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基于木塑复合材料的现代家居造型设计与工艺分析
点击:193 日期:2018/4/17 15:45:26

        摘要: 研究了聚乙烯基木塑复合材料的吸水性、热工性能和力学性能。结果表明,相较于木质材料,木塑复合材料的吸水性极低( <15%) ,失重的温度区间大、热稳定性能好和其抗变形能力可控,硬度大,具有良好的抗磨性能和强冲击性能。因此,木塑复合材料能够满足现代家居设计的要求。
        高分子复合材料是以高分子化合物作为基体,含有大量的共价键形成的分子量大的复合材料[1]。高分子复合材料广泛地应用于建筑、交通、航天、国防和生物医药等诸多领域,在我们的生活中也能见到高分子复合材料,如许多家居用品都是由高分子材料制成的[2]。其中,木塑复合材料( WPC) 具有环保、装饰性和设计性强等特性而被广泛地应用于家居用品设计中[3]。木塑复合材料,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、注射成型等加工工艺生成的复合型材料[4]。木塑复合材料具有物理化学性能稳定、装饰性强等优异的特性,可以很好地满
足人们对家居用品的需求。因此,本文将围绕木塑复合材料对现代家居设计进行讨论,以期为木塑复合材料在家居设计和应用领域得到进一步推广提供一定的参考意义。
1 现代家居的设计原则
        家居设计是指在其功能、材料、生产过程和经济效益的综合约束下制作形成家居方案的简称[5]。家居设计的三大要素包括家居的使用功能、家居的艺术造型和家居的物质技术条件[6]。家居设计需要综合众多因素,下面我们将基于木塑复合材料,简要叙述家居设计的原则。
        ( 1) 安全性设计和绿色设计原则
        ①安全性是家居使用的首要原则。家居应该提供给包括老年人、幼小儿童、孕妇以及残疾人士在内的所有使用者以足够的安全性,只有基于此,家居才有可能给人良好的使用体验。因此,家居应满足无障碍使用的安全性设计原则。②家居绿色设计原则应包括家居的拆卸性、可重复使用性以及材料本身的绿色性。当今绿色环保理念已经在人们心中根深蒂固,为了满足人们对绿色环保的要求,设计师开始偏重于选用接近自然的材质。一方面,由于森林资源有限,天然木材供应往往不足以满足使用需求; 另一方面,过度采伐木材必然会造成环境破坏。因此,为了满足人们绿色环保理念,木塑复合材料应运而生。
        ( 2) 个性化设计和和谐性设计原则
        家居除了实用性之外,其个性化特点也十分重要。个性化的体现取决于设计和本身的材质,不同的材质体现出不同的个性特点。现代生活要求多元化和个性,稳重和纤巧的家居都可以通过不同材料体现。家居的和谐性应包括三层意思: ①是家居本身的和谐元素、形状、材料和颜色等一定的属性和特征[7];②是家居之间的和谐程度,虽然不同家居的使用功能不同,但是这些家居之间应存在一定的和谐性; ③是家居与周围环境之间的和谐程度,不管室内家居还户外家居,若与周围环境完全不切合,那么这些家居不能被认为是合格的家居。
        ( 3) 舒适性设计、趣味性设计和仿生设计原则
        ①家居舒适性的含义是给使用者以放松、愉悦的使用体验,而不受吵闹的室外环境的打扰。这种体验上的舒适性需要结合人体工程学原理进行设计,同时满足人们心理和生理上的感受,从而提高人们的生活质量。②通过设计师的奇思妙想,用平常的材料设计出别致的家居,给人以耳目一新的感受。③为了满足人们对自然的向往,家居材料越来越多样化。如木塑材料由于其色彩、质感等方面接近天然木材,而在园林景观、城市建设以及家居中的广泛应用。
        (4) 材料选用原则
        不同的家具对材料的性能具有不同的要求,如卫浴类家具( 浴缸、坐便器、盥洗台面、淋浴房、地板和墙板等) 对材料的耐水性能要求高,而地板、板墙、书架、门窗等室内家具则要求材料需要具备良好的力学性能。从安全性角度考虑,家居材料必须具备良好的热稳定性、防火安全性能。
2 实验部分
2. 1 主要原材料
        聚乙烯( PE) : 6100M,中国石油化工有限公司; 竹、木屑: 100 目粉末,上海友锐木业有限公司; 钛酸酯偶联剂: TC-2,中国石油化工有限公司。
2. 2 木塑复合材料的制备
        将竹、木屑进行分选,去除杂物和受潮变质块,之后在115 ℃下干燥处理5 h; 将聚乙烯树脂、钛酸酯偶联剂和竹木屑进行高速混合1 h 以上; 利用双螺杆挤出机进行挤出造粒,螺杆温度为140 ~ 165 ℃,喂料转速设定为50 r /min,切粒转速设定为400 r /min; 最后利用注射机注射样条。
2. 3 性能测试
        吸水性能测试依据标准ISO 62: 2008 进行。将试样置于沸腾的蒸馏水中,浸泡30 min 取出,置于室温下冷却,称重。吸水量的计算公式如下:
A= ( m1-m0) /m0×100%
式中,A-吸水量,%; m1 -试样在沸水中浸泡后的质量,kg; m0-试样浸泡前的质量,kg。
        材料的微观特征采用扫描电子显微镜( JSMIT500,日本JEOL 公司) 进行观察。
        热性能采用热重量分析仪( TGA92,法国SETARAM公司) 进行测试的,氮气环境,升温速率10℃ /min,温度范围: 室温至1 000 ℃。
        拉伸性能和断裂伸长率的测试采用万能测试机( WDW-20E,济南恒思盛大仪器有限公司) 进行,测试速率为1 mm/min,试验依据参考ISO 527-1; 冲击强度是采用冲击试验机( XJJ-5,承德大加仪器有限公司) 进行,试验依据参考ISO 179-1。硬度参考GB /T 2411—2008 并采用邵氏硬度计( Stand-Alone,深圳华丰科技有限公司) 进行测试。
3 结果与讨论
3.1 吸水性


        吸水性是材料诸多性质中最为重要的特征之一,它决定木塑复合材料用途,材料的吸水性主要与材料本身的微结构和氢键相关[8]。图1 是WPC 和木材在沸水中浸泡时表现出的吸水性与浸泡时间之间的变化关系图。图中明显地表现出随着材料在沸水中浸泡时间的推移,WPC 和木材的含水量都增大。WPC 的吸水率在浸泡150 h 时达到了相对稳定的状态,吸水率稳定在约15%,因此可得WPC 的吸水率小于15%;而木材的吸水量一直处于增大的状态,在浸泡180 h后出现了相对变缓的趋势,其吸水率可到207%。实验表明高分子树脂的加入显著地降低了材料的吸水性。图2 是WPC 的微观显微图像,从图中能看出高分子树脂充填于木屑孔隙和裂缝中,使得材料表面更加致密,提高了WPC 的耐水性能。
        目前应用相对较广的木塑复合材料卫浴家居包括浴缸、坐便器、盥洗台面、淋浴房、地板和墙板等。由于卫浴空间湿度较大、温度较高,相较于其他空间而言,对家居的材质要求更高,因而对材料的吸水性有严格的要求。相较于木材,木塑复合材料具有良好的耐水性能,适合作为卫浴家居的材料。


        TG 曲线为木塑复合材料的热性能和热降解行为提供了重要的信息。图3 表现的是WPC 和木材的TG曲线。可见,WPC 和木材的质量损失过程可以归结为3 个阶段: ( 1) 第一阶段出现水丢失,这一阶段木材发生的温度区间为0~200 ℃,而WPC 的温度区间则相对较大,为0~300 ℃; ( 2) 第二阶段出现半纤维素和胶质的分解和解聚,木材和WPC 发生大量分解的温度区间不一致,木材的介于200 ~ 400 ℃,而WPC 的介于300 ~ 600 ℃。这一阶段WPC 的分解过程表现为两部分: ①300 ~ 400 ℃,这个温度区间内主要是木质材料发生热分解过程; ②400 ~ 600 ℃,则对应于高分子树脂的热分解。( 3) 第三阶段出现纤维素的分解,这个阶段WPC 开始发生碳化的温度为600 ℃,比木材的碳化温度要高出200 ℃。在热失重的过程中,WPC 的质量热损失速率相比于木材要明显地滞后,WPC 受热而出现大量失重的温度高达300 ℃,而且失重的温度区间大( 300 ~ 600 ℃) ,说明WPC 的热稳定性能好。
        从安全性出发,材料的热稳定性是考量家居材料是否合格的重要标准。如人们已经将橱柜与微波炉、燃气灶、消毒柜等进行一体化设计,形成了以橱柜为主体的多功能家居系统,而微波炉、燃气灶等在使用过程中都会产生大量热量,从而存在火灾的安全隐患。若使用的橱柜材料热稳定性差则容易引起火灾,因此,选用的材料需要考虑其安全性能。木塑复合材料由于具有良好的受热稳定性等优异的热工性能,适合作为橱柜的制作材料。
3. 3 力学性能
        图4 是实验所得到WPC 的力学性能雷达图。相较于木材,WPC 的拉伸强度、断裂伸长率和弹性模量值都具有很大程度的提高,分别为57. 3 MPa、6. 1%和2. 8 GPa,要远优于木材的力学性能。WPC具有这些优异的力学性能的原因可归因于高分子树脂的加入。WPC 的冲击强度达到14. 0 kJ /m2,相比木材提升很大,是木材冲击强度的3 ~ 4 倍,满足国家标准《塑料家具通用技术条件》家居材料的冲击强度应不小于10 kJ /m2 的规定。WPC 具有高密度和较大的硬度( 大于40) 。
        除了上述的卫浴家具和橱柜家具之外,木塑复合材料还应用于地板、板墙、书架、桌椅、门窗等诸多方面。这些家具都要求材料具有良好的力学性能,而木塑复合材料因具备抗变形能力可控,硬度大,良好的抗磨性能和强冲击性能等优异的力学性能而适合作为制作家居的材料[9]


4 总结
        木塑复合材料作为新型的高分子复合材料,具备诸多优点而被人们应用在现代家居中。相较于木质材料,WPC 的吸水性低( < 15%) ,失重的温度区间大、热稳定性能好、抗变形能力可控、硬度大、具有良好的抗磨性能和强冲击性能,能够应用于卫浴家具、橱柜、铺板等家居用品中。目前,木塑复合材料已经被列入高技术产业化新型复合材料的行列[10],其应用前景广阔,相信在不久的将来,木塑复合材料将更加广泛地应用在家居设计中。

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