CN101747639A - 一种木塑复合材料组合物和木塑复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种木塑复合材料组合物和木塑复合材料及其制备方法。所述木塑复合材料组合物,包括:木粉、树脂、相容剂、增强剂和偶联剂,所述相容剂为橡胶与马来酸酐的共聚物,增强剂为碱式硫酸镁晶须和/或玻璃纤维。本发明还公开了一种木塑复合材料及其制备方法,包括将上述木塑复合材料组合物挤出,得到挤出产物,再将所述挤出产物成型得到该木塑复合材料。本发明公开的木塑复合材料的力学性能高,韧性好。

Description

一种木塑复合材料组合物和木塑复合材料及其制备方法
【技术领域】
本发明公开了一种木塑复合材料组合物和木塑复合材料及其制备方法。
【背景技术】
木塑复合材料(Wood Plastics Composites,简称WPC)是由木粉或木纤维和热塑性聚合物复合,通过熔融加工成型而形成的具有新的结构和优异综合性能的新型材料。由于这种环保的材料具有寿命长、比塑料木材硬度高、易着色、易成型加工、防虫蛀、耐磨、耐老化、吸水性小、有类似木质外观等优点而广泛地应用于家具、建筑、工业、车辆船舶、包装运输等领域。近年来,木塑复合材料的研究和发展受到了极大的关注。
但是,由于木塑复合材料中含有木粉和热塑性聚合物两个物相,这两相之间相容性比较差,很大程度上影响了木塑复合材料的性能,尤其是力学性能。现有技术中,通常采用添加偶联剂和增强剂来提高其力学性能,但是增强效果仍然不明显,并且,通过该方法制备的木塑复合材料的韧性比较差,限制了木塑复合材料的应用。
【发明内容】
为了克服现有技术中木塑复合材料力学性能不高,尤其是韧性较差的缺点,本发明公开了一种木塑复合材料组合物和木塑复合材料,该木塑复合材料的力学性能高,韧性好。
本发明公开的木塑复合材料组合物,包括:木粉、树脂、相容剂、增强剂和偶联剂,所述相容剂为橡胶与马来酸酐的共聚物,增强剂为碱式硫酸镁晶须和/或玻璃纤维。
本发明还公开了一种木塑复合材料,其中包括木粉、树脂、相容剂、增强剂和偶联剂,所述相容剂为橡胶与马来酸酐的共聚物,增强剂为碱式硫酸镁晶须和/或玻璃纤维。
本发明公开的上述木塑复合材料的制备方法包括将木塑复合材料组合物挤出,得到挤出产物,再将所述挤出产物成型,其中,所述木塑复合材料组合物为上述木塑复合材料组合物。
发明人发现,现有技术中制备木塑复合材料时通过添加偶联剂改善木粉与树脂之间的相容性,并通过添加增强剂提高木塑复合材料的力学性能,但是当添加增强剂时,增强剂作为新的物相存在于材料中时,同时也存在与树脂之间的相容性问题,由于该问题导致现有技术中制备的木塑复合材料的力学性能仍不理想,尤其是韧性不高。
发明人通过大量试验发现,向木塑复合材料组合物中添加橡胶与马来酸酐的共聚物作为相容剂,并采用碱式硫酸镁晶须和/或玻璃纤维作为增强剂不但能提高木塑复合材料的力学性能,并能显著提高其韧性。在本发明中所述的木塑复合材料的韧性通过缺口冲击强度来体现。
【具体实施方式】
本发明中公开的木塑复合材料组合物包括:木粉、树脂、相容剂、增强剂和偶联剂,所述相容剂为橡胶与马来酸酐的共聚物,增强剂为碱式硫酸镁晶须和/或玻璃纤维。
所述木粉为本领域公知的作为木粉的材料,如可以是木材锯末、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。木粉的平均粒径为50-300目,含水量低于0.1wt%。上述各种作为木粉的材料均可通过商购得到,如成都木粉厂生产的木粉,平均粒径为100-200目,含水量低于0.02wt%。所述木粉的平均粒径和含水量在购买时可直接得知。
本发明中公开的树脂为聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯乙烯-丙烯腈-丁二烯共聚物、聚丙烯腈、尼龙中的一种或几种。优选为聚丙烯,其熔融指数为1-15g/10min,悬梁臂缺口冲击高于60j/m。上述各种树脂均可通过商购得到,如北京博华嘉业科技发展有限公司的聚丙烯K8303。
所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂或铝钛酸酯偶联剂中的一种或几种。本发明中所采用的偶联剂为本领域常用的偶联剂,如硅烷偶联剂可选用N-丙基三乙氧基硅烷。上述各种偶联剂均可通过商购得到,如荆州市江汉精细化工有限公司生产的N-丙基三乙氧基硅烷JH-N303。
本发明中所采用的相容剂为橡胶与马来酸酐的共聚物,如三元乙丙橡胶与马来酸酐的共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯与马来酸酐的共聚物(SEBS-g-MAH)中的一种或几种,优选情况下,所述橡胶与马来酸酐的共聚物为三元乙丙橡胶与马来酸酐的共聚物(即EPDM-g-MAH)。所述橡胶与马来酸酐的共聚物可以通过商购得到,如余姚市钦兴塑化有限公司生产的三元乙丙橡胶与马来酸酐的接枝共聚物。当上述公开的相容剂添加到木塑复合材料组合物中后,通过相容剂与上述偶联剂的共同作用,能很好的改善木粉与树脂之间的相容性能,一定程度上改善材料的力学性能。
所述木塑复合材料组合物中,增强剂为碱式硫酸镁晶须和/或玻璃纤维,优选为碱式硫酸镁晶须。其平均直径小于1um,长径比为40-100,优选为平均直径小于0.8um,长径比为60-80。所述增强剂可以通过商购得到,如营口威斯克化学有限公司生产的碱式硫酸镁晶须WS-1。
根据本发明,在上述木粉、树脂及偶联剂存在的条件下,通过引入上述相容剂和增强剂,木粉、树脂及本发明采用的增强剂通过上述相容剂及偶联剂的作用,相互之间能良好的相容,从而提高木塑复合材料的力学性能,尤其是韧性。
本发明公开的木塑复合材料组合物中各成分的含量可以在很大范围内变动,优选情况下,以所述木塑复合材料总重量为基准,所述树脂含量为20-50wt%,所述木粉含量为10-58wt%,相容剂含量为4-12wt%,增强剂含量为5-30wt%,偶联剂含量为1-3wt%。现有技术中,增强剂的含量较高,使增强剂能在一定程度上起到提高力学性能的作用,但是由于增强剂自身的性质以及在与材料中其他成分之间相容性能的影响,导致其提高力学性能的程度不明显,并在一些情况下会影响到木塑复合材料的韧性。发明人发现,在本发明公开的木塑复合材料组合物中,各组分在上述范围内时,通过该组合物制备的木塑复合材料的力学性能,尤其是韧性得到了显著的提高。
本发明中,所述木塑复合材料组合物中还含有聚磷酸铵,并且所述增强剂为碱式硫酸镁晶须。以所述木塑复合材料总重量为基准,所述聚磷酸铵含量为10-20wt%,优选为10-15wt%。所述聚磷酸铵为现有技术中常用的聚磷酸铵,可通过商购得到,如镇江星星有限公司的聚磷酸铵APP-1。
如今,木塑复合材料已经在很多领域得到应用,但是在一些环境下,如高温或易燃领域,木塑复合材料的使用受到了限制,故在保持木塑复合材料良好力学性能的同时,提高其阻燃性能可以拓宽其引用领域。
现有技术中,常用的提高材料阻燃性能的方法即添加阻燃剂。但是,要起到良好的阻燃效果,对应添加的阻燃剂会在一定程度上影响各组分之间的相容性,导致材料性能下降。
发明人发现,在碱式硫酸镁晶须作为增强剂时,再添加聚磷酸铵,提高木塑复合材料的阻燃性能的同时,力学性能不会明显下降。
要得到综合性能更好的木塑复合材料,本发明公开的木塑复合材料组合物中还可以包含抗氧剂、光稳定剂和润滑剂。在制备木塑复合材料时添加抗氧剂,光稳定剂和润滑剂为本领域常用的手段,为使材料达到良好的综合性能。
所述抗氧剂包括主抗氧剂和辅助抗氧剂,主抗氧剂可以选自[β-(3,5二叔丁基4-羟基-苯基)丙酸]季戊四醇酯(即抗氧剂1010)、硫代二丙酸双十八醇酯(即抗氧剂DSTP)、亚磷酸酯类、复合抗氧剂PKY、双酚A中的一种或几种。辅助抗氧剂可以为三(2,4-二叔丁基)亚磷酸苯酯(即抗氧剂168)。
所述光稳定剂可以选自UV-系列光稳定剂、炭黑、有机锡类光稳定剂、亚磷酸三壬苯酯(TNPP)、环氧大豆油中的一种或几种。其中UV-系列光稳定剂可以是2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮(即UV-531)。所述有机锡类光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(即酯基锡)、酯基锡RWS-784、双(硫代甘醇酸异辛酯)二正辛基锡(即京锡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。
所述润滑剂选自液体石蜡、石油醚或乙撑双硬脂酸酰胺中的一种或几种。
以所述树脂重量为基准,所述抗氧剂含量为0-0.3wt%,光/热稳定剂含量为0-0.3wt%,润滑剂含量为0-2wt%。
所述木塑复合材料组合物的制备方法包括将木粉、树脂、相容剂、增强剂和偶联剂进行混合即可得到上述木塑复合材料组合物。当所述增强剂为碱式硫酸镁晶须时,还可以添加聚磷酸铵进行混合。同时,为了使最后制得的木塑复合材料的综合性能更好,在制备木塑复合材料组合物时还可以添加抗氧剂、光稳定剂和润滑剂进行混合。
在所述混合之前,还可以先对木粉进行改性,得到改性木粉,所述改性的方法为:将木粉与所述偶联剂在100-130℃下混合10-30min。然后将得到的改性木粉与上述组合物中的树脂、相容剂和增强剂混合。当上述木塑复合材料组合物中还含有聚磷酸铵时,聚磷酸铵可以与树脂、相容剂和增强剂一起混合,然后与改性木粉混合;也可以先将聚磷酸铵与增强剂混合,然后再与树脂、相容剂和改性木粉混合。所述混合可以采用高速混合机进行,所述高速混合机为本领域常用的高速混合机,如张家港市宏基机械有限公司生产的SHR-5A高速混合机。
本发明还公开了一种木塑复合材料,其中包括木粉、树脂、相容剂、增强剂和偶联剂,所述相容剂为橡胶与马来酸酐的共聚物,增强剂为碱式硫酸镁晶须和/或玻璃纤维。
上述木塑复合材料的制备方法,包括将木塑复合材料组合物挤出,得到挤出产物,再将所述挤出产物成型,其中,所述木塑复合材料组合物为上述的木塑复合材料组合物。
所述挤出方法为于双螺杆挤出机中,在长径比为20-40,螺杆转速为180-300r/min,各区段温度分别为170-180℃、180-190℃、190-200℃、190-200℃、200-210℃、210-230℃,各区段的真空度为0.02-0.06MPa的条件下进行混合,然后挤出,得到挤出产物。所述真空度为绝对压强。所述双螺杆挤出机可以为本领域常用的双螺杆挤出机,如晨光科强公司生产的TSSJ25双螺杆挤出机。
将所述挤出产物成型即可得到所述木塑复合材料。所述成型的方法可以采用本领域公知的成型方法,如进行拉条、切粒和注塑。所述拉条、切粒和注塑方法为本领域常用的方法,如将挤出产物通过水槽冷却进行拉条,用切粒机(张家港市联大机械有限公司,型号为QLJ-1)在转速350r/min下进行切粒,将切好后的胶粒烘干后,用注塑机进行注塑。
通过上述方法制备的木塑复合材料的力学性能尤其是韧性得到提高,当添加聚磷酸铵时,能在保证力学性能的同时赋予木塑复合材料良好的阻燃性能。下面通过实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
本实施例用于说明本发明公开的木塑复合材料组合物和木塑复合材料及其制备方法。
1、原料混合
取聚丙烯(北京博华嘉业科技发展有限公司的聚丙烯K8303)35重量份,与38重量份木粉(成都木粉厂生产的木粉,平均粒径为100目,含水量低于0.02wt%)、5重量份三元乙丙橡胶与马来酸酐的共聚物(余姚市钦兴塑化有限公司生产的马来酸酐与三元乙丙橡胶的接枝共聚物EPDM-g-MAH)、2重量份N-丙基三乙氧基硅烷(荆州市江汉精细化工有限公司生产的JH-N303)、20重量份玻璃纤维(泰山玻璃纤维有限公司生产的无碱短切玻璃纤维T536/550,平均直径为0.5um,长径比为50),加入到高速混合机(张家港市宏基机械有限公司生产的SHR-5A高速混合机)中,混合条件为:70℃下混合6min。
2、挤出、拉条、切粒、注塑
将上述混合后的原料置于双螺杆挤出机中,在长径比为40,螺杆转速为280r/min,各区段温度分别为175℃、185℃、190℃、195℃、200℃、210℃,各区段的真空度为0.06MPa的条件下进行挤出,得到挤出产物。
将挤出产物通过水槽冷却进行拉条,用切粒机(张家港市联大机械有限公司,型号是QLJ-1)在转速350r/min下进行切粒,将切好后的胶粒烘干后,用注塑机进行注塑。
得到木塑复合材料A1。
实施例2
本实施例用于说明本发明公开的木塑复合材料组合物和木塑复合材料及其制备方法。
1、原料混合
取聚丙烯30重量份,与49重量份木粉(成都木粉厂生产的木粉,平均粒径为200目,含水量低于0.01wt%)、6重量份三元乙丙橡胶与马来酸酐的共聚物(余姚市钦兴塑化有限公司生产的马来酸酐与三元乙丙橡胶的接枝共聚物EPDM-g-MAH)、1.3重量份N-丙基三乙氧基硅烷、13重量份碱式硫酸镁晶须(营口威斯克化学有限公司生产的WS-1,平均直径小于0.4um,长径比为70)、0.2重量份[β-(3,5二叔丁基4-羟基-苯基)丙酸]季戊四醇酯、0.2重量份2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮、0.3重量份乙撑双硬脂酸酰胺。
将木粉与N-丙基三乙氧基硅烷加入到高速混合机(张家港市宏基机械有限公司生产的SHR-5A高速混合机)中,混合条件为:120℃下混合20min。得到改性木粉。
将上述聚丙烯、改性木粉、三元乙丙橡胶与马来酸酐的共聚物、N-丙基三乙氧基硅烷、碱式硫酸镁晶须、[β-(3,5二叔丁基4-羟基-苯基)丙酸]季戊四醇酯、三(2,4-二叔丁基)亚磷酸苯酯、2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮、乙撑双硬脂酸酰胺加入到高速混合机(张家港市宏基机械有限公司生产的SHR-5A高速混合机)中,混合条件为:65℃下混合5min。
2、挤出、拉条、切粒、注塑
挤出、拉条、切粒、注塑的方法同实施例1。
得到木塑复合材料A2。
实施例3
本实施例用于说明本发明公开的木塑复合材料组合物和木塑复合材料及其制备方法。
制备木塑复合材料的方法与实施例2相同,不同的是:在所述木塑复合材料组合物中还含有12重量份聚磷酸铵。
得到木塑复合材料A3。
实施例4
本实施例用于说明本发明公开的木塑复合材料组合物和木塑复合材料及其制备方法。
制备木塑复合材料的方法与实施例2相同,不同的是:在所述木塑复合材料组合物中还含有16重量份聚磷酸铵。
得到木塑复合材料A4。
实施例5
本实施例用于说明本发明公开的木塑复合材料组合物和木塑复合材料及其制备方法。
制备木塑复合材料的方法与实施例2相同,不同的是:在所述木塑复合材料组合物中还含有12重量份氢氧化镁。
得到木塑复合材料A5。
对比例1
本对比例用于说明现有技术中的木塑复合材料组合物和木塑复合材料。
制备木塑复合材料的方法与实施例1相同,不同的是:在所述木塑复合材料组合物中不含有三元乙丙橡胶与马来酸酐的共聚物,所述增强剂为碳酸钙。
得到木塑复合材料D1。
对比例2
本对比例用于说明现有技术中的木塑复合材料组合物和木塑复合材料。
制备木塑复合材料的方法与对比例1相同,不同的是:在所述木塑复合材料组合物中还含有30重量份氢氧化镁。
得到木塑复合材料D2。
对比例3
本对比例用于说明现有技术中的木塑复合材料组合物和木塑复合材料。
制备木塑复合材料的方法与实施例3相同,不同的是:用13重量份碳酸钙替换13重量份碱式硫酸镁晶须。
得到木塑复合材料D3。
对比例4
本对比例用于说明现有技术中的木塑复合材料组合物和木塑复合材料。
制备木塑复合材料的方法与实施例3相同,不同的是:用12重量份氢氧化镁替换12重量份聚磷酸铵,用13重量份碳酸钙替换13重量份碱式硫酸镁晶须。
得到木塑复合材料D4。
性能测试
采用ASTM(美国测试与材料协会)标准及UL(美国保险商实验认证)对上述制得的木塑复合材料A1-A5及D1-D4进行下列性能测试:
1、拉伸强度
采用ASTM D638方法测定材料的拉伸强度;
2、弯曲强度和弯曲模量
采用ASTM D790方法测定材料的弯曲强度和弯曲模量;
3、缺口冲击强度
采用ASTM D256方法测定材料的缺口冲击强度;
4、热变形温度
采用ASTM D648方法测定材料的热变形温度;
5、阻燃性能
采用UL94方法测定材料的阻燃性能。
塑料阻燃等级由HB,V-2,V-1向V-0逐级递增:
HB:UL94标准中最低的阻燃等级。要求对于3-13mm厚的样品,燃烧速度小于40mm/min;小于3mm厚的样品,燃烧速度小于70mm/min;或者在100mm的标志前熄灭。
V-2:对样品进行两次10s的燃烧测试后,火焰在60s内熄灭。可以有燃烧物掉下。
V-1:对样品进行两次10s的燃烧测试后,火焰在60s内熄灭。不能有燃烧物掉下。
V-0:对样品进行两次10s的燃烧测试后,火焰在30s内熄灭。不能有燃烧物掉下。
测试结果见表1。
表1
样品   拉伸强度/MPa   弯曲模量/MPa   缺口冲击强度/J/m   热变形温度/℃(1.8MPa) 阻燃性能
  A1   40   2998   155   145   HB
  A2   45   3556   187   145   HB
样品   拉伸强度/MPa   弯曲模量/MPa   缺口冲击强度/J/m   热变形温度/℃(1.8MPa) 阻燃性能
  A3   42   3120   163   142   V-0
  A4   40   3024   157   143   V-0
  A5   40   3067   145   140   HB
  D1   35   2382   121   127   燃烧
  D2   32   2389   118   131   V-2
  D3   36   2789   140   138   V-2
  D4   37   2863   147   135   HB
从表1的测试结果可以看出,相比于现有技术,本发明公开的木塑复合材料其力学性能得到了一定程度的提高,尤其是材料的缺口冲击强度得到的很大提高。即,通过本发明公开的组合物中同时含有相容剂和偶联剂,并采用碱式硫酸镁晶须和/或玻璃纤维作为增强剂,能在显著提高所制得的木塑复合材料的韧性的同时一定程度上改善其力学性能。
另外,对比分析A1-A5及D1-D4的阻燃性能。在本发明公开的木塑复合材料组合物中添加少量的聚磷酸铵能起到显著的阻燃性能。相比于添加常规的氢氧化镁作为阻燃剂时,聚磷酸铵在本发明所公开的木塑复合材料组合物体系中能起到显著的阻燃性能。

Claims (9)

1.一种木塑复合材料组合物,包括:木粉、树脂、相容剂、增强剂和偶联剂,所述相容剂为橡胶与马来酸酐的共聚物,增强剂为碱式硫酸镁晶须和/或玻璃纤维。
2.根据权利要求1所述的木塑复合材料组合物,其特征在于:所述橡胶与马来酸酐的共聚物为三元乙丙橡胶与马来酸酐的共聚物。
3.根据权利要求1或2所述的木塑复合材料组合物,其特征在于:所述增强剂的平均粒径小于1um,长径比为40-100。
4.根据权利要求1所述的木塑复合材料组合物,其特征在于:以所述木塑复合材料总重量为基准,所述树脂含量为20-50wt%,所述木粉含量为10-58wt%,相容剂含量为4-12wt%,增强剂含量为5-30wt%,偶联剂含量为1-3wt%。
5.根据权利要求1所述的木塑复合材料组合物,其特征在于:所述树脂为聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯乙烯-丙烯腈-丁二烯共聚物、聚丙烯腈、尼龙中的一种或几种;所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂或铝钛酸酯偶联剂中的一种或几种。
6.根据权利要求1、2、4或5中任意一项所述的木塑复合材料组合物,其特征在于:所述木塑复合材料组合物中还含有聚磷酸铵,所述增强剂为碱式硫酸镁晶须。
7.根据权利要求6所述的木塑复合材料组合物,其特征在于:以所述木塑复合材料总重量为基准,所述聚磷酸铵含量为10-20wt%。
8.一种木塑复合材料,其中包括木粉、树脂、相容剂、增强剂和偶联剂,所述相容剂为橡胶与马来酸酐的共聚物,增强剂为碱式硫酸镁晶须和/或玻璃纤维。
9.如权利要求8所述的木塑复合材料的制备方法,包括将木塑复合材料组合物挤出,得到挤出产物,再将所述挤出产物成型,其中,所述木塑复合材料组合物为权利要求1-7中任意一项所述的木塑复合材料组合物。
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