李影 程瑞香 王清文 孙运森

    聚合物基木塑复合材料( wood-plastic composites,简称WPC)是指以经过预处理的植物，纤维或粉末(如量通常达到60%以上)，与高分子树脂基体复合而成的一种新型材料，它兼有木材和塑料两者的性能优点，经挤出或压制成型为型材、板材或其他制品，替代木材，从而缓解我国森林资源的匮乏。

    根据美国克利夫兰市场研究公司2007年发表的一项研究表明:预计美国对木塑复合材料的需求到2011年将年递增10% ，达54亿美元。该研究报告预测，到2011年，WPC在门窗的应用将占据主要地位。

    WPC的成型主要是挤出、注塑、加压成型的型材或者板材。作为一种产品或者是结构，不能仅用单一的个体就能应用，而是需要通过连接各个组分或者是其中的构件从而形成产品或者一定的结构。连接的原因可能是多方面的，它包括:达到使用时时较大的尺寸，特别是在垂直使用的地方;达到其他加工方式无法获得的复杂几何形体的功能;达到结构性的有效利用。作为新的材料涉及到的连接是建立在对它本身性能的认识上。通常由于相关的连接方面的性能没有正确理解从而导致设计和使用性能优化的材料在重量和强或刚度方面的优势丧失。因此WPC正确的连接方式就越来越重要，WPC构件不仅可以大大提高木塑制品的品质，还可以进一步拓展WPC的应用范围，从而促进WPC的推厂。然而，如何能连接这种材料使其增强材料的完整性和连续性，在接头处仍能保持性能不丧失，其方式如何，怎样才能达到其使用{zj0}的目的成为关注的热点。笔者通过对木塑复合材料的连接方式简要介绍，从而指导其在木塑复合材料中的使用。

    通常在木塑复合材料连接中使用最多的方式主要是三种:机械连接，胶接连接，焊接(见表I)。对于大多数聚合物基的复合材料，机械连接或者胶接是{zh0}的连接方式。

          表1木塑复合材料的基本连接方式

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                                      可供选择接

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机械连接   使用严格的机械力从而产生相互间的力或者通过连接件互相锁住

胶接       通过使用化学试剂形成分子水平上化学力的连接

焊接       使用物体间原有的分子键作用力通过加热或者加压的方法依靠自然的原子之间的作用力连接

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1  机械连接

    机械连接通常是指用螺钉丶螺栓和铆钉等紧固件将两种分离型材或零件连接成一个复杂零件或部件的过程。美国在WPC的生产开发和应用上走在最前列，其{zd0}制品是铺板，占总用量的60%以上。欧洲的窗户门板、板条、家具生产制造等木塑复合材料的应用范围也一直在增长。护墙板、天花板、装饰板、踏脚板、壁板、高速公路噪音隔板、建筑模板、防潮板，装饰边框、栅栏和庭园扶手、包装用垫板，室外露天桌椅，船舶坐舱隔板等的应用决定了木塑复合材料的连接方式和其他应用于这些方面的木材一样，主要受到的是动态载荷，采用传统的机械连接方式。

    连接WPC，同木材一样，在板材的端部或者边部需要预钻孔，避免破裂。然而，由于WPC本身的黏弹性，对叠则孔可能会导致材料的力学性能降低，螺孔的大小和边心距离等对机械连接的强度有很大的影响。随着螺孔到端口距离和螺栓直径的增加，破坏载荷均随着增大，同时裂纹长度也均随着增大。

    目前的生产实践中，机械连接仍是主要方式。大型的木塑制品公司在连接方式上都会选择机械连接的方式。使用的螺钉主要有隐藏式的连接件、甲板专用螺钉、复合材料甲板专用螺钉以及钢钉。它们各有优势。隐藏式的连接件有成熟的连接构件，能很好的和产品配套使用，并且在出现问题时还可与制造商协商。，甲板螺钉是专门在室外使用并且分等级，螺钉之间使用距离较短效果{zh0};造成不便之处是操作时需要弄平多余的碎末然后才能将螺丝拧到位;复合甲板专用＇螺钉的设计旨在通过倒刺将材料固定在螺纹中，有些WZ设计与材质的颜色相同的螺钉以达到遮掩的效洁果;沉头螺钉，有足够的握钉力，并且沉头的部分降低斥螺钉的能见度，加强美观;钢钉也同样在连接中使用，并且有些螺纹的钢钉也会产生附加的握钉力。

    WPC在连接施工时需注意材料随温度改变产生的膨胀和压缩。木塑板膨胀压缩的值是很难预测的，现在还xx依靠经验。解决WPC膨胀压缩的方式有两种，其一是改变配方工艺，其二是借助高强度的螺钉或螺栓。通过高强度的连接件限制和封闭板材膨胀压缩力。在现有的使用当中，根据WPC板材的尺寸大小和安装时的温度，通常安装时，相邻的板之间必须留有伸缩缝，根据各自生产的材料性能确定伸缩缝的上限伸缩缝，根据各自生产的材料性能确定伸缩缝的上限值和下限值，以及端部板材之间的伸缩缝的大小。同时，对接的板材必须交叉排列，减少应力集中。

2. 胶接

    胶接(亦称为粘接、胶粘、黏合等)是利用胶黏剂在一定条件下经物理或化学变化等过程以获得具有足够强度的胶接接头的连接技术。胶接结构的特点是重量轻、应力分布连续、密封性良好、可赋予接头特殊性能(如导电、导热、密封、防蚀)，外形光滑整齐、工艺简恒单、周期短、可节省大量人工等优点，特别适用于不同矢材质、不同厚度和复杂构型构件的连接，也是复合材料成型中所使用的主要连接技术。

    与机械连接和焊接的连接方式相比，胶接是一种非破坏性连接技术，并且因粘接界面的整体承受负荷葛而提高负载能力，延长了使用寿命。胶接的结构在很多情况下比单纯用铆钉、螺钉或焊接连接结构xxx、可靠，这是因为机械连接和焊接产生应力集中，容易产生裂纹，胶接区不仅能够抑制裂纹并且能降低裂纹的能传播速度，获得光滑的表面。由于是连续的连接，所以E头上的应力分布比不连续的铆接装配更均匀，胶接结构比铆接或点焊接装配的牢固，对于不变的刚性结构可减轻重量。胶接在正常的温度下进行，局部温度比焊接要求的要低，因而不会影响机械性能。胶接接头也能提供有效的密封，以防止液体渗漏，并减少裂缝腐蚀的危险。胶黏剂混合物具有良好的缓冲能力，可减少振动和噪音，适合在门窗构件连接中应用。在经济方面，咬接操作的劳动强度小，设备费用比焊接或铆接低，这样总的装配成本要低，但胶接连接结构不可拆卸，无法校正误差，只能在用时维修;聚合物胶接强度易随温度的变化而变化，大多数胶黏剂在受到某些溶剂、氧化剂或射线影响时容易发生变化;胶接表面的清洁以及特殊处理的过程是比较麻烦的，而且胶黏剂的用量要求xx控制。目前，WPC中使用的胶黏剂效果较好的主要为聚氨酯胶黏剂、环氧树脂胶黏剂以及常温快速固化的J39胶黏剂。

2.1  WPC胶接方式需关注的问题

    目前，尽管WPC的连接仍以机械连接为主，但使用机械连接技术虽然可实现快速连接，但却因对材料部件打空或预钻孔而对材料有所破坏，并在使用中不能避免应力集中，使胶接显示出很大的优势。

    Kelly Williams指出，当木塑复合材料挤出后，热动力学驱动力会引起热塑性塑料聚集到挤出的表面上，导致热塑性层表面能低，很难润湿，涂饰性能和胶接性能都很差。WPC要解决的胶接问题，首先巳应该是木塑复合材料的表面处理。胶接材料的表面处理是整个胶接过程中最重要的工序之一，也是胶接成功与失败的关键之一。胶接接头表面处理的目的就是改变表面化学组成，增加表面能，改善结晶形态和表面的几何性质，xx杂质和脆弱的边界层。目前胶接表面改性的工艺主要包括化学处理、光学处理、等离子体处理、多晶核化以及表面接枝法等，这些方法一般只引起表面层的物理或化学变化，不影响其整体的性质。化学方法有:火焰处理、化学试剂处理、表面氧化处理。

2.2  ;胶接接头的设计

    胶接接头在实际工作状态下，其受力情况是相当复杂的，因此，必须认真、合理地加以设计。胶接接头设计是一个重要问题，并且有时是胶接接头能否经受住使用条件丰考验的决定性因素。胶接设计与粘接效果和粘接强度有密切关系，设计一个胶接接头时，必须综t考虑各方面的因素，如受力的性质及大小，加工的可老性、经济性、粘接工艺的要求等。

    当木塑复合材料用于户外家具及包装框架结构中，T型和L型构件是两种常见的结构形式，其连接性能直接影响到制品的连接性能及品质。在胶接中合理的胶接接头的选择是胶接必须首要考虑的问题。一个合理的接头形式，一般应遵守以下几项原则。

    ①设计时尽量让接头承受拉伸和剪切负载，对板材的粘接来说，承受剪切负载的搭接接头强度高。

    ②保证粘接面上应力分布均匀，尽量避免由于剥离和劈裂负载造成应力集中，剥离和劈裂破坏通常是从胶层边缘开始，在边缘处采取局部加强或改变胶缝位置的设计都是切实可行的。最理想的办法是各种局部的加强。

    ③在允许的范围内，尽量增加粘接面的宽度(搭接)，增加宽度能在不增大应力集中系数的情况下增大粘接面积，提高接头的承载力。

    ④在承受较大作用力的情况下，如果采用粘接，可采用复式连接的形式。

    ⑤粘接接头形式要美观，表面平整，易于加工。

    胶接时应注意使胶接接头的强度和被粘物的强度保持在同一数量级。

3. 焊接

    把焊接引人WPC的连接中可以形成一种迅速有效的连接，并且焊接后处理简便，制品外表美观，焊接均匀，焊缝性能与母材基本相同。

    有文献指出木塑复合材料的挤出制品焊接性能较差，基本上不适宜焊接，然而，对于不同组分的木塑复合材来说其焊接性能有明显的差别。这种复杂的异性的多组分的复合材料其连接性能各不相同。要根据各种材料的性能，来研究可以实现接合的方式。瑞士窗业制造商Fensterfabrik Albisrieden AG公司与设备供应商Branson公司就共同合作开发研制了一项新型振动焊接技术，可用于共挤出木塑材料( WPC)过程中形成角接接头。该技术生产出接头比传统焊接方法更可靠，同时xx活动削弱接合处的危险，不需要使用双组分胶黏剂。此外该工艺还能减少焊接时间。

    虽然木塑复合材料的连接中采用焊接的方式也是可以的，然而焊接也存在一些问题，例如焊接后零件不可拆，更换修理不方便;如果焊接工艺不当，焊接接头的组织和性能会变坏;焊接后工件存在残余应力和变杉，影响了产品质量和安全性;容易形成各种焊接缺陷，如应力集中，裂纹刀1起脆断等。但只要合理地选用材料和焊接工艺、精心操作以及严格的科学管理，就可以将焊接问题及缺陷的严重程度和危害性降低到{zd1}限度，保证焊接件结构的质量和使用寿命。

    总之，各式连接方式都有其缺陷，应运而生就产生了复合连接方式。所谓复合连接是指在一个接头上，同时使用几种连接形式，如将胶接与某一种机械连接并用，克服了一般胶接接头所存在剥离强度太低和可靠性差的缺点，又利用了机械连接的优越性，保证了接头的足够强度和可靠性。根据不同的连接形式，可以有胶铆、胶螺和胶焊等各种复合连接形式。混合连接形式可以使其取长补短，是很好的接头连接方式。目前，胶铆、胶螺、胶焊等复合连接工艺应用迅速，特别在航空工业更为突出。复合连接方式在力学性能上也有它的独特之处，复合连接接头强度绝不是两个连接强度的简单叠加。

    由于木塑复合材料连接具有与木材和塑料材料连接技术不xx相同的内容和特点，有些方面与木材或者塑料的结构有着本质的差别，而且影响木塑复合材料连接强度的因素较复杂，这些特点决定了木塑复合材料的连接问题变得更复杂。然而只要根据不同的使用要求，进行科学的设计，充分发挥各式连接方式在WPC中的优势，就能找到适用于各种WPC的接合方法，为解决制约WPC应用技术发展的难题，完善木塑复合材料应用体系，为木塑复合材料的发展开拓市场奠定基础。