贵州省是我国生物质资源大省，森林覆盖率达50%以上，远高于全国平均水平^[1-2]。马尾松(Pinus massoniana Lamb.)和杉木[Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.]是贵州省主要树种，其中，马尾松分布面积1. 48×10⁶ hm²、蓄积1. 09×10⁸ m³；杉木分布面积1. 07×10⁶ hm²、蓄积8. 42×10⁷ m³。在森林抚育间伐、木材锯解、剖切和砂光等加工过程中，产生的枝桠材、锯屑等剩余物占原木材积的50%以上，如此丰富的生物质资源除少量被作为低质燃料或原材料粗放利用外，未得到充分合理的开发。随着全球资源短缺和环境危机的加剧，这种严重浪费生物质资源且造成环境污染的问题越来越受关注。研究利用这些生物质资源及其加工过程中产生的锯屑、废料等剩余物填充聚合物，制备木塑复合材料(wood-plastic composite，WPC)，替代传统木制材料和塑料制品，用于户外地板、风景园林、外墙挂板、装饰材料等多方面^[3-6]，不仅能节约生物质资源，发挥天然木粉的特性优势，还能帮助缓解环境污染问题^[7-11]。同时，新技术的应用还会带来更多的就业机会，具有良好的社会效益。另外，贵州省马尾松的蓄积量比杉木多，但是目前装饰建材家具市场上应用最多的是杉木，马尾松的应用较少见，如果能用马尾松替代或者部分替代杉木，制备混合木粉增强聚合物复合材料而不影响使用性能，则可以发挥马尾松的资源优势，同时节省杉木的用量，产生更大的经济效益。研究表明，木粉的种类会影响WPC的物理、力学和耐老化性能^[12-14]。为充分利用贵州省的马尾松木材加工剩余物，用不同质量比的马尾松和杉木的混合木粉作为增强材料，填充高密度聚乙烯(high-density polyethylene，HDPE)，制备WPC，研究马尾松和杉木木粉的质量比对复合材料的物理、力学性能的影响，为该种混合木粉增强聚合物复合材料的性能研究和实际应用提供理论依据。

马尾松木粉和杉木木粉，长0. 18~0. 85 mm，当地木材加工剩余废料；HDPE，型号5 000 s，密度0. 949~0. 953 g · cm^-3，购自中国石油大庆石化公司；马来酸酐接枝聚乙烯(maleic anhydride grafted polyethylene，MAPE)，型号CMG9804，接枝率0. 9%，购自上海日之升新技术发展有限公司；聚乙烯蜡(PE蜡)，购自中国石油大庆炼化分公司。

高速混合机(型号SHR-10A，张家港市通河橡塑机械有限公司)；锤式粉碎机(型号9FQ-300，丹东市正火机械制造厂)；双螺杆挤出机(型号SJSH30，南京橡塑机械厂)；单螺杆挤出机(南京橡塑机械厂)；分光测色计(CM-2300d，柯尼卡美能达公司)；电子万能力学试验机(型号RGT-20A，深圳瑞格尔仪器有限公司)；组合式冲击机(型号XJ-50G，河北承德力学实验机有限公司)；动态热机械分析仪(型号DMA-242，德国NETZSH公司)。

木粉使用前经105 ℃鼓风干燥箱干燥24 h去除水分。按照表 1所示的质量比称取相应质量的木粉、HDPE和MAPE，并添加MAPE质量的25%PE蜡。将试验材料放入高速混合机中充分混合，采用混炼造粒和挤出成型两步法制备7种40 mm×4 mm的条状板材。

WPC的密度参照GB/T 17657—2013^[15]进行测试。每组5个试件，结果取平均值。

利用分光测色计测试WPC的表面明度值(L^*)、红绿轴色度指数(a^*)和黄蓝轴色度指数(b^*)。每种试样取5个点。

参照GB/T 17657—2013^[15]测试WPC的24 h吸水率和吸水厚度膨胀率，试样大小20 mm×20 mm×4 mm。将所有试件放在恒温水浴锅中，温度20 ℃，浸泡24 h后取出试样，用干净软布擦去表面水分，测试质量和厚度，每组测试5个试件并取平均值。

试样的24 h吸水率W采用公式(1)计算：

式中：W₀和W_t分别为试样浸泡前的质量(g)和浸泡24 h后的质量(g)。

试样的24 h吸水厚度膨胀率T采用公式(2)计算：

式中:T₀和T分别为试样浸泡前的厚度(mm)和浸泡24 h后的厚度(mm)。

WPC的静曲强度(modulus of rupture，MOR)和静曲模量(modulus of elasticity，MOE)参照ASTM D 790—2003^[16]进行测试，跨距为64 mm，弯曲速度为1. 9 mm · min^-1。试件大小80 mm×13 mm×4 mm。每组测试5个试件并取平均值。

WPC的拉伸强度和拉伸模量参照ASTM D 638—2010^[17]进行测试，跨距为50 mm，拉伸速度为5 mm · min^-1。试件为哑铃状，165 mm×20 mm×4 mm (最细部分宽12.7 mm)。每组测试5个试件并取平均值。

参照GB/T 1043. 1—2008^[18]对WPC进行简支梁摆锤冲击试验，跨距为60 mm，冲击速度为2. 9 m · s^-1，摆锤能量为2 J。试件大小80 mm×10 mm×4 mm，无缺口。每组测试5个试件并取平均值。

采用三点弯曲模式测定WPC的动态热力学性能，温度范围为20~120 ℃，加热速率为5 ℃ · min^-1，频率为1 Hz，试件大小40 mm×10 mm×3 mm，每组材料测试2个试件。

7种复合材料的密度介于1. 17~1. 19 g · cm^-3之间，彼此相差不超过3%，可见用马尾松木粉替代杉木木粉对复合材料的密度影响不大。7种复合材料的颜色和尺寸稳定性的测试结果如表 2所示。马尾松木粉/WPC复合材料的表面明度值最大，随着马尾松和杉木木粉质量比的减小，复合材料的表面明度值逐渐变小，杉木木粉/WPC复合材料的表面明度值和黄蓝轴色度指数最小，仅是马尾松木粉/WPC复合材料的70. 44%和64. 36%。随着马尾松和杉木木粉质量比的增加，复合材料的红绿、黄蓝轴色度指数增加，当5/6的杉木木粉被马尾松木粉取代，复合材料的红绿、黄蓝轴色度指数达到最大，分别为8. 90和19. 34。通过改变马尾松和杉木木粉的质量比，可以制备不同色泽的WPC，从而满足不同场所、不同消费人群对装饰装修材料外观的要求。同时，马尾松/杉木/WPC复合材料的表面颜色测试也将成为其老化性能研究的基础。

对于WPC，稳定的吸水率是一个重要的性能指标，因为吸水率偏大使其容易腐蚀和发霉，不利于其物理性能和力学性能的保持，降低使用安全性和寿命^[10]。7种复合材料的吸水率介于2. 1%~2. 7%之间，改变马尾松木粉与杉木木粉的质量比对复合材料的吸水率影响不大；杉木木粉/WPC复合材料的24 h吸水厚度膨胀率为1. 4%，将1/6的杉木木粉换成马尾松木粉，复合材料的24 h吸水厚度膨胀率提高了142. 86%，继续用马尾松替代杉木木粉，复合材料的吸水厚度膨胀率继续增加。马尾松木粉/WPC复合材料的24 h吸水厚度膨胀率最大，是杉木木粉/WPC复合材料的24 h吸水厚度膨胀率的3. 43倍。杉木木粉/WPC复合材料24 h吸水尺寸稳定性较好，主要原因在于杉木木材的表面极性和亲水性能低于马尾松木材^[19]，杉木木粉/WPC复合材料不易吸附水分子等极性小分子。

表 3为7种木塑复合材料力学性能的测试结果。马尾松木粉/WPC复合材料的力学性能最差。随着杉木木粉含量的增加，复合材料的力学性能逐渐增强，杉木木粉/WPC复合材料的MOR、MOE、拉伸强度、拉伸模量和冲击强度最大，与马尾松木粉/WPC复合材料相比分别提高了47. 58%、25. 00%、92. 52%、120. 00%和70. 03%。这是因为木粉与树脂间的界面结合性能是影响WPC力学性能的关键因素，当材料受载荷作用时，界面结合性能较好的WPC中木粉和基体间可以形成更好的交联，从而使应力在树脂和木粉间更好地传递和分散^[20]。

7种复合材料中杉木木粉/WPC复合材料的物理力学性能最好，主要是因为马尾松木材中富含的树脂在高温热熔下影响界面胶合性能，而杉木的总表面自由能和非极性表面自由能高于马尾松^[19]，导致杉木木粉和HDPE基体的界面结合强度比马尾松木粉和HDPE基体的界面结合强度高。

虽然7种复合材料的力学性能值有差异，但是均满足GB/T 24137—2009^[21]对于木塑装饰板的弯曲强度和弯曲模量的要求(对于材料弯曲强度的要求为：平均值≥20 MPa，最小值≥16 MPa；弯曲模量≥1. 8 GPa)。因此，在木塑装饰板的生产中可以考虑用马尾松木粉替换或部分替换杉木，既可以发挥马尾松的资源优势，同时也可以节省杉木的用量，产生更大的经济效益。

图 1、图 2和图 3分别表示木塑复合材料的储能模量、损耗模量和损耗角正切随温度增加而变化的曲线图。随着温度的增加，材料的储能模量下降，这是因为较高温度使聚合物分子的活动能力加强，材料的弹性降低。另一方面，随着马尾松和杉木木粉质量比的增加，复合材料的储能模量呈现降低的趋势，这说明马尾松和杉木木粉质量比增加，木粉与HDPE之间的界面相容性变差，高分子链间由于连接不牢容易发生移动，弹性模量和硬度随之降低，这与力学性能的测试结果一致。

	图 1 木塑复合材料的储能模量与温度的关系 Fig. 1 Storage modulus of hybrid wood flour/HDPE composite as a function of temperature
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	图 2 木塑复合材料的损耗模量与温度的关系 Fig. 2 Loss modulus of hybrid wood flour/HDPE composite as a function of temperature
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	图 3 木塑复合材料的损耗角正切与温度的关系 Fig. 3 Loss tangent of hybrid wood flour/HDPE composite as a function of temperature
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复合材料的损耗模量随着马尾松木粉含量的增加而变大。当温度达到50 ℃左右时，复合材料先后出现松弛转变峰，其中马尾松/WPC复合材料的损耗模量值最大。马尾松和杉木木粉质量比越小，复合材料熔化并流动所需要的能量越少。损耗角正切值是损耗模量和储能模量的比值，可以反映材料的柔性。

复合材料的损耗角正切值随着温度的增加逐渐变大。在20~120 ℃区间内，损耗角正切值始终小于1，且未出现峰值，说明没有达到材料的玻璃化转变温度，材料一直处于刚硬的玻璃态。随着马尾松和杉木木粉质量比降低，复合材料的损耗角正切值逐渐变小，说明WPC韧性降低，弹性特征变明显，这主要是由于马尾松和杉木木粉质量比降低使木粉和塑料基体间的黏合强度增强，在承受动态负载时，纤维吸收的能量增多，能量损耗变小^[22]，进一步反映出杉木木粉和HDPE间的界面结合性能更好。在25 ℃的条件下，随着马尾松和杉木木粉质量比的增加，复合材料变脆，因此抗冲击性能降低，这与冲击性能的测试结果相吻合。

利用贵州省优势木种马尾松和杉木的木粉填充高密度聚乙烯，采用挤出成型法制备了木塑复合材料，通过改变马尾松和杉木木粉的质量比，研究复合材料的密度、颜色和尺寸稳定性等物理性能以及弯曲、拉伸和冲击等力学性能的变化。结果表明，马尾松和杉木木粉的质量比对木塑复合材料的密度影响不大；随着混合木粉中杉木木粉含量的增加，木塑复合材料的表面明度值和黄蓝轴色度指数减小，吸水尺寸稳定性提高；随着马尾松木粉含量从60%逐渐减小到0，复合材料的储能模量升高，损耗模量和损耗角正切值降低，力学性能值逐渐增大，相比于马尾松木粉/WPC复合材料，杉木木粉/WPC复合材料的MOR、MOE、拉伸强度、拉伸模量和冲击强度分别提高了47. 58%、25. 00%、92. 52%、120. 00%和70. 03%，马尾松和杉木木粉的含量比对复合材料的拉伸力学性能的影响最明显。

今后的研究应集中在对马尾松木粉的物理、化学改性，降低其表面极性，改善马尾松木粉与热塑性树脂间的界面相容性，提高两者的黏合性，进而制备得到性能优异的马尾松木粉/WPC复合材料。另一方面，木塑复合材料常用于户外地板、风景园林、外墙挂板、包装制品等，长期暴露于自然环境中会发生光氧化和热氧化，两者的协同作用会导致WPC氧化降解，力学性能降低，使用寿命缩短，应用范围受限。马尾松和杉木木粉增强聚合物复合材料的老化性能还需进一步研究。