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木塑复合材料发展动态及专利现状
论文类别:专家论文
作 者:佚名
所在地区:木塑复合材料发展动态及专利现状
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摘 要:
    木塑复合材料(wood-plasticscomposites,缩写为WPC,简称木塑)是木质纤维-聚合物复合材料的俗称,它是一类以木材、竹材、农作物秸秆等木质纤维材料为填充增强材料,以热塑性聚合物为基体,经熔融复合采用挤出、注射或模压等成型工艺而制备的复合材料[1]。它兼具木材和塑料的低成本和综合性能好的优点,有良好的木质外观,比热塑性塑料的硬度高,比木材的尺寸稳定性好,无污染、耐腐朽虫蛀、耐老化、耐水浸和潮湿、耐盐雾、使用寿命长、维护费用低,既有类似木材的二次加工特性,又能像热塑性塑料一样方便地回收再利用,是典型的生态环境材料,其适用范围广泛,几乎可涵盖木材、塑料、塑钢、铝合金及其它类似用途复合材料的应用领域。木塑复合材料产业能够将低值的木质纤维材料和有机固体废弃物加工利用成为高附加值的工业产品,是可以大规模利用、可持续发展的战略性新兴产业。
    1木塑复合材料技术发展现状及趋势
    1.1技术发展现状
    对于生物质聚合物复合材料的研发与产业化生产,北美在总体上处于领先地位,欧洲和日本则分别在加工装备和仿木产品方面有一定优势。虽然发达国家也有关于注塑成型的研究报道和零星产品,然而挤出成型仍是目前的主流技术。我国开展的生物质聚合物复合材料研究开始于20世纪90年代后期,起初主要跟踪国外已有的技术和仿制产品,在基础研究和技术开发方面投入较少。近几年来,在国家循环经济政策的鼓励和企业潜在效益需求的双重推动下,全国性的“木塑”热正逐渐兴起。2017年中国木塑产品产量接近300万吨,占世界总产量的三分之二。生产、销售、消费以及出口均居于世界第一,并且完全有可能长期占居此位。近10余年来,在国家“863”、“948”、“自然科学基金”等重要科研计划的支持下,对生物质聚合物复合材料技术的主要方面都开展了实质性研究,获得了较丰富的实验室技术储备。东北林业大学、中国林科院木材工业研究所、南京林业大学、北京化工大学、华南农业大学等科研院所和高等学校在基础研究、加工技术和设备开发等方面展开了率先开展了相关工作,取得了重要成果,在某些重要技术的研究方面具有独特优势。例如,东北林业大学针对我国废旧塑料资源的特点,研究成功混合废旧塑料的再生改性技术,并成功用于高性能WPC的制备[2-3]。华南理工大学采用拉伸流变原理研制的专用WPC设备显示出很大发展潜力[4]。东北林业大学依据动态塑化原理而研发的生物质塑性加工技术可大幅度提高生物质纤维的用量,酝酿着生物质材料加工利用方式的变革,其相关的基础理论和技术原理研究得到国家自然科学基金重大国际合作研究项目的支持[5]。上述研究提高了我国生物质聚合物复合材料的技术能力和国际学术地位,为提升产业技术水平打下重要基础。在生物质聚合物复合材料技术方面,虽然数年以前国内就有研究机构从事注塑成型、仿人造板技术的热压成型研究,但目前已经广泛应用的和正在研究中的成型技术,主要是两步法挤出成型技术,即,首先将生物质纤维与塑料混炼造粒,然后挤出成型。与其他成型方法相比,挤出成型的生产效率高,并且特别适于异型材的生产。然而,采用两步法挤出成型时,物料需要经受两次高温加热过程,不仅能耗高而且不利于保持热敏性生物质材料的优良物理力学性能。不过,两步法也有工艺控制相对容易和组织生产灵活较大的优点,受到总体技术和装备水平不高的中小企业的欢迎。在加工设备方面,木塑行业在短短几年里经历了从借用塑料设备、改进塑料设备到开发木塑专用设备的发展历程,可以满足地板和栏杆类制品的制造加工。不过,与国外木塑专用设备相比,在加工精度、挤出速度、冷却成型等关键技术上仍存在差距。总体来说,我国对生物质聚合物复合材料加工设备具有较强的开发能力,从最近几年螺杆、模具等关键配件不断改进的发展速度可以看出,设备加工企业完全有能力适应生物质纤维原材料的多样化和新型产品的开发。
    1.2技术发展趋势
    未来生物质聚合物复合材料的发展趋势,主要表现在以下三个方面:(1)技术原理与科学支撑方面,重点研究方向是生物质聚合物复合材料的界面表征与调控方法、加工与结构流变学、环境老化机理、性能优化与评价方法等,这是改进提高现有技术和开发新技术的基本前提;(2)应用技术创新方面,重点集中在生物质原料的制备与改性技术、生物质-聚合物复合材料的先进加工成型技术与装备、功能型生物质聚合物复合材料以及材料性能评价与应用技术体系;(3)新产品开发方面,重点集中在产品的高性能化、高附加值和多功能化,包括门窗、功能型地板、功能型装饰材料、轻型建筑结构材,以及车船用装饰材料等重大产品开发等。
    2木塑复合材料专利现状分析
    国外由于对这种材料开发的时间较早,因此专利技术较多,一方面为我国自主创新提供了借鉴,另一方面专利壁垒也对我国的自主创新造成很大挑战。近年来,我国在生物质聚合物复合材料及其相关技术领域开展了广泛研究,在废旧塑料改性技术、生物质聚合物复合材料挤出成型技术、阻燃等功能型生物质聚合物复合材料开发、专用设备等方面,获得系列专利技术成果。以国家知识产权局下的专利检索及分析系统为依据,检索时间截止到2018年1月1日,检索关键词为木塑、塑木,最终检索并筛选发明专利4294件,因受发明专利审查程序限制,发明专利申请18个月后才公开,因此2017年数据仅作参考。
    2.1木塑发明专利申请时间分布
    图1为中国木塑发明年申请量图。作为一种新兴的复合材料,从专利申请时间分布曲线图可以看出,2004年以前,中国木塑复合材料出去萌芽以及起步阶段,此时年发明专利数量均在15件以下。2004-2008年,木塑复合材料处于较快增长阶段,发明专利年申请量也有了较明显的增加,年申请量均超过了100件。随后,木塑复合材料的重点产品作为绿色建筑材料参与了2008年北京奥运会、2010年上海世博会以及2010年广州亚运会等重大活动的场馆建设,我国木塑复合材料产量迅速攀升,2012年则超越美国发展成为国际木塑生产第一大国[6]。我国木塑复合材料专利年申请量也出现了快速增长,从2008年的79件,迅速增至2016年的836件。
    2.2专利技术领域分析
    表1为我国木塑发明专利技术领域分析。由表1可以看出,我国木塑复合材料专利申请主要涉及如下技术研究方向:高分子化合物的组合物(C08L)、使用无机物或非高分子有机物作为配料(C08K)、塑料的成型或连接;塑性状态物质的一般成型;已成型产品的后处理,例如修整(B29C)、建筑物的装修工程,例如,楼梯,楼面(E04F)、层状产品,即由扁平的或非扁平的薄层,例如泡沫状的、蜂窝状的薄层构成的产品(B32B)、成型材料的准备或预处理(B29B)。其中C08L及C08K远高于其它分类号的专利申请量,体现了木塑复合材料配方、机理等研究是木塑复合材料研究领域最为重视及关注的技术研究方向。
    2.3发明专利申请人分析
    由表2中国主要木塑发明专利申请人分析可以看出,企业在木塑发明专利的申请方面走在了前列,其中包括木塑制品生产龙头企业,如安微森泰塑木新材料有限公司,以及部分木塑模具生产企业,显示了企业对专利技术的重视,以及对新产品研发的能力越来越强。在木塑发明申的院校中,东北林业大学以长江学者王清文教授团队为主要研发力量,在国家“863”计划、科技支撑计划、国家农业科技成果转化等项目的支持下,在木纤维制备与改性、塑料改性、偶联剂合成与表征、界面科学、流变学、制备工艺与设备、老化与耐候性、阻燃等木塑复合材料的主要研究领域开展了系统的基础研究和技术开发,申请发明专利80余项,其中“木塑复合材料挤出成型制造技术及应用”获得2012年度国家科技进步奖二等奖,并建设了全国唯一以生物质材料科学与技术为特色的教育部重点实验室等基地,充分展示了高校的学术科研能力和科技创新成果。
    3结论
    近几年我国木塑生产企业和产量的平均增长率超过20%,国内集结在木塑产业链上的主流企业已逾400家。然而,目前木塑复合材料的下游产品种类较为单一,主要应用于室外铺板、景观、栏杆等,这对我国木塑行业的长期健康发展构成了挑战。因此,在木塑新产品开发方面,特别是在产品的高性能化、高附加值和多功能化,包括门窗、功能型地板、功能型装饰材料、轻型建筑结构材,以及车船用装饰材料等重大产品开发等方面,将产品推向具有巨大市场容量的室内建筑装饰材料等领域,将是木塑复合材料这一新兴产业下一步发展的重要方向。研发市场化是解决这一问题的关键。木塑行业不仅要探索建设木塑复合材料创新技术体系,更重要的是应该创新技术转让机制。在近十年的国际市场竞争中,我国的木塑行业已经积累了丰富的生产经验和一大批专门技术人才,并运用了国际上先进的管理经验。多数企业开始重视产品开发和技术储备,有关研究机构和高校院系要和木塑企业,特别是骨干企业建立以契约为纽带、经济利益为基础的密切联系,要使各种新的研究成果尽快作用于生产、作用于市场。
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