CN101875790A - 表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料及其制备方法，属于结构和工程材料领域，它解决了现有的木塑复合材料无法科学合理地兼顾高强度和高冲击韧性的问题。表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料由热塑性塑料、木质纤维材料、表面水解改性芳纶纤维、相容剂和润滑剂制成。具体方法包括以下步骤：步骤一、将木质纤维材料加入到高速混合机中搅拌，使其含水率达到1.5%～2.5%之间；步骤二、将热塑性塑料、表面水解改性芳纶纤维、相容剂和润滑剂依次加入到高速混合机中，与木质纤维一起进行预混，得到预混料；步骤三、将预混料通过螺杆挤出机挤出成型，得到芳纶纤维增强木塑复合材料。其力学性能比普通木塑复合材料显著提高，尤其是力学强度和抗冲击性能同时得到显著改善。
Description
技术领域
本发明涉及表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料及其制备方法，属于结构和工程材料领域。
背景技术
木塑复合材料(WPC)可以利用废弃木质纤维材料和废旧塑料作为主要原料，绿色环保，可循环利用，成为解决天然及合成高分子材料废弃物资源化高效利用问题的重要途径而倍受关注。由于塑料的加入，增加了木材的表面硬度、尺寸稳定性、耐水性、耐腐蚀性，且一般不需要表面涂饰，符合未来经济发展的需要，其前途不可估量。
正是由于木塑复合材料的众多优点，使得其市场增长的很快，特别是在建筑及汽车方面的应用。而另一方面，急速扩张的市场又为木塑复合材料更广泛的应用提出了更高的性能要求。比如，当其应用在结构和工程材料等领域，必须具有较高的综合力学性能尤其是冲击韧性。
强度和冲击韧性是木塑复合材料的主要性能指标，如何提高木塑复合材料的强度和韧性，逐渐引起了人们的注意。目前大概存在以下几种状况：
1、许多偶联剂（或相容剂）如马来酸酐接枝聚烯烃、硅烷、异氰酸酯等被用于提高木塑复合材料的拉伸和弯曲强度，但是对于木塑复合材料的冲击韧性改善效果不佳甚至有所降低。
2、丁苯橡胶（SBR）、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物（SEBS）、三元乙丙橡胶（EPDM）、马来酸酐接枝乙烯丙烯橡胶（EPR-g-MA）等热塑性弹性体的加入，使木塑复合材料的冲击韧性或多或少得到了提高，但是其强度和模量有所降低。
3、采用木塑复合材料的发泡技术，这样虽然能够显著提高其韧性和抗冲击性能，但发泡造成材料的刚性、强度和蠕变性能较差，严重限制了其应用。
4、采用混杂复合材料因其含有两种(或多种)增强纤维，其中一种纤维的优点可以弥补其它纤维的不足。从而通过适当的设计，能够实现混杂复合材料在性能与成本上的平衡。玻璃纤维增强木塑复合材料符合这一设计思想，能同时提高木塑复合材料的强度和韧性，但玻纤生产过程影响人身健康，且玻纤密度高达2.5g/cm3，对挤出设备磨损严重，回收时产生环境污染。
综上，现有的木塑复合材料难以科学合理地兼顾高强度和高冲击韧性。
发明内容
本发明目的是为了解决现有的木塑复合材料难以科学合理地兼顾高强度和高冲击韧性的问题，提供了一种表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料及其制备方法。
本发明所述的表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料，按重量份数比由100份的热塑性塑料、50～360份的木质纤维材料、2～12份的水解处理芳纶纤维、4.5～32份的相容剂和0.75～8份的润滑剂制成。
表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料的制备方法包括如下步骤：
步骤一、按重量份数比称取50～360份的木质纤维材料加入到高速混合机中搅拌，调节转速将温度控制在105℃～150℃之间，保持搅拌3分钟～15分钟，使木质纤维材料的含水率达到1.5%～2.5%之间；
步骤二、按重量份数比称取100份的热塑性塑料、2～12份的表面水解改性芳纶纤维、4.5～32份的相容剂和0.75～8份的润滑剂依次加入到高速混合机中，与木质纤维材料一起进行预混，温度控制在105℃～180℃之间，保持5分钟～20分钟，卸料至低速冷混机中，搅拌并通水冷却，当物料的温度低于80℃时出料，得到预混料；
步骤三、将预混料通过螺杆挤出机挤出成型，得到表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料，挤出机筒加热温度控制在130℃～185℃之间，口模温度控制在140℃～190℃之间。
本发明的优点：
采用本发明制造的表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料，在保持了木塑复合材料的外观近似木材，可以用刨切、锯、打钉、拧钻等加工木材的方式加工，优异的环境学特性，如隔热、隔音、耐候性好、耐水、耐腐蚀等优点外，其力学性能比普通木塑复合材料显著提高，尤其是力学强度和抗冲击性能同时得到显著改善，从根本上解决了以往木塑复合材料技术的产品力学强度低、脆性大的问题。
对于采用聚烯烃类塑料制备的芳纶纤维增强木塑复合材料，如添加3份相容剂马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE)、2份9mm表面水解改性凯夫拉纤维（对位芳纶纤维）、58份木粉的木粉/聚丙烯复合材料，其拉伸强度、弯曲强度、悬臂梁无缺口冲击强度较未添加MAPE的木塑复合材料分别提高了94.1%、86.8%、93.8%，较添加MAPE的木塑复合材料分别提高了23.9%、22.1%、35.2%，分别达到52.03MPa、83.64MPa、28.67kJ/m2。而且该混杂复合材料生产能耗低，添加助剂少，生产过程中产生的边角废料可全部回收再利用，无环境污染，是典型的绿色环保材料。利用该复合材料可制备各种形状复杂、尺寸稳定的异型工程材料，如木塑门窗、室内外墙板、整体楼梯、抗冲击重物箱子等；对于强度要求较低的制品，如地板、天花板、园林景观、百叶窗等，可通过降低中空结构材料或制品的壁厚来降低生产成本，提高竞争力，拓展应用范围。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式所述方法向木塑复合材料添加芳纶纤维，芳纶纤维与碳/玻璃纤维等增强材料相比，具有优越的热稳定性、尺寸稳定性、密度小、高比强度、高比模量、抗腐蚀性好及化学惰性等特性，尤其是对设备的磨损低，使其在高性能复合材料中的应用成为研究的热点。由于芳纶纤维表面光滑，用于木塑复合材料时难以与基质形成良好的界面结合，因而需要对芳纶纤维进行表面改性。
表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料，按重量份数比由100份的热塑性塑料、50～360份的木质纤维材料、2～12份的表面水解改性芳纶纤维、4.5～32份的相容剂和0.75～8份的润滑剂制成。
表面水解改性芳纶纤维由芳纶纤维在氢氧化钠水溶液或氢氧化钾水溶液中水解制成，芳纶纤维的质量：水解碱液的体积按100克：4000毫升进行配制；
所述表面水解改性芳纶纤维的水解碱液的质量浓度为2～50%；
所述表面水解改性芳纶纤维的水解温度为室温～60℃；
所述表面水解改性芳纶纤维的水解时间为5分钟～120分钟；
芳纶纤维采用对位芳酰胺纤维或间位芳酰胺纤维，且满足条件：直径为12～15μm，长为1～12mm，并且长径比为83.3～1000；
热塑性塑料为聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物中的一种或几种，或者用废旧塑料，既可以是单一塑料，也可以是二种或三种塑料的混合物，当为几种时为任意比例混合；
木质纤维材料为木粉、竹粉、农作物秸秆粉、果壳粉的任何一种或几种，当为几种时，上述成份为任意比例混合，其中农作物秸秆粉中的农作物为玉米、小麦、水稻、大豆或高粱；
或者木质纤维材料选用长径比为5～25的细小纤维；
所述木塑复合材料中添加的助剂包括相容剂、润滑剂，主要是为了提高芳纶纤维、木质纤维材料与塑料之间的界面相容性、改善材料的力学性能和加工性能；
相容剂为马来酸酐接枝苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚苯乙烯、马来酸酐-苯乙烯嵌段共聚物、钛酸酯、异氰酸酯、六甲基二硅氮烷、六甲基二硅氧烷、乙烯基三（β-甲氧基乙氧基）硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、氨丙基三乙氧基硅烷或甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷中的一种或几种，当为几种时为任意比例混合；
润滑剂为硬脂酸、硬脂酸金属盐、石蜡或聚乙烯蜡、聚丙烯蜡；硬脂酸金属盐为硬脂酸钠、硬脂酸锶、硬脂酸钙或硬脂酸锌中的一种或几种，当为几种时为任意比例混合。
具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料按重量份数比由100份的热塑性塑料、100～300份的木质纤维材料、4～10份的表面水解改性芳纶纤维、10～25份的相容剂和2～7份的润滑剂制成，其它与实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料按重量份数比由100份的热塑性塑料、150～220份的木质纤维材料、5～8份的表面水解改性芳纶纤维、15～20份的相容剂和3～5份的润滑剂制成，其它与实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料按重量份数比由100份的热塑性塑料、50份的木质纤维材料、2份的表面水解改性芳纶纤维、4.5份的相容剂和0.75份的润滑剂制成，其它与实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料按重量份数比由100份的热塑性塑料、360份的木质纤维材料、12份的表面水解改性芳纶纤维、32份的相容剂和8份的润滑剂制成，其它与实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料按重量份数比由100份的热塑性塑料、159份的木质纤维材料、3份的表面水解改性芳纶纤维、8份的相容剂和3份的润滑剂制成，其它与实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料按重量份数比由100份的热塑性塑料、157份的木质纤维材料、5份的表面水解改性芳纶纤维、8份的相容剂和3份的润滑剂制成，其它与实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料按重量份数比由100份的热塑性塑料、154份的木质纤维材料、8份的表面水解改性芳纶纤维、8份的相容剂和3份的润滑剂制成，其它与实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料按重量份数比由100份的热塑性塑料、164份的木质纤维材料、3份的表面水解改性芳纶纤维、11份的相容剂和3份的润滑剂制成，其它与实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料按重量份数比由100份的热塑性塑料、163份的木质纤维材料、4份的表面水解改性芳纶纤维、11份的相容剂和3份的润滑剂制成，其它与实施方式一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料按重量份数比由100份的热塑性塑料、161份的木质纤维材料、6份的表面水解改性芳纶纤维、11份的相容剂和3份的润滑剂制成，其它与实施方式一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料按重量份数比由100份的热塑性塑料、160份的木质纤维材料、7份的表面水解改性芳纶纤维、11份的相容剂和3份的润滑剂制成，其它与实施方式一相同。
具体实施方式十三：本实施方式制备如实施方式一至实施方式十二任意一种表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料的方法按以下步骤进行：
该方法用到的原料按重量份数比进行称取：100份的热塑性塑料、50～360份的木质纤维材料、2～12份的表面水解改性芳纶纤维、4.5～32份的相容剂和0.75～8份的润滑剂，该方法具体包括以下步骤：
步骤一、按重量份数比称取50～360份的木质纤维材料加入到高速混合机中搅拌，调节转速将物料温度控制在105℃～150℃之间，混合转速为400r/min～1800r/min之间，保持搅拌3分钟～15分钟，使木质纤维材料的含水率在1.5%～2.5%之间；
步骤二、按重量份数比称取100份的热塑性塑料、2～12份的表面水解改性芳纶纤维、4.5～32份的相容剂和0.75～8份的润滑剂依次加入到高速混合机中，与木质纤维材料一起进行预混，温度控制在105℃～180℃之间，保持5分钟～20分钟，卸料至低速冷混机中，搅拌并通水冷却，低速冷混机的转速为20转/分～100转/分，当物料的温度低于80℃时出料，得到预混料；
步骤三、将预混料通过螺杆挤出机挤出成型，得到芳纶纤维增强木塑复合材料，挤出机筒加热温度控制在130℃～185℃之间，口模温度控制在140℃～190℃之间，模具末端通冷却水；
步骤三中预混料挤出成型采用下述三种方法中的任意一种获取：
第一种：采用单螺杆和平行双螺杆双阶挤出机组实现预混料挤出成型；
第二种：采用锥形双螺杆挤出机实现预混料挤出成型；
第三种：先采用双螺杆挤出机造粒，再采用单螺杆挤出机或者锥形双螺杆挤出机实现预混料挤出成型。
或者也可采用注射成型或者热压成型工艺，将预混料加工成型。
芳纶纤维采用对位芳酰胺纤维或间位芳酰胺纤维，且满足条件：直径为12～15μm，长为1～12mm，长径比为83.3～1000；
热塑性塑料为聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚中的一种或几种，或者用废旧塑料，既可以是单一塑料，也可以是二种或三种塑料的混合物。当为几种时为任意比例混合；
木质纤维材料为木粉、竹粉、农作物秸秆粉、果壳粉的任何一种或几种，当为几种时，上述成份为任意比例混合，其中农作物秸秆粉中的农作物为玉米、小麦、水稻、大豆或高粱；
或者木质纤维材料选用长径为5～25的细小纤维；
所述木塑复合材料中添加的助剂包括相容剂、润滑剂，主要是为了提高芳纶纤维、木质纤维材料与塑料之间的界面相容性、改善材料的力学性能和加工性能；
相容剂为马来酸酐接枝苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚苯乙烯、马来酸酐-苯乙烯嵌段共聚物、钛酸酯、异氰酸酯、六甲基二硅氮烷、六甲基二硅氧烷、乙烯基三（β-甲氧基乙氧基）硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、氨丙基三乙氧基硅烷或甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷中的一种或几种，当为几种时为任意比例混合；
润滑剂为硬脂酸、硬脂酸金属盐、石蜡或聚乙烯蜡、聚丙烯蜡；硬脂酸金属盐为硬脂酸钠、硬脂酸锶、硬脂酸钙或硬脂酸锌中的一种或几种，当为几种时为任意比例混合。
具体实施方式十四：本实施方式与实施方式十三的不同之处在于，表面水解改性芳纶纤维是通过下述方法获取的：
步骤1、将芳纶纤维浸入质量浓度为2%～50%水解碱液中，所述水解碱液为氢氧化钠水溶液或氢氧化钾水溶液，芳纶纤维的质量：水解碱液的体积按100克：4000毫升进行配制；
步骤2、在常温下搅拌20分钟，然后用蒸馏水冲洗芳纶纤维至洗液呈中性；
步骤3、在常压、100℃～105℃温度状态下，或者在真空度≥0.09MPa的真空中、80℃温度状态下进行干燥处理，至芳纶纤维含水率≤0.5%，得到水解芳纶纤维。
其它步骤与参数与实施方式十三相同。
本实施方式所述方法中，将芳纶纤维在碱性水溶液中水解，使纤维表面活性基团氨基和羧基增加，能够与相容剂发生化学反应、促进氢键作用、提高纤维表面粗糙度以改善机械作用，提高芳纶纤维与树脂基体的界面结合力，使树脂基体承受的应力可以有效地转移给水解芳纶纤维，达到提高复合材料力学性能的目的。同时，当向木塑复合材料中添加芳纶纤维时，混杂体系中存在协同增强/增韧效应：木质纤维材料在与芳纶纤维高速混合及混炼的过程中摩擦产生大量的微纤丝，木纤维微纤丝与芳纶纤维相互缠结在一起，进而木质纤维材料、芳纶纤维和热塑性塑料之间形成一种特殊的三维空心的网状结构，木质纤维材料和热塑性塑料分子填充在三维结构中，因此在挤出成型过程中，这种三维网络结构在热塑性塑料基体材料中能形成十分坚固的骨架，从而有效地阻止裂纹的产生和扩展，达到提高复合材料综合力学性能的目的。
具体实施方式十五：本实施方式与实施方式十四的不同之处在于，水解碱液的质量浓度为8%～20%，其它步骤与参数与实施方式十四相同。
具体实施方式十六：本实施方式与实施方式十四的不同之处在于，水解碱液的质量浓度为2%，其它步骤与参数与实施方式十四相同。
具体实施方式十七：本实施方式与实施方式十四的不同之处在于，水解碱液的质量浓度为50%，其它步骤与参数与实施方式十四相同。
具体实施方式十八：本实施方式与实施方式十四的不同之处在于，水解碱液的质量浓度为20%，其它步骤与参数与实施方式十四相同。
具体实施方式十九：本实施方式给出一个具体实施方式例来进一步说明实施方式十三所述的表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料的制备方法。
表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料按以下步骤进行制备：
步骤一、按重量份数比称取154份的木粉加入到高速混合机中搅拌，温度控制在105℃，混合转速为1000转/分，使木质纤维材料的含水率达到2%左右；
步骤二、按重量份数比称取100份的聚丙烯、8份长度为6mm的表面水解改性凯夫拉纤维、8份的MAPP（马来酸酐接枝聚丙烯）和3份的石蜡依次加入到高速混合机中进行预混，混合温度为105℃，混合转速为1000转/分，保持10分钟，卸料至低速冷混机中，搅拌并通水冷却，当物料的温度降至50℃时出料，得到预混料，卸料后计量倒入挤出机的储料仓中备用。
步骤三、将预混料通过螺杆挤出机挤出成型，得到表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料，通过单螺杆/平形双螺杆双阶挤出机组和型材辅机挤出成型，其中双螺杆转速为50转/分，温度从进料区至出料口采用先升后降设置，温度范围180℃～155℃；单螺杆转速为20转/分，温度从进料口至模具前端采用先降温后升温设置，范围174℃～180℃；模具温度175℃，模具末端通冷却水。
经过运送物料段、熔融阶段、均化阶段这三个阶段，在外部接触传热和内摩擦热的作用下，高黏度木塑复合熔体均匀挤出成型，本实施例为截面尺寸宽40mm和厚4mm的片材。挤出的片材通过水冷定型、室温放置3天后，加工成标准试件，进行力学性能对比试验，以系统评价表面水解改性凯夫拉纤维的增强和增韧效果。
本实施方式所得表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料与现有未添加表面水解改性芳纶纤维的木塑复合材料对比，所用原料的配比如表1所示，给出两个表面水解改性对照，对照1没有加表面水解改性芳纶纤维和相容剂，对照2没有加表面水解改性芳纶纤维。
表1
力学性能对比试验的结果如表2所示。
表2
本发明表面水解改性凯夫拉纤维加入显著提高了木粉/聚丙烯复合材料各项力学性能。与未添加表面水解改性凯夫拉纤维、相容剂的复合材料对照1相比，增强复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、悬臂梁无缺口冲击强度分别提高了86.6%、81.2%、19.7%、49.9%。
与未添加表面水解改性凯夫拉纤的维复合材料对照2相比，增强复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、悬臂梁无缺口冲击强度分别提高了19.1%、18.5%、1.6%、4.6%。
具体实施方式二十、本实施方式给出一个具体实施方式例来进一步说明实施方式十三所述的表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料的制备方法。
表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料按以下步骤进行制备：
步骤一、按重量份数比称取157份的木粉加入到高速混合机中搅拌，温度控制在105℃，混合转速为1000转/分，使木质纤维材料的含水率达到2%左右；
步骤二、按重量份数比称取100份的聚丙烯、5份长度为6mm的表面水解改性凯夫拉纤维、8份的MAPP（马来酸酐接枝聚丙烯）和3份的石蜡依次加入到高速混合机中进行预混，混合温度为105℃，混合转速为1000转/分，保持10分钟，卸料至低速冷混机中，搅拌并通水冷却，当物料的温度降至50℃时出料，得到预混料，卸料后计量倒入挤出机的储料仓中备用。
步骤三、将预混料通过螺杆挤出机挤出成型，得到表明水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料，通过单螺杆/平形双螺杆双阶挤出机组和型材辅机挤出成型，其中双螺杆转速为50转/分，温度从进料区至出料口采用先升后降设置，温度范围180℃～155℃；单螺杆转速为20转/分，温度从进料口至模具前端采用先降温后升温设置，范围174℃～180℃；模具温度175℃，模具末端通冷却水。
经过运送物料段、熔融阶段、均化阶段这三个阶段，在外部接触传热和内摩擦热的作用下，高黏度木塑复合熔体均匀挤出成型，本实施例为截面尺寸宽40mm和厚4mm的片材。挤出的片材通过水冷定型、室温放置3天后，加工成标准试件，进行力学性能对比试验，以系统评价接枝凯夫拉纤维的增强和增韧效果。
本实施方式所得表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料与现有未添加表面水解改性芳纶纤维的木塑复合材料对比，所用原料的配比如表3所示，给出两个表面水解改性对照，对照1没有加表面水解改性芳纶纤维和相容剂，对照2没有加表面水解改性芳纶纤维。
表3
力学性能对比试验的结果如表4所示。
表4
本发明表面水解改性凯夫拉纤维加入显著提高了木粉/高密度聚乙烯复合材料各项力学性能。与未添加表面水解改性凯夫拉纤维、相容剂的复合材料对照1相比，增强复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、悬臂梁无缺口冲击强度分别提高了81.9%、79.4%、34.0%、60.7%。
与未添加表面水解改性凯夫拉纤的维复合材料对照2相比，增强复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、悬臂梁无缺口冲击强度分别提高了16.1%、17.3%、13.8%、12.1%。
具体实施方式二十一、本实施方式给出一个具体实施方式例来进一步说明实施方式十三所述的表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料的制备方法。
在实施方式二十中的表面水解改性凯夫拉纤维的长度为6mm，本实施方式给出表面水解改性凯夫拉纤维的长度为3mm的具体例子及试验结果。
表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料按以下步骤进行制备：
步骤一、按重量份数比称取157份的木粉加入到高速混合机中搅拌，温度控制在105℃，混合转速为1000转/分，使木质纤维材料的含水率达到2%左右；
步骤二、按重量份数比称取100份的聚丙烯、5份长度为3mm的表面水解改性凯夫拉纤维、8份的MAPP（马来酸酐接枝聚丙烯）和3份的石蜡依次加入到高速混合机中进行预混，混合温度为105℃，混合转速为1000转/分，保持10分钟，卸料至低速冷混机中，搅拌并通水冷却，当物料的温度降至50℃时出料，得到预混料，卸料后计量倒入挤出机的储料仓中备用。
步骤三、将预混料通过螺杆挤出机挤出成型，得到表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料，通过单螺杆/平形双螺杆双阶挤出机组和型材辅机挤出成型，其中双螺杆转速为50转/分，温度从进料区至出料口采用先升后降设置，温度范围180℃～155℃；单螺杆转速为20转/分，温度从进料口至模具前端采用先降温后升温设置，范围174℃～180℃；模具温度175℃，模具末端通冷却水。
经过运送物料段、熔融阶段、均化阶段这三个阶段，在外部接触传热和内摩擦热的作用下，高黏度木塑复合熔体均匀挤出成型，本实施例为截面尺寸宽40mm和厚4mm的片材。挤出的片材通过水冷定型、室温放置3天后，加工成标准试件，进行力学性能对比试验，以系统评价表面水解改性凯夫拉纤维的增强和增韧效果。
本实施方式所得表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料与现有未添加表面水解改性芳纶纤维的木塑复合材料对比，所用原料的配比如表5所示，给出两个表面水解改性对照，对照1没有加表面水解改性芳纶纤维和相容剂，对照2没有加表面水解改性芳纶纤维。
表5
力学性能对比试验的结果如表6所示。
表6
本发明表面水解改性凯夫拉纤维加入显著提高了木粉/高密度聚乙烯复合材料各项力学性能。与未添加表面水解改性凯夫拉纤维、相容剂的复合材料对照1相比，增强复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、悬臂梁无缺口冲击强度分别提高了88.2%、77.5%、24.6%、56.7%。
与未添加表面水解改性凯夫拉纤维的复合材料对照2相比，增强复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、悬臂梁无缺口冲击强度分别提高了20.2%、16.1%、5.8%、9.3%。
具体实施方式二十二、本实施方式给出一个具体实施方式例来进一步说明实施方式十三所述的表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料的制备方法。
在实施方式二十中的表面水解改性凯夫拉纤维的长度为6mm，在实施方式二十一中的表面水解改性凯夫拉纤维的长度为3mm，本实施方式给出表面水解改性凯夫拉纤维的长度为9mm的具体例子及试验结果。
表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料按以下步骤进行制备：
步骤一、按重量份数比称取157份的木粉加入到高速混合机中搅拌，温度控制在105℃，混合转速为1000转/分，使木质纤维材料的含水率达到2%左右；
步骤二、按重量份数比称取100份的聚丙烯、5份长度为9mm的表面水解改性凯夫拉纤维、8份的MAPP（马来酸酐接枝聚丙烯）和3份的石蜡依次加入到高速混合机中进行预混，混合温度为105℃，混合转速为1000转/分，保持10分钟，卸料至低速冷混机中，搅拌并通水冷却，当物料的温度低于80℃时出料，得到预混料，卸料后计量倒入挤出机的储料仓中备用；
步骤三、将预混料通过螺杆挤出机挤出成型，得到表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料，通过单螺杆/平形双螺杆双阶挤出机组和型材辅机挤出成型，其中双螺杆转速为50转/分，温度从进料区至出料口采用先升后降设置，温度范围180℃～155℃；单螺杆转速为20转/分，温度从进料口至模具前端采用先降温后升温设置，范围174℃～180℃；模具温度175℃，模具末端通冷却水。
经过运送物料段、熔融阶段、均化阶段这三个阶段，在外部接触传热和内摩擦热的作用下，高黏度木塑复合熔体均匀挤出成型，本实施例为截面尺寸宽40mm和厚4mm的片材。挤出的片材通过水冷定型、室温放置3天后，加工成标准试件，进行力学性能对比试验，以系统评价表面水解改性凯夫拉纤维的增强和增韧效果。
本实施方式所得表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料与现有未添加表面水解改性芳纶纤维的木塑复合材料对比，所用原料的配比如表8所示，给出两个表面水解改性对照，对照1没有加表面水解改性芳纶纤维和相容剂，对照2没有加表面水解改性芳纶纤维。
表7
力学性能对比试验的结果如表8所示。
表8
本发明表面水解改性凯夫拉纤维加入显著提高了木粉/聚丙烯复合材料各项力学性能。与未添加表面水解改性凯夫拉纤维、相容剂的复合材料对照1相比，增强复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、悬臂梁无缺口冲击强度分别提高了94.1%、86.8%、50.8%、93.8%。
与未添加表面水解改性凯夫拉纤维的复合材料对照2相比，增强复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、悬臂梁无缺口冲击强度分别提高了23.9%、22.1%、28.0%、35.2%。
具体实施方式二十三、本实施方式给出一个具体实施方式例来进一步说明实施方式十三所述的表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料的制备方法。
表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料按以下步骤进行制备：
步骤一、按重量份数比称取164份的木粉加入到高速混合机中搅拌，温度控制在105℃，混合转速为1000转/分，使木质纤维材料的含水率达到2%左右；
步骤二、按重量份数比称取100份的高密度聚乙烯、3份长度为9mm的表面水解改性凯夫拉纤维、11份的MAPE（马来酸酐接枝聚乙烯）和3份的石蜡依次加入到高速混合机中进行预混，混合温度为105℃，混合转速为1000转/分，保持10分钟，卸料至低速冷混机中，搅拌并通水冷却，当物料的温度降至50℃时出料，得到预混料，卸料后计量倒入挤出机的储料仓中备用。
步骤三、将预混料通过螺杆挤出机挤出成型，得到表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料，通过单螺杆/平形双螺杆双阶挤出机组和型材辅机挤出成型，其中双螺杆转速为50转/分，温度从进料区至出料口采用先升后降设置，温度范围175℃～155℃；单螺杆转速为20转/分，温度从进料口至模具前端采用先降温后升温设置，范围165℃～175℃；模具温度170℃，模具末端通冷却水。
经过运送物料段、熔融阶段、均化阶段这三个阶段，在外部接触传热和内摩擦热的作用下，高黏度木塑复合熔体均匀挤出成型，本实施例为截面尺寸宽40mm和厚4mm的片材。挤出的片材通过水冷定型、室温放置3天后，加工成标准试件，进行力学性能对比试验，以系统评价表面水解改性凯夫拉纤维的增强和增韧效果。
本实施方式所得表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料与现有未添加表面水解改性芳纶纤维的木塑复合材料对比，所用原料的配比如表9所示，给出两个表面水解改性对照，对照3没有加表面水解改性芳纶纤维和相容剂，对照4没有加表面水解改性芳纶纤维。
表9
力学性能对比试验的结果如表10所示。
表10
本发明表面水解改性凯夫拉纤维加入显著提高了木粉/高密度聚乙烯复合材料各项力学性能。与未添加表面水解改性凯夫拉纤维、相容剂的复合材料对照3相比，增强复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、悬臂梁无缺口冲击强度分别提高了58.2%、63.4%、29.2%、75.0%。
与未添加表面水解改性凯夫拉纤维的复合材料对照4相比，增强复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、悬臂梁无缺口冲击强度分别提高了11.2%、6.9%、12.2%、14.0%。
具体实施方式二十四、本实施方式给出一个具体实施方式例来进一步说明实施方式十三所述的表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料的制备方法。
表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料按以下步骤进行制备：
步骤一、按重量份数比称取164份的木粉加入到高速混合机中搅拌，温度控制在105℃，混合转速为1000转/分，使木质纤维材料的含水率达到2%左右；
步骤二、按重量份数比称取100份的高密度聚乙烯、4份长度为9mm的表面水解改性凯夫拉纤维、11份的MAPE（马来酸酐接枝聚乙烯）和3份的石蜡依次加入到高速混合机中进行预混，混合温度为105℃，混合转速为1000转/分，保持10分钟，卸料至低速冷混机中，搅拌并通水冷却，当物料的温度降至50℃时出料，得到预混料，卸料后计量倒入挤出机的储料仓中备用。
步骤三、将预混料通过螺杆挤出机挤出成型，得到表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料，通过单螺杆/平形双螺杆双阶挤出机组和型材辅机挤出成型，其中双螺杆转速为50转/分，温度从进料区至出料口采用先升后降设置，温度范围175℃～155℃；单螺杆转速为20转/分，温度从进料口至模具前端采用先降温后升温设置，范围165℃～175℃；模具温度170℃，模具末端通冷却水。
经过运送物料段、熔融阶段、均化阶段这三个阶段，在外部接触传热和内摩擦热的作用下，高黏度木塑复合熔体均匀挤出成型，本实施例为截面尺寸宽40mm和厚4mm的片材。挤出的片材通过水冷定型、室温放置3天后，加工成标准试件，进行力学性能对比试验，以系统评价表面水解改性凯夫拉纤维的增强和增韧效果。
本实施方式所得表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料与现有未添加表面水解改性芳纶纤维的木塑复合材料对比，所用原料的配比如表11所示，给出两个表面水解改性对照，对照3没有加表面水解改性芳纶纤维和相容剂，对照4没有加表面水解改性芳纶纤维。
表11
力学性能对比试验的结果如表12所示。
表12
本发明表面水解改性凯夫拉纤维加入显著提高了木粉/高密度聚乙烯复合材料各项力学性能。与未添加表面水解改性凯夫拉纤维、相容剂的复合材料对照3相比，增强复合材料的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量、悬臂梁无缺口冲击强度分别提高了63.5%、21.7%、72.0%、35.1%、86.2%。
与未添加表面水解改性凯夫拉纤维的复合材料对照4相比，增强复合材料的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量、悬臂梁无缺口冲击强度分别提高了14.9%、10.9%、12.5%、17.3%、21.2%。
具体实施方式二十五、本实施方式给出一个具体实施方式例来进一步说明实施方式十三所述的表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料的制备方法。
表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料按以下步骤进行制备：
步骤一、按重量份数比称取161份的木粉加入到高速混合机中搅拌，温度控制在105℃，混合转速为1000转/分，使木质纤维材料的含水率达到2%左右；
步骤二、按重量份数比称取100份的高密度聚乙烯、6份长度为9mm的表面水解改性凯夫拉纤维、11份的MAPE（马来酸酐接枝聚乙烯）和3份的石蜡依次加入到高速混合机中进行预混，混合温度为105℃，混合转速为1000转/分，保持10分钟，卸料至低速冷混机中，搅拌并通水冷却，当物料的温度降至50℃时出料，得到预混料，卸料后计量倒入挤出机的储料仓中备用。
步骤三、将预混料通过螺杆挤出机挤出成型，得到表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料，通过单螺杆/平形双螺杆双阶挤出机组和型材辅机挤出成型，其中双螺杆转速为50转/分，温度从进料区至出料口采用先升后降设置，温度范围175℃～155℃；单螺杆转速为20转/分，温度从进料口至模具前端采用先降温后升温设置，范围165℃～175℃；模具温度170℃，模具末端通冷却水。
经过运送物料段、熔融阶段、均化阶段这三个阶段，在外部接触传热和内摩擦热的作用下，高黏度木塑复合熔体均匀挤出成型，本实施例为截面尺寸宽40mm和厚4mm的片材。挤出的片材通过水冷定型、室温放置3天后，加工成标准试件，进行力学性能对比试验，以系统评价表面水解改性凯夫拉纤维的增强和增韧效果。
本实施方式所得表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料与现有未添加表面水解改性芳纶纤维的木塑复合材料对比，所用原料的配比如表13所示，给出两个表面水解改性对照，对照3没有加表面水解改性芳纶纤维和相容剂，对照4没有加表面水解改性芳纶纤维。
表13
力学性能对比试验的结果如表14所示。
表14
本发明表面水解改性凯夫拉纤维加入显著提高了木粉/高密度聚乙烯复合材料各项力学性能。与未添加表面水解改性凯夫拉纤维、相容剂的复合材料对照3相比，增强复合材料的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量、悬臂梁无缺口冲击强度分别提高了73.8%、23.4%、74.8%、41.0%、117.6%。
与未添加表面水解改性凯夫拉纤维的复合材料对照4相比，增强复合材料的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量、悬臂梁无缺口冲击强度分别提高了22.1%、12.4%、14.3%、22.4%、41.7%。
具体实施方式二十六、本实施方式给出一个具体实施方式例来进一步说明实施方式十三所述的表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料的制备方法。
表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料按以下步骤进行制备：
步骤一、按重量份数比称取160份的木粉加入到高速混合机中搅拌，温度控制在105℃，混合转速为1000转/分，使木质纤维材料的含水率达到2%左右；
步骤二、按重量份数比称取100份的高密度聚乙烯、7份长度为9mm的表面水解改性凯夫拉纤维、11份的MAPE（马来酸酐接枝聚乙烯）和3份的石蜡依次加入到高速混合机中进行预混，混合温度为105℃，混合转速为1000转/分，保持10分钟，卸料至低速冷混机中，搅拌并通水冷却，当物料的温度降至50℃时出料，得到预混料，卸料后计量倒入挤出机的储料仓中备用。
步骤三、将预混料通过螺杆挤出机挤出成型，得到表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料，通过单螺杆/平形双螺杆双阶挤出机组和型材辅机挤出成型，其中双螺杆转速为50转/分，温度从进料区至出料口采用先升后降设置，温度范围175℃～155℃；单螺杆转速为20转/分，温度从进料口至模具前端采用先降温后升温设置，范围165℃～175℃；模具温度170℃，模具末端通冷却水。
经过运送物料段、熔融阶段、均化阶段这三个阶段，在外部接触传热和内摩擦热的作用下，高黏度木塑复合熔体均匀挤出成型，本实施例为截面尺寸宽40mm和厚4mm的片材。挤出的片材通过水冷定型、室温放置3天后，加工成标准试件，进行力学性能对比试验，以系统评价表面水解改性凯夫拉纤维的增强和增韧效果。
本实施方式所得表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料与现有未添加表面水解改性芳纶纤维的木塑复合材料对比，所用原料的配比如表15所示，给出两个表面水解改性对照，对照3没有加表面水解改性芳纶纤维和相容剂，对照4没有加表面水解改性芳纶纤维。
表15
力学性能对比试验的结果如表16所示。
表16
Claims (10)
1.表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料，其特征在于，表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料按重量份数比由100份的热塑性塑料、50～360份的木质纤维材料、2～12份的表面水解改性芳纶纤维、4.5～32份的相容剂和0.75～8份的润滑剂制成。
2.根据权利要求1所述的表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料，其特征在于，表面水解改性芳纶纤维由芳纶纤维在氢氧化钠水溶液或氢氧化钾水溶液中水解制成，芳纶纤维的质量：水解碱液的体积按100克：4000毫升进行配制，
芳纶纤维采用对位芳酰胺纤维或间位芳酰胺纤维，且满足条件：直径为12～15μm，长为1～12mm，并且长径比为83.3～1000。
3.根据权利要求1所述的表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料，其特征在于，热塑性塑料为聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物中的一种或几种，
木质纤维材料为木粉、竹粉、农作物秸秆粉、果壳粉的任何一种或几种，其中农作物秸秆粉中的农作物为玉米、小麦、水稻、大豆或高粱，或者木质纤维材料选用长径比为5～25的细小纤维，
相容剂为马来酸酐接枝苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚苯乙烯、马来酸酐-苯乙烯嵌段共聚物、钛酸酯、异氰酸酯、六甲基二硅氮烷、六甲基二硅氧烷、乙烯基三（β-甲氧基乙氧基）硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、氨丙基三乙氧基硅烷或甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷中的一种或几种，
润滑剂为硬脂酸、硬脂酸金属盐、石蜡或聚乙烯蜡、聚丙烯蜡，
硬脂酸金属盐为硬脂酸钠、硬脂酸锶、硬脂酸钙或硬脂酸锌中的一种或几种。
4.制备如权利要求1所述的表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
步骤一、按重量份数比称取50～360份的木质纤维材料加入到高速混合机中搅拌，调节转速将物料温度控制在105℃～150℃之间，保持搅拌3分钟～15分钟，使木质纤维材料的含水率达到1.5%～2.5%之间，
步骤二、按重量份数比称取100份的热塑性塑料、2～12份的表面水解改性芳纶纤维、4.5～32份的相容剂和0.75～8份的润滑剂依次加入到高速混合机中进行预混，温度控制在105℃～180℃之间，保持5分钟～20分钟，卸料至低速冷混机中，搅拌并通水冷却，当物料的温度低于80℃时出料，得到预混料，
步骤三、将预混料通过螺杆挤出机挤出成型，得到表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料，挤出机筒加热温度控制在130℃～185℃之间，口模温度控制在140℃～190℃之间。
5.根据权利要求4所述的表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料的制备方法，其特征在于，表面水解改性芳纶纤维是通过下述方法获取的：
步骤1、将芳纶纤维浸入质量浓度为2%～50%水解碱液中，所述水解碱液为氢氧化钠水溶液或氢氧化钾水溶液，芳纶纤维的质量：水解碱液的体积按100克：4000毫升进行配制，
步骤2、在室温～60℃下搅拌5分钟～120分钟，然后用蒸馏水或者去离子水冲洗芳纶纤维至洗液呈中性，
步骤3、在常压、100℃～105℃温度状态下，或者在真空度≥0.09MPa的真空中、80℃温度状态下进行干燥处理，至芳纶纤维含水率≤0.5%，得到表面水解改性芳纶纤维。
6.根据权利要求5所述的表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料的制备方法，其特征在于，芳纶纤维采用对位芳酰胺纤维或间位芳酰胺纤维，且满足条件：直径为12～15μm，长为1～12mm，长径比为83.3～1000。
7.根据权利要求5所述的表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料的制备方法，其特征在于，水解碱液的质量浓度为8%～20%。
8.根据权利要求5所述的表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料的制备方法，其特征在于，水解碱液的质量浓度为10%。
9.根据权利要求4所述的表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料的制备方法，其特征在于，步骤三中预混料挤出成型采用下述三种方法中的任意一种获取：
第一种：采用单螺杆和平行双螺杆双阶挤出机组实现预混料挤出成型，
第二种：采用锥形双螺杆挤出机实现预混料挤出成型，
第三种：先采用双螺杆挤出机造粒，再采用单螺杆挤出机或者锥形双螺杆挤出机实现预混料挤出成型。
10.根据权利要求4所述的表面水解改性芳纶纤维增强木塑复合材料的制备方法，其特征在于，热塑性塑料为聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物中的一种或几种；
木质纤维材料为木粉、竹粉、农作物秸秆粉、果壳粉的任何一种或几种，其中农作物秸秆粉中的农作物为玉米、小麦、水稻、大豆或高粱；
或者木质纤维材料选用长径比为5~25的细小纤维；
相容剂为马来酸酐接枝苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚苯乙烯、马来酸酐-苯乙烯嵌段共聚物、钛酸酯、异氰酸酯、六甲基二硅氮烷、六甲基二硅氧烷、乙烯基三（β-甲氧基乙氧基）硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、氨丙基三乙氧基硅烷或甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷中的一种或几种；
润滑剂为硬脂酸、硬脂酸金属盐、石蜡或聚乙烯蜡、聚丙烯蜡；硬脂酸金属盐为硬脂酸钠、硬脂酸锶、硬脂酸钙或硬脂酸锌中的一种或几种。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Effective date of registration: 20200628 Address after: 2 / F A2, zone B, high tech Industrial Park (phase II), Hengshan Town, Guangning County, Zhaoqing City, Guangdong Province 526300 Patentee after: Guangdong Haipeng bamboo research and Development Co.,Ltd. Address before: 150040 No. 26 Hexing Road, Xiangfang District, Heilongjiang, Harbin Patentee before: NORTHEAST FORESTRY University |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120704 |
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