首先介紹了合成木材的特點(diǎn)和以塑代木的意義，主要介紹了聚氨酯仿木材料的性能特點(diǎn)為，應(yīng)用領(lǐng)域，原料體系，制造工藝注意事項(xiàng)，指出這類材料利用了硬質(zhì)聚氨酯結(jié)構(gòu)泡沫塑料的優(yōu)點(diǎn)，可制造仿木雕等裝飾材料和結(jié)構(gòu)材料。代替木材，具有良好的發(fā)展前景。
1、合成木材的現(xiàn)實(shí)意義
木材的用途廣泛，但近年來(lái)，由于森林資源的過(guò)度開(kāi)采，造成了生態(tài)環(huán)境惡化和水土流失，所以一些國(guó)家控制天然林業(yè)資源的開(kāi)發(fā)，制止濫砍濫伐。近年來(lái)，仿木材料已經(jīng)成為研究和開(kāi)發(fā)的一個(gè)新領(lǐng)域。在木材的許多傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，例如木質(zhì)家具，門(mén)窗，電器外殼，木盆，雕刻裝飾器件，鏡框等，塑料，金屬材料和仿木材料已經(jīng)部分替代了木材。大多數(shù)合成木材可釘，可刨，可鋸，且外觀，手感，密度和木材類似，還有防潮，防蟲(chóng)蛀，阻燃，無(wú)需油漆等優(yōu)于木材的特點(diǎn)。
用于合成木材的原料有很多種，一般用無(wú)機(jī)或有機(jī)填料與粘合劑模壓制造。用于仿木材料的樹(shù)脂，常見(jiàn)的樹(shù)脂有聚氯乙烯，聚酯，聚氨酯，聚苯乙烯，ABS等，有機(jī)填料有天然纖維（稻草，秸稈與其它稈類，草類，麻類，竹絲等農(nóng)副產(chǎn)品粉碎物。）無(wú)機(jī)填料有硫酸鈣，石粉等。推廣以塑代木，特別是以廢變寶，綜合利用，可節(jié)省木材，保護(hù)資源和環(huán)境。
有少數(shù)仿木材料是高密度的混凝土，鋼鐵等，只是通過(guò)涂裝或者模制工藝，使之外表具有木紋或樹(shù)皮結(jié)構(gòu)，作為裝飾材料或欄桿等，不是真正意義上的合成木材，多數(shù)仿木材料可具有類似天然木材的密度，表面紋理，這些仿木材料大多具有微孔結(jié)構(gòu)，例如微孔聚氯乙烯，微孔聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料，有類似木材細(xì)胞結(jié)構(gòu)，可代替天然木材使用。
聚氨酯結(jié)構(gòu)泡沫塑料是非功過(guò)20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來(lái)的一種中高密度微孔材料。由于它具有很高的剛性和機(jī)械強(qiáng)度。成型工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，制品外形美觀，可替代木材用作各類高檔制品，深受用戶的歡迎，所以近期內(nèi)10年我國(guó)聚氨酯仿木材料在家具工業(yè)，裝飾工程等行業(yè)中發(fā)展迅速。
2、聚氨酯仿木材料的性能和用途
2.1聚氨酯仿木材料的性能特點(diǎn)
聚氨酯仿木材料，或者聚氨酯合成木材，從聚氨酯材料學(xué)科的角度來(lái)說(shuō)，是一類中高密度的結(jié)構(gòu)性硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料（簡(jiǎn)稱聚氨酯硬泡）。它具有微細(xì)泡孔結(jié)構(gòu)，具有比常規(guī)保溫用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料高得多的密度，密度通常高于0,2g/cm3(200kg/m3)，特殊的仿木材料密度也可低于這個(gè)值：大多數(shù)用于合成木材的聚氨酯結(jié)構(gòu)泡沫塑料，具有致密堅(jiān)韌的表皮，屬于整皮（或稱自結(jié)皮）硬質(zhì)泡沫塑料，致密的表皮使這種合成材料不僅具有木材的外觀和密度范圍，而且強(qiáng)度較高，不易擦傷，而制件的芯部可做到較低的密度，舅此可減輕制件重量，同時(shí)具有較高的整體強(qiáng)度：具有較高的抗壓強(qiáng)度，拉伸強(qiáng)度，抗沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，密度300——600kg/m3的聚氨酯泡沫塑料仿木材料，拉伸強(qiáng)度一般在6——25Mpa，彎曲強(qiáng)度8——80MPA，沖擊強(qiáng)度8——20KJ/M，壓縮強(qiáng)度5——20MPA；當(dāng)然，由于聚氨酯泡沫塑料的發(fā)泡方向強(qiáng)度的各向異性，大型制品內(nèi)部泡沫芯的縱向和橫向的強(qiáng)度不同，不過(guò)整皮硬泡制品的堅(jiān)硬表皮可消除這些差異；較低密度的聚氨酯仿木材料具有聚氨酯硬泡的高隔熱性能優(yōu)點(diǎn)；用于高承載場(chǎng)合的聚氨酯仿木材料，為了獲得較高強(qiáng)度，除適當(dāng)提高密度外，還可以用玻璃纖維或天然纖維等進(jìn)行增強(qiáng)，使得彎曲強(qiáng)度成倍提高；硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料具有閉孔的泡孔結(jié)構(gòu)，透氣性差，吸水率比較低，有研究表明密度0.5G/CM3的高密度聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料（150MM*150MM*40MM）的體積吸水率和質(zhì)量吸水率分別為0.93%和1.89%，然而木材吸水率較高，吸水后強(qiáng)度明顯下降。
聚氨酯仿木材料與然木材相比明顯的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)模具設(shè)計(jì)，模塑成型批量生產(chǎn)各種形狀，特別是具有雕刻花紋圖案的仿木雕制品，形態(tài)逼真，制品的重復(fù)模塑性能極為優(yōu)良，成型工藝簡(jiǎn)單，省時(shí)高效；外觀與性能與木材相近，強(qiáng)度可比天然木材高，密度可比天然木材低，可刨，鋸，釘，鉆；耐酸堿性和防腐性能優(yōu)良，另外在制造聚氨酯仿木材料時(shí)一般需要添加阻燃劑，材料具有阻燃性能，還有防蟲(chóng)蛀；若制造時(shí)添加所需顏色的色漿，制得地仿木材可無(wú)須油漆。
2.2聚氨酯仿木的應(yīng)用
仿木材料屬于聚氨酯結(jié)構(gòu)硬泡，可根據(jù)密度區(qū)分三大類制品：制品密度在150——400kg/m3的多用于非承重型裝飾材料，如建筑上的仿木雕裝飾條，裝飾板羅馬柱雕刻畫(huà)等工藝品，密度在400——600kg/M3的承重型結(jié)構(gòu)合成木材類，可用于制造桌椅，工業(yè)支架櫥柜，沙發(fā)腿，油畫(huà)框，鏡框，門(mén)，窗，花盆，衛(wèi)生間器具等。密度在大于600kg/m3整皮硬泡以及中高密度增強(qiáng)硬泡材料，可用于制造汽車門(mén)板，蓄電池箱，行李箱蓋，鐵道枕木，家電外殼，滑雪板。雪橇，高爾夫球桿等。
例如，聚氨酯仿木管托與常規(guī)木托產(chǎn)品相比具有吸水率低，隔熱性能低，阻燃性能好，不易腐爛，成本低的優(yōu)點(diǎn)，并且接縫緊密美觀，從根本上解決了管托與管道保溫主材一體化的問(wèn)題，簡(jiǎn)化了安裝工藝，北京建工集團(tuán)安裝機(jī)電公司等單位生產(chǎn)的仿木管托，自2000年以用于供熱系統(tǒng)，輸油聚氨酯保溫管道的支護(hù)。
3、聚氨酯仿仿木材料的原料體系以及制造工工藝
3.1原料體系及其原料對(duì)性能的影響
仿木材料是一種中高密度聚氨酯硬泡,這種聚氨酯結(jié)構(gòu)硬泡和普通聚氨酯硬泡一樣,是雙組分原料體系.其中組合聚醚組分(白料)同樣是以多官能度,高羥值的聚醚多元醇為主,并配有催化劑,發(fā)泡劑,勻泡劑,阻燃劑等助劑,異氰酸酯組分一般是粗MDI即PAPIA(多亞甲基多苯基多異氰酸酯)或者含有改性MDI的粗MDI,官能度以2.5左右較為適宜.
3.1.1聚醚多元醇
合聚醚預(yù)混料中，聚醚多元醇是主原料之一，它不僅影響組合聚醚的粘度等參數(shù)和發(fā)泡工藝，而且影響制品的物理性能，通常，在一定范圍內(nèi)，聚醚多元醇的平均官能度越高，所制得的聚合物交聯(lián)度越大，制品的機(jī)械性能和耐熱性能越高。但高官能度聚醚多元醇粘度大，組合聚醚粘度大，發(fā)泡料流動(dòng)性等工藝性能差，可能引起注模不均勻和制件缺陷。因此在仿木硬泡原料體系，一般在高官能度聚醚多元醇中摻入部分低粘度的低官能度聚醚多元（如聚醚二醇或聚醚三醇），它們的比例調(diào)整在一定的范圍，以高官能度聚醚多元醇為主，聚醚多元醇的平均官能度可控制在世界上3.5-4范圍,以使得組合聚醚即有良好的流動(dòng)性,硬泡制品具有良好的性能,若低官能度聚醚用量過(guò)大,制得的硬泡壓縮強(qiáng)度會(huì)降低,泡沫的后固化時(shí)間也將明顯增長(zhǎng),當(dāng)然,為了改善因添加低官能度聚醚造成的性能下降,提高硬度,也可以加入低分子量多元醇或者胺類擴(kuò)鏈劑,其加入量應(yīng)控制在此10%以下,也有報(bào)道采用特制的具有較低粘度的單種聚醚多元醇制備聚氨酯仿木材料.
3.1.2發(fā)泡劑
聚氨酯發(fā)泡過(guò)程中手忙所用的發(fā)泡劑可以分為物理發(fā)泡劑和化學(xué)發(fā)泡劑劑兩大類,物理發(fā)泡劑是低沸點(diǎn)化合物,如CFC-11.HCFC-141B.環(huán)戊烷，化學(xué)發(fā)泡劑一般是水，對(duì)于仿木物品，導(dǎo)熱系數(shù)不是考慮因數(shù)，不使用物理發(fā)泡劑，僅用水發(fā)泡也能制得高密度硬泡，但也需控制聚醚多元醇等所帶入的水份，水含量過(guò)高引起制品密度降低，強(qiáng)度降低，并且可能因?yàn)樗c異氰酸酯反應(yīng)放熱不易控制而引起泡沫燒芯和開(kāi)裂。并且單獨(dú)用水作發(fā)泡劑，在制品的表皮出現(xiàn)泡孔和孔洞，模塑制件沒(méi)有明顯的密度梯度，表皮強(qiáng)度較低，實(shí)用性較差。所以一般控制水份在較低的水平，例如0.15%左右，另外添加低沸點(diǎn)的物理發(fā)泡劑。
發(fā)泡劑（包括水）的用量宜根據(jù)制品聽(tīng)密度要求，是否需要致密的表皮進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)模塑發(fā)泡試驗(yàn)決定。
添加物理發(fā)泡劑的優(yōu)點(diǎn)，降低組合聚醚的粘度，提高發(fā)泡料的流動(dòng)性，調(diào)整和控制泡沫制品的密度和性能。形成致密的表皮。制造自結(jié)皮或者整皮硬泡原理是：在密閉模腔內(nèi)成型時(shí)泡沫放熱反應(yīng)使物料溫度升高，但靠近模具的物料溫度較低，以及低沸點(diǎn)發(fā)泡劑壓力效應(yīng)而冷凝，使得表皮沒(méi)有泡孔，靠近表皮的泡沫塑料也極其微細(xì)，密度較高，因而形成芯密度低到表皮密度高的密度梯度。這對(duì)生產(chǎn)承載的以及光滑表面的仿仿木材料特別重要。
CFC-11因?yàn)閾p傷臭氧層而逐漸被禁用，目前可用HCFC-141B，環(huán)戊烷以及復(fù)配的低沸點(diǎn)發(fā)泡劑生產(chǎn)整皮仿木聚氨酯硬泡。
當(dāng)然也可不用物理發(fā)泡劑生產(chǎn)仿木硬泡，例如日本專利特開(kāi)平8-41154以及特開(kāi)平8-12880介紹，采用全水發(fā)泡制造仿木材聚氨酯硬泡，每100份聚醚使用0.8份水，且用1——50份二氧化鈦或者1-10份的微細(xì)木粉作填料，硬泡制品具有良好均勻的外觀。在其表面可用丙烯酸聚氨酯涂料進(jìn)行涂裝，得到仿木材料。而不用填表料填料制得的硬泡表面不均勻。
3.1.3催化劑
在聚氨酯泡沫塑料生產(chǎn)中，催化劑的選擇和添加是十分重要的,選擇不同催化劑品種和數(shù)量可有效調(diào)節(jié)物料的流動(dòng),發(fā)泡和凝膠過(guò)程.雖然對(duì)于高密度硬泡,催化劑調(diào)節(jié)發(fā)泡反應(yīng)的平衡不如低密度硬鐋重要,但對(duì)于仿木制品的模塑生產(chǎn)來(lái)說(shuō),應(yīng)選擇反應(yīng)速度適中,乳白時(shí)間長(zhǎng),后期固化速度快的催化劑,即使得發(fā)泡時(shí)物料具有較強(qiáng)的流動(dòng)能力,又能在充模后快速固化,具有較短的脫模時(shí)間,提高生產(chǎn)效率，一般采用復(fù)合延遲性胺類催化劑。
3.14阻燃劑
作為家具，裝飾品等制品的合成木材，使用阻燃劑以獲得良好的阻燃性能。固態(tài)粉末狀阻燃劑與組合聚醚的相容性較差，使得物料的粘度大幅度增加，并且對(duì)高壓發(fā)泡機(jī)計(jì)量泵等有一定的磨損作用，較少使用。液態(tài)磷系阻燃劑包括鹵代磷酸酯阻燃劑等聚氨酯泡沫常用的阻燃劑都可以用，以含磷量較高的甲基膦酸二甲酯（DMMP）阻燃效果最好，添加量在4.5%——5.0%即可使氧指數(shù)達(dá)到了26以上。低粘度液態(tài)阻燃劑可明顯降低組合聚醚的粘度。但同時(shí)對(duì)制品具有增塑效果，過(guò)量使用非但阻燃性能沒(méi)有明顯有繼續(xù)改善，而且降低材料的硬度和強(qiáng)度?？衫貌煌枞紕┲g的協(xié)同效應(yīng)，復(fù)配使用兩種或兩種以上的阻燃劑。也可有機(jī)液態(tài)阻燃劑與無(wú)機(jī)粉末阻燃劑并用，降低成本，并使制品獲得低煙，高阻燃性能。青島聯(lián)美化工公司推出仿木家具，結(jié)構(gòu)泡沫專用阻燃劑FR——708，為無(wú)色低粘度液體，據(jù)稱特別適用于聚氨酯高密度的仿木制品中，與聚醚多元醇具有良好的相容性，尤其適合于家具中結(jié)構(gòu)復(fù)以及雕刻花紋的模具充填：每100份添加8——15份的FR-708就可達(dá)到不同阻燃等級(jí)的要求。不少含鹵阻燃劑在組合聚醚中遇堿性胺類催化劑會(huì)緩慢水，影響組合料的儲(chǔ)存穩(wěn)定性，使用時(shí)必須注意。
3.1.5勻泡劑及其它助劑
目前使用的硬泡勻泡劑既泡沫穩(wěn)定劑是聚醚與聚硅氧烷的共聚物，產(chǎn)品種類牌號(hào)多。不少勻泡劑可用于高密度硬泡生產(chǎn)。勻泡劑不僅起調(diào)節(jié)泡沫孔徑的大小，還在組合聚醚預(yù)混合和發(fā)泡反應(yīng)過(guò)程起混合乳化作用，提高組合聚醚與異氰酸酯的相容性，使物料更加均勻，改善流動(dòng)性。能有效消除泡沫表面的針孔現(xiàn)象，提高制品的成品率。用量一般在1.5%——2.0%。
有些仿木產(chǎn)品可在原料中加入色漿，這樣就免去制品后涂裝工序。并且在模塑制品時(shí)，若使用有機(jī)硅脫模劑，成品需對(duì)表面進(jìn)行清理，去除有機(jī)硅膜后方可涂裝，比較費(fèi)事。
為了防止防木材料的老化和變色，可加入防老化劑和光穩(wěn)定劑。
另外為了獲得更高強(qiáng)度，可以使用玻璃纖維等材料制造增強(qiáng)結(jié)構(gòu)泡沫，使仿木產(chǎn)品具有較高的承載性能。
3.2制造工藝以及注意事項(xiàng)
3.2.1物料粘度
仿木材料一般采用模塑成型工藝生產(chǎn)，有的采用反應(yīng)成型（RIM）或反應(yīng)注射成型（RRIM）工藝生產(chǎn)，物料的流動(dòng)性比較重要。一般來(lái)說(shuō)，物料粘度越低流動(dòng)性越好，易充模。異氰酸酯組份粘度一般在500mpa.s以下：組合聚醚組分粘度一般小于1000mpa.s，以低于500mpa.s為宜。兩組分粘度不能相差太大，否則用機(jī)器發(fā)泡配比出現(xiàn)偏差，而且物料混合不一定很均勻。
3.2.2整皮發(fā)泡
通常自由發(fā)泡的泡沫密度比模塑發(fā)泡的密度要低，聚氨酯泡沫塑料若采用物理發(fā)泡劑，并且由于模具溫度比反應(yīng)物料溫度低，模具限制泡沫的過(guò)分膨脹使得模腔內(nèi)存在一定的壓力，因此表皮到芯存在由高到低的密度梯度。若有意增加充填系數(shù)，并且調(diào)節(jié)發(fā)泡劑的用量和模具溫度，則制得表面光滑致密的整皮泡沫塑料。聚氨酯仿木材料，大多采用這種整皮發(fā)泡技術(shù)。整皮硬泡具有較高密度的堅(jiān)硬表皮層和低密度泡沫芯。對(duì)于相同的原料，充填系數(shù)越高，則表皮以及附近的密度越高，形成較厚的硬表皮層，表面致密，總體密度較高，材料的強(qiáng)度也較高。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)制品用途，密度要求，來(lái)選擇物料充填系數(shù)。對(duì)普通低密度裝飾性制品，充填系數(shù)可在2——2.5之間。而對(duì)于有一定強(qiáng)度要求的中高密度制品，充填系數(shù)選擇在２．５——３之間，而對(duì)于承載系數(shù)要求較高的制品，充填系數(shù)選擇3——4之間，但充填系數(shù)不能太高，否則發(fā)泡壓力過(guò)大。對(duì)模具耐壓要求很高。
3.2.3澆注發(fā)泡工藝和模具
聚氨酯泡沫塑料低壓發(fā)泡機(jī)和高壓發(fā)泡機(jī)都可用于仿木材料的生產(chǎn)。首先，物料必須混合均勻，對(duì)于手工發(fā)泡試驗(yàn)和低壓發(fā)泡生產(chǎn)，攪拌速度必須足夠高，對(duì)于高壓機(jī)，必須達(dá)到一定的注射壓力使物料迅速?zèng)_擊混合均勻。需在物料開(kāi)始乳白之前注入模具。料溫影響乳白時(shí)間，凝膠時(shí)間等發(fā)泡參數(shù)，也影響物料流動(dòng)性，必須穩(wěn)定控制；模溫也影響發(fā)泡參數(shù)，并且還影響制品的表皮質(zhì)量以及表皮厚度，較低而適宜的模溫可減少制品表面的不規(guī)則氣泡。得到光滑無(wú)泡孔的殼層。
對(duì)于大型制品采用敞模澆注生產(chǎn)，使用移動(dòng)式混合頭，首先澆灌花紋圖案復(fù)雜，形腔較深的部位。盡量減少物料流動(dòng)距離，又能夠充滿模具。小型制品則應(yīng)采取閉模澆灌的方式，可采用高壓發(fā)泡機(jī)RIM工藝生產(chǎn)。
模具的設(shè)計(jì)應(yīng)符合聚氨酯泡沫塑料制品的一般原則，如模具需有足夠的耐壓性能，表面光潔，設(shè)計(jì)脫模斜度和圓角，避免料流死角，設(shè)置位置和大小合理的排氣孔等。對(duì)于生產(chǎn)仿木雕花家具，床頭部件，尤其是些華貴典雅的的工藝裝飾品一般不使用金屬模具，因?yàn)榻饘倌＞弑恐?，操作不便，而且表面效果較差，制作更新模具費(fèi)用高，耗時(shí)長(zhǎng)。樹(shù)脂模具具備翻模速度快，工藝簡(jiǎn)單翻模木紋紋理清晰，圖案逼真的特點(diǎn)，能很好的適應(yīng)市場(chǎng)需要，有利于及時(shí)推出新產(chǎn)品。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，制作花紋細(xì)膩模具的材料最好是硅樹(shù)脂，環(huán)氧樹(shù)脂材質(zhì)的模具也可。利用硅樹(shù)脂模具生產(chǎn)仿木材料，成型好，還無(wú)需噴施脫模劑。
若采用增強(qiáng)材料生產(chǎn)特殊仿木制品，可按照增強(qiáng)反應(yīng)注射成型工藝執(zhí)行。既可預(yù)先把玻璃纖維氈放入模具中，也可添加短玻璃纖維或者其它增強(qiáng)材料。需注意添加增強(qiáng)填料降低物料的流動(dòng)性，以保證產(chǎn)品的成率。
4、結(jié)束語(yǔ)
聚氨酯仿木材料是一類具有優(yōu)良性能的合成木材。因?yàn)榫郯滨ゲ牧显虾团浞浇M合的多樣性，所以仿木材也可根據(jù)具體用途進(jìn)行性能的設(shè)計(jì)調(diào)整，聚氨酯結(jié)構(gòu)硬泡可從液態(tài)原料模制成型一些凹凸形狀的仿木制件，可批量生產(chǎn)仿木雕刻產(chǎn)品，成型工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率比真木雕制品高得多。還可用玻璃纖維等增強(qiáng)，制成高性能復(fù)合仿木材料，推廣使用這類仿木材料，不僅可得到美觀實(shí)用的工藝品，工業(yè)和民用制品。同時(shí)可達(dá)到節(jié)省木材，保護(hù)森林和生態(tài)環(huán)境的目的。
