随着全球经济的不断发展，人们对资源的需求与日俱增。然而地球上的不可再生资源，如石油、天然气和煤矿等终有一天会消耗殆尽，与此同时，木材作为一种可再生天然生物资源，开始受到人们的重视，在经济与国防建设中起着举足轻重的作用。^[1]根据《2010全球森林资源评估报告》分析，我国森林面积占世界森林面积的5.15%，居俄罗斯、巴西、加拿大、美国之后，列第5位；人工林面积继续位居世界首位。我国人均森林面积0.15公顷，相当于世界人均占有量的25%。不仅如此，我国木材的综合利用率为40%，不及发达国家的一半。如何对木材加工过程中产生的废弃物充分利用，提高木材的综合利用率成为当前急需解决的问题。随着塑料消费量的不断扩大，塑料废弃物的污染也日益增多，对人类生存环境和健康安全等方面造成了严重的威胁。在这种形势下，木塑复合材料（WPC）的出现为解决以上问题，提供了很好的思路。^[2]-^[3][4]木塑复合材料是利用废弃木材、农作物秸秆等经粉碎加工制成粉体后，与塑料一并作为原料，再加入各种助剂，经热压复合或熔融挤出等加工工艺而制作的一种高性能、高附加值的新型复合材料。^[5]一般来讲，木塑复合材料中生物质纤维含量较高，因此属于生物质复合材料的范畴。热塑性塑料和生物质纤维材料的复合，赋予了材料可生物降解的能力，木塑复合材料的两大原料———热塑性塑料和生物质材料均可使用回收料，尤为突出的是木塑复合材料在生产过程中不产生“三废”、使用过程中不释放有害物质，废弃后也同样可以回收重新加工成新产品，因此，木塑复合材料是一种可循环加工利用的环境友好型材料。^[6]_^[7][8]木塑复合材料具备了木素和塑料的多数优点，加工性能良好，容易成型；机械性能和强度良好，硬度高；防水、防湿性能优秀；尺寸稳定性好；耐老化，耐腐蚀，不易被虫蛀，使用寿命长，在很多领域和场合独具优势。纤维增强木素复合材料（FPC）作为一种功能性材料已广泛应用于建筑，装饰，家具等方面。其主要特点如不易开裂、翘曲，维修容易，外观好，耐用等，深受人们的青睐。因此，废旧塑料及废弃农作物纤维的高效、高附加值的利用在社会可持续发展战略中占据越来越重要的地位。^[9]

1 纳米纤维素的研究与应用进展

纤维素是自然界中最丰富的天然高分子聚合物之一。纳米纤维素（CNFs）也被称为纤维素纳米晶体，是一种直径为 1—100nm，长度为几十到几百纳米的刚性棒状纤维素。^[10]纳米纤维素是一种新型的高分子功能材料, 具有独特的结构和优良的性能。纳米纤维素不仅仅具有天然纤维素可再生、可生物降解等特性，还具有大比表面积、高亲水性、高透明性、高强度、高杨氏模量、低热膨胀系数等优点，为其形成各种功能性复合材料提供了可能。^[11]到目前为止，CNFs主要由植物原料通过可控的化学、物理或生物的方法制得，一些特殊的微生物或被囊动物也可被用作CNFs的制备原料。将CNFs加入到复合材料中，可显著提高材料的热稳定性、力学强度、硬度、刚性和柔韧性。木塑复合材料(WPC)作为一种新型绿色环保材料，具有优良的耐水、耐腐蚀、可循环使用等优点。^[12]但是WPC还存在很多不足之处，如较低的冲击韧性、与实木相比强度较低等，使之无法广泛应用于工程领域，根本原因在于木纤维只起到了填充的效果，而没有起到真正的增强效果。白盼星^[13]等人将纳米纤维素晶体用共混溶液浇铸法与聚乙烯醇复合，所得复合物的力学性能有很大提升。吴骏^[14]将纳米纤维素与聚乳酸复合，可显著提升聚乳酸的力学性能。Chazeau^[15]等人用纳米纤维素增强聚氯乙烯，其复合物力学性能也有较大提升。Ljungberg^[16]等人将纳米纤维素与聚氨酯复合同样改善了聚氨酯力学性能不足的缺陷。Alojz Anzlovar^[17]等人将改性的纳米纤维素晶体增强聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制备复合材料，所得复合材料的力学性能有很大提升。所以，针对WPC的这些问题，将纤维添加到木塑复合材料中制备由热塑性塑料、木粉和纤维复合而成的多元复合材料可大幅度提高木塑复合材料的强度，从而进一步提升其价值。

2 皮层对皮-芯结构木塑复合材料机械性能研究概述

由于木塑复合材料(WPC)在建筑、家居装饰等行业中已被广泛应用，大量研究表明，均相结构NFPC力学性能劣化的主要是因为NFPC木质组分亲水基团的水分吸收，因为水分的进入削弱了天然纤维与聚合物基体之间的界面结合，因此,NFPC在紫外线照射、温度变化和微生物的共同作用下会逐渐降解而导致各项性能下降。^[18]为了提高原料的使用率及复合材料的性能，由共挤出技术制备的皮－芯结构木塑复合材料已成为研究热点。与传统均相结构的NFPC不同，皮-芯结构NFPC的制备通常采用共挤出的加工方法。在共挤出过程中，两个或两个以上的聚合物材料被挤压和融合在一个单一的模具中，形成一个多层结构(例如扁平、环形或皮-芯型)。^[19]

此共挤出系统由两台双螺杆挤出机构成，芯层所需原料颗粒加入挤出机(A)，皮层所需原料颗粒加入挤出机(B)。成型模具(C)的截面尺寸控制挤出材料的幅面大小，减压真空器(D)可使材料尺寸稳定、不变形。材料挤出后通过一定长度的水雾冷淋槽(E) ，再通过牵引装置(F) 至锯切装置(G) 。共挤出工艺可以显著降低材料生产成本，并可回收使用过的材料，提高原料使用率。^[20]生产时，物料在经过特别设计的复合机头或模具中汇合后被同时挤出并形成产品。通过对原料比例组合的调整可以使产品兼具各种原料的优良特性，达到优势互补。相对于均相结构复合材料，皮-芯结构的复合材料由于皮层与芯层之间界面性能对复合材料整体性能有着较大的影响作用，当复合材料受到外力或者发生温度变化时，皮层和芯层会产生不同的变化。如何最大限度地发挥皮层高聚物/纳米填料复合材料的改性作用，使皮-芯结构复合材料的整体性能达到最佳效果，成为一个重要的研究方向。在皮－芯结构木塑复合材料中，皮层通常由纯聚合物或者聚合物基复合材料构成，在共挤出型皮－芯结构WPC整体性能当中，皮层的性能成为其主要的影响因素。Kim^[21]对如何提高共挤出木塑复合材料的皮层稳定性进行了研究，主要是针对轻质碳酸钙增强皮层的共挤出型皮－芯结构纤维增强聚合物复合材料的机械性能和热性能，结果表明：在复合材料的整体性能当中，填料粒径和含量对其有一定的影响，小粒径的填料分散越均匀，增强效果更为明显。Huang^[22]等研究了连续玄武岩石纤维增强皮层的共挤出型皮-芯结构WPC，研究结果表明：填料增强皮层后，复合材料的整体性能与皮层材料的增强趋势相似。在此之后，Huang^[23]等研究了短玻璃纤维(SGF)为皮层的增强材料，制备共挤出型(皮-芯结构)木塑复合材料(WPC)，选用不同皮层厚度(1.0、1.2和1.6mm)和皮层填料含量 (0%、10%、20%、30%和40%)对共挤出型皮－芯结构WPC的弯曲性能和热膨胀性能的影响。在皮层为 HDPE / SGF 复合材料( SGF质量分数为30% )的复合体系中，当皮层的厚度从1.0 mm 增加到1.6 mm 时，不同芯层类型的共挤出WPC的弯曲模量分别从(3.13plusmn;0.27) GPa上升为(3.34plusmn;0.25) GPa (芯层1)和从(3.56plusmn;0.29) GPa 上升为(4.11plusmn;0.31) GPa (芯层2)。因此，芯层的弯曲模量高于皮层时，共挤出 WPC(皮－芯结构)中皮层的厚度宜薄。研究发现通过改性芯层可以提高皮－芯结构木塑复合材料的整体性能，其增强趋势与表层的增强趋势相似。

3 展望

在当今世界快速发展，石油资源日益枯竭的环境下，开发和利用纤维素资源具有重要的社会和经济意义。纳米纤维素具备优异的机械性能和较低的热膨胀系数，如其理论弹性模量和强度分别可达150 GPa和10 GPa，与钢和大部分高性能化学纤维相类似，其热膨胀系数与石英纤维相近。因此，CNFs是一种理想的纳米增强材料。^[24]天然纤维/聚合物复合材料(NFPC)产业，整体技术水平不高，附加值不高，同质化现象严重，耐候性差及功能性不足，NFPC的挤出技术则是最新且最有潜力的解决方案。到目前为止对CNFs增强皮层的皮-芯结构 NFPC研究鲜有涉猎，考虑到纤维素是天然纤维中最主要的组分之一，因此，将CNFs作为皮层聚合物基体的增强材料，NFPC皮层和芯层的增强体是相似的，从而可以提高皮层和芯层间的界面作用，进而显著提高材料的综合性能。^[25]将CNFs作为皮-芯结构NFP皮层的增强材料将成为一个新的研究方向。

参考文献