木塑复合材料具有质量轻、抗菌、耐腐蚀、尺寸稳定、可回收等优点，已广泛应用于建筑、汽车材料、物流包装、装饰材料等领域[1]。据统计，我国各类农作物秸秆（稻草、麦秆、大豆秆、玉米秆等）年产7 亿t左右[2-3]，对此类资源进行资源化利用一方面可以节约木材资源，另一方面还可以减少因秸秆处理不当而带来的污染问题。木塑复合材料将木粉、热塑性塑料以及添加剂，通过不同的方式进行融合，常采用挤出、注塑成型或压缩成型等工艺进行制备[4]。除了传统的木质材料，农业产品的废料，如玉米秸秆、麦秸秆、水稻秸秆、芦苇秸秆、锯末、椰壳等，都可以作为制备生物基木塑复合材料的原料[5]。然而，目前木塑复合材料还存在强重比低、热稳定性差、易老化、密度大、延展性差、韧性低、冲击强度低等不足[6]。此外，木塑复合材料还在向功能化方向发展发展，如阻燃、防腐、隔音、防水等[7]。目前，将矿石加入生物基木塑复合材料，可以使复合材料具有阻燃、防腐和抑菌等性能[8]。矿质生物基木塑复合材料研发方向为：提升生物基木塑复合材料的耐磨性、吸水率、强度，提升木塑复合材料的阻燃、防腐和抑菌等性能，向木塑复合材料中添加无机矿物形成矿质生物基木塑复合材料。针对矿质塑合复合材料密度高、脆性大等问题，将生物质纤维加入矿质塑合材料可以改善这些劣势。矿质生物基木塑复合材料是一种综合了无机矿物质、热塑性塑料、生物质纤维等材料优势的新型材料。本研究主要介绍生物基木塑复合材料以及矿质生物基木塑复合材料的研究概况，综述矿质材料对矿质生物基木塑复合材料性能的影响。1生物基木塑复合材料传统的木塑复合材料主要原料是木粉和热塑性塑料。对于生物质材料，秸秆的资源化利用已有一些研究，且秸秆纤维存量大、来源广泛，是重要的可再生生物质资源[9]。天然植物纤维具有较高的强度和模量，“以秸代木”能够较好地解决木材紧缺和秸秆大量闲置的情况[10]。Guo等[11]研究表明：秸秆的成分和木材的成分类似，主要由木质素、纤维素、半纤维素等组成。区别是秸秆不同部位的成分有差异，秸秆纤维的半纤维素和酯含量高，纤维表面覆盖一层SiO2和蜡膜。使用秸秆材料时，需要对秸秆纤维进行预处理，以改善秸秆纤维与塑料基体的相容性，并研究不同部位对木塑复合材料性能的影响。Luo等[12]研究玉米秸秆的茎、穗、壳、穗轴和叶对玉米纤维塑料(CFPC)性能的影响。结果表明：纤维素含量对CFPC的力学性能具有显著影响。纤维素含量高的玉米茎部位可以有效增强CFPC的弯曲强度和拉伸断裂强度。但是纤维素和半纤维素中含有大量的极性基团，例如—OH，导致PVC与木质纤维素的相容性较差，从而导致对CFPC性能的提升有限。Shen等[13]将玉米秸秆进行碱性乙醇蒸煮和酸蒸煮，去除掉秸秆纤维中的木质素和半纤维素，利用处理后的秸秆纤维制备木塑复合材料。结果表明：与未处理的木塑复合材料相比，秸秆纤维处理后的木塑复合材料的拉伸强度、弯曲强度进一步提升。与传统的木塑复合材料一样，秸秆基木塑复合材料也存在纤维与塑料之间的相容性不佳的问题[14]。刘飞虹[15]探究不同化学预处理方法，包括碱处理方法及乙酰化处理方法，对玉米秸秆纤维/HDPE复合材料性能的影响。结果表明：与添加未改性的玉米秸秆复合材料相比，两种预处理方法均能够提升复合材料的热稳定性与界面相容性。但添加碱处理后的玉米秸秆，纤维和塑料之间的相容性更好，有利于提升复合材料的综合力学性能，尤其在拉伸和弯曲强度方面。徐彬[16]分别利用单一NaOH溶液、单一的KH-550溶液、NaOH+KH550复合溶液对玉米纤维进行表面改性处理。结果表明：经NaOH+KH550复合溶液改性的玉米秸秆纤维和塑料基体的界面结合性最好，复合材料断面最均匀，力学性能和热稳定性性能提高。由于秸秆类资源产量受季节影响[17]，有研究者将研究重点转向腐朽木材和其他废弃生物质原料。腐烂的木材几乎失去木材的原始质量，但腐朽木材中含有天然聚合物成分，将腐朽木材加入木塑复合材料中，可以明显降低木塑复合材料的成本。Ge等[18]在聚氯乙烯/木粉木塑复合材料中，利用腐朽木粉替代正常木粉，加入壳聚糖改善木塑复合材料的力学性能、化学结构、热稳定性、结晶度、阻燃性和黏接性能，使复合材料达到木塑复合材料的应用标准。2矿质生物基木塑复合材料使用无机矿物对木塑复合材料进行改性，可以得到具有功能性的木塑复合材料。Lin等[19]将碳纤维加入椰壳/PP木塑复合材料，使木塑复合材料具有电屏蔽的性能。但是考虑木塑复合材料的成本因素，常采用自然界中易得的无机矿物增强木塑复合材料。纳米黏土、滑石粉、碳酸钙、蒙脱土、二氧化硅等是增强生物基木塑复合材料常用的矿物填料[20]。2.1碳酸钙碳酸钙普遍用作填料或填充剂。纳米碳酸钙是一种新型的功能性填料，目前已广泛应用于橡胶、塑料、涂料等领域[21]。Srivabut等[22]使用双螺杆挤出机，制备回收聚丙烯/橡胶木纤维复合材料。由于使用了回收材料，与初始聚丙烯基复合材料相比，复合材料的密度、力学强度有所降低。添加7%的纳米碳酸钙可以显著提升复合材料的强度。赵永生等[23]在聚氯乙烯木塑复合材料中加入纳米碳酸钙，以提升聚氯乙烯/木粉(PVC/WF)的力学性能和阻燃性。当直接加入纳米碳酸钙时，拉伸强度和冲击强度提升不明显。将WF通过偶联剂进行改性，提升WF与PVC的界面相容性。在此基础上纳米碳酸钙能够更好地发挥作用，提升复合材料的力学强度和阻燃性能。2.2蒙脱土常采用化学改性（碱处理、醚化、丙烯酸化等）对木材进行处理，以增强木塑复合材料的力学性能和热学性能[24]，但是化学改性通常工艺较复杂并且带来一定的污染。因此，可将改性方式转向更环保和经济的方式。蒙脱土(MMT)是一种层状铝硅酸盐黏土，分布广泛、储量丰富、成本低廉[25]。Fan等[26]通过注塑成型技术，制备硅烷改性蒙脱土(OMMT)，以改善高密度聚乙烯(HDPE)/木纤维复合材料的综合性能。结果表明：硅烷可以与木纤维形成化学键，与OMMT表面通过化学键连接，增强复合材料的相容性。随着OMMT含量的提升，复合材料的阻燃性、热稳定性、力学性能和疏水性随之提升，力学性能呈现先提升后降低的趋势。蔡晨阳等[27]在HDPE基木塑复合材料表面添加OMMT与聚磷酸铵(APP)复配产物、纳米氢氧化镁(Mg(OH)2)与APP复配产物，制备具有阻燃功能的核壳型木塑复合材料。结果表明：与加入APP与Mg(OH)2复配下复合材料相比，APP与OMMT复配下复合材料的残炭率更高，达到55.2%。两种阻燃剂复配后弯曲强度和弹性模量呈现下降趋势，力学强度下降。综合比较，APP与OMMT复配阻燃效果更好。Zhao等[28]以OMMT和木塑复合材料基体包覆的聚乙二醇(PEG)为基础，合成新型蓄热木塑复合材料，有效解决高热回收和高能量密度的相变材料(PCM)中PEG的泄漏问题。结果表明：OMMT的加入提高了复合材料的热稳定性，而且由于OMMT自身的耐高温性降低了木塑复合材料的热降解速率。蓄热木塑复合材料具有优异的热稳定性、良好的界面相互作用和较好的燃烧性能，在建筑节能和室内空调系统中具有应用潜力。2.3二氧化硅二氧化硅来源广泛，制备方法成熟，已有研究将其用作阻燃剂。徐伟华[29]基于纳米二氧化硅热稳定性高并具有增强效应等特点，依据磷-硅协同阻燃的机理，使用熔融共混法在木粉/低密度聚乙烯木塑复合材料中加入纳米二氧化硅和有机磷阻燃剂(D-bp)。纳米二氧化硅与有机体的相容性不佳，在共混前使用γ-氨丙基三乙氧基硅烷改性纳米二氧化硅，增强二者相容性。复配阻燃剂的协效阻燃效果优异，最佳添加量为纳米二氧化硅占3%，D-bp占7.5%。在此配方下，改性WPC的峰值热释放速率、总热释放量、峰值质量损失速率和峰值比消光面积比未改性的WPC降低，拉伸强度也提升了61.8%。张爱丽等[30]为了获得具有阻燃性能的WF/HDPE木塑复合材料，引入二氧化硅与其他阻燃剂（APP、氯化铵），协效增强木塑复合材料的阻燃性能。使用硅烷偶联剂KH550改性二氧化硅，以增强三种阻燃剂的协效作用。当二氧化硅质量分数为2%时，复合材料的阻燃效果最佳。在此条件下复合材料的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度提升效果最好。Ma等[31]利用碱处理和溶胶-凝胶法相结合的方式对WF进行处理，制备WF/二氧化硅杂化物。分别对比该杂化物与纳米二氧化硅制备的木塑复合材料的力学性能、维卡软化温度、氧化诱导时间和热分解行为等。与添加纳米二氧化硅的木塑复合材料相比，填充杂化物的复合材料具有更好的力学性能和热稳定性，也有利于改善复合材料的耐热氧性。2.4纳米黏土纳米黏土具备良好的超塑性、良好的尺寸稳定性、较好的力学性能，常用于改性其他材料，增强其他材料的力学性能和尺寸稳定性[32]。Depolo等[33]研究表明：纳米黏土可以提高木塑复合材料的尺寸稳定性。Eremeyev等[34]使用注塑成型法，制备WF/PE木塑复合材料。探究WF与纳米黏土不同配比对PE基木塑复合材料力学性能的影响。结果表明：当WF含量达到50%时，PE基木塑复合材料的弹性模量达到最高。当WF含量在30%时，PE基木塑复合材料的拉伸强度达到最高。WF含量占总复合材料的50%时，PE基木塑复合材料弯曲强度最大。由于纳米黏土和聚合物之间的表面结合较强，从而增强了复合材料的力学强度。Rangavar等[35]研究纳米黏土对木塑复合材料力学性能的影响。由于纳米黏土中的羟基与WF组分之间易形成键，可以增强木塑复合材料的力学性能（弯曲强度、拉伸强度、断裂伸长率和抗冲击强度）。但由于纳米黏土存在吸水性，导致增幅有限。2.5滑石粉滑石粉具有促进聚合物成核，加快结晶速率的功能，常用作成核剂。李浩[36]基于微孔发泡的WF/PP复合材料，加入滑石粉，研究滑石粉对WF/PP复合材料的流变性能、结晶性能和发泡性能的影响。虽然使用发泡技术可以有效提升木塑复合材料的生产效率，但是发泡的泡孔大小、泡孔结构均匀致密程度影响WPC的性能。加入4份的滑石粉可以得到良好的发泡效果。滑石粉的加入可以明显提升结晶速率，结晶度呈现先增大再减小的趋势。Hao等[37]在WF/PP基木塑复合材料中，使用弹性体接枝聚烯烃(A669)和滑石粉协同增强WF/PP基木塑复合材料的韧性和抗弯强度。滑石粉可以提供异相成核并加速结晶，其中A669和滑石粉的最佳添加量分别为6%和9%。2.6其他矿石改性李歆等[38]将海泡石和APP复合阻燃剂添加至PP/WF复合材料中，使复合材料的阻燃性得到提升，总烟释放率降低60.3%。Wang等[39]将玄武岩纤维(BF)添加至木塑复合材料中。结果表明：BF提高了复合材料的力学性能和热学性能。当BF含量达到10%时，复合材料的力学性能最佳。并且BF的加入提高了复合材料的热学性能，特别是低的线性热膨胀系数和高的热分解温度。Koohestani等[40]研究两种硅烷偶联剂（乙烯基三甲氧基硅烷、氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷）改性硅酸盐矿物，对木塑复合材料的力学性能、热学性能和流变性能的影响。结果表明：添加1%的硅烷改性矿物降低木质聚合物复合材料的刚性，并增加其延展性。利用乙烯基硅烷改性的矿物填料，有效提高拉伸强度和弯曲强度，而不利于流变行为。氨乙基改性的矿物对流变性能没有负面影响，但降低了复合材料的刚性。两种表面改性均降低了复合材料的热稳定性。3矿质生物基木塑复合材料的应用我国矿石资源丰富，将矿石有效利用在生物质木塑复合材料中，成为当下研究的热点。生物基木塑复合材料经过矿石增强改性后，使得新型矿质生物基木塑复合材料具有优良的力学性能、热学性能、抗菌防腐等，可广泛应用于各包装领域[41]、建筑领域[42]、室内装饰[43]等。矿质生物基木塑复合材料具有无毒无味、抗菌防腐、浸水不胀、干燥不裂等优势[44]，相较传统木塑复合材料，矿质生物基木塑复合材料经过破坏而断裂后不会出现锋利的缺口，对于室内装饰和包装十分有利。樊琦琦[45]利用插层蒙脱土制备聚乳酸/麦秸纤维复合材料，弥补原材料热学性能差、阻燃性能差、强重比低的缺点，可满足室内装饰阻燃及力学性能需求。刘鹏刚等[46]研究4种矿物质填料（硅灰石、滑石粉、碳酸钙和硫酸钡）对PP基木塑复合材料力学性能的影响。结果表明：4种填料均可增强力学性能，其中添加15%粒径为10 μm的硅灰石时，复合材料具有最优的力学性能，其强度优于日常的木质人造板，可以满足在室内装饰及家具方面的应用。韩毅忠[47]制备一种高强度的可降解粉体材料，其主要原料为秸秆粉、PE、纳米碳酸钙。该材料可以用来代替传统不可完全降解的木塑复合材料，从而在包装中转托盘及中转箱等设备上实现绿色环保的理念。矿质生物基木塑材料内部均一、稳定，更有利于其在建筑领域的应用[48]。矿质生物基木塑材料寿命比传统的实木更长久，硬度比普通木塑复合材料和实木更高，并且对生物质原料质量的要求不严格，且几乎不用养护。Shih等[49]利用回收PE和硅藻土废弃物与木纤维，制备一种环保型再生复合材料。在建筑中利用废旧塑料及农林剩余物可减少建筑钢材的使用，降低成本。4结论目前矿质生物基木塑复合材料正逐步发展，为使矿质生物基木塑复合材料得到广泛应用，还需解决一些问题。生物质原材料的产地较分散，不同地区产出不同种类的生物质材料，因此生物质材料的收集、存储、运输的成本较大，还需完善相关的产业链。矿石、木质纤维、塑料之间的界面相容性需提高。目前市场上的表面改性剂虽能改善木质纤维与塑料相容性，但加入矿石后效果明显下降，应继续研究简便而有效的改性矿石或新型改性剂，改善复合材料的相容性。矿质生物基木塑复合材料密度比传统木塑复合材料高，且是普通木材密度的2倍，在成型过程中需要较大压力。在复合材料的配方体系中加入适量的发泡剂，可制得具有均匀泡孔结构、性能优良的发泡复合材料，既降低密度、减少成本，又钝化裂纹尖端、提高了材料的力学性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.07.022.F001