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塑合木

木材与塑料复合体的简称。即用乙烯类单体浸注木材,然后通过自由基本体聚合在木材细胞腔和细胞壁中制成的一种木材—聚合物的复合材料。20世纪60年代初,美国、苏联科学家先后用乙烯类单体浸注木材,用γ-射线辐射,使单体本体聚合于木材中,获得了性能优良的塑合木(WPC)。之后,许多国家纷纷开展研究。1964年塑合木被评为世界十大发明之一。

木材与塑料复合体的简称。即用乙烯类单体浸注木材,然后通过自由基本体聚合在木材细胞腔和细胞壁中制成的一种木材—聚合物的复合材料。

20世纪60年代初,美国、苏联科学家先后用乙烯类单体浸注木材,用γ-射线辐射,使单体本体聚合于木材中,获得了性能优良的塑合木(WPC)。之后,许多国家纷纷开展研究。1964年塑合木被评为世界十大发明之一。为加强国际学术交流,1965年在纽约举行了专题座谈会,美国迈耶(John A.Meyer)发表了在单体中加入化学引发剂,用加热催化方法制造塑合木的论文。1967年国际原子能协会(IAEA)在曼谷召开了大型国际会议,1968年又在赫尔辛基召开了第一次会议,专门研讨了塑合木问题。

中国在1965年上半年即开始着手进行塑合木的研究工作,上海科技大学、上海市原子核研究所等单位分别对γ-射线辐射法制作塑合木进行过研究。1966年中国林业科学研究院木材工业研究所与北京民族乐器厂协作进行了苯乙烯—槭木(和桦木)塑合木研究,用以取代红木、紫檀,并投入了工业生产。之后北京大学、东北林学院等单位也开展过研究。台湾省曾用苯乙烯—聚酯、苯乙烯—甲基丙烯酸甲酯生产塑合木。

用于制作塑合木的乙烯类单体有乙烯、丙烯、苯乙烯、氯乙烯、丙烯腈、甲基丙烯酸甲酯等。γ-射线辐射聚合和加热催化化学引发聚合这两种方法有各自的特点。采用γ-射线辐射,单体中不用加化学引发剂,单体不需专用冷藏设备即可贮存。产生自由基的比例一般为一个常数,它只取决于辐射剂量,而不受温度的影响。但利用γ-射线时,为防止辐射对人体的危害,操作人员必须严格培训,一次性投资大。而采用加热催化法,一次性投资小,便于小规模生产。常用的化学引发剂有过氧化苯甲酰和偶氮二异丁腈。

有许多科学家根据电荷传递机理,利用两种极性相差较大的单体,如用苯乙烯(其单体极性值e=-0.8)和马来酸酐(其单体极性值e=2.25)进行共聚,这种共聚反应既不使用γ-射线辐射引发,也不必添加化学引发剂(也可添加),只要把这种混合单体处理过的木材加热至70℃左右即可开始共聚。

塑合木与浸渍木的主要区别之一是:塑合木是乙烯类单体通过聚合反应聚合在木材之中,而浸渍木是酚醛树脂通过缩聚反应固化在木材之中,聚合反应所需自由基引发剂既非酸性,又非碱性,反应后也没有像水一类的残余物需要从成品中排除。

塑合木的力学性能比未处理的木材显著提高,其中以硬度、耐磨、抗剪、抗压强度尤为明显。侧面硬度最高可提高11倍,耐磨可提高8倍,抗压强度可提高1.5倍,抗剪强度可提高1倍。一般说来,力学性能和单体的浸渍量有关,较为松软的木材,材质差,浸渍量也大,提高的程度亦显著。

一般的塑合木绝大部分聚合物是充填在木材细胞的空隙中,细胞壁中即使有聚合物也只是极少量,从而对木材细胞壁并没有充胀作用。由于木材毛细管里充填了聚合物,大大减缓了水分向细胞壁扩散的速率,但在高湿条件下,时间一长,水分子最终还是要到达细胞壁。所以塑合木一般的抗缩率(ASE值)只有15%左右,尺寸稳定性并不是很好的。

为了提高塑合木的尺寸稳定性和防腐性能,许多科学家研究使单体聚合在细胞壁中或接枝在纤维素分子的羟基上。联邦德国科学家还把聚合物处理与具有宽谱毒素基团的有机锡乙烯单体结合起来,在处理剂中加入适当的催化剂和溶剂,加热使其在木材中聚合,得到的产品,聚合物确实接枝在木材纤维素分子上,抗缩系数(ASE值)高达70~80%,由于化学交联上宽谱毒素基团,木材具有长期抗生物降解的能力。许多科学家认为,化学药剂与木材中羟基反应是今后木材改性的重要方向。