与木塑复合材料共舞

由于木塑复合材料（WPC）颗粒中木纤维的大量囤积和储存时间很长，含水率可能会超过1％，预干燥就显得至关重要了。

18年前创立的天然材料技术研究所（奥地利IFA图尔恩自然资源和生命科学大学）开发了用于注塑成型的专利产品“Fasal”和用于挤出型材的“Fasalex”。这两种热塑性模塑化合物最初由完全可再生原料如天然树脂、玉米和木粉组成。由于产品需求的增长，尤其是对防水性能、加工稳定性，及更短的循环时间的需求，随着时间的推移，热塑性合成树脂取代了天然树脂。除了与维也纳/图尔恩Fasal木业公司在科研方面进行密切的合作之外，天然材料技术研究所也为加工企业提供了工具规划、注塑制品的成型试验和优化等支持。

水分对热塑性的影响

且不论其配方或组成，以及机器参数，热塑性塑料的加工性能和成品注塑件的质量主要取决于所使用的颗粒含水率。在吸湿性塑料的热塑性加工过程中，即使是非常小的含水率，也可能会导致气泡和烟雾的产生，以及聚合物分子链的降解。降解会使机械性能严重受损，特别是对水解敏感的塑料，如聚酯。为了防止损失强度，完善加工，通常在热加工之前对诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）或聚丁烯对苯二酸酯（PBT）类的塑料进行预干燥，至其含水率低于0.04％。在注塑成型聚烯烃时，填充较高比例的木粉（WPC—木塑复合材料）或其他天然材料，也可能发生类似的加工问题。木材是吸湿性材料，会吸收空气中的水分，这取决于周围环境的气候，然后存储并将水分粘附在细胞壁上（吸附作用）。

木材的吸湿性

经过一个相对较长的储存时期之后，根据周围空气的相对大气湿度和温度，一个特定的水分平衡就在木材中建立了。对于烘干的木材，有三种不同的机制导致了空气中的水分吸收和结合。化学吸附占据主导地位，特别是当木材的含水率低至处于0和6％之间时。在这种情况下，水分子通过相邻纤维素链之间的氢键和单分子水膜形式被吸附。木材的含水率在6％~15％之间时，水通过吸附机制被吸入进细胞壁。水分子受到范德华力或静电引力的作用，形成了多分子的水薄膜。毛细凝聚现象主要发生在木材含水率超过15％之后，直到细胞壁里的水完全饱和（纤维饱和）。水被纳入到细胞壁空隙的毛细管力中，直到细胞壁无法再进一步扩展。所有这些吸附过程的发生都伴随着热量排放。当对低于纤维饱和点的木材进行干燥时，除了水的蒸发热，这种潜热必须额外提供。除水时每千克需提供的能量取决于有多少木材已经干透了，与每种吸附机制的相关键能一致。

WPC注塑成型的挑战

在天然材料技术研究所为“Ubongo3D”游戏件进行模具试验的过程中，明显发现，足够的预干燥对WPC注塑成型大批量生产是必要的。这些产品边长至少14毫米，最大体积为13.72立方厘米。使用了颗粒材料Fasal Bio F337，以及四个不同颜色的色母粒。相对来说，这些颗粒是高填充木粉/聚丙烯（PP）的化合物。由于木材比例高，此模塑化合物中的含水率可以超过1％，并且存储很长时间，这意味着，注塑成型的预干燥是必不可少的。

根据对产品的不同需求，生产中使用了四种不同的、每种均有10个模腔的模具。生产试验开始时，将颗粒在120℃下，用循环式空气干燥器预干燥四个小时。循环式空气干燥器使用周围的空气进行干燥。空气可能湿度非常高，这取决于气候。与干空气干燥器相比，即使在高温下使用，干燥效率会因此而降低。这些干燥系统使得用于干燥的空气质量具有季节依赖性，因为夏季的湿度一般比冬季高。注塑机料筒的温度调整为约190℃，且循环时间为45秒。

第一个生产试验的问题包括长时间冷却的必要性，不均匀的色素沉着，难闻的燃烧气味，非均相填模和由模具喷射器上的灰尘引起的部件暗痕（见图1）。

在机器方面，模具的锈蚀增加了维护需求，同时对分型面和喷射器的清洗要求也更高了。这些质量缺陷是由于干燥不充分，水分滞留在了木材细胞壁里而造成的。在注塑过程中，气缸内的颗粒被加热到高达200℃，从而导致了吸附在木材里的水分的蒸发。在封闭的气缸里，水蒸汽无法逃逸，仍保留在热成型化合物中。在注塑进型腔的过程中，塑化材料被迫以很高的速度通过一个狭窄的栅极，从而导致了模塑化合物中压力和温度的进一步增加。注塑链只能在进入模具之后进行扩张。由于游戏件筹码的大体积与模具可能相对较低的蒸汽出口面积的比例，在高压下，释放工序贯穿了所有的凹陷和模具的气孔。由此产生的污染可能是热量和水分带来的木质部件提取物。在原生类型的木材中，仅水溶性萃取物，如低分子量的酸、皂角苷或酚类的构成比例就高达4％。

优化干燥参数

用于注塑成型的WPCs预干燥不足会影响生产的可靠性，注塑成型件的质量和注塑模的寿命。WPC注塑最重要和最经常被忽视的准备工序为粒料的最佳预干燥。良好的干燥质量的决定性因素是干燥器的类型（循环空气，真空，干燥空气），干燥温度和干燥时间。考虑到注塑成型的质量，时间和能耗成本，为了优化Fasal Bio F337颗粒的干燥工序，天然材料技术研究所进行了大量的干燥试验，采用的是由奥地利维也纳Witt-mann Kunststoffgeräte公司提供的干燥空气型干燥器Drymax D60-150-PDC-180C（见图2左）。这种干燥系统的一大优势在于所使用的干燥空气质量是恒定的。干燥器还额外配备了一个回气冷却器和一个冷凝水存储器，以从干燥线路上消除木质组件的质量降低。使用Feedmax A206-PDC输送机（制造商：Witt-mann）来为干燥料斗的上部区域供给新颗粒。干颗粒由安装在注塑机上的Feedmax B203-PDC输送机计量并送入计量单元。干燥料斗上部、中间和下部有三个温度传感器，它们的特殊功能使得颗粒中的温度分布可以进行精确的跟踪，并且长达好几个小时（见图2右）。

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将干燥温度的变化设置为110、120和130℃。每两小时测定一次干燥时间对颗粒最终含水率的影响。由于所有的干燥试验开始于室温，干燥时间还包括加热阶段。采取不同方式干燥的颗粒样品通过移动填充料斗直接注入到注塑机中去，并存储在水蒸汽的密封容器里。

为了测定含水率，首先用无水甲醇将水分从颗粒中萃取出来。萃取需要两个星期。这种萃取物等分试样中的水，根据卡尔费休法通过化学方法进行定量测定。从每个干燥试验和未干燥的参照样品中各选取两个样品，进行双重测定（四个测量/样品）。此外，通过注射成型来加工用不同方式干燥的颗粒样品，并对模具表面和游戏件质量进行检测。

干空气干燥器中的温度分布

图3显示了从干燥机的加热阶段开始，干燥料斗中各个区域的温度分布与时间的关系。在干燥料斗的较低区域中，颗粒在第一个半小时之内达到了100℃以上温度。干燥料斗中心区域颗粒的加热需要较长的时间，因为这部分的温度约在1.5小时后才达到100℃。而最顶层的颗粒在三个多小时之后才达到100℃。

干燥料斗中排出的空气温度达到设定值时，就会降低干燥温度，以防止材料的过度干燥和热损伤。这项措施同时也实现了节能。干燥试验的结果和最终颗粒的含水率如图4所示。

不考虑温度，干燥两小时后，颗粒的含水率从1.71％降到了0.5％以下。正如预期的那样，最低含水率0.25％是在最高干燥温度130℃下获得的。在最低温度110℃，干燥两小时后颗粒的含水率为0.5％。四个小时后，数值为0.24％和0.23％，所得到的含水率没有差异，无法确定干燥温度是110℃还是120℃。在干燥温度为130℃时，颗粒的含水率只有0.08％。即使在干燥6小时后，最低测试干燥温度只会导致相对高的含水率0.22％，而这不适合注塑成型。在较高的温度120℃和130℃下，颗粒的含水率分别为0.05％和0.03％，达到了注塑成型最佳的最低含水率。

初始含水率为1.71％的Fasal F337干燥试验表明，要使WPC粒料得到快速高效的干燥，干燥温度必须至少是120℃。正如意料之中的，在高的含水率下，颗粒的干燥速度明显比含水率在0.3％以下的快。

至于注塑成型的加工性能，所有含水率在0.08％以上的颗粒显现出了凝结和模具上的污物沉积（见图5），以及游戏件上的暗痕（见图6）。粒料在130℃下干燥4和6小时后，得到了出色的可加工性和非常高的产品质量（标题图片）。