木塑复合材料是指木质纤维和热塑性塑料混合熔 融后，经挤出、注塑、模压等加工工艺而制成的材料，简 称木塑［1-2］。具有可钉、可刨、可锯、可钻等较好的机械 加工性能，耐水防腐性能和环保性能［3-5］。以木塑复合 材料制作的家具在户外、阳台、厨房和浴室等潮湿多水 的环境里不会出现吸湿变形等问题［6-10］。
木塑挤出成型是木质纤维和热塑性塑料经预处理 后，利用挤出机对其进行混炼，并通过一定形状的口模 将其连续挤出及冷却成型的一种成型工艺［11-13］。采用 该成型工艺可大大提高型材的生产效率，容易实现自 动化、连续化生产［14-15］。木塑挤出分一步法挤出和两 步法挤出，造粒和挤出过程是否连贯完成是这两种方 法的主要区别，以一步法连贯完成挤出有利于节能，而 以两步法完成挤出则有利于工艺控制［16］。此外，近年 一种可区分表层和芯层材料的木塑共挤技术正逐渐兴 起［17-19］。目前挤出成型技术主要用于木塑复合地板、 木塑门窗、木塑建筑模板的制造［20-22］。
1挤出成型技术在木塑家具制造领域的优势
挤出成型技术应用于家具制造领域具有以下独特 优势:1）工艺简单。在保证挤出机料筒原料充足的情 况下，可实现家具部件的连续挤出，生产效率高。2）材 料利用率高。可根据家具部件长度对挤出制品进行截 取，减少材料浪费。3）易实现自动化生产。挤出成型 生产线设备类型精简，容易实现设备自动化；操作较简 单，所需操作人员较少；产品质量容易保证［23］。4 ）设备 易于保养维修。主要生产设备结构简单，后期维护保 养和修理也相对简单。挤出成型技术具有的这些优势 有利于推进木塑复合材料在家具方面的应用［24-26］。
2挤出成型技术对木塑家具性能的影响
挤出成型技术中工艺参数和模具设计是其关键技 术因素，会对基于挤出成型的木塑家具的性能产生重 要影响。
2.1 工艺参数对木塑家具性能的影响 工艺参数包括原料及添加剂的种类和用量、挤出 设备的温度压力和螺杆转速、冷却方式和速度等方面 的参数，对木塑家具部件能否成型及成型后性能的好 坏和表面质量等均具有影响［27-30］。木塑挤出成型技术 中所涉及的原料种类很多，其中添加剂占比小但对性 能影响大，如偶联剂、增塑剂、润滑剂、抗老化剂等会对 原料的混合、成型的难易、熔体的流动性、家具的耐久 性等产生影响；木塑挤出成型技术中挤出设备种类、机 头压力大小、螺杆转速高低、料筒和机头的温度都会对 家具部件的形状和性能等产生影响；木塑挤出成型技 术中采用的是热塑性塑料，家具部件依靠冷却定型，冷 却方式和速度会对家具产品的质量产生影响，如水的 流向与料流方向一致易造成流道堵塞，水量较小等会 造成挤出成型困难甚至不成型等［24,31］。木塑复合材料 挤出成型中的料筒温度控制系统因具有纯滞后、大惯 性等特点,引起了较多的关注,常使用BP神经网络PID 控制算法、ACPSO优化模糊PID控制算法来达到对其 精准高效的控制，最终提高木塑挤出制品的质量［32-33］。
对于木塑挤出而言，工艺参数会影响成型制品的 挤出质量和外观质量。若将木塑材料用于家具制造， 特别是用于承重部件如座面、靠背等，工艺参数和材料 质量会直接影响到家具的耐久性和外观性能。
2.2挤出模具对木塑家具性能的影响
挤出成型模具直接影响木塑家具产品的性能及家 具部件的尺寸和形状，要实现基于挤出成型的木塑家 具多样化，就必须先实现挤出型材截面的创新，优化对 异型材挤出模具的设计。
异型材挤出成型模具是一个比较复杂的系统，由 挤出模头和定型模头两部分组成。挤出模头中的口模 和定型模头对最终挤出制品的截面形状和尺寸起决定 作用［34］。但是口模的形状并不完全等同于挤出制品的 截面形状（见图1），而定型模头的形状和挤出制品的 形状几乎完全一样。针对挤出模具结构设计较复杂繁 琐的问题，已有采用有限元模拟物料在流道中的流动、 基于UG等软件的模具三维参数化设计、优化CAD在模 具设计中的应用等方法［35-39］。目前，挤出成型的异型 材截面主要可分为空腔或敞开口（见图2），形式已经 比较多样化。对某些截面形状进行创新，然后利用上 述软件技术进行模拟分析其可行性，最后应用在基于 挤出成型的木塑家具上，将有效拓宽木塑挤出型材在 家具上的使用范围。
3适用于挤出成型的家具
在家具制造中，具有一定截面形状和连续长度的 家具零部件符合挤出成型制品的特点，比如户外长椅、 木塑衣柜门等［40］。
3.1 具有金属框架结构的椅凳类木塑家具 椅凳类木塑家具在公园或者自然景区比较常见， 是当前木塑材料应用于家具制造比较典型的例子，其 制作充分利用了木塑材料的防腐耐水和挤出成型工艺 生产高效的优点。户外长椅主要由铁质或钢制的框架 和木塑条组成，将木塑条用螺丝等连接件固定在一定
形状的框架上即形成所需的木塑椅子（见图3a）,整体
结构简洁明了。这类木塑家具的变形和衍生均依赖金 属框架的变化，如既可简单地把金属框架加工成椅子 的尺寸和形式,然后安装上木塑条成椅（见图3b）,也
可把靠背处的金属框架按照人体工学加工出一定的弧 度，使木塑椅靠背的边条也相应呈一定的弧度（见图
3c）。椅凳类木塑家具对挤出木塑型材的利用比较简 单、直接，截面形状多为矩形，主要是长和宽尺寸的变 化，生产效率非常高。
3.2以木塑材料作为嵌板的柜类木塑家具
木塑衣柜移动门常采用框架嵌板结构，嵌板多是 由挤出成型加工而成的木塑波浪板（见图4b）。由于 采用挤出成型的中空结构，质量与同体积的其他材料 相比较轻，因而常用于移动门；并且具有不易变形，生 产成本低的特点，因而应用较为广泛。从木塑移动门 所用的木塑挤出型材的截面形状（见图4c）可以看出， 其厚度较小，为3~5 mm左右。
4优化设计
目前，木塑家具制造技术已获得较多应用，但对木 塑挤出型材的使用还比较有限，基于挤出成型技术的 家具结构和造型也受到一定的限制，给人以木塑家具 样式呆板，结构单一的印象。为此，本文基于挤出成型 技术对木塑家具进行优化设计。
4.1基于SPYNDI椅的截面形状优化设计
SPYNDI椅由波罗的海设计师Mindaugas Zilionis设 计（见图5），该椅可自由组合、变形，造型优美，体感舒 适，具有木质的质感和色彩；包含60根桦木胶合板制 作的木条，其设计灵感来自于人类的脊柱。由于用胶 合板生产制作，因此需完成开料、铣削、拼合等加工工 序，并且截面形状越复杂，铣削工艺也越复杂、繁琐，尺 寸稳定性和精确度也越难保证。为使椅子适合户外使 用，还需对拼合好的部件进行涂层防护。木塑材料虽 具有与桦木等木材不同的性质，不能完全替代木材，但 若使用木塑挤出成型技术制造这类家具，只需依截面 形状设计模具就可实现一次成型，不仅可提高生产效 率，减少材料浪费，降低生产成本，还实现了木塑家具 的创新，改善了生产工艺。
通过对SPYNDI椅分析发现,该椅之所以能够实现 如此多的组合变形是由于其零部件的截面形状。其部 件有一个长边A、一个短边B （见图5）,当以A+B+A+B+… +A+B形式组合时，可以形成直线形；当以A+A+… +A+A形式组合时，可以形成曲线型，从而实现了多样 化组合。若将该设计应用于木塑家具，可一定程度上 改变基于挤出成型的木塑复合家具结构单一的状况。 为便于木塑复合材料挤出成型，克服其在挤出机流道
以“圆缺”茶几、“树形阳台花架”和“方圆”木塑 休闲椅设计为例。“圆缺”茶几分别采用了适合直向 结合、转角结合、端头结合截面形状的木塑挤出型材 见图9），构成一定的曲线形状，造型优雅美观。“树形 阳台花架”的设计中，充分考虑了在阳台使用会面临 的潮湿问题，采用了适合直向结合、转角结合、斜向结 合和端头结合截面形状的木塑挤出型材。由于花架是 组装而成，为适应盆栽的不同高度，可自由调节花架间 的高度（见图10）。“方圆”木塑休闲椅采用了适合直 向结合、转角结合、端头结合截面形状的木塑挤出型材 见图11），用木塑挤出构件组合成椅子的框架结构，再 在座面上铺上软垫增加其舒适性。
5结语
在家具制造领域，木塑复合材料因其环保和优良 的性能越来越备受关注，其应用也变得更为广泛。挤 出成型作为木塑复合材料一种高效高产的生产技术， 将其运用到家具生产与制造中，可以推进木塑复合材 料在家具领域的发展和应用。本文结合实例对木塑家 具挤出型材的截面形状进行设计优化，希望能对家具 设计师们有所借鉴和启发。家具设计师在使用木塑复 合材料设计时，不仅需要考虑木塑家具的造型，还应考 虑木塑复合材料性质及其成型工艺，如此，才能设计出 优秀的木塑家具。亦希望挤出设备的设计特别是挤出 模具的设计能由此反向逆推，为木塑挤出型材在家具 制造领域的应用带来更多活力。
参考文献
[1] 肖泽芳,赵林波,谢延军，等•木材一 塑性塑料复合材料的进展J]. 东北林业大学学报, 2003（1）:39-41.
[2] 曹岩, 徐海龙, 郝建秀, 等. 混合木粉质量比对木塑复合材料性能的 影响[J].森林与环境学报,2018, 38（3）：284-289.
[3] 叶翠仙, 陈月琴, 邓邵平, 等. 热压工艺对木塑复合板表面性能及稳
定性的影响[J].森林与环境学报,2018, 38⑶：272-276.
[4] 栗越, 张京发, 易顺民, 等. 改性芳纶纤维增强木粉/高密度聚乙烯
复合材料的力学性能J复合材料学报,2019, 36（3）:638-645.
[5] 邓邵平，林姿，黄前辉，等•木粉热处理对WPC耐腐性能及力学性能
的影响[J].森林与环境学报,2017, 37(3) ：266-271.
⑹ 史振苇，丁筠，薛平，等.PVC木塑复合材料的耐热增强改性[J].工 程塑料应用, 2017, 45(4)：44-48.
[7] 衡小东.家具材料中塑料的应用现状及发展趋势[J].塑料工业,2019, 47(6)：155-158.
[8] 杨守禄，黄安香，章磊，等.木塑复合材料在绿色建筑中的应用[J]. 工程塑料应用, 2018, 46(1)：123-127.
[9] 许蓉蓉，贺雪梅.木塑复合材料在工业产品中的应用及研究进展[J]. 合成树脂及塑料, 2019, 36(1)：91-95.
[10] 蒲波.塑料类装潢材料在室内设计中的应用分析[J].塑料工业,2018, 46(2)：144-147.
[11] 王伟宏, 李春桃, 王清文. 木塑复合材料产业化现状及制造关键技 术[J].现代化工,2010, 30(1):6-10.
[12] 陈作炳，谢强，杜佳佳，等.PVC木塑单螺杆挤出机熔融段的熔融 过程[J].塑料,2015, 44(5):84-89.
[13] 蔡建臣, 蒋金云, 薛平, 等. 口模锥角对生物质复合材料自增强过 程的影响[J].塑料,2017, 46(1):90-92.
[14] 杨薇, 何小军, 陈志文. 木塑复合材料成型工艺及对其性能影响的 研究进展[J].科技视界,2016(24):315-316.
[15] 陈兴华.木塑复合材料挤出成型研究进展[J].应用化工,2011, 40⑹: 1092-1094, 1099.
[16] 李东方, 李黎, 李建章. 挤出温度和螺杆转速对木塑制品外观性能 的影响[J].木材加工机械,2012, 23(5):19-21.
[17] 黄润州, 梅长彤, 徐信武, 等. 皮层对皮-芯结构木塑复合材料性能 的影响[J].南京林业大学学报(自然科学版)，2017, 41(5):135-140.
[18] 刘彬,李彬,王怀栋，等.木塑复合材料应用现状及发展趋势[J].工 程塑料应用, 2017,45(1):137-141.
[19] Hao X, Yi X, Sun L, et al. Mechanical properties, creep resistance, and dimensional stability of core/shell structured wood flour/polyethylene composites with highly filled core layer[J]. Construction and Building Materials, 2019, 11(226):879-887.
[20] 黄东辉.双层共挤木塑复合地板的性能表征[J].工程塑料应用, 2013, 41(3):86-89.
[21] 泽雁.木塑复合共挤型材门窗[J].新型建筑材料,2001 (2):30.
[22] 郭壮, 宁顺成, 胡小强, 等. 关于木材为基材的复合式建筑模板研 究[J].建材与装饰,2019(1):25-26.
[23] 王清文.木塑复合材料制造与应用[M].北京:科学出版社,2018
[24] 赵忠玉.浅谈木塑复合材料挤出加工工艺参数对成型性能的影响[J]. 橡塑技术与装备, 2017, 43(2):50-52.
[25] 刘红燕.塑料加工成型技术现状及研究进展[J].合成树脂及塑料, 2017, 34(6):93-96.
[26] 周殿明.塑料成型技术[M].北京:机械工业出版社,2014:601.
[27] 曹键, 徐凯宏, 谷志新. 利用水环流装置解决木塑挤出机分段温度 耦合[J].中南林业科技大学学报,2014, 34(3): 123-126.
[28] 肖文飞，张新昌.挤出型生物质复合材料的制备工艺研究[J].轻工 机械, 2019, 37(5):72-76.
[29] 曹明浪, 张涛, 曹金星, 等. 亚临界流体挤出法制备高密度聚乙烯/ 木粉复合材料[J].高分子材料科学与工程,2017, 33(3):116-121.
[30] 高珣, 庞久寅. 木纤维的定向制备及其几何尺寸对木塑复合材力 学性能的影响[J].林产工业,2018, 45(7):18-23.
[31] 范涛.PVC木塑单螺杆挤出成型过程与试验研究[D].武汉:武汉理 工大学, 2017.
[32] 王紫薇，孙丽萍，王清文，等.木塑挤出机温度的BP神经网络PID 控制算法[J].木材加工机械,2016, 27(2):21-24.
[33] 牟彬杉，郝笑龙,王清文，等.多种木质原料化学成分对比[J].林产 工业, 2018, 45(8):28-32.
[34] 张建雨，冯刚，张朝阁，等.我国塑料异型材挤出技术研究概况[J]. 工程塑料应用, 2014, 42(5):125-129.
[35] 康树峰, 张维波, 杨迁, 等. 超高分子量聚乙烯异型材挤出工艺的 有限元分析[J].机械制造,2019, 57(4) :85-88.
[36] 郭凯, 郭顺生, 黄浪, 等. 塑料异型材挤出定型模三维参数化设计 方法[J].工程塑料应用，2018, 46(6):84-88.
[37] 胡延平，魏聪，程哲，等.基于UG的塑料异型材挤出模数字化系统 设计[J].模具工业,2018, 44(6) :13-17.
[38] 陈丽.计算机辅助系统在塑料异型材挤出成型中的应用研究[J]. 塑料工业, 2017, 45(10):69-72.
[39] 胡珊斓，何雪涛，谭晶，等.挤出口模有限元仿真研究进展[J].中国 塑料, 2017, 31(11):10-19.
[40] 吴依然，陈朝晖.木塑材料用于户外建筑及景观材料的工业设计[J]. 橡塑技术与装备, 2015, 41(10):56-60.
(责任编辑 张国萍)
教师用户
学生用户
企业用户
社会用户
VIP用户