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木塑复合材料在城市景观中的应用研究
点击:284 日期:2018/1/9 14:31:43

●摘要: 木塑复合材料具备许多特性,包括优异的抗老化性、装饰性和环保性。木塑材料被广泛地应用在诸多领域,尤其在城市景观中应用普遍。以木塑材料为研究对象,简述了其在国内外的发展历程,并且详细论述了木塑材料的特性,进而探讨其在城市景观中的应用,最后提出木塑材料在应用过程中存在的主要问题。
        随着工业化的快速发展,能源和环境问题日益凸显,引起了全世界的关注。目前,由于对森林资源的过度开采砍伐,已经造成我国生态环境发生严重的恶化并出现许多自然灾害,如沙尘暴频发、水土流失严重、洪涝灾害多发等。为此,必须保护生态环境,坚持“可持续发展”战略。在当前这个阶段,人们已经越来越注重城市景观的质量,回归自然、亲近绿色逐渐成为这个时代的旋律。而城市景观的设计和建设中需要大量材料。为了保护生态环境,节约森林资源,木塑复合材料(WPC)开始被广泛应用。
1 WPC在国内外的应用
        WPC是一种利用聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)以及聚丙烯(PP)等树脂与木屑、竹屑、稻壳、花生壳等废弃的植物残渣混合,再经过一系列的挤压、模压、注塑成型等加工工艺生成的复合型材料[1-3]。材料的制备过程中,可以根据顾客的要求添加一定量的色粉改变材料的颜色。WPC充分利用了废弃植物残渣,不会产生二次污染,节约了大量的资源。
1.1 WPC在国外的应用
        WPC的出现始于二战时期,由于木质纤维与塑料之间的相容性差,所以研究者一直致力于材料相容性的研究。20世纪中叶,WPC开始进入商业领域。1973年SonnessonPlast AB公司开始推出PVC木塑材料,并命名为Sonwood[4]。随着科技的发展,WPC所具备的性能越发强大,最终演变成应用广泛的新型复合材料。1980年,日本阿特隆公司申请了WPC的相关技术专利,并在世界范围内被广泛地推广应用[5]。20世纪末期,WPC制品在美国的需求量不断变大[6]。加拿大的ONYX公司、美国的DAVISStandard公司、日本的EIN Engineering公司、意大利的Bausano公司等开始大规模建立WPC生产线。2002年,西方国家总共生产了68万t的WPC制品。总体上,欧洲WPC的发展相较于北美要缓慢。但是欧洲人对于材料的色泽、花纹等使用质量的要求相对更高,在城市景观和室内装修上并驾齐驱,因此对欧洲而言,WPC的发展将有很大的空间。
1.2 WPC在国内的应用进展
        WPC的应用和研究在国内起步相对较晚。自上世纪80年代起,一些学者开始着手研究木质纤维和塑料的混合产物。随着市场需求的不断扩大,森林资源日益减少,WPC因此应运而出。WPC开始迅速进入国内市场,并在交通设备、户外设施、建筑市场等领域广泛使用。自本世纪开始,WPC行业迸发出生机。2003年,国家开始重视WPC,并将其列入国家专项项目;2006年国内已有上百家企业和科研部门从事开发、研究、生产WPC;2007年,木塑制品应用于体育器材,实现新的突破;2008年,WPC成功应用于奥运会的运动器材、城市景观;2010年,WPC成为上海世界博览会、广州亚运会的首选材料。随着人们生活质量的不断提高,人们开始关注城市景观的设计,而WPC凭借其诸多优点得到人们的认可。
2 WPC的性能特点
WPC主要是由木质纤维和高密度树脂(PE、PP、PVC等)混合而成的,所以WPC兼具了木材和塑料的特性和优点,同时基础材料和成型工艺决定了WPC的某些性能。WPC具有较高的密度,为0.6~1.2cm3/g;并且还具有较大的硬度,硬度大于58。相较于木材,WPC具有良好的力学性能,表现为材料的抗变形能力可控,硬度大且具有良好的耐磨性能。
2.1 抗老化性
        (1)WPC具有良好的防水性能,其含水率不大于2%,吸水膨胀率低于1%。塑料不易吸水而发生变形,木材吸水率为20.6%,而以PE、PVC、PP为基材的WPC吸水率分别为0.6%、0.5%~0.8%、0.5%,可以明显看出,WPC的吸水率相较于木材要小得多,仅为木材的2.4%~3.9%。
        (2)WPC相较于天然木材具有很强的耐腐蚀性能。这主要是由于WPC是将植物纤维和高密度
树脂混合制成,而树脂将木质纤维包裹封闭,避免了真菌侵入从而造成材料的破坏。因此,WPC具有很强的耐腐蚀性能[7]。
2.2 装饰性
        (1)色彩多样。WPC在制备过程中可以根据需求来添加色粉以改变材料的颜色。浅色的WPC
给人以轻松愉悦的视觉和心理感受,而接近天然木材的原色,则满足了人们亲近自然的感官要求。
        (2)光泽度与花纹装饰。WPC的光泽度和花纹可以根据顾客的需求进行定做和压制,其花纹几乎可以乱真,再配合以材质的光泽明暗,更能给人以不一样的感受。
2.3 环保性
        从基础材料上看,WPC充分利用了木屑、竹屑、稻壳、花生壳等废弃的植物残渣;而且WPC中不含有害人体的物质,同时废弃的WPC还可以循环再利用,不会对环境造成破坏。采用WPC来替代天然木材,节约了森林资源,保护了自然环境。有关数据表明,每投入使用1 t的WPC,可以减少1 m3的树木资源的采伐,相当于减少了近1.8 t的温室气体排放量。
3 WPC在城市景观中的应用
        WPC能够满足现代城市景观的设计原则,即实用性、宜人性、环保性。目前,WPC在城市景观中的应用主要是铺板、围墙、护栏、景观小品以及一些城市内的辅助设施等。
3.1 WPC铺板
        根据WPC板材的横截面可将其分为两种:空心WPC板材和实心WPC板材。WPC板材的安装方式也可分为两种:直接法和卡扣法。
        相较于天然的木质材料,WPC铺板不易开裂,不易受到虫蚁破坏,防水性好、耐磨损,具有良好的抗老化性,力学性质稳定,外观接近天然原木,形式丰富多样,可以根据需要定制花纹,而且易于维护。但WPC一般只铺装在人流量相对较少的场所,对于常有车辆进出的地区则不宜铺设。总体而言,WPC铺板的实用性和耐用性很强,被广泛应用于城市园林的栈道、庭院等。
3.2 WPC围墙
        根据是否遮挡视线可将WPC围墙分为封闭式、半开放式和开放式三种;根据其使用功能可分为阻隔式和观赏式围墙两种[8]。应用于城市景观中的WPC围墙的主要功能是供人观赏,当然也包括阻隔空间的作用。由于围墙处于室外,需要长期遭受风吹雨打。因此,围墙的材质应具备抗老化、易于修复等性能,而这些性能WPC材料则完全具备。
        此外,景观围墙还应该可以体现城市的文化,提升城市的形象。而WPC材料可以给人们传递自然与现代结合的观感,是城市景观围墙材料的不二选择。
3.3 WPC护栏
        WPC护栏一般是由立柱、横梁、扶手、隔条、底座等部分组成。根据其功能可以分为安全护栏和景观护栏。WPC安全护栏主要用于安全性要求相对较高的地方,比如湖边、河边、山道、道路两侧等地,这一类护栏要求具备很强的抗冲击能力。景观护栏则对安全性没有特殊的要求,这一类护栏主要用于公园花圃等地,仅仅起到装饰作用[9]。
        WPC材料的制备工艺丰富多样[10],可以根据工程需要制成不同颜色、形状和规格的制品。因此,WPC护栏的市场需求将会逐渐增长。
3.4 WPC景观小品
        WPC可应用于景观小品中的亭、廊、花盆和树池、长凳等,这是由于WPC的色泽花纹多样,给人以接近自然的感觉。WPC景观小品安装简易、方便耐用、易于维护,而其他材料如混凝土、钢材等应用于景观小品中则显得格格不入,难以表现出和谐之感。因此,WPC制品受到人们的好评,目前已经在景观小品中很广应用。
3.5 WPC辅助设施
        除了上述的铺板、围墙、护栏等之外,WPC还应用于城市中的一些辅助设施,常见的主要有垃圾箱、指示牌、简介牌、警示牌等。这些WPC制品安装方便、维护简单,具有很高的使用价值。
4 WPC在应用中存在的主要问题
        与传统材料(如天然木材)相比,WPC具有很多优点,但是在使用过程中也存在很多误区和问
题。只有充分了解WPC存在的问题,才能更好地将其应用在实际生活中。
        (1)WPC性能上存在固有欠缺。一方面,WPC具有塑料的蠕变性,随着时间的推移,会逐渐发生变形。如果WPC制品的形状变化过大,则很容易出现变形弯曲,因此这是WPC的一个不足之处[12]。另一方面,生产工艺制约了WPC的应用范围。目前WPC生产工艺主要为挤出成型,而这种成型技术生产出的WPC为直线型,缺少弧度,无法很好地满足对形状要求很高的制品。此外,WPC的截面强度不够,韧性较差,容易出现损坏的现象。
        (2)后期管理维护不当。WPC制品虽然具有良好的实用性和耐用性,但是这不等于后期可以不用维护和管理。WPC在投入使用期间,若相关部门对其进行科学管理和维护,这对其使用寿命的延长具有重要作用。然而,目前相关部门并没有采取适当的措施来维护木塑制品,致使其使用寿命大大缩短,整体外观效果不佳。因此,当前WPC的后期管理维护逐渐成为重点关注的问题。
        (3)WPC的市场认知程度低。西方国家WPC行业市场的认知程度高、开发技术成熟、应用领域广阔,而我国的WPC行业起步较晚,市场认知程度远不及西方,这成为WPC在国内推广的最大难题。目前,国内企业还未形成集群效应或者集群规模过小,从开发、生产到应用仍未形成完整的链条,而且WPC产品的质量参差不齐,加之当前针对WPC这一新型产业,国内尚未制定完整的政策进行扶持和引导,从而造成WPC在市场中的推广受到制约。
5 结语
        WPC作为一种新型复合材料,继承了木材和塑料的双重优点,具有抗老化性强、装饰性好、绿色环保、易施工等特性,因而广泛应用在铺板、围墙、护栏、景观小品以及辅助设施等城市景观中。WPC不仅保护了森林资源,还提供给人们惬意和谐的城市环境。总而言之,WPC具备很强的实用性和宜人性。但是,在WPC的实际应用过程中还存在一些问题,例如材料本身的欠缺、后期管理不当、材料的应用不当、市场认知程度低等。

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