共擠出成型木塑復合材料研究進展與應用

郝笑龍，周海洋，孫理超，林東融，歐榮賢*，王清文

(1. 華南農業大學材料與能源學院，生物基材料與能源教育部重點實驗室，廣州 510642；2. 嶺南現代農業科學與技術廣東省實驗室，廣州 510642；3. 惠東美新塑木型材制品有限公司，廣東 惠州 516321)

木塑復合材料(WPCs)是以極性木質纖維與非極性的熱塑性聚合物為主要原料，通過熔融復合，采用擠出、熱壓、注塑等成型工藝制成的復合材料，簡稱木塑[1-3]。WPCs具有環境友好、成本低廉和優良的物理力學性能等優點[4]。近年來，WPCs被廣泛應用于建筑裝修裝飾、室內家居、室外園林景觀等領域[5]。隨著人們對WPCs及制品性能要求的不斷提高，傳統WPCs由于其耐UV老化性能差，受到長期力載荷和熱負荷時易發生蠕變和熱變形，由此導致的耐久性和安全性變化受到消費者質疑，難以滿足市場發展需求，因此，迫切需要WPCs產品克服以上缺點，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和重點問題。共擠出成型技術是使用2臺或2臺以上擠出機，將物料熔融后通過特定的模具連續擠出成型為多層復合材料，將其應用到WPCs的擠出成型中，可以很大程度上改善WPCs的各項性能。共擠出成型木塑復合材料(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/殼結構，通過對殼層功能化改性可以實現Co-WPCs整體性能的改善。

殼層對Co-WPCs的保護作用，可以改善由親水性木質纖維引起的WPCs吸濕性較強、耐久性偏低等問題，包括WPCs長期使用過程中由紫外線引起的表面粉化、褪色和劃痕等現象，以及潮濕環境導致的表面開裂、污漬和霉變等現象(圖1)。通過在殼層中添加光穩定劑和UV吸收劑，可以有效改善由于UV降解導致的WPCs表面粉化、破裂和褪色現象；且殼層中聚合物含量相對較高，可有效阻隔水分進入WPCs內部，避免潮濕環境下WPCs發生的霉變現象；殼層對水分子的抑制同樣可以避免由于吸濕行為導致的WPCs膨脹變形和表面開裂等現象。此外，通過殼層改性，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，避免在長期使用后表面出現明顯的劃痕。因此，研究Co-WPCs可以為拓寬WPCs應用范圍和改善其綜合性能提供理論和技術支撐。筆者從Co-WPCs研究現狀和主要性能、新型Co-WPCs及Co-WPCs的應用方面，對Co-WPCs的研究現狀和發展趨勢進行了概述，最后提出Co-WPCs發展所面臨的問題和挑戰，為Co-WPCs的創新和發展提供新思路，并闡述了未來研究的重點。

圖1 傳統木塑產品室外老化降解現象Fig.1 The aging and degradation problems of traditional WPCs products in outdoor applications

1 Co-WPCs研究現狀

共擠出技術最早出現于20世紀60年代，通過多臺擠出機將熔融物料分別輸入一個共擠出模具中，加工成型得到多層復合制品[6]，包括聚合物加工復合管材、復合薄膜、異型材及電線電纜等制品[13-15]。相關專利申請數量整體呈上升趨勢并趨向平穩，說明該技術已經處于成熟期[16]。據于旻等[6]報道，有研究人員于2007年通過共擠出技術首次制備出了具有核殼結構的WPCs，即Co-WPCs。Co-WPCs伴隨著木塑行業多年的發展，已經日趨成熟并逐漸成為WPCs領域的研究熱點。共擠出作為相對比較先進的木塑成型技術之一，將WPCs與其他材料優化組合，揚長避短，設計制備具有不同結構和性質的多層木塑復合材料，不僅可大幅改善WPCs易蠕變、脆性大、易老化和易燃燒等問題，還將成為制備高附加值、多功能木塑復合材料的重要途徑[17]，具有良好的發展潛力。近年來，傳統WPCs產品需求放緩，但Co-WPCs產品發展迅猛，其市場份額逐漸上升并已經超過50%，這將會是WPCs產業的主流發展趨勢[6]。在歐美等國家和地區，Co-WPCs產品以戶外墻板、鋪板、柵欄(欄桿)和門窗等高端產品為主，同時也包括室外花箱、座椅、垃圾箱等配套產品；而國內主要以室內產品為主，包括門窗、室內墻板、屋頂、地板等產品，目前正逐漸向戶外產品發展，其潛力和市場巨大。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產品將會呈現多元化的發展趨勢。

近年來，已有不少國內外學者對核/殼結構的Co-WPCs開展研究[18-19]，其制備流程及截面如圖2所示。在保證Co-WPCs核/殼結構完整的前提下，通過在殼層中添加功能性填料，如無機粒子/纖維、阻燃劑、抗老化劑等，研究殼層改性對Co-WPCs性能的影響，是目前常見的Co-WPCs改性方法。盡管針對Co-WPCs在不同領域的應用已經開展了大量與其力學性能、尺寸穩定性(吸水、蠕變和熱膨脹)、耐候性及阻燃性等相關的研究，但缺乏系統的總結和概述。

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/殼結構，殼層以完全包覆的形式與核層進行復合，通過在殼層添加少量不同功能的助劑或填料，改善WPCs的力學性能、尺寸穩定性、耐候性及阻燃性等性能，從而獲得多功能一體化的WPCs產品，拓寬其應用范圍。首先，與普通WPCs相比，Co-WPCs表現出較好的韌性，但強度和模量會有不同程度的降低，尤其是在殼層添加不同功能化填料后，對力學性能會產生明顯的影響，而力學性能一直是Co-WPCs研究的重點問題；其次，殼層中聚合物含量較高，使得Co-WPCs表現出更高的溫度依賴性，因此，研究外界環境作用(溫度、濕度和外力)對其尺寸穩定性的影響顯得尤為必要；最后，Co-WPCs產品在室內外長期使用過程中，對其阻燃性和耐候性有一定的要求，同時還需考慮阻燃性、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題。綜上所述，本部分以Co-WPCs力學性能、尺寸穩定性、阻燃性和耐候性為例，系統總結并概述Co-WPCs的主要性能。

2.1 力學性能

WPCs的力學性能包括彎曲、拉伸和沖擊性能，但是由于Co-WPCs特殊的核殼結構，現有的研究通常只對Co-WPCs進行彎曲和沖擊性能測試。主要原因是測試Co-WPCs力學性能時，需要在保持共擠出結構完整的前提下進行，從而充分體現殼層完全包覆結構對整體Co-WPCs性能的影響[17]。在商業化的WPCs制品中，通常以提高木質纖維含量或采用回收塑料作為聚合物基體等方法來降低成本[20]，但上述方法使得WPCs在不同濕度、溫度或紫外線等室外環境下具有較差的耐久和力學性能[10,21-23]。殼層對于Co-WPCs的整體性能具有重要影響，其厚度和各組分配比等對Co-WPCs力學性能影響較明顯[19，24-25]。殼層增強增韌Co-WPCs的機理可以解釋為：韌性殼層能夠抑制脆性核層在受到外力時的裂紋產生和擴散[19,26-27]，使得Co-WPCs破壞時吸收更多的能量[19，26]，因此，破壞方式從脆性斷裂轉變為韌性斷裂。韌性殼層可以將沖擊或彎曲作用力分散在Co-WPCs上下表面，有效避免應力集中，如圖3所示。基于上述原理，通過增強殼層的方式可以實現整體Co-WPCs增強的目的。簡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、碳納米管及木質纖維等[19，24-30]，可以達到增強整體Co-WPCs的目的。與普通WPCs相比，因為殼層具有較高的聚合物含量，Co-WPCs通常表現出彎曲強度和模量降低而沖擊韌性提高的現象[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Co-WPCs彎曲、沖擊及吸水性能的影響見表1。在殼層添加少量木質纖維或阻燃劑，可以提高Co-WPCs的彎曲強度，但彎曲模量依舊呈下降趨勢[19,30-31]。采用無機碳納米管或玄武巖纖維增強殼層，可以同時提高Co-WPCs的彎曲強度和模量[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脂基體，制備了強度較低和較高的2種核層材料(對照組)，研究殼層添加木質纖維和碳酸鈣對Co-WPCs力學性能的影響，結果顯示，與對照組相比，以強度較低的核層制備的Co-WPCs彎曲強度和模量均有所提高，但以強度較高的核層制備的Co-WPCs則呈現出相反的結果[26]。上述研究表明樹脂基體的種類也對Co-WPCs力學性能有重要影響。采用硅烷改性的納米二氧化硅增強殼層，可以得到與空白組WPCs力學性能相當的Co-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，同時也提高了其在木塑基體中的分散性[33]。此外，通過調控優化殼層與核層木質纖維的含量，也可以得到力學性能優越的Co-WPCs，避免無機填料復合時的分散和高熔體黏度等問題[18]。綜上所述，對比分析表1中Co-WPCs的力學性能可知，通過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的強度和模量，但實現Co-WPCs同時增強增韌仍需繼續探索。

表1 不同核/殼層組分對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 尺寸穩定性

木質材料極性大，吸濕后尺寸變化較大，但是溫度變化對其尺寸影響較小；聚合物吸濕通常小于1%，濕度對其尺寸變化影響可忽略，但是溫度變化會導致較大的尺寸變形。此外，聚合物在外力或自身重力長期作用下會發生蠕變變形。WPCs由極性木質纖維和非極性聚合物復合組成，其尺寸穩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致的熱膨脹和冷縮，以及在長期載荷作用下的蠕變變形。根據地域和季節的不同，還需要考慮濕度、溫度和載荷等多種因素對WPCs尺寸穩定性的綜合影響。鑒于Co-WPCs特殊的多層結構，研究其尺寸穩定性顯得尤為重要。

2.2.1 吸水性能

極性木質纖維作為WPCs中的親水性組分，其羥基與自由水通過氫鍵結合是WPCs吸濕的主要原因[38]，聚合物基體在加工過程中對木質纖維進行浸潤和包覆可以有效抑制吸濕行為的發生[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明顯變化，這主要是因為高聚合物含量殼層對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纖維的Co-WPCs吸水率增加，其他均有不同程度降低，說明Co-WPCs吸濕行為與殼層和核層中木質纖維含量密切相關。提高木質纖維含量，Co-WPCs吸水增重率和厚度膨脹率顯著增大，說明木質纖維含量較高時，聚合物基體對其并不能完全包覆，導致木質纖維團聚并形成缺陷孔洞[10,21,38-39]。Co-WPCs吸濕行為主要貢獻者為核層，水分主要通過共擠出木塑的兩端進入，殼層不僅可以阻止水分從Co-WPCs表面進入，其完整包裹作用還可以進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]。水分的進入會破壞木質纖維與聚合物基體之間的界面結合，最終降低木塑復合材料的力學性能。與普通WPCs相比，殼層的存在可以較好地保持Co-WPCs吸濕-干燥循環后的力學性能，說明Co-WPCs在高溫高濕環境中具有更好的潛在優勢[41]。此外，由于Co-WPCs擠出過程中木質纖維的定向分布，吸濕膨脹率應該考慮除厚度方向外的其他2個方向，即長度和寬度方向，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在長期使用過程中，其聚合物基體分子鏈段的運動和滑移導致的蠕變行為會嚴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在長期使用過程中會表現出更明顯的時間和溫度依賴性的蠕變行為[18,27,29]。提高木質纖維含量可以有效降低WPCs的蠕變變形，研究表明，將木質纖維(質量分數)從50%提高到70%，其24 h蠕變變形可降低58%[42]。與力學性能類似，在殼層中添加剛性粒子，例如二氧化硅或木質纖維，同樣可以通過顯著降低殼層的蠕變變形，以達到降低Co-WPCs整體長期蠕變變形的目的[18,27]。這主要歸功于剛性二氧化硅或木質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]。相比于微米級二氧化硅，納米級二氧化硅可以更高程度地降低殼層和Co-WPCs的蠕變變形，這主要歸功于納米尺寸的增強效應，將納米二氧化硅表面硅烷改性后可以在原有的基礎上進一步提高Co-WPCs的抗蠕變性能。但是殼層增強對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題之一，尤其在溫度變化較大的環境中使用時。聚合物的線性熱膨脹系數一般高于1×10-4℃-1，遠大于金屬、陶瓷的2×10-5℃-1，而天然生物質材料的熱膨脹系數為5×10-6～5×10-5℃-1[45-46]，因此木質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主要來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通常大于普通WPCs[17]。提高殼層或核層木質纖維含量，或者在殼層中添加低膨脹系數的材料，例如無機粒子或纖維，均可以有效降低Co-WPCs的熱膨脹行為[24,37]。通過玻璃纖維增強殼層，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；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，可以進一步提高Co-WPCs的彎曲性能并降低整體熱膨脹系數[48-49]。與HDPE新料相比，回收LDPE具有較低的分子質量和更強的分子鏈段運動能力，導致其制備的Co-WPCs具有較大的熱膨脹系數[24]。

殼層對核層的完全包覆作用，從結構上也可以一定程度地限制Co-WPCs的熱膨脹行為。此外，WPCs擠出過程中木質纖維的定向排列呈現出明顯的熱膨脹各向異性，即沿著木質纖維定向排列方向的熱膨脹系數遠小于厚度和其他方向[50]，說明具有不同長徑比的木質纖維通過限制聚合物基體的變形達到降低Co-WPCs熱膨脹系數的目的[17]。研究Co-WPCs熱膨脹行為的各向異性具有重要的實際意義，木塑制品在實際應用過程中，其長度尺寸遠大于厚度尺寸，雖然長度方向的熱膨脹系數較低，但實際熱脹冷縮的尺寸變化絕對值明顯大于厚度方向，這也是Co-WPCs鋪板、地板、墻板等在長期使用過程中發生變形、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，由于受到雨水侵蝕、UV光照等因素影響會降低其使用壽命，通過研究其耐候性能，可以為WPCs延長使用壽命、拓寬應用范圍提供理論和技術支持。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，而吸濕性對耐候性有著至關重要的作用，即Co-WPCs隨著吸濕性的降低，耐候性能有所提高[51]；但殼層會在UV光降解作用下產生裂痕，促進吸濕作用，從而降低其耐候性。由于PP較HDPE對光更敏感，所以PP為殼層的Co-WPCs在長期耐候測試中顏色變化較大，如圖4所示。

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

普通WPCs在老化過程中，隨著時間的延長其顏色迅速變淺，這是因為紫外線將木質纖維中的木質素分解為具有顯色基團的物質，在循環噴淋作用下，其降解產物很快被沖刷走，在WPCs表面生成裂痕，加速了WPCs的褪色。因此，WPCs中木質纖維與聚合物基體的界面結合對于老化行為起到關鍵性作用。與普通WPCs相比，Co-WPCs的老化機理可以解釋為：在殼層保護下，循環噴淋不能沖刷走顯色分解物，隨著時間推移Co-WPCs顏色會逐漸加深，當殼層光降解形成裂痕后，其顯色物質被水沖刷走，顏色開始變淺[52]。因此，在殼層中添加光穩定劑或者紫外吸收劑，可以在殼層保護的基礎上進一步提高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)可以在改善力學性能的前提下使其具備良好的顏色穩定性[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程中的開裂問題，且隨著PMMA含量的增加，Co-WPCs表現出優異的抗老化性能[53]。此外，在殼層中添加無機納米氧化硅或玄武巖纖維，Co-WPCs在保持良好力學性能的同時也具備較好的抗老化性能[22-23,54]。

2.4 阻燃性能

WPCs作為室內用建筑裝飾材料，必須符合一定的阻燃等級要求。針對WPCs的阻燃問題，國內外學者已經開展了系列研究，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、硼類化合物及無機納米粒子等一種或幾種復配[37,55]，但阻燃劑的加入通常會導致WPCs物理力學性能的降低。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保留WPCs優異的力學性能并達到阻燃要求。研究表明，殼層中單獨添加滑石粉，燃燒后Co-WPCs表面形成連續的炭層，當滑石粉添加量超過20%時可以明顯降低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將玄武巖纖維與滑石粉復配使用，也可以在提高Co-WPCs阻燃性能的同時，一定程度上提高其力學性能[29,32]。將聚磷酸銨與天然石墨或膨脹石墨復配添加到Co-WPCs的殼層中，與單獨添加一種阻燃劑相比，可以顯著降低Co-WPCs熱釋放總量并延長點燃時間，表現出優異的阻燃性能[30,57]。與石墨和碳纖維相比，將納米級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、熱釋放總量并延長點燃時間，具有更優異的阻燃性能，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，在燃燒過程中如何降低其熱量由外部向內部核層傳遞，這是在現有基礎上進一步提高其阻燃性能的關鍵。因此，膨脹性阻燃劑將會是未來制備阻燃型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到Co-WPCs整體阻燃的目的，不僅可以改善其力學性能，還能有效降低成本，具有較高的應用價值和發展前景。

3 新型共擠出木塑復合材料

3.1 木塑-實木多元共擠出復合材料

線型結構熱塑性聚合物固有的黏彈特性導致了WPCs易蠕變，盡管適當提高木質纖維的用量有助于改善WPCs的抗蠕變性能[18]，但是過高的木質纖維用量(70%以上)會導致復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題。因此，僅靠提高木質纖維用量不僅不能徹底解決WPCs蠕變問題，而且會產生脆斷、腐朽等新問題[58]。另一方面，我國速生人工林木材資源豐富，但是其材質軟、易開裂變形且耐腐性差，作為低質木材其直接利用的價值不高。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定性差，硬度和橫紋抗壓強度不到木塑的50%，但其剛性好，拉伸、抗沖擊和抗蠕變性能突出。針對WPCs和速生木材這兩類材料的不同特點，需揚長避短、優勢互補。有學者提出了以WPCs為表層，以速生人工林木材及其重組材(簡稱實木)為芯材，通過共擠出成型等方法進行復合，制備抗蠕變不脆斷、輕質高強、高性價比、耐久性優異的木塑-實木多元共擠出復合材料[59-63]。與傳統Co-WPCs相比，木塑-實木多元共擠出復合材料僅需一臺擠出機，通過特定的共擠出模具，配合實木輸送裝置，即可實現簡單或異型截面共擠出復合材料的制備，如圖5所示。木塑-實木多元共擠出復合材料綜合性能優良且綠色環保，成本介于木塑和木質多層板之間，因而性價比高，不僅適于作為傳統防腐木和人造板的升級換代產品，而且在高品質建筑門窗、建筑模板、大跨度木質構件、建筑部品、多功能墻體、綠色建筑，以及其他對材料的環保、承重、防水防潮、防腐防蛀、耐候等性能要求較高的應用領域，具有突出的優勢，應用前景廣闊[64]。

圖5 木塑-實木共擠出流程(a)及實物(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合異型材

WPCs最典型的應用是通過擠出異型材，制備環保節能門窗，代替現有的塑鋼窗、鋁合金門窗、實木門窗等，解決鋁合金生產耗能高且保溫隔熱差、PVC有環境污染隱患、實木價格高且尺寸穩定性差等突出問題[65-66]。室內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，建筑外窗受到長期的風吹雨淋和日曬，其老化問題不容忽視，雖然采用涂漆、覆膜等后期處理技術可以一定程度上解決老化問題，但同時也會增加成本。研究木塑門窗異型材的共擠出技術，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，是未來重要的研究內容之一[53,65]。普通WPCs異型材窗戶或Co-WPCs異型材窗戶，雖已經成功制備并作為產品代替部分傳統窗戶(圖6)，但要大范圍地應用和推廣依舊任重道遠。綜上所述，共擠出木塑異型材雖然優勢很大，但對擠出成型設備尤其是模具的要求更高，需要木塑擠出工藝與模具設計協同優化，這將是木塑門窗未來發展的挑戰和難題所在。

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 共擠出木塑的應用

經過多年發展，WPCs產品在歐洲已經達到市場成熟階段，其中：戶外地板和汽車內飾兩類約占市場總量的90%；戶外墻板、柵欄和家具等方面雖然所占市場份額不高，但也表現出了較強的增長勢頭。我國的WPCs 產品主要包括門窗、內墻面板和戶外棧板等產品[67]。WPCs系列產品廣泛應用于建筑領域，許多使用木材和鋼材的傳統建筑設施正逐步被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，水分和光照等外部因素產生的吸濕、老化褪色、開裂變形、蟲蛀霉變等現象依舊是制約普通WPCs產品在戶外使用周期的重要因素。通過共擠一層功能化的殼層，可以有效解決并避免上述問題。本部分以Co-WPCs戶外墻板和鋪板產品為例，重點介紹Co-WPCs在室外的應用。

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，具備質輕高強、抗震、施工快捷、節能環保、可循環利用等優勢[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和維修；同時，WPCs也比木材表現出更多的藝術價值和審美價值，顯著提高了房屋建筑的使用價值[70]。在國外，WPCs墻板已較早地應用于民用建筑和一般工業建筑的非承重內隔墻和外圍護墻領域，其技術和產品日趨成熟(圖7)。雖然國內WPCs墻板起步較晚，相關研究和應用相對較少[69]，但相關企業和產品正逐步興起，具有巨大的市場潛力和發展空間。

圖7 國外(上)和國內(下)共擠出木塑墻板的戶外應用Fig. 7 The outdoor applications of Co-WPCs panels by foreign (up) and domestic (down) manufacturers

戶外使用時對木塑外墻板的耐腐性、抗老化性、耐水防潮性等要求相對更高，而且長期暴露在大氣中，會在水、紫外線等因素作用下產生一定的吸水、吸濕、褪色、蟲蛀現象；其次，針對不同氣候地區，木塑外墻板也需要考慮是否能滿足建筑節能及保溫的要求[71]。通過殼層改性，Co-WPCs墻板具有突出的耐水、防腐、防蟲、抗老化等特性，另外表面色澤紋理可調，具備良好的裝飾性能，各項性能指標可以滿足建筑對圍護結構的基本要求。與傳統WPCs墻板相比，Co-WPCs后期維護量大大減小，在長期使用過程中不易產生材料碎裂、褪色等問題。

4.2 戶外鋪板

相比于木塑外墻板，木塑戶外鋪板是WPCs應用最早也是最多的領域，約占WPCs市場份額的75%[68]。WPCs鋪板在戶外使用時，除了需要考慮耐腐朽、抗老化、耐水防潮等問題，在長期使用過程中其力學性能、耐磨防滑、抗變形等也需要達到使用要求。對于PVC基Co-WPCs，采用抗紫外老化、耐高溫性能優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境原因造成的性能下降和色彩變化。對于HDPE基Co-WPCs，通常采用低溫抗沖擊韌性、抗磨損性能、刮擦性能和穩定性能優異的沙林樹脂(Surlyn)對HDPE進行改性用作殼層材料，輔以紫外光吸收劑、光穩定劑、色粉、色母粒和其他加工助劑，通過共擠出成型技術制備綜合性能優異的Co-WPCs鋪板。Co-WPCs戶外鋪板廣泛應用于碼頭、園路、觀景平臺、棧道、庭院等場合，可根據需要和使用場地選擇不同的顏色(圖8)。在進行戶外景觀設計時，將涼亭、圍欄、護欄、花箱等WPCs制品與周圍環境結合，使其更具創意及觀賞性，實現人造景觀與自然環境的完美融合[72]。

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

5 展 望

Co-WPCs作為木塑復合材料的重要研究方向之一，在未來發展過程中必然會面臨一定的問題和挑戰：首先，多功能集成是其發展的必然趨勢，單一功能已經不能滿足使用需求，發展多功能集成化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域大規模推廣應用的重要途徑；其次，降低Co-WPCs成本依舊是研究和生產過程中的熱點和難點問題，用作Co-WPCs共擠殼層的樹脂原料ASA和Surlyn基本由跨國公司壟斷市場，原料成本居高不下，通過核心技術攻關，開發擁有自主知識產權的原料生產技術，實現ASA和Surlyn的國產化將是降低Co-WPCs成本的重要途徑之一；最后，核/殼結構賦予Co-WPCs優良的性能，但核/殼結構的界面問題將是影響材料性能的重要因素，涉及共擠出模具設計開發、核/殼材料的流變行為等關鍵科學問題。

Co-WPCs及其制品發展日趨成熟，其未來發展必將成為木塑行業的重要引領方向之一。雖然國內外針對Co-WPCs已經展開了一系列研究，但是Co-WPCs的潛力和潛在應用價值還有待進一步挖掘。

1)Co-WPCs由于高樹脂含量殼層的存在，能夠賦予其良好的沖擊韌性，通過殼層改性，在保證韌性的前提下提高力學強度和模量，是其未來在建材領域應用的必要條件之一。因此，距離實現Co-WPCs同時增強增韌的目標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的尺寸穩定性，雖然核/殼結構可以很大程度上降低吸水性能，但同時又引入了蠕變和熱膨脹問題，這對于其長期使用顯然是不利的。參考力學改性的方法，通過摻雜無機或功能化粒子到殼層中是改善蠕變和熱膨脹行為的簡單且有效途徑之一。

3)阻燃與耐候是Co-WPCs在室內外應用時必須考慮的2個問題，也是目前研究的熱點和難點問題：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發展趨勢之一；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題。

4)Co-WPCs及其制品會向著新型化、多元化的方向發展，在現有技術的基礎上，通過進一步創新和再發展，滿足研究、生產及市場各方需求，實現多功能、高附加值的應用，是發展Co-WPCs的最終目標。