增强的性能与高再生物质含量相结合，助力木塑复合材料成为可持续建筑的选择。

市场对木塑复合材料（通常是用再生塑料与木纤维或粉混合的）的需求不断增长，尤其是在户外地板和栏杆等建筑设施方面。多年来，它的配方和加工工艺已经有了很大的改进，现如今的许多木塑复合材料产品既有使用再生材料的吸引力，还具有良好的长期性能和外观。

在美国，许多木塑复合材料户外地板和其它建筑设施产品制造商正在扩张，以满足对“户外生活”产品不断增长的需求。

例如，Fiberon于2022年5月在田纳西州哥伦比亚的一家新制造工厂开始破土动工，预计将在2024年底之前在新地点开始使用再生PE生产木塑复合材料产品。

Fiberon项目包括一个现场回收设施，该设施将会把成包塑料废物加工为颗粒，并将使用自动材料切碎和分类系统。Fiberon还于2022年早些时候在北卡罗来纳州和爱达荷州的工厂增加了自动化。

Oldcastle APG，一家CRH公司，在今年年初宣布它将通过扩张在阿肯色州斯普林代尔的现有工厂将其MoistureShield Elevate™包覆木塑复合材料产品的产能增加一倍。该公司还表示，它计划扩大用其Diamond Defense包覆的MoistureShield Vision 木塑复合材料产品的生产线。

同时，Trex最近扩大了其在弗吉尼亚州和内华达州的工厂产能，并在2021年末详细计划在阿肯色州的小石城建造新的生产设施。该生产设施将是该公司的第三个木塑复合材料工厂，预计将于2024年开始运营。该公司表示，增加的产能将有助于满足对木塑复合材料户外地板和栏杆的预期需求。

Trex说：“随着户外生活继续表现出强大的动力以及迄今为止我们来自木质地板市场份额的成功转换，现在正是我们扩大产能的时候，以便我们可以有效地满足客户需求。” 公司总裁兼首席执行官Bryan Fairbanks在宣布投资举措时说到。

在强调再生聚合物在其木塑复合材料活动中所作的贡献时，Trex表示其每年通过使用PE废料从垃圾填埋场中转移了近4亿磅（约18万吨）塑料薄膜。PE薄膜来自家庭废弃物（例如杂货袋和泡沫包装）和零售废弃物（主要是托盘包装和工业包装）。该公司还使用回收的木材，这意味着其产品组合使用95％的再生和回收材料。

Trex产品组合的最新扩展是Transcend Lineage户外地板产品线，被描述为具有更自然的表面纹理，并有两种新颜色可供选择：Raineir（被描述为一种清爽的山灰色）和Biscayne（一种浅海岸棕）。Lineage产品线在表面层使用降温技术，能通过反射阳光来保持木板的清凉。

用于室外应用的木塑复合材料产品通常使用一层薄的聚合物包覆层，该包覆层用稳定剂来改善诸如耐候、耐刮擦和抗冲击等性能。包覆层也可以进行着色和纹理处理，使其具有更逼真的木质外观。

Teknor Apex最近为乙烯基木塑复合材料应用推出了包覆层材料和母粒WeatherGuard系列。Teknor Apex的乙烯基部门建筑行业经理John Macaluso表示，每个材料通常都是针对特定的客户需求进行定制的。

“美学往往是第一考虑要素，紧随其后的是耐候性、物理性能、抗脏污和防火性能。”Maaluso说道， “ Teknor Apex拥有几种非常适合木塑复合材料基材以及PVC基材的包覆材料，包括乙烯基合金、ASA和丙烯酸，后者因为我们最近对Lanier Color Company的收购得到了进一步扩展。”

Lanier Color Company（现为Teknor Apex公司）的销售副总裁Greg Walby说，尽管消费者颜色趋势经常发生变化，但通常仅限于用在木塑复合材料应用中有较好耐候性的一些色板颜色。他说：“随着具有优秀耐候性能的包覆层的引入，我们已经看到消费者的颜色偏好转向了更广泛的颜色，其中包括较深的颜色，甚至更加转向斑块状的深色（类似木头的）美学。”

“在过去的几年中，我们已经看到了关注点转向户外生活空间这一重大转变，这要求户外地板、栏杆、门窗幕墙和其它户外耐用物品的材料具有更好的耐候性（色牢度、抗环境/应力发白）、低热量聚集和防火性。最后，比传统木制产品更高的费用导致消费者对木塑复合材料产品的保修期和低/无维护有更高的期望。”

虽然包覆层对于耐候性至关重要，但复合芯层也可能要使用添加剂，包括润滑剂和偶联剂，这些添加剂可以改善木纤维和聚合物基材之间的粘合。德国Mitsui副总经理Matthias Stuecke说，基于聚烯烃的木塑复合材料改性材料中，甲基酸酐（MAH）接枝的偶联剂是“黄金标准”。“我们已经从市场上（Mitsui的偶联剂代理商）收到了很正面的反馈。尽管如此，我们希望在今年的K 2022上提出更多的新发展。”他说。

陶氏（DOW）的木塑复合材料产品组合扩展到了包覆材料配方、润滑剂、相容剂以及被描述为既提供润滑性又提供相容性的“下一代”产品。“从历史上看，加工和性能助剂一直是互相独立的产品，有时相互之间还会有负面影响，” 陶氏消费者解决方案高级技术服务与开发科学家Jim Keenihans说。

“润滑剂最常见的化学成分实际上可能会抑制木-塑相容性，从而无法发挥全部作用。因此，配方制定者被迫在润滑性（这对于质量、稳定性和生产速度至关重要）和相容性（这对于机械强度、水分稳定性和熔体强度至关重要）之间做平衡。” Keenihans说。

陶氏称，开发Amplify Si PE 1000产品的目的是润滑性和性能都能以最优的表现工作。Keenihans声称该产品“在木塑复合材料添加剂中达到了一个全新的高度”。

陶氏的研究表明，Si PE 1000添加剂比金属硬脂酸盐更热稳定，并且加工温度和速度升高时不会那么快降解。他说：“我们最有趣的一个发现是，机械性能得到了显著改善，以至于使用较低成本的材料就可以实现所需的强度，例如使用线性低密度聚乙烯或与之混合来代替高密度聚乙烯。”他说。

设备制造商Mixaco的全球销售经理Nicolas Gehring表示，将木塑复合材料所需的大量天然填充物混合在一起是一个挑战。他解释说，通常在混合过程中，如果组分的颗粒大小和形状相似，则更容易均匀化材料并防止后分离。

然而，在木塑复合材料里，细小的低堆积密度的木粉或纤维与聚合物粉或颗粒大不相同。“混合是一件连续稳定地移动颗粒从而创建均匀混合物的事情。但是，不同堆积密度的颗粒的行为差异很大。更轻的产品需要更少的动力来移动，而更重的产品需要更多的能量。” Gehring说。由于天然填料的添加量很大，将添加剂分散到混合物中很具有挑战性。

混料均匀是生产木塑复合材料最终产品的关键。“均匀性会影响挤出机的进料或材料输送。” Gehring说道，“ （混料）过程中最小的变化可能会影响产品的进一步加工。” 他补充说，混料系统的磨损会随着时间的推移影响混料的稳定性，因此加工厂商应意识到需要何时需要对混料系统进行维护。

天然填料的水分也是一个考虑因素，因为这些填料通常是亲水的，如果储存在没有塑料内衬的袋子中会很容易吸收水分。Gehring说，在某些情况下，在干燥之前它们可能含有10％以上的水分。Mixaco的HM/KM木料（HM/KM Wood）混料系统专门为木塑复合材料设计，并提供了减少水分的除湿效果。

该系统由HM加热搅拌机（HM Heating Mixer）和KM高效水平冷却器（KM High Efficiency Horizontal Cooler）组成，为木材或天然纤维与PVC/PP/PLA或其他聚合物的混合适配了一些其它功能。Gehring说：“即使来料中的水分超过10％，我们也可以达到在最终混合物中少于1％的残留水分。”

如果没有有效去除水分，材料将粘在表面上，混合物的流动性会受到影响。他说：“ 木塑复合材料混合物内部的水分会影响进一步加工（例如，注塑、挤出或滚塑）的稳定性。” Gehring补充说，Mixaco已经做了木塑复合材料混合的实验，并为使用其系统的大多数木塑复合材料应用制定了混料工艺标准。他说，机器会自动调整速度以控制扭矩和温度。

天祥（Intertek ）建筑产品认证首席工程师以及木塑复合材料户外地板ASTM小组委员会主席Craig Wagner表示，在美国木塑复合材料的测试要求由ASTM D7032规定，ASTM D7032从2009年开始被用到美国建筑规范范本中，自2004年发行最初版本以来仅有些编辑上的更新。

Wagner解释说，ASTM D 7032概述了复合户外地板材料的测试要求，测试要求包括最终用途因素（例如弯曲性能、负载、蠕变恢复）、生物腐蚀和表面燃烧特性。“ IBC （国际建筑规范，International Building Code）第26章和IRC（国际住宅规范，International Residential Code）R507均适用于户外地板、楼梯踏板、扶手和防护装置，这两个规范评估结构性能（幅宽/负荷的评级）、最终用途因素（温度和水分影响）、耐用性（老化）以及防白蚁和耐腐性。”他解释说。

Wagner说，近年来，法规和测试一个扩展的领域是在容易发生野火的区域采用特殊的防火测试，通常称为Wildland Urban Interface（WUI）要求。

木塑复合材料加工商应注意的关于测试的另一个方面是需要研究产品中可能使用的颜色。“这不是指关注颜色（颜料）对各种测试结果产生显著差异的问题，而更多地是为了确保您要处理基础材料化合物的差异。有时，一个或多个包覆层颜色是一种不同于其它（例如丙烯酸或PVC）的材料。（彩色）材料的另一个变量可能是不同的添加剂（例如）UV稳定剂的添加量。抗紫外线是产品标准的主要要求之一，在评估中必须把所有使用的化合物都考虑进来。”他说。

再生塑料的质量波动可能比原生塑料更大，这是测试要考虑另外一个因素。Wagner说：“我们在使用再生塑料时看到的趋势是制造商为了对在它们产品中使用的材料拥有更大的控制权而进入塑料回收业务。”

Wagner说，对木塑复合材料户外地板最具挑战性的要求之一是用作楼梯踏板时所需的结构性能。“这主要是指按照ASTM D7032规定的在300磅集中载荷下所能接受的变形极限。制造商通常需要将楼梯踏板幅面宽度限制在比你发现的户外地板建筑通常所需的幅宽要小一点的范围内，或者开发一些安装上的细节，为楼梯踏板提供一些额外的支持。”他说。

虽然大多数木塑复合材料产品都是使用挤出工艺生产的，但德国的Fraunhofer WKI（Institute for Wood Research，木材研究所）为了展示在建筑中使用新型轻量化3D打印设计的可能性而启动了一个新项目，项目中的设计采用了木质的细丝并含有尽可能多的生物物质。项目领导Arne Schirp博士说，研究人员正在探索木颗粒、纯纤维素和木质素，以及将它们加到PLA（聚乳酸，一种生物基热塑性聚酯）中的混合物（纤维含量为w20％和40%）。

这些化合物将被制成细丝并用于3D打印。“主要挑战之一是在打印大制件时找到打印速度和质量之间的平衡。今年夏天，第一个原型将由我们的项目合作伙伴设计和打印。” Schirp说。

据Fraunhofer团队称，在生产复杂的定制产品时，增材制造有节省材料和成本的潜力。该项目将着眼于简化现有建筑组件的生产，例如外立面元件和隔板墙，以及开发创新的设计。

Schirp说，用木材或纤维素纤维增强的PLA已经在3D打印的零件中使用，但（到目前为止）很少用于建筑。但是PLA是基于可再生资源的理想材料。

研究人员正在努力改善材料的防火性能和耐热性，这对以PLA作为基材的材料尤其具有挑战性。“我们目前正在研究电子束辐照的好处，该电子束辐照可用于交联热塑性塑料（在我们的案例里是PLA和基于生物的聚酰胺）。交联发生在聚合物的无定形区域。”他说。

“交联系统还包括（磷酸脂）阻燃剂。这个构想是要找出交联剂和阻燃剂的组合到一起是否可以达到仅使用阻燃剂相同的性能。目前，我们尝试更好地了解阻燃剂和交联剂之间的相互作用。我们可以证实辐照可以提高耐热性，同时辐照对阻燃的影响仍在研究中。诸如UL-94，灼热丝实验和相对漏电起痕指数的测试正在进行中。” Schirp说。

研究人员还正在研究基于大麻、亚麻的连续纤维丝，并与生物基热塑性塑料结合使用。“我们目前正在致力于在3D打印之前用PLA实现纤维的均匀涂层。我们的项目合作伙伴一直在针对这种长纤维材料努力改良打印机，他们也在设计并应用一种切割机构。” Schirp说。

本文翻译自AMI《配混世界》杂志

作者：Jennifer Markarian

编译排版：Lily Ban

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