CN100999610A - 木塑复合材料组合物及成型板以及它们的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种木塑复合材料组合物,该组合物含有木粉和树脂,其中,该组合物还含有粒子直径不大于100纳米的纳米颗粒。本发明提供的木塑复合材料由于含有纳米颗粒,用常规木塑复合材料加工设备即可获得硬度大于56HRR、热变形温度高达105℃的木塑复合材料及成型板。由本发明提供的木塑复合材料制得的成型板可广泛用于建筑、运输、包装、家庭装饰及日用品市场。

Description

木塑复合材料组合物及成型板以及它们的制备方法
技术领域
本发明是关于一种复合材料,尤其是关于一种木塑复合材料组合物、含有该组合物的成型板及其制备方法。
背景技术
近年来,由于全球环境保护而要求确保森林资源以及木材成本的高涨,以及为了对付对木材制品感觉根深蒂固的潜在需要,已着手研制能代替木材应用在家具和日用品上的复合材料以及使用复合材料制得的合成木板,以便得到与天然木材相近的表面性质。例如,CN 1032694C中公开了一种反应型木粉聚氨酯泡沫材料的合成方法,该方法包括在催化剂存在下,在90-125℃下使木粉与聚醚反应,制成木粉聚醚,然后将木粉聚醚与多异氰酸酯发泡得到反应型木粉聚氨酯泡沫材料,其中,所述聚醚可以是山梨糖醇系聚醚,所用木粉为颗粒直径为74-175微米的白松、红松、杨木、椴木、桐木的锯末、刨花、木屑,木粉与聚醚的重量比为1∶2-9。
CN 1128053C公开了一种塑木型材成型工艺及设备,其特征在于,该型材的原料配方包括30-80重量份聚乙烯、20-70重量份植物纤维粉末、0.1-0.5重量份硬树脂、0.1-2.0重量份聚乙烯蜡、0.1-0.5重量份抗氧剂以及1-5重量份增强改性剂,其工艺流程包括将上述配方按所有原料计量后,首先把植物纤维粉末放入高速混合机内进行搅拌升温,用动态干燥工艺将植物纤维粉术中的水分脱除,终点温度范围为90-100℃,然后加入聚乙烯树脂及其它组分,继续搅拌,进行二次升温至100-120℃,然后将物料排入低速混合机中,冷却至40℃以下,然后用料筒螺带式搅拌在整个生产过程中不间断的上下翻动物料使物料不分层,然后使物料再次干燥,干燥好的物料进入锥形双螺杆挤出机塑化、从模具挤出成型,然后冷却定型,当型材达到预定长度后,自动切割。
上述木塑复合材料是通过木粉与塑料(即合成树脂)复合得到的材料,这种材料性能主要受塑料性能的制约。木粉含量高时,由于木粉在流动时摩擦阻力大,使得加工时的物料流动性低,造成生产效率低等。同时由于木材在高温下会分解炭化,所以不可能通过采取通过提高加工温度的方法加以解决。为了达到生产目的,目前在木塑复合材料的加工中通常采用的是聚乙烯和聚丙烯酸甲酯等熔点温度较低的塑料。但用这些塑料所制成的木塑复合材料往往强度较低,不能作为结构材料使用。为了使木塑复合材料具有更广泛的应用范围,就必须采用本身具有较高物理力学性能的塑料作为流动载体。但这些种类的塑料却存在加工温度高等问题。而且木粉和树脂材料的相容性差,使得包含在成型的合成木板内的木粉的成分不均匀,结果造成密度不均匀,使得复合材料的加工性能和材料力学强度都受到很大影响。
为此,CN 1116154C公开了一种合成木粉及其方法和装置及其合成木板和成型方法和装置,所述合成木粉包括45-70重量%的含水率0.1-0.3重量%、平均粒径为20目以下的纤维素质碎料和30-55重量%的热塑性树脂材料混合,形成粒径为10毫米以下的凝胶状混合物。所述合成木粉的制造方法包括将由45-70重量%经搅拌叶冲击叶片混合时产生的摩擦热干燥至含水率为0.1-0.3重量%、平均粒径20目以下的纤维素质碎料干燥后加入30-55重量%的热塑性树脂材料一起用搅拌和冲击叶片混合制成混合物,借助摩擦热混炼使所述干燥纤维素质碎料混入所述树脂中形成凝胶状混合物,然后冷却、粉碎和整粒该混合物使混合物颗粒的粒径为10毫米以下。该专利是通过粉碎机内的球体摩擦力的粉碎作用,将木粉的粗糙边缘、凸出部位和须状纤维改变成球星或近似球形的颗粒,以改进成形木粉的流动性和分散性。也就是说,该专利是通过对加工设备的改进来提高木粉的流动性、分散性和木粉与树脂的相容性,例如,通过在装置的导入部分加热挤压材料,以使挤压材料保持流动性和合适的混炼状态;在成形室的内壁表面包含着由阻力系数小的氟树脂形成的内层,使挤压材料中的纤维素质碎料可以光滑地流动而不会受到大的阻力。用该方法制得的合成木板的机械性能非常好。但必须采用结构非常复杂且价格昂贵的装置才能使合成木板具有好的机械性能。
综上所述,目前市场上需要一种价格低廉、对加工设备要求低且力学性能良好的木塑复合材料。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的木塑复合材料组合物对设备要求高的缺点,提供一种对设备要求低且力学性能优良的木塑复合材料组合物及含有该组合物的成型板。
本发明人意外地发现,通过在木粉和树脂的混合物中加入纳米级材料,可以大大提高木粉的流动性以及木粉与树脂之间的相容性,从而使所得木塑复合材料的延展性提高,同时材料的抗拉强度、稳定性、热变形温度和硬度度均得到提高。究其原因,可能是由于纳米颗粒表面严重的配位不足,使得纳米颗粒表现出极强的活性,能与大分子发生键合作用,提高了分子间的键力,从而使添加纳米颗粒的复合材料的硬度、韧性大幅度提高。而由于纳米颗粒的高流动性和小尺寸效应,使得复合材料的延展性提高、摩擦系数减少、材料光洁度大大改善。
本发明提供了一种木塑复合材料组合物,该组合物含有木粉和树脂,其中,该组合物还含有粒子直径不大于100纳米的纳米颗粒。
本发明提供了一种木塑复合材料组合物的制备方法,该方法包括将含有木粉和树脂的混合物塑化造粒,其中,该混合物还含有粒子直径不大于100纳米的纳米颗粒。
本发明提供了一种木塑复合材料组合物成型板,其中,所述木塑复合材料组合物为本发明提供的木塑复合材料组合物。
本发明还提供了一种木塑复合材料组合物成型板的制备方法,该方法包括将木塑复合材料组合物成型成板状,其中,所述木塑复合材料组合物为本发明提供的木塑复合材料组合物。
本发明提供的木塑复合材料由于含有纳米颗粒,用常规木塑复合材料加工设备即可获得硬度大于56HRR、热变形温度高达105℃的木塑复合材料及成型板。由本发明提供的木塑复合材料制得的成型板可广泛用于建筑、运输、包装、家庭装饰及日用品市场。由于本发明是利用纳米颗粒改进木粉的流动性和木粉与树脂之间的相容性,因此本发明所述木塑复合材料中木粉的含量可以大大提高。以木塑复合材料的总量为基准,木塑复合材料中木粉的含量可以高达85重量%,从而使得本发明的复合材料的各项性能更接近于天然木材的性能,而且生物可降解性也得于大大提高,降低对环境的污染。
具体实施方式
本发明提供了一种木塑复合材料组合物,该组合物含有木粉和树脂,其中,该组合物还含有粒子直径不大于100纳米的纳米颗粒。
由于本发明中的复合材料是利用纳米粒子的高流动性、小尺寸效应以及能与大分子发生键合作用的性能使添加纳米颗粒的复合材料的硬度、韧性大幅度提高。因此本发明中,所述纳米颗粒可以是各种具有纳米粒子通性的纳米颗粒。而且,本发明中,纳米颗粒的粒径越小,越有利于实现本发明的目的,但由于直径更小的纳米颗粒很难获得,因此本发明优选粒子直径为10-100纳米的无机纳米粒子,如碳酸钙、硅藻土云母、滑石粉、沉淀硫酸钡、高岭土、空心玻璃微珠中的一种或几种。本发明对纳米颗粒的含量没有特别要求,只要能与木粉和树脂有效配合即可。优选情况下,以材料的总量为基准,所述材料中纳米颗粒的含量为0.5-15重量%,更优选为1-10重量%。所述纳米颗粒可以用各种方法得到,例如可以商购得到,也可以用各种方法制备得到。尽管CN 1116154C中也提到可以在合成木粉中加入碳酸钙,但在该文献中明确表示碳酸钙是用于使合成木板具有适当的尺寸稳定性,以显著减小因温度变化造成的膨胀和收缩,从而防止成型制品在挤压成型时变形,所用碳酸钙为树脂材料中常用的常规碳酸钙,对粒度没有任何限定。
由于本发明是利用纳米颗粒改进木粉的流动性和木粉与树脂之间的相容性,因此本发明所述木塑复合材料组合物中木粉的含量可以大大提高。以木塑复合材料组合物的总量为基准,木塑复合材料组合物中木粉的含量可以高达85重量%,从而使得本发明的复合材料的各项性能更接近于天然木材的性能,而且生物可降解性也得于大大提高,降低对环境的污染。优选情况下,以木塑复合材料组合物的总量为基准,木粉的含量为40-85重量%,更优选为45-80重量%;树脂的含量为10-55重量%,更优选为15-50重量%。
本发明中,所述木粉可以是各种纤维素质碎料,常用的如颗粒直径为20-300微米的白松、红松、杨木、椴木、桐木的锯末、碎屑、竹屑、农作物秸秆粉、稻麦壳粉、豆类、玉米淀粉、棉花果壳、坚果硬壳、椰壳中的一种或几种。所述木粉可以用各种方法得到,例如用各种废弃木料粉碎后得到。优选木粉的含水率低于5重量%。可以用各种方法将木粉的含水率降低至5重量%以下。
所述树脂可以各种热塑性树脂,如聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯(PC)、聚氨酯(PU)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、苯己烯-丙烯晴-丁二烯共聚物(ABS)、聚丙烯腈(AS)、尼龙中的一种或几种。所述树脂可以用各种方法得到,例如可以是各种废弃成型的热塑性树脂制品中回收得到,也可以是新的热塑性树脂材料,也可以是二者的混合物。优选所述树脂的重均分子量为50000-500000。
优选情况下,本发明所述木塑复合材料组合物还可以含有偶联剂,所述偶联剂为能够增加木粉、纳米颗粒、树脂之间亲和力(相容性)的物质。本发明中,所述偶联剂可以是各种具有两性结构的物质,如硅烷类、铝酸酯、钛酸酯、铝钛酸酯中的一种或几种。本发明具体实施方式中优选所述偶联剂为硅烷类偶联剂、钛酸酯类偶联剂、铝酸酯偶联剂、铝钛酸酯类偶联剂或者它们的混合物,所述偶联剂能与木粉反应,降低木粉的自聚性,提高木粉的分散性,这样在加工过程中,性质非常不同的木粉和树脂之间可以进行紧密结合。而且铝酸酯或钛酸酯还能防止纳米颗粒粒子的团聚,使纳米颗粒达到最佳分散效果。所述偶联剂的含量为常规偶联剂的量即可。以木塑复合材料组合物的总量为基准,所述偶联剂的含量优选为0-10重量%,更优选为0.5-5重量%。
此外,本发明所述木塑复合材料组合物还可以含有其它各种添加剂,如增塑剂、中和剂、抗氧剂、光/热稳定剂、光氧化剂、防雾剂、阻燃剂、抗静电剂、润滑剂、颜料、发泡剂中的一种或几种。所述增塑剂可以是各种能够增加复合材料塑性的物质,如环氧大豆油、山梨糖醇、甘油、季戊四醇中的一种或几种。所述中和剂可以是各种能够中和木醋酸气的物质,如尿素或尿素水溶液,所述尿素水溶液优选为含有氨、苯酚、三聚氰胺的尿素水溶液,溶液的浓度可以是5-50重量%。所述中和剂的量优选为木粉重量的0.5-2重量%。所述抗氧剂可以选自四(3-(3′,5′-二叔丁基-4′-羟基苯基)丙酸季戊四醇酯(简称抗氧剂1010)、硫代二丙酸二硬脂酸酯(简称抗氧剂DSTP)、亚磷酸酯类、复合抗氧剂PKY、双酚A中的一种或几种。光/热稳定剂可以选自UV-系列光/热稳定剂、炭黑、有机锡类光/热稳定剂、亚磷酸三壬基苯酯(TNPP)、环氧大豆油中的一种或几种。其中,UV-系列光/热稳定剂可以是α-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮(简称UV-531)。所述有机锡类光/热稳定剂可以选自二月桂酸二丁基锡、二硫代乙醇异辛酯二甲酯基亚乙基锡(简称酯基锡)、酯基锡RWS-784、双(硫代甘醇酸异辛酯)二正辛基锡(简称京锡8831)、二马来酸二丁基锡、硫代甘醇异辛酯二丁基锡中的一种或几种。所述润滑油可以选自液体石蜡、石油醚中的一种或几种。润滑油用于降低物料与设备之间的摩擦,有利于脱模。所述颜料可以是二氧化钛、氧化铁红、孔雀绿、钴蓝中的一种或几种。所述发泡剂可以选自化学发泡剂、物理发泡剂,所述化学发泡剂可以是偶氮二甲酚胺、偶氮二异丁腈中的一种或几种,所述物理发泡剂可以是小苏打、二氧化碳中的一种或几种。上述各种添加剂的种类和用量的选择已为本领域技术人员所公知,例如,以木塑复合材料组合物的总量为基准,上述其它添加剂的含量优选为0-20重量%。
本发明提供了一种木塑复合材料组合物的制备方法,该方法包括将含有木粉、树脂的混合物塑化造粒,其中,该混合物还含有粒子直径不大于100纳米的纳米颗粒。
优选情况下,所述组合物还含有0-10重量%的偶联剂,所述偶联剂用于增加木粉、树脂、纳米颗粒之间的相容性。本发明对上述物料的加料顺序没有特别的限定,优选情况下,所述偶联剂先与木粉混合,得到活性木粉,然后将所得活性木粉再与树脂混合。对纳米颗粒、其它各种添加剂的加料顺序没有特别的要求。更优选情况下,所述偶联剂先分别与木粉、纳米颗粒混合,得到活性木粉、活性纳米颗粒,然后将所得活性木粉、活性纳米颗粒再与树脂混合。可以先将形成木塑复合材料组合物的物料在高速搅拌机中混合均匀,然后再转入到双螺杆挤出机中塑化、造粒。所述在高速搅拌机中的混合条件优选为:混合温度80-135℃、混合时间为1-50分钟;所述在双螺杆挤出机中塑化造粒的条件优选为:双螺杆挤出机的长径比优选为20-64,螺杆转速优选为5-50转/分钟,所述双螺杆挤出机的温度高于树脂的熔点温度,优选为140-200℃。
本发明提供了一种木塑复合材料组合物成型板,其中,所述木塑复合材料组合物为本发明提供的木塑复合材料组合物。
本发明还提供了一种木塑复合材料组合物成型板的制备方法,该方法包括将木塑复合材料组合物成型成板状,其中,所述木塑复合材料组合物为本发明提供的木塑复合材料组合物。可以采用各种方法将木塑复合材料组合物制成成型板。由木塑复合材料组合物制成成型板的具体操作已为本领域技术人员所公知,在此不再赘述。尽管本发明提供了木塑复合材料组合物的制备方法以及用木塑复合材料组合物制备成型板的方法,但本领域技术人员可以理解的是,可以将本发明提供的形成木塑复合材料组合物的各种物料塑化后直接制成成型板,从而节省造粒的步骤。
本发明通过在形成木塑复合材料组合物的组合物中引入的少量纳米颗粒,使得木塑复合材料组合物的加工性能、热稳定性和复合材料的硬度得到明显的改善,同时还可以大大提高木粉在组合物中的比例,从而提高材料的生物降解性。在相同木粉与树脂比例时还可以利用纳米颗粒的尺寸效应、大比表面面积和强界面结合等独特性质制成具有一般木塑复合材料组合物所不具备的较高综合性能新型结构材料。
下面的实施例将对本发明做进一步的说明。
实施例1
本实施例用于说明本发明提供的木塑复合材料组合物及其制备方法。
将55重量份木粉(粒子直径为100-200微米的刨花)在120℃温度下烘干后与1.2重量份铝钛酸酯偶联剂在高速搅拌机中以115℃高速混合15分钟,然后与3重量份纳米碳酸钙(粒子直径为50-100纳米)、35重量份聚丙烯(重均分子量为250000)、4重量份环氧大豆油、1.8重量份抗氧剂1010在115℃高速混合20分钟,得到均匀的物料,将所得物料转入φ65/132锥型双螺杆挤出机中进行塑化、双螺杆挤出机中各区段的加热温度分别为155℃、165℃、175℃、180℃、175℃;压力为9-15兆帕、螺杆转速为15转/分钟;物料在上述挤出机的螺杆与筒体中,经过熔融、剪切、分散、反应、压缩、排气、塑化、再经模头挤出,制得本发明所述木塑复合材料组合物成型板。
实施例2
本实施例用于说明本发明提供的木塑复合材料组合物及其制备方法。
将60重量份木粉(粒子直径为100-200微米的刨花)在120℃温度下烘干后与5重量份铝酸酯偶联剂在高速搅拌机中以95℃高混合10分钟,然后与10重量份纳米硅藻土云母(粒子直径为30-80纳米)、20重量份聚乙烯(重均分子量为350000)、4重量份季戊四醇、1重量份浓度为50重量%的尿素水溶液在85℃高速混合50分钟,得到均匀的物料,将所得物料转入φ65/132锥型双螺杆挤出机中进行塑化,双螺杆挤出机中各区段的加热温度分别为155℃、165℃、175℃、180℃、175℃;压力为9-15兆帕、螺杆转速为20转/分钟;物料在上述挤出机的螺杆与简体中,经过熔融、剪切、分散、反应、压缩、排气、塑化后,再经模具成型、切割后,得到本发明所述成型板。
实施例3
本实施例用于说明本发明提供的木塑复合材料组合物及其制备方法。
将75重量份木粉(粒子直径为100-200微米的桐木屑)在115℃温度下烘干后与5重量份纳米滑石粉(粒子直径为50-100纳米)、20重量份PET(重均分子量为300000)在115℃高速混合10分钟,得到均匀的物料,将所得物料转入φ65/132锥型双螺杆挤出机中进行塑化,双螺杆挤出机中各区段的加热温度分别为150℃、160℃、175℃、185℃、175℃;压力为9-15兆帕、螺杆转速为35转/分钟;物料在上述挤出机的螺杆与筒体中,经过熔融、剪切、分散、反应、压缩、排气、塑化、挤出后,得到本发明所述木塑复合材料组合物成型板。
实施例4
本实施例用于说明本发明提供的木塑复合材料组合物及其制备方法。
将55重量份木粉(粒子直径为100-200微米的刨花)在120℃温度下烘干后与2重量份钛酸酯偶联剂在高速搅拌机中以135℃高速混合10分钟,然后与1重量份纳米空心玻璃珠(粒子直径为50-100纳米)、35重量份聚氯乙烯(重均分子量为250000)、4重量份环氧大豆油、3重量份抗氧剂DSTP在125℃高速混合20分钟,得到均匀的物料,将所得物料转入φ65/132锥型双螺杆挤出机中进行塑化、双螺杆挤出机中各区段的加热温度分别为150℃、160℃、170℃、180℃、170℃;压力为9-15兆帕、螺杆转速为45转/分钟;物料在上述挤出机的螺杆与筒体中,经过熔融、剪切、分散、反应、压缩、排气、塑化、挤出之后,再经模头挤出、切粒后,制得本发明所述木塑复合材料组合物成型板。
性能测试
将上述实施例1-4制得的成型板分别采用下述方法进行性能测试,测试结果如下表1所示。
(1)弯曲模量及抗弯强度试验:支点间隔100毫米,试验速度5毫米/分钟;
(2)硬度试验:直径为12.7毫米的钢球为施压元件,试验负荷为60千克力;
(3)含水率试验:将各测试片浸入纯水中,在25℃下放置24小时后测定测试片的质量变化(即含水率);
(4)拔钉强度:5毫米/分钟;
(5)抗变形温度:将上述成型板在105℃烘箱中放置3小时,观察成型板是否发生变形,如果不变形,则认为成型板的抗变形稳定不低于105℃。
表1
样品来源   静曲强度(纵向,兆帕)   弯曲弹性模量(纵向,兆帕)     抗变形温度(℃) 洛氏硬度(HRR) 含水率(%)   拔钉强度(千克力)
实施例1   57.8   4760     ≥105 55 0.4   456
实施例2   56.8   4680     ≥105 56 0.4   467
实施例3   55.5   4690     ≥105 56 0.4   458
实施例4   58.3   4750     ≥105 57 0.4   448
从上表1的结果可以看出,由本发明提供的木塑复合材料采用常规加工设备制得的成型板的各项性能就已经非常优异,完全符合成型板的需要。

Claims (15)

1、一种木塑复合材料组合物,该组合物含有木粉和树脂,其特征在于,该组合物还含有粒子直径不大于100纳米的纳米颗粒。
2、根据权利要求1所述的组合物,其中,以组合物的总量为基准,所述纳米颗粒的含量为0.5-15重量%,所述木粉的含量为40-85重量%,所述树脂的含量为10-55重量%。
3、根据权利要求2所述的组合物,其中,以组合物的总量为基准,所述纳米颗粒的含量为1-10重量%,所述木粉的含量为45-80重量%,所述树脂的含量为15-50重量%。
4、根据权利要求1所述的组合物,其中,所述纳米颗粒的粒子直径为10-100纳米。
5、根据权利要求4所述的组合物,其中,所述纳米颗粒选自碳酸钙、硅藻土云母、滑石粉、沉淀硫酸钡、高岭土、空心玻璃微珠中的一种或几种。
6、根据权利要求1所述的组合物,其中,所述木粉选自木材锯末、碎屑、竹屑、农作物秸秆粉、稻麦壳粉、豆类、玉米淀粉、棉花果壳、坚果硬壳、椰壳中的一种或几种;所述树脂选自聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯己烯-丙烯晴-丁二烯共聚物、聚丙烯腈、尼龙中的一种或几种。
7、根据权利要求1所述的组合物,其中,所述组合物还含有0-10重量%的偶联剂,所述偶联剂选自硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、铝钛酸酯偶联剂中的一种或几种。
8、根据权利要求1所述的组合物,其中,所述组合物还含有0-20重量%的添加剂,所述添加剂包括增塑剂、中和剂、抗氧剂、光/热稳定剂、光氧化剂、防雾剂、阻燃剂、抗静电剂、润滑剂、颜料、发泡剂中的一种或几种。
9、权利要求1木塑复合材料组合物的制备方法,该方法包括将含有木粉和树脂的混合物塑化造粒,其特征在于,所述混合物还含有粒子直径不大于100纳米的纳米颗粒。
10、根据权利要求9所述的方法,其中,所述混合物还含有0-10重量%的偶联剂,所述偶联剂选自硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、铝钛酸酯偶联剂中的一种或几种。
11、根据权利要求10所述的方法,其中,所述混合物的制备方法包括先将偶联剂分别与木粉和纳米颗粒混合,然后再与树脂混合。
12、根据权利要求11所述的方法,其中,所述偶联剂与木粉和/或纳米颗粒的混合条件为:混合温度80-135℃、混合时间为1-25分钟;所述与树脂混合的条件为:混合温度80-135℃、混合时间为5-100分钟。
13、根据权利要求9所述的方法,其中,所述塑化造粒在双螺杆挤出机中进行,挤出机的长径比为20-64,螺杆转速为5-50转/分钟,塑化造粒的温度为140-200℃。
14、一种木塑复合材料组合物成型板,其特征在于,所述木塑复合材料组合物为权利要求1-13中任意一项所述的木塑复合材料组合物。
15、权利要求14所述木塑复合材料组合物成型板的制备方法,该方法包括将木塑复合材料组合物成型成板状,其特征在于,所述木塑复合材料组合物为权利要求1-13中任意一项所述的木塑复合材料组合物。
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