木塑复合
材料!采用 ? >氯丙稀’? >氯丙基三甲氧基硅烷和
氢氧化钠对 O^V0EY纤维进行表面改性!对比了
O^V0EY纤维改性前后以及未添加纤维的木塑复合材
料的性能$ 结果显示!改性 O^V0EY纤维对复合材料
的性能影响较大!改性后的纤维含量为 ?F时!复合
材料的力学性能提高最显著!其中拉伸强度’弯曲强
度’无缺口冲击强度分别较未添加纤维的木塑复合
材料提高了 !@1
外界载荷时更多的作用力传递给了纤维!从而提高
了木塑复合材料的强度$ A3E4 等%"$%?&只采用氢
氧化钠处理 O^V0EY纤维来增强木塑复合材料!同样
发现处理后的纤维的增强效果优于未处理的 O^V0EY
纤维9木粉’iID)复合材料$ 采用短切聚对苯二甲
酸乙二醇酯%D)+&纤维来增强木塑复合材料!纤维
的长度及添加量对木塑复合材料的力学性能均有影
响%程然等! "$%?&!当 D)+纤维长度低于 " NN或
者含量少于 ?F时!不能起到有效的作用#纤维比例
超过 %$F时!纤维分散不均匀!出现团聚!也不能起
到良好的增强作用!反而会导致复合材料的力学性
能下降#同时!该研究还发现 D)+纤维的加入改变
了木塑复合材料的结晶度!在塑料基体结晶过程中
具有一定的成核剂作用$
<=B>天然纤维素纤维增强木塑复合材料
天然纤维素纤维 % 4EU3YE0QO030/ZOX7TOY!*’h&
包括木纤维’竹纤维’麻纤维’棉纤维等!因具有可再
生和环保的特性而受到越来越多的关注$ 木塑复合
材料中常用的木质纤维材料多以粉状形态出现!但
是由于木质纤维材料纤维素大分子天然取向的特
性!即便是粉状形态也具备一定的长径比!而且随着
木塑复合材料行业的深入发展!业内人士逐渐认识
到细长的’具有一定流动性的+针状,木质纤维材料
对于木塑复合材料增强的重要作用 %王海刚等!
"$$## 高珣等! "$%<&$ 此外!一些高强度’高模量
的植物纤维%如麻纤维’竹纤维&被作为增强相不添
加木粉直接用于制作木塑复合材料!其中亚麻
??%
林 业 科 学 !" 卷B
%F016?6+0,3,0++0?6?&纤维因其有生长周期短’种植
范围广’耐酸碱’价格便宜等特点而被大量应用
%AE4 &,3%"! "$%<&$ *’h9聚合物复合材料中!更多
的是将大麻%#3113B0++3,083&’亚麻等纤维作为增强
纤维直接添加到聚合物中!欧洲人将这种木塑复合
材料用来模压或注塑制作汽车部件!如门和座椅等$
废旧报纸也是天然纤维素纤维的重要来源!,ZR/Y7
等%"$$@&采用回收的报纸纤维热压制备木塑复合
材料!在添加偶联剂的情况下!报纸添加量可高达
=!F!制备的木塑复合材料仍然保持较高的强度$
这是由于废旧报纸中纤维素含量高达 8!F!而去除
了木质素和半纤维素的纤维素纤维是强度增加的主
导者%i36E&,3%"! "$$!#S3 &,3%"! "$%<&$ dEZ7:7等
%"$%$&考察了不同长度和含量的纸浆纤维对木塑
复合材料强度影响!结果显示复合材料强度随着纤
维的长度和含量的增加基本呈上升趋势$
将 *’h作为增强相添加到木塑复合材料中的
研究不多!应用也较少!但研究表明!*’h对木塑复
合材料的增强效果很明显$ C7YTEHROY等%"$$8&通
过注塑的方式将红麻%N0B0+/6+/3113B016+&添加到木
塑复合材料中!并分析了红麻对木塑复合材料拉伸
强度和模量的影响!结果显示!随着红麻纤维含量的
增加!复合材料的拉伸强度一直在增加!当红麻纤维
含量为 <$F时!复合材料的拉伸强度达到最大值$
2ENE0等%"$$8&’’E/等 %"$%?&分别采用红麻和亚
麻纤维增强木塑复合材料!得到了类似的增强效果$
D7E/等%"$%?# "$%<&采用甲基硅酸钾处理纸浆纤维
或木纤维!添加到木塑复合材料中!提高了纤维素纤
维与塑料基体的相容性!同时提高了材料的耐水性
和尺寸稳定性$
此外!*’h的衍生物也被用来作为增强相提
高木塑复合材料的性能$ 纳米纤维素因具有精细
的纳米尺度和超高的比表面积!对聚合物起到较
好的增强’增韧作用!利用纳米材料的双亲性来提
高复合材料的界面形容性!从而提高力学强度$
李晶晶等%"$%!&以脱脂棉为原料制备了棉花纳米
纤维素!并添加到木塑复合材料中!结果发现纳米
纤维素三维网状细丝结构穿刺于塑料和木粉颗粒
中!从而提高了木塑复合材料的强度和韧性$ 但
是!如何高效地将纳米纤维素分散在复合材料中
是一个比较困难的问题!目前主要采用物理法和
聚氧化乙烯分散法!这 " 种预处理方法均能较好
地分散纳米纤维素$ G3 等 %"$%" &将纳米纤维素
表面镀铜后再进行碳化制备铜9碳 >核9壳纳米颗
粒%’’’&*& !然后将其添加到竹纤维9iID)复合
材料中!结果发现 ’’’&*的加入增强了复合材料
的强度和模量!降低了热容和热散失率!提高了抗
白蚁和防腐性能$
随着可持续发展观念的逐渐增强!*’h在复合
材料中将会得到越来越广泛的应用!在复合材料领
域将扮演着更加重要的角色$ 发展木塑复合材料极
具+节能环保,意义!作为可再生的天然纤维!*’h
在木塑复合材料中的有效应用将会进一步提高木塑
复合材料的生物质比例!赋予木塑复合材料更加环
保的因素$ 与矿物质纤维和化学合成纤维相比!
*’h增强木塑复合材料不仅可以达到类似的增强
增韧效果!而且还具有强重比高’价廉’可回收’可降
解’可再生等优点$ 虽然 *’h增强木塑复合材料还
存在诸多问题需要解决!如表面含有大量羟基’与非
极性塑料的相容性较差’易团聚等!但是通过对其进
行改性或改变加工工艺’提高设备性能等可以找到
解决措施$
"B纤维增强木塑复合材料作用机制
纤维增强木塑复合材料是一种多相’多组分’非
匀质且不连续的复合体系!纤维的几何形态%长度’
长径比等&’含量’力学性能参数%抗拉强度’杨氏模
量&’分散状况及不同的加工工艺%加工温度’压力
等&等都影响着复合材料的性能$ 木塑复合材料内
部各组分之间相互作用!存在物理和化学协同增强
效应% 7^UE4/&,3%"! "$$$&!纤维的加入导致其体系
更加复杂!存在多种增强机制$ 尽管研究者已经对
纤维增强木塑复合材料进行了大量研究!但很难有
一种理论能全面反映纤维增强木塑复合材料的本
质$ 由于其增强机制与聚合物增强的机制相类似!
基本源于橡胶与塑料增强的观点以及纤维增强水泥
基复合材料机制$ 常用于解释木塑复合材料的机制
主要有银纹剪切带机制’刚性粒子增强理论’多缝开
裂理论和复合力学理论$
?=<>银纹剪切带机制
聚苯乙烯受拉伸时会产生小裂纹!表现在宏观
上则是试件外观发白!这些发白的地方被称作银纹$
d3Q[4E70%%@88&提出!在复合材料体系中以橡胶颗
粒作为增强相时!既可诱发银纹和剪切带!也可控制
银纹的发展而不产生破坏性裂纹$ 同样!在纤维增
强复合材料中!纤维会引发银纹和剪切带的产生!银
纹尖端的应力场诱发了剪切带的产生!剪切带反过
来控制银纹裂隙的发展!这一过程多次发生会消耗
大量的能量从而提高材料的抗冲击性 %d[EHE\!
%@8$&$
B第 # 期 王海刚等" 纤维增强木塑复合材料研究进展
?=?>刚性粒子增强理论
刚性粒子增强理论认为!刚性粒子的作用方式
不是在基体中形成银纹和剪切带!其增韧作用是通
过刚性粒子的屈服形变过程来吸收能量!从而提高
冲击强度!同时复合材料的刚性和强度不会发生变
化%杨伏生等! "$$%&$ 王淑英等 %%@@!&对聚甲基
丙烯酸甲酯纤维增韧 D.’9氯化聚乙烯复合材料的
研究表明!刚性粒子引发的+冷拉形变,使周围基体
也发生屈服!这一过程对复合材料的增韧具有重要
的作用$ 玻璃纤维模量大!在复合材料体系中可以
被视为刚性粒子!该理论可解释添加玻璃纤维后木
塑复合材料冲击强度提高的原因$
?=@>多缝开裂理论
,VOZU/4!’//LOY与 O^0W从 "$ 世纪 8$ 年代起
开始对多缝开裂理论模型进行研究 %贾哲等!
"$$8&!故又称为 ,’^ 模型$ 他们认为纤维增强水
泥基复合材料在受到冲击时受力分 " 个阶段"受载
荷初期!外力主要承载的是水泥基体#当基体出现裂
隙后!横跨于裂缝两端的纤维成为外力的主要承受
者$ 当纤维含量达到一定值!复合材料可承受较高
的荷载直至最后纤维被拉断或从基体中拔出!而在
这一过程中会消耗大量能量$ 添加纤维后复合材料
产生多缝开裂现象!改变了单缝开裂!改善了断裂性
能$ 多缝隙开裂与单缝隙开裂相比!裂纹距小!裂纹
更细’更多!从而提高了复合材料的强度和韧性$ 林
群芳%"$$"&认为这是玻璃纤维在木塑复合材料中
起到增强作用的重要原因!玻璃纤维被拔出或拔断
的过程中会消耗大量能量$ 郑玉春等 %"$$@&在研
究温石棉纤维增强木塑复合材料时也用到了该
理论$
?=A>复合力学理论
复合力学理论是从 %@#< 年 V^O4QRO0提出的复
合材料混合定律发展而来的!首先应用于匀质顺向
配置连续纤维增强水泥基复合材料!而后扩展至短
切’乱向纤维增强复合材料中$ 短切纤维在基体中
是三维分布的!材料在承受拉伸应力裂断时!纤维与
基体界面间的剪切力会将载荷由基体传递给增强纤
维!继续受力时纤维被拔断或者从基体中拔出!这一
过程会消耗大量能量!从而增强了复合材料的力学
性能$ 同时!该理论认为纤维与基体的界面结合强
度’纤维长度等与纤维增强效果具有紧密的联系$
关苏军等%"$%%E&在探讨玄武岩纤维提高木塑复合
材料的拉伸强度时!采用该理论解释了纤维对于木
塑复合材料的增强机制$
在探究以上理论研究的同时!机械结合理论’物
理吸附理论和化学键理论等 %欧荣贤等! "$%$# 卢
国军等! "$%<&均被用于解释纤维增强木塑复合材
料的增强效果!这些理论从不同的角度对增强机制
进行了补充分析$
?B纤维增强木塑复合材料的性能
在纤维增强木塑复合材料中!纤维的主要作用
是承载外力’阻止裂纹扩散!从而提高木塑复合材料
的力学强度和韧性$ 此外!纤维的加入改变了木塑
复合材料的内部结构!从而改变了复合材料的吸湿
行为和热性能等$
@=<>力学强度
木质纤维材料表面含有大量羟基!是一种极性
材料!而热塑性塑料属于非极性材料!二者相容性
差!且木质纤维材料的添加量一般超过 !$F!因此
高填充的木塑复合材料不具有一般纤维增强复合材
料高强度的特性$ 此外!木纤维表面大量的羟基导
致其具有较高的表面能!加工过程中容易产生团聚!
在复合材料内部形成应力缺陷$ 在受外界载荷时!
这些缺陷处容易产生应力集中而使复合材料在受到
外界拉伸’弯曲或冲击载荷时发生破坏$ 加入增强
纤维改变了复合材料内部的结构!阻止了裂纹的发
展!当外力作用时!纤维与基体界面间的剪切力将载
荷从 基 体 传 递 到 增 强 纤 维 %M34 &,3%"! "$$=#
k/0XEHREY7&,3%"! "$%!&!同时跨越裂纹的纤维还会阻
止裂纹的进一步发展!木塑复合材料的抗拉强度和
拉伸延长率因此而提高%关苏军! "$%"# 邹汉涛等!
"$$=# 王伟宏等! "$%?&$
@=?>吸湿性
木塑复合材料中的木纤维被聚合物包裹!与木材
相比其吸湿性降低!但长期浸水仍然会有一定的吸水
率!且水分不易析出$ 木纤维吸水后会影响界面结合
强度!从而降低复合材料的力学性能!同时水分还会
影响木塑复合材料的尺寸稳定性’耐候性和抗老化性
能等$ 因此!降低木塑复合材料的吸水率具有十分重
要的意义$ 程然等%"$%?&发现 D)+纤维增强木9高
密度聚乙烯复合材料比未添加 D)+纤维的木塑复合
材料吸水率降低!且吸水率和纤维长度表现出正相关
性!这主要是因为纤维在复合材料中乱向分布!存在
+-,’+&,等形态%崔益华等!"$$#&!与木粉和基体形
成稳定的三维骨架结构!三者之间相互限制对方变
形!从而制约了复合材料吸水后的体积膨胀!有效保
持其尺寸稳定性!降低了吸水率$
@=@>热性能
相比于纯塑料!木塑复合材料具有优良的热稳
!?%
林 业 科 学 !" 卷B
定性!增强纤维的加入改变了复合材料的内部结构!
形成三维稳定结构!从而使材料更加紧密!热稳定性
升高$ 刘天%"$%<&对 O^V0EY纤维增强木塑复合材
料进行热重%+K&分析!发现纤维加入后材料的分解
速率降低!热稳定性提高$ 热稳定性的提高还得益
于添加纤维后复合材料内部相互作用增强!限制了
分子链的移动$ 刘婷等 %"$%$&采用模压成型方式
研究了剑麻纤维9玻璃纤维混杂增强聚丙烯复合材
料的结构与性能!指出添加玻璃纤维不仅可以提高
复合材料的热稳定性!而且可以提高结晶度$
hEYRE674O:E6 等%"$%"&采用纳米无机纤维填料增强
的聚丙烯木塑复合材料研究也得出了类似结论$ 结
晶度的提高有利于提高复合材料的热稳定性$
"$ 多年!在经历了现阶段的瓶颈期后!下一步势必
会向高效率’高性能’高品质方向发展$
采用添加增强纤维的方式来提高木塑复合材料
的强度!特别是提高木塑复合材料的抗冲击性能!是
一种有效的方法!对于拓展木塑复合材料的应用具
有十分重要的意义$ 然而!纤维增强木塑复合材料
目前尚处于研究阶段!距离产业化还有一段路要走
%(U/&,3%"! "$%%&!具体需要解决以下几方面问题"
%& 进一步提高生产效率$ 仅就普通木塑复合
材料而言!国内目前挤出生产效率普遍较低!挤出速
度平均不到 % N.N74 >%$ 提高生产效率可从原料的
稳定’配方的优化’装备的改进以及工艺水平的提高
等方面着手!其中最重要的当属挤出装备和工艺的
改进!实现高效塑化’低温挤出’精确定型和有效冷
却是提高挤出生产效率的关键$ 对于纤维增强的高
性能’高品质木塑产品!要实现快速产业化!生产效
率的提高更是势在必行$
"& 研制纤维增强木塑复合材料专用装备$ 纤
维在喂料时容易 +架桥,!在基体中也不易分散均
匀’易结团!而且过于剧烈的分散剪切还会导致大部
分纤维断裂!特别是对于比较软的柔性纤维!这些问
题更为明显$ 解决这些技术问题!需要对现有设备
进行完善和改进!例如在混炼设备中可以考虑针对
高黏度特性的木塑复合材料熔体配置专用螺杆!既
达到纤维分散的效果!又不会对纤维产生过高的
剪切$
?& 开发连续纤维增强木塑复合材料技术$ 连
续纤维在增强聚合物复合材料中已经有比较普遍的
应用!可采用的成型方法也较多!如拉挤法’注塑法’
缠绕法’浸渍热压法等!其增强效果明显要好于短切
纤维$ 木塑复合材料在连续纤维增强方面目前研究
较少!未形成成熟的增强技术!其难点仍然在于木塑
复合材料熔体的流动性较低!成型加工存在局限性$
<& 开拓高性能木塑复合材料市场$ 当前呈现
在大众面前的木塑复合材料绝大多数为附加值不
高’性能偏低的装饰材料!如室外铺板’凉亭’栅栏’
外墙挂板’室内吊棚及内墙装饰板等!鲜有附加值较
高的汽车座椅’内饰以及门窗’家具等对强度或抗冲
击性能要求较高的木塑复合材料$ 这些市场领域的
开拓将提高对高性能木塑复合材料的需求!进而带
动纤维增强木塑复合材料的产业化发展$
参 考 文 献
程B然! 王海刚! 刘B天! 等5"$%?5聚酯纤维增强木粉9iID)复
合材料的力学及吸水性能5新型建筑材料! %<& " 8@ >="5
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关苏军! 刘恒山! 汪丽娜! 等5"$%%E5玄武岩纤维增强木塑复合材
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/XkRO:7E4H&Q7;+OQR c47VOYZ7UW5/74 ’R74OZO0 &
郭B栋! 陆绍荣! 罗崇禧! 等5"$%"5玻璃纤维增强木质素9DD复合
材料结构和性能的研究5现代塑料加工应用! "<%%& " "? >"#5
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韩宋佳! 王B柯! 张B琴! 等5"$%?5剑麻纤维增强聚丙烯复合材料
的制备与性能研究5塑料工业! <%%#& " ?! >?=5
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姜肇中! 高建枢! 王惟峰5%@@85玻璃纤维的发展和应用5玻璃钢9
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刘B婷! 陆绍荣! 王一靓! 等5"$%$5剑麻纤维9玻璃纤维混杂增强
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欧荣贤! 赵B辉! 王清文! 等5"$%$5 O^V0EY纤维 >木粉9iID)混杂
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材料性能的研究5新型建筑材料! ?#%?& " !@ >#%5
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