CN101747641A - 一种聚乙烯基木塑复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种聚乙烯基木塑复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚乙烯基木塑复合材料，其组成配比如下：100份木纤粉、1～3份硬脂酸、20～30份废旧聚乙烯塑料、3～6份偶联剂、4～10份润滑剂、0.1～1份抗紫外线剂及1～3份着色剂。本发明通过首先使用硬脂酸对木纤粉进行表面改性的预处理，使木纤维表面形成一层致密的憎水性薄膜，从而提高其与聚乙烯聚合物的相容性和促进木纤维在聚乙烯聚合物中的分散，使得所制备的聚乙烯基木塑复合材料具有优良的综合性能和良好的加工性能，所制得的制品无论在外观质量还是理化性能上都优于国内同行产品；且本发明的配方比现有技术更环保，制备成本更低廉，适合工业化生产和市场需求，具有广阔的应用前景。

Description

一种聚乙烯基木塑复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种聚乙烯(PE)基木塑复合材料及其制备方法，属于塑料复合改性加工技术领域。
背景技术
PE基木塑复合材料是利用废弃的木粉、稻壳、秸杆等天然纤维填充、增强PE塑料的新型改性环保材料，兼有天然纤维和PE塑料的成本和性能优点，可广泛用于制造各种木塑复合托盘、军用枕木、庭院护栏、室内外地板等制品，是目前国内生产的木塑复合制品的主要品种之一。该材料的研制缓解了石油资源、木材与林产品需求的日益增长所带来的资源和能源短缺的问题，是保护环境和降低能耗的有效手段，而且PE基木塑复合材料还有耐用、比木材尺寸稳定性好、易成型、吸水性小、耐腐蚀和可回收再利用等特点，因此成为材料领域研究的热点。
但众所周知，木纤维表面有大量的极性基团，在木塑复合材料制备过程中亲水性木纤维与憎水性聚合物之间存着比较大的界面能差，两者界面很难充分融合，且木纤维表面存在着大量的羟基基团易形成氢键导致聚集，从而使木纤维在聚合物中不能分散均匀，而这些木纤维的团聚体在外力的作用下易导致应力集中，使得制品的物理力学性能大幅度下降，限制了该材料的发展，使其不能广泛应用。因此，针对木纤维与热塑性塑料的相容性研究也逐步展开，如用偶联剂改性木粉(CN02157950.4；CN200510060794.1)，但性能不够理想；用聚烯烃接枝马来酸酐、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、乙烯-丙烯酸酯共聚物(CN200410077610.8；CN02160123.2)、离聚物(CN200610005590.2)和聚烯烃接枝硅烷做改性剂(CN02125652.7)，需要预先制备好改性剂，或增加了成本或增加了工艺流程。因此，寻找一种既能够改善木粉与聚烯烃的界面相容性、提高产品的性能，同时又能解决实际生产中的各种加工问题和降低成本的方法至关重要。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有优良的综合性能和良好的加工性能的聚乙烯基木塑复合材料及其一种操作简单、成本低廉、易于工业化实施的制备方法，以满足聚乙烯基木塑复合材料的广阔市场需求。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的聚乙烯基木塑复合材料，其组成配比如下：
木纤粉                            100份
硬脂酸                            1～3份
废旧聚乙烯塑料                    20～30份
偶联剂                            3～6份
润滑剂                            4～10份
抗紫外线剂                        0.1～1份
着色剂                            1～3份
上述配比为重量份。
所述木纤粉可选自木屑粉、果壳粉、稻壳粉、秸秆粉、竹屑粉、花生壳粉、糠壳粉及棉杆粉中的任意一种或一种以上的混合物。
所述偶联剂优选马来酸酐接枝高密度聚乙烯。
所述润滑剂优选硬脂酸钙与聚乙烯蜡组成的混合物。
本发明所述的聚乙烯基木塑复合材料的制备方法，包括如下具体步骤：
a)将粒径为80～100的木纤粉，进行红外干燥到木纤粉的含水率≤1.0％；
b)将100重量份干燥后的木纤粉加入至高混机中高速混合至85℃，然后加入1～3重量份的硬脂酸，高速混合至115℃；
c)将20～30重量份的废旧聚乙烯塑料、3～6重量份的偶联剂、4～10重量份的润滑剂、0.1～1重量份的抗紫外线剂、1～3重量份的着色剂加入高混机中，使体系混合均匀；
d)将上述混合均匀的物料加入到平行双螺杆造粒机中，在150～230℃进行混炼预塑化后进行挤出；挤出的胶块风冷后，经粉碎机破碎至粒径为10～15mm的颗粒，即得聚乙烯基木塑复合材料颗粒；
e)将上述破碎后的颗粒进行挤出成型，即得聚乙烯基木塑复合材料制品。
上述高混机的高速搅拌机的转速为1400～1600转/分钟。
所述平行双螺杆造粒机的螺杆长径比为36～40∶1，整个螺杆有3～10段积木式螺纹块。
步骤d)中的挤出工艺温度控制如下：一区、二区为170～190℃，三区、四区为190～210℃，五区、六区为210～230，七区、八区为210～190℃，九区、十区为170～150℃。
步骤e)中的挤出成型的工艺参数控制如下：主机转速为10.0～22.0转/分钟，喂料转速为18.0～42.0转/分钟，压力控制为14～24.0Mpa，机筒一区温度为180～160℃，机筒二区温度为170～160℃，机筒三区温度为180～160℃，机筒四区温度为160～145℃，合流芯温度为170～160℃，模具各区温度控制在190～165℃。
与现有技术相比，本发明通过首先使用硬脂酸对木纤粉进行表面改性的预处理，使木纤维表面形成一层致密的憎水性薄膜，从而提高其与聚乙烯聚合物的相容性和促进木纤维在聚乙烯聚合物中的分散，使得所制备的聚乙烯基木塑复合材料具有优良的综合性能和良好的加工性能，所制得的制品无论在外观质量还是理化性能上都优于国内同行产品；且本发明的配方比现有技术更环保，制备成本更低廉，适合工业化生产和市场需求，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明是如何实现的做进一步详细、清楚、完整地说明，所列实施例仅对本发明予以进一步的说明，并不因此而限制本发明。
实施例1
a)将粒径为80～100目的木纤粉，进行红外干燥到木纤粉的含水率≤1.0％；
b)将100重量份干燥后的木纤粉加入至高混机中高速混合至85℃(依靠物料和搅拌浆、锅壁之间的摩擦升温，高速搅拌机的转速为：1470r/min)，然后加入1重量份的硬脂酸，高速混合至115℃；
c)将20重量份的废旧聚乙烯塑料、3重量份的偶联剂-马来酸酐接枝高密度聚乙烯、4重量份的润滑剂(由2重量份硬脂酸钙与2重量份聚乙烯蜡混合组成)、0.1重量份的抗紫外线剂、1重量份的着色剂加入高混机中，使体系混合均匀；
d)将上述混合均匀的物料加入到平行双螺杆造粒机中，在150～230℃进行混炼预塑化后进行挤出；挤出的胶块风冷后，经粉碎机破碎至粒径为10～15mm的颗粒，即得聚乙烯基木塑复合材料颗粒；所述平行双螺杆造粒机由南京聚力挤出有限公司提供，其螺杆长径比为36～40∶1，整个螺杆有3～10段积木式螺纹块；挤出工艺温度控制如下：一区、二区为170～190℃，三区、四区为190～210℃，五区、六区为210～230，七区、八区为210～190℃，九区、十区为170～150℃；
e)将上述破碎后的颗粒进行挤出成型，即得聚乙烯基木塑复合材料制品，挤出成型的工艺参数控制如下：主机转速为10.0～22.0转/分钟，喂料转速为18.0～42.0转/分钟，压力控制为14～24.0Mpa，机筒一区温度为180～160℃，机筒二区温度为170～160℃，机筒三区温度为180～160℃，机筒四区温度为160～145℃，合流芯温度为170～160℃，模具各区温度为190～165℃。
实施例2
a)将粒径为80～100目的木纤粉，进行红外干燥到木纤粉的含水率≤1.0％；
b)将100重量份干燥后的木纤粉加入至高混机中高速混合至85℃(依靠物料和搅拌浆、锅壁之间的摩擦升温，高速搅拌机的转速为：1470r/min)，然后加入2重量份的硬脂酸，高速混合至115℃；
c)将25重量份的废旧聚乙烯塑料、4.5重量份的偶联剂-马来酸酐接枝高密度聚乙烯、8重量份的润滑剂(由2重量份硬脂酸钙与6重量份聚乙烯蜡混合组成)、0.5重量份的抗紫外线剂、2重量份的着色剂加入高混机中，使体系混合均匀；
d)将上述混合均匀的物料加入到平行双螺杆造粒机中，在150～230℃进行混炼预塑化后进行挤出；挤出的胶块风冷后，经粉碎机破碎至粒径为10～15mm的颗粒，即得聚乙烯基木塑复合材料颗粒；所述平行双螺杆造粒机由南京聚力挤出有限公司提供，其螺杆长径比为36～40∶1，整个螺杆有3～10段积木式螺纹块；挤出工艺温度控制如下：一区、二区为170～190℃，三区、四区为190～210℃，五区、六区为210～230，七区、八区为210～190℃，九区、十区为170～150℃；
e)将上述破碎后的颗粒进行挤出成型，即得聚乙烯基木塑复合材料制品，挤出成型的工艺参数控制如下：主机转速为10.0～22.0转/分钟，喂料转速为18.0～42.0转/分钟，压力控制为14～24.0Mpa，机筒一区温度为180～160℃，机筒二区温度为170～160℃，机筒三区温度为180～160℃，机筒四区温度为160～145℃，合流芯温度为170～160℃，模具各区温度为190～165℃。
实施例3
a)将粒径为80～100目的木纤粉，进行红外干燥到木纤粉的含水率≤1.0％；
b)将100重量份干燥后的木纤粉加入至高混机中高速混合至85℃(依靠物料和搅拌浆、锅壁之间的摩擦升温，高速搅拌机的转速为：1470r/min)，然后加入3重量份的硬脂酸，高速混合至115℃；
c)将30重量份的废旧聚乙烯塑料、6重量份的偶联剂-马来酸酐接枝高密度聚乙烯、10重量份的润滑剂(由6重量份硬脂酸钙与4重量份聚乙烯蜡混合组成)、1重量份的抗紫外线剂、3重量份的着色剂加入高混机中，使体系混合均匀；
d)将上述混合均匀的物料加入到平行双螺杆造粒机中，在150～230℃进行混炼预塑化后进行挤出；挤出的胶块风冷后，经粉碎机破碎至粒径为10～15mm的颗粒，即得聚乙烯基木塑复合材料颗粒；所述平行双螺杆造粒机由南京聚力挤出有限公司提供，其螺杆长径比为36～40∶1，整个螺杆有3～10段积木式螺纹块；挤出工艺温度控制如下：一区、二区为170～190℃，三区、四区为190～210℃，五区、六区为210～230，七区、八区为210～190℃，九区、十区为170～150℃；
e)将上述破碎后的颗粒进行挤出成型，即得聚乙烯基木塑复合材料制品，挤出成型的工艺参数控制如下：主机转速为10.0～22.0转/分钟，喂料转速为18.0～42.0转/分钟，压力控制为14～24.0Mpa，机筒一区温度为180～160℃，机筒二区温度为170～160℃，机筒三区温度为180～160℃，机筒四区温度为160～145℃，合流芯温度为170～160℃，模具各区温度为190～165℃。
将上述各实施例所制备的聚乙烯基木塑复合材料先按标准尺寸注塑成测试用的标准样条，然后按表1所示的测试标准进行试样的物理性能测试；各实施例试样的性能测试数据见表2所示。
表1物理性能测试标准
  性能指标  测试方法
  静弯曲强度  EN310、GB/T17657-1999
  抗弯弹性模量  EN310、GB/T17657-1999
  吸水膨胀率  EN310、GB/T17657-1999
  光色牢度  GB/T15012-2006
  抗冻融性能  24小时浸入水中，24小时冷冻-29摄氏度，24小时室温，循环三次
  表面硬度  ISO868：2003
表2.各实施例试样的性能测试数据
  性能指标   实施例1   实施例2   实施例3
  静弯曲强度(MPa)   27.2   25.6   24.1
  抗弯弹性模量(MPa)   3450   3220   3012
  吸水膨胀率(％)   0.12   0.15   0.21
  光色牢度(grad)   3   3   3
  抗冻融性能(MPa)   20.3   19.2   18.6
  表面硬度   91   88   84
  表面耐磨性能(g/100r)   0.025   0.031   0.045
由上述实施例可见：本发明所制备的聚乙烯基木塑复合材料具有优良的综合性能和良好的加工性能，所制得的制品无论在外观质量还是理化性能上都优于国内同行产品；且本发明的配方比现有技术更环保，制备成本更低廉，适合工业化生产和市场需求，具有广阔的应用前景。

Claims (9)

1.一种聚乙烯基木塑复合材料，其特征在于，其组成配比如下：
木纤粉                                100份
硬脂酸                                1～3份
废旧聚乙烯塑料                        20～30份
偶联剂                                3～6份
润滑剂                                4～10份
抗紫外线剂                            0.1～1份
着色剂                                1～3份
上述配比为重量份。
2.根据权利要求1所述的聚乙烯基木塑复合材料，其特征在于，所述木纤粉选自木屑粉、果壳粉、稻壳粉、秸秆粉、竹屑粉、花生壳粉、糠壳粉及棉杆粉中的任意一种或一种以上的混合物。
3.根据权利要求1所述的聚乙烯基木塑复合材料，其特征在于，所述偶联剂为马来酸酐接枝高密度聚乙烯。
4.根据权利要求1所述的聚乙烯基木塑复合材料，其特征在于，所述润滑剂为硬脂酸钙与聚乙烯蜡组成的混合物。
5.一种权利要求1所述的聚乙烯基木塑复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
a)将粒径为80～100目的木纤粉，进行红外干燥到木纤粉的含水率≤1.0％；
b)将100重量份干燥后的木纤粉加入至高混机中高速混合至85℃，然后加入1～3重量份的硬脂酸，高速混合115℃；
c)将20～30重量份的废旧聚乙烯塑料、3～6重量份的偶联剂、4～10重量份的润滑剂、0.1～1重量份的抗紫外线剂、1～3重量份的着色剂加入高混机中，使体系混合均匀；
d)将上述混合均匀的物料加入到平行双螺杆造粒机中，在150～230℃进行混炼预塑化后进行挤出；挤出的胶块风冷后，经粉碎机破碎至粒径为10～15mm的颗粒，即得聚乙烯基木塑复合材料颗粒；
e)将上述破碎后的颗粒进行挤出成型，即得聚乙烯基木塑复合材料制品。
6.根据权利要求5所述的聚乙烯基木塑复合材料的制备方法，其特征在于，高混机的高速搅拌机的转速为1400～1600转/分钟。
7.根据权利要求5所述的聚乙烯基木塑复合材料的制备方法，其特征在于，所述平行双螺杆造粒机的螺杆长径比为36～40∶1，整个螺杆有3～10段积木式螺纹块。
8.根据权利要求5所述的聚乙烯基木塑复合材料的制备方法，其特征在于，步骤d)中的挤出工艺温度控制如下：一区、二区为170～190℃，三区、四区为190～210℃，五区、六区为210～230，七区、八区为210～190℃，九区、十区为170～150℃。
9.根据权利要求5所述的聚乙烯基木塑复合材料的制备方法，其特征在于，步骤e)中的挤出成型的工艺参数控制如下：主机转速为10.0～22.0转/分钟，喂料转速为18.0～42.0转/分钟，压力控制为14～24.0Mpa，机筒一区温度为180～160℃，机筒二区温度为170～160℃，机筒三区温度为180～160℃，机筒四区温度为160～145℃，合流芯温度为170～160℃，模具各区温度控制在190～165℃之间。
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