与普通木塑复合材料相比，微孔发泡木塑复合材料不仅具有更低的密度，而且具有更高的抗冲击强度、韧性、疲劳周期及热稳定性等。近年来，随着技术水平的不断升级以及人们对其了解的逐渐深入，微孔发泡木塑复合材料的应用领域不断扩大，显示出良好的发展前景。
木塑复合材料一般是指用木纤维或植物纤维填充、增强改性的热塑性材料。木塑复合材料使用纤维素纤维作为聚合物基体的增强填料，能够降低材料成本，提高制品刚度。然而，相对于高密度纯塑料或木料，木塑复合材料的其他一些物理机械性能，如延展性、冲击强度等都有下降，再加上材料本身的脆性等因素都限制了其广泛应用。
在分析木塑复合材料的抗弯强度和抗弯弹性模量、抗压强度和抗弯强度模量之间的差异后，实验结果表明，木塑复合材料的抗弯性能远低于鹅掌楸和速生杨。因此，用木粉和废旧塑料经挤出成型的木塑复合材料表现出塑料力学性质为主的特点，木材的力学性质不明显，用于代替木材做结构材料尚不成熟，并且抗弯、抗冲击和纵向抗压强度还有待进一步提高。另外，热塑性木塑复合材料的密度较大（通常约为实木密度的2倍多），在某种程度上也限制了其应用。
应用木塑复合材料的微孔发泡技术，可以解决普通木塑制品中存在的诸如密度大、尺寸不能满足实际需要等问题，从而扩大木塑制品的应用领域。微孔发泡木塑复合型材是以热塑性塑料为基体，木屑或植物纤维为主要填充料，表面结皮、芯层发泡的一种低发泡挤出制品。其表层必须形成硬皮，属于发泡类型中的可控制发泡。当熔体从口模挤出时，发泡熔体表面受到强烈的冷却作用，材料表面形成硬皮，截面不再增大，发泡只在芯部进行。微孔发泡的泡孔密度为109～1015个/cm3 ，泡孔直径在0.1～10μm，其泡孔尺寸远小于传统发泡材料。这些小气泡能够有效阻止材料中原有裂纹的扩展，使裂纹尖端变钝，不仅可以减小材料密度，而且能够显著提高材料的抗冲击强度、韧性、疲劳周期、热稳定性等。因此，对木纤维复合材料进行微孔发泡能够克服材料物理机械性能等方面的缺陷，有效改善其使用性能。
成核理论
微孔发泡的成核理论主要有Colton的经典成核理论和由该理论发展而来的一系列新理论。实际上，界面成核理论就是一种非均相成核理论，也是经典成核理论所涉及到的成核。在发泡机机头表面与聚合物熔体的界面上，或固体粒子（如成核剂、填料、杂质等）与聚合物熔体的界面上，由于气体分子对固相表面更润湿，使其界面上成核所需克服的自由能垒降低，当外界条件改变时，气体分子将优先聚集在固体-液体界面上形成气泡核。另外，当体系中存在成核剂或其他固体颗粒时，某些颗粒具有疏松多孔的结构，或者具有粗糙不平的表面，这些颗粒在进入机筒之前，空气等气体已被吸附在颗粒的内部或表层深处。由于粗糙表面内的劈楔作用，以及劈楔阻力和气体的存在，外部熔体不易进入到劈楔内部，使劈楔尖端被熔体封闭成微小的空穴。在这种空穴存在的情况下，会优先成核。
气泡成长模型
与海岛模型相比，细胞模型具有更广泛的适用范围。细胞模型认为，在气泡的增长过程中，大量气泡的存在使每个气泡拥有熔膜的质量保持不变，气泡只能与各自的熔膜进行质量、动量及能量的传递。经研究表明，泡孔外面包裹着一层很薄的熔膜，而被无限的熔体包围，并且考虑熔体压力和流速等参数对泡核增长的影响，仍对单个泡孔进行描述。实际上，在大量泡孔存在的条件下，泡孔间距远小于泡孔的直径，泡孔间的影响不能忽略，基于这种考虑，采用细胞模型研究多个气泡在等温、可压缩牛顿流体中的增长过程，假设在气泡增长过程中外层的熔膜质量保持不变，用数值分析的办法，描述气泡增长过程。
以细胞模型为基础，采用数值模拟手段在气泡增长控制方面进行大量的研究，首次将气泡与熔膜间的质量传递、动量传递和能量传递等复杂的交换过程作为气泡增长的控制参数。这种方式的不足之处是未能将计算直接与实验研究结合起来，模拟的准确性有待进一步考证。气泡增长的影响因素大致可分为两大类：一类属于发泡体系的物性参数，如气体的种类、扩散系数、溶解度、熔体的粘弹性、气体-聚合物熔体的界面张力等，这些参数主要通过界面间的物理传递来影响气泡增长；另一类属于加工工艺参数，如压力、温度、剪切速率、添加剂等，这类参数主要通过热力学性能来影响气泡增长。
同时，气泡增长决定泡孔大小，当气泡增长停止，也就意味着泡孔定型。所以，研究泡孔定型过程归根结底还是要研究气泡增长过程。
各因素对发泡的影响
1、基体材料的影响
木塑复合材料的基体材料包括PE、PVC、PP、PS等。据统计，目前市场上的木塑复合材料仍以PE为主，其次是PVC、PP木塑复合材料。其中，PE、PS为非极性材料，PVC为极性材料，而木粉、稻壳、麦秸等植物纤维多为非极性的。极性材料和非极性材料之间必须有一定强度的界面力才能形成比较好的粘结。
有专家认为，PE 熔体的塑化温度必须略低于主发泡剂AC的分解温度，PE 树脂平均聚合度越低，熔体塑化所需要的加工温度越低。因此，选择熔体指数约为1 g/10min(190 ℃，3 2. 16 kg) 的PE树脂为宜。经有关研究发现，高熔体质量流动速率的PP基体树脂有助于改善泡孔的形态及其分布。
2、增强体（或填料）的影响
增强体（或填料）主要包括木粉、稻壳粉，麦秸、竹粉等植物纤维，还包括如玻璃纤维等一些增强材料，其添加份额对发泡的影响很大。
北京化工大学塑料研究所分别研究了PVC/竹粉、PVC/杨木粉、PVC/砂光粉等木塑复合材料的发泡性能。砂光粉因含有较多的粘合剂和石膏粉，大大增加了材料的发泡难度。经研究发现，采用复配助剂和发泡剂可成功发泡PVC/砂光粉木塑复合材料，材料发泡后的密度可控制在0.70～0.85 g/cm3之间。
对木粉/聚乙烯复合发泡技术的配方进行研究时发现：当木粉含量较少时，材料中以聚乙烯为主，木粉对发泡程度没有太大影响。因此，模头出口处膨胀大，芯部结构疏松，而由于聚乙烯本身密度比木粉大，使制品最终密度大；当木粉含量较多时，则占据材料中较大的空间，减少了发泡空间，降低了发泡程度。因此，离模膨胀较小，虽泡孔小，但制品中所含密度很低的木粉占到了相当比例，从总体上降低了制品的密度；而当木粉含量大到完全占据了发泡空间时，发泡过程不能进行，模头出料基本不膨胀，这时则纯粹是木粉与聚乙烯的填充挤出，木粉虽能起到一定的降低制品密度的作用，但远不如木粉加发泡的效果明显。
有研究表明，木粉可作为泡孔成核剂。在一定的范围内，增加木粉的用量不但有助于提高泡孔密度，而且减小了泡孔的平均尺寸。
在物料的挤出过程中，木粉里含少量的水分可以起到发泡剂的作用。当木粉中含水分在10 %以上时，受热形成的水蒸汽不能及时排出，过多地混合于材料中，容易降低材料的粘度，破坏发泡剂所形成的均匀泡孔，使制品泡孔大小不一。此外，在模头出口处仍有大量水蒸汽逸出，会影响表面结皮，牵引易断裂。因此，应对木粉进行适当的干燥处理，以利于挤出牵引，提高材料发泡程度并降低其密度。
各种机制木粉的长径比不同，用途也不同。长径比大于15的木粉可作为增强材料，然而价格昂贵；长径比小于2.5的木粉则不能作为增强材料。木粉的粒径必须控制在合适的范围内，以保证在复合材料中能最紧密配置，使木粉颗粒被PE 等很好地湿润。同时，木纤维较长有利于提高复合物的强度，但另一方面给发泡气体提供了易散的通道，在一定程度上影响发泡效果。有相关研究表明，发泡木塑复合材料中木纤维的直径不能超过100～200 μm，并且木纤维的长度、几何形状及其用量均对复合材料中泡孔的大小、形状及分布有一定影响。
3、发泡剂及其助剂的影响
常用的化学发泡剂分为放热型发泡剂和吸热型发泡剂。AC (偶氮二甲酰胺)是常用的放热型发泡剂，以发气量高，分解产物无毒无嗅，室温贮藏稳定等优点而成为目前应用最广泛的发泡剂。另外，NaHCO3是最常用的吸热型发泡剂。
对化学发泡剂类型、用量对高密度聚乙烯(HDPE)／木粉复合材料影响的研究表明，化学发泡剂类型对复合材料的泡孔尺寸基本上没有影响。但随着发泡剂用量的增加，复合材料的空隙率增加，并在发泡剂用量为一定时达到最大。进一步增大发泡剂用量，空隙率基本保持不变。
单独使用AC作为PVC发泡剂的效果却并不理想。AC的分解温度为195℃～220℃，而PVC的加工温度为170℃～190℃。在PVC的加工温度内，AC的分解发泡是一个放热型的反应，而且热分解温度范围小，分解速度较快，使树脂局部温度上升，导致PVC分解或老化，制品发黄。
国内外大量实践表明，复合化学发泡剂用于生产低发泡木塑复合材料能够取得较好的效果。这种复合发泡剂的主要成分为NaHCO3（分解温度100℃～140 ℃）和AC （分解温度220 ℃），经过特殊的混合和表面处理工艺，使之与PE 、PVC树脂形成相容性好、分散性优良的混合体系。其中，AC 为主发泡剂，NaHCO3为辅助发泡剂。复合发泡剂释放出的气体主要为氮气、水蒸气、二氧化碳，这些气体对机械模具无腐蚀作用，并且不易燃烧和爆炸。需要注意的是，发泡剂的用量会直接影响制品的密度。在相同的加工条件下，发泡剂浓度增加，气体体积分数增加，即制品发泡倍率增加，相对密度减小。
目前，吸放热型发泡剂一般都是以改性吸热性发泡剂NaHCO3同AC 加上成核剂混合而成，其混合比必须满足：吸热热焓等于放热热焓；混合物的发气速度相对较快，但是不能冲破泡壁，以便形成规整、均匀的微孔；应能控制起发泡过程。德国B1L1Chemical 公司开发的吸放热发泡剂EXOCEROL232 具有热分解过程平缓、分解时吸放热基本平衡的特点，使发泡过程、泡沫结构与尺寸容易控制。其分解温度在180 ℃左右, 分解发气量为16713cm3/ g ，低于AC 发泡剂，但分解反应比AC更稳定。
此外，利用NaHCO3 、AC、ZnO、柠檬酸硬酯酸铅等混合制成吸放热平衡发泡剂。该发泡剂可以降低AC 的分解温度，放热峰值为152 ℃，吸热峰值为169 ℃，吸热热焓为25018J/g，放热热焓为25215J/g。
4、表面处理剂的影响
木纤维表面有大量的极性官能团，在木塑复合材料的制备过程中，亲水性的木纤维与憎水性的聚合物基体之间存在比较大的界面能差，两者界面很难充分融合。因此，木纤维与聚合物基体的粘接状况是影响复合材料性能的关键因素，界面粘接强度决定了复合材料的强度。在通常情况下，可对木纤维进行表面改性处理来提高界面粘接强度。表面处理剂主要通过化学反应以减少木纤维表面的羟基数目，在木粉和聚合物之间建立物理和化学交联，通过在木粉表面形成一层憎水性薄膜，从而提高与聚合物的相容性并促进木粉的分散。目前，常用的方法包括润滑剂法、偶联剂法、超分散剂法及相容剂法等。
为确保木粉与PE 的相容性，通过加入占木粉质量1 %的钛酸酯偶联剂，大大提高PE 对木粉的浸润性，并提高界面的结合力。
采用脂肪酸、铝酸酯偶联剂和丙烯酸烷基酯接枝聚合表面处理的木粉为增强材料制备PVC/木粉发泡复合材料。有专家在研究木粉的处理方法对复合材料力学性能、发泡性能的影响，并用扫描电子显微镜对木粉和PVC 基体之间的结合界面进行观察后发现，用铝酸酯偶联剂和丙烯酸丁酯偶联剂处理木粉可显著提高木粉填充PVC 发泡材料的力学性能。
利用表面接枝甲基丙烯酸甲酯来处理木纤维，可增强其与PVC树脂的界面粘合性。用硝酸铈铵作为引发剂在木纤维表面羟基处形成自由基，这些自由基与甲基丙烯酸甲酯发生反应，形成接枝物。
在某些研究中，选用硅烷作为处理剂，对比木粉未处理和已处理两种情况下PVC/木纤维复合材料试样的气体渗透能力，发现木粉处理后会降低试样的气体渗透能力。在发泡PVC/木纤维复合材料的性能方面，拉伸强度随木粉含量的增加而增加（这种趋势在木粉处理后更加明显），但木粉处理与否对试样的动态力学性能影响不明显。
发展前景
作为一种发展迅速的新型木塑复合材料，微孔发泡木塑复合材料具有极其宽广的应用领域，并且优异的性价比、可回收性、环境友好性成为该类材料的发展方向。近年来，随着技术水平的不断升级以及人们对其了解的逐渐深入，微孔木塑复合材料的应用领域不断扩大，如汽车内饰（美国福特，德国奔驰、奥迪、法国雪铁龙、瑞典沃尔沃等名牌轿车的内装饰基材，均不同程度使用了木塑复合材料）、复合管材、铁路枕木、车厢箱板、电缆护管、井盖等，其中很多产品已从论证阶段步入应用测试阶段。值得注意的是，从近几届国际汽车博览会推出的轿车零部件产品来看，采用木塑复合材料制造轿车内饰件基材，已经成为此类产品发展的主要应用趋势之一。此外，充分利用计算机资源，将软件模拟与实验研究相结合，将先进的计算机模拟技术引入到发泡木塑复合材料的配方设计中，也是赋予其更卓越性能的重要方法。
2/28/2007
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