CN101906250B - 玄武岩纤维增强的木塑复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种玄武岩纤维增强的木塑复合材料，其特征在于包括重量份计的长度为2mm-15mm，直径为2μm-25μm的短切玄武岩纤维：5-30份；木纤维：21-66份；塑性材料：21-66份。制备方法是：按比例称取各组分，机械混合后投入双辊开炼机进行塑化混炼，前后辊筒温度控制分别在160℃和170℃，混炼10min，至体系混合均匀，即表面看不到BF为宜；将塑化均匀的物料利用粉碎机粉碎至物料粒子直径不超过20mm为止；利用平板硫化机加热模压成型，得到板材试样。本发明获得的玄武岩纤维增强的木塑复合材料，抗拉强度，弯曲强度，及冲击强度都提高一倍以上，具有很好的经济和社会效益。

Description

玄武岩纤维增强的木塑复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用短切玄武岩纤维增强的木塑复合材料及其制备方法。

背景技术

木塑复合材料(Wood Plastic Composites，简称WPC)是以木纤维等植物纤维为增强材料，以热塑性塑料为基体材料，添加相关助剂后，经挤出、注塑、模压等成型方法制得。WPC保持了木材原有的加工性能，纹理及色泽，可广泛应用于家具、地板、托盘、门窗和汽车等领域。但是与实木木材相比，制作成本较高，能耗高出3-4倍，成品板密度大、而强度和硬度稍低，性价比较低，限制了其应用范围，就目前的性能而言，还很难应用到结构材料等性能要求较高的行业。

另一方面，玄武岩纤维(Basalt Fiber，简称BF)被誉为“21世纪无污染的绿色工业材料”，是天然玄武岩矿石经高温熔融后通过铂铑合金拉丝制成的一种新型高性能纤维。它原料来源广、成本低，并具有耐高温、耐腐蚀、隔热、吸音及低吸湿等优异的性能；玄武岩纤维性价比高，被认为有望代替价格昂贵的碳纤维，而成为具有中国特色的新兴高强纤维，已广泛应用于交通路面，建筑加固等许多领域。

目前有利用玻璃纤维增强WPC等的研究报道，从玻璃纤维增强WPC等的研究报道上看，当玻璃纤维增强木粉含量不大于30％的WPC时，其最佳添加量为15％；此时拉伸和弯曲强度分别提高了23-30％和10％左右，其他性能因基体材料不同而不同；此外，也有拉伸强度提高了约40％的报道。但尚没有检索到用短切BF增强WPC，及其它能显著提高WPC相关性能的报道；此外，在“木”“塑”复合基础上，再加入BF或玻璃纤维后形成的复合材料，是一个非常复杂的多元体系，要对它进行理论分析计算，是相当困难的。

发明内容

为了克服以上的技术问题，本发明的目的在于提供一种玄武岩纤维增强的木塑复合材料；

本发明的另一个目的在于提供一种玄武岩纤维增强的木塑复合材料的制备方法，由此制备的新型玄武岩纤维增强木塑复合材料(以下简称“BF-WPC”)可显著提高现有WPC的力学性能。

为实现上述目的，本发明是通过以下的技术方案来实现的：

玄武岩纤维增强的木塑复合材料，包括重量份计的如下组分：

玄武岩纤维：5-30份，更佳的范围为：10-25份；

木纤维：21-66份

塑性材料：21-66份。

前述玄武岩纤维增强的木塑复合材料，所述的玄武岩纤维为短切的玄武岩纤维，其长度为2mm-15mm，直径为2μm-25μm；较佳长度为5mm-10mm，直径6μm-20μm。

前述短切玄武岩纤维增强的木塑复合材料，所述的木纤维选自柚木粉，桦木粉，杨树木粉，剑麻，竹粉，松木粉，花生壳粉，亚麻，秸秆，稻壳之植物纤维之任一种或者是它们的混合物。

前述短切玄武岩纤维增强的木塑复合材料，所述的塑性材料选自高密度聚乙烯(HDPE)，低密度聚乙烯(LDPE)，聚丙烯(PP)，聚氯乙烯(PVC)，聚苯乙烯(PS)之任一种。

玄武岩纤维增强的木塑复合材料的制备方法，包括以下的步骤：

(1)、按各组分比例称取玄武岩纤维、木纤维、塑性材料，机械混合后投入双辊开炼机对其进行塑化混炼，混炼时前后辊筒温度控制分别在160℃和170℃，混炼8-15min，至体系混合均匀，即表面看不到BF为宜；

(2)、将塑化均匀的物料利用粉碎机粉碎至物料粒子直径不超过20mm为止；

(3)、利用平板硫化机加热模压成型，先将模具置于上下模板中预热至180℃后取出，喷涂脱模剂后，把物料添加到模具中，物料添加量大于模具体积，将装好模具后放置到硫化机中，在180℃-190℃下加压至8-12Mpa预热5-8min，再将模具整体取出，在保证物料充足的情况下铲除易产生飞边的多余物料，再保压8-10min；卸模后再冷压10-15min；即可得到板材试样。

前述的玄武岩纤维增强的木塑复合材料的制备方法，所述的物料添加量是模具体积的1.1-1.3倍，较佳是1.2倍。

本发明的主要特点：

首先，选择性价比较高、拉伸强度等力学性能远比玻璃纤维强的玄武岩纤维作为木塑复合材料的增强纤维；

其次是经过对各种样号，多力学性能指标的测定结果，并非所有类型的玄武岩纤维都能在本发明的制备工艺条件下起到增强效果，有效的玄武岩纤维是短切的玄武岩纤维，纤维长度约为2mm-15mm，更佳范围为5mm-10mm，制备的玄武岩纤维强化的木塑复合材料，克服了木塑复合板强度低，性价比较低的缺点，如表1所示，除了断裂伸长外，当用6mm的短切BF增强时，抗拉强度，弯曲强度，及冲击强度都可以提高一倍以上，从而具有很好的经济和社会效益；

第三是通过借助双辊开炼机的制备工艺，在高温高压下反复对其进行塑化混炼的过程中，混合材料多次通过双辊，反复对玄武岩纤维与木纤维以及塑性材料进行混合挤压，使得组分之间充分混合，为增强物料间摩擦力起到了积极作用，达到各组分之间均匀，密切接触的效果。从图3电镜的微细结构照片上也证实了短切强化纤维与木塑复合材料之间混合确实相当均匀、密实。从表1所显示获得的样品的力学性能上看，不论是拉伸强度、冲击强度、还是弯曲强度均有显著的增强效果。本发明的制备方法不同于通常的短切强化纤维与树脂基体复合材料之间的混合方法，后者的树脂基体主要是液态或胶状的物质，通常是通过摇晃等方法使其分布尽量均匀。但通过摇晃也容易让气泡进入材料中。如果纤维是长纤维，通常的方法是长纤维铺层后，再加树脂，经加热固化等物理或化学方法制备而成，但在混合效果，方便产业化等方面不及本方法。

第四，即使采用不添加偶联剂等材料的方法，本发明也能达到很好的增强效果，不仅可减少用料，简化制备工序，降低制作成本，而且还更加环保。

本发明获得的玄武岩纤维增强木塑复合材料的性能检测：

1、外观：纯木塑时，颜色呈现土黄色，本发明实施例1获得的玄武岩增强的木塑复合材料颜色变深，接近黑色。

2、表1是短切玄武岩纤维增强木塑复合材料性能参数例示及其与WPC的比较。

注：表1中所用的玄武岩纤维直径均为13μm。

附图说明

图1是本发明的制备工艺流程图；

图2是不同长度以及含量的玄武岩纤维对成品板的性能参数的影响曲线，其中：

图2a是不同长度以及含量的玄武岩纤维对成品板的抗拉强度的影响曲线；

图2b是不同长度以及含量的玄武岩纤维对成品板断裂伸长率的影响曲线；

图2c是不同长度以及含量的玄武岩纤维对成品板弯曲强度的影响曲线；

图2d是不同长度以及含量的玄武岩纤维对成品板冲击强度的影响曲线；

图3是加入不同质量百分数的玄武岩纤维后的成品板的电镜图，其中：

图3a是不加玄武岩纤维的木塑复合材料的电镜图；

图3b是加入占体系总量为6％的玄武岩纤维后获得的成品板的电镜图；

图3c是加入占体系总量为12％的玄武岩纤维后获得的成品板的电镜图；

图3b是加入占体系总量为18％的玄武岩纤维后获得的成品板的电镜图；

图3b是加入占体系总量为24％的玄武岩纤维后获得的成品板的电镜图；

图3b是加入占体系总量为30％的玄武岩纤维后获得的成品板的电镜图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

所用木塑复合料粒：上海鑫记鑫有限公司产品；柚木粉∶HDPE＝7∶3；

玄武岩纤维：浙江石金玄武岩纤维有限公司产品，直径及短切长度参见实例。

实施例1

短切玄武岩纤维增强的木塑复合材料，以100份总重计含有如下重量份的组分：玄武岩纤维：18份；柚木粉：57份；高密度聚乙烯：25份；其中玄武岩纤维的直径d＝13μm，长度L＝3mm。

参照图1所示，制备过程表述如下：(1)、以上表格的重量称取相应的玄武岩纤维和木塑复合材料，混合后投入双辊开炼机对其进行塑化混炼，混炼过程中，前后辊筒温度控制分别在160℃和170℃，混炼10min；

(2)、将塑化均匀的物料利用粉碎机进行粉碎处理，粉碎至物料粒子直径不超过20mm为止。

(3)、利用平板硫化机加热模压成型，将所用模具擦干净，置于上下模板中预热至180℃，再将模具取出，喷涂脱模剂后，把物料添加到模具中，物料添加量为模具体积的1.1-1.3倍，将装好模具后放置到硫化机中，在180℃下加压至8Mpa预热5min，再将模具整体取出，在保证物料充足的情况下铲除易产生飞边的多余物料，再保压8min；卸模后再冷压15min；即可得到板材试样。

实施例2

短切玄武岩纤维增强的木塑复合材料，以100份总重计含有如下重量份的组分：玄武岩纤维：24份；柚木粉：53份；高密度聚乙烯：23份；其中玄武岩纤维的直径d＝13μm，长度L＝6mm，制备方法同实施例1。

实施例3至实施例14所涉及到的数据如表2所示，其中d表述玄武岩纤维的直径，L表示玄武岩纤维的长度。并且采用了与实施例1相同的制备方法。

表2实施例3至14所采用的不同组分表。

其中在应用到混合木粉的实施例中，所采用的纤维为等重量比。

由图2可知，添加的BF含量、玄武岩纤维的短切长度对BF-WPC板材力学性能的影响明显：在相同含量下，6mm的短切玄武岩纤维所制备的板材，除了弯曲强度比3mm的略低一点(参见图2c)外，其他三个板材性能指标参数均有大幅提高。说明纤维的长度对成品板材性能影响很大。当BF含量分别为36％和42％的板材，其力学性能与BF含量30％相比，已经开始快速下降。因此，从添加BF含量及其所产生的效果上分析，大于30％以后没有实用意义。

参照图2a、2b，对于用BF含量为30％，短切长度为12mm、直径为17μm的短切BF增强的BF-WPC，其抗拉强度和断裂伸长率比6mm的有大幅度的下降，但总体上比3mm时增强。说明最佳的纤维长度应该处在5mm-10mm之间；直径对板材性能的影响不是太大，相关的机理分析在后面论述。

根据图2中显示的结果，最好的强化效果出现在短切BF长度在5mm-10mm，BF含量在15％-25％之间，因此，可根据不同的使用目的，采用如下不同的成分配方：

1)如要取得尽可能大的强化效果，BF可采用直径为13μm，短切长度为6mm，含量在18％或24％的成分比；

2)如想要用尽量少的BF含量取得的较好的强化效果，可采用直径为13μm，短切BF长度在6mm，含量在6％或12％的成分比；

3)如要想尽量用完一些其它实验或工程中多余的BF，并保护一定的强化效果，可采用13μm，短切BF长度在6mm，BF含量在30％的成分比；

4)可利用不同配方，不同短切纤维长度等对板材四个性能指标的不同影响情况，选择你所需指标效果最好的条件进行制备，如可采用13μm，短切BF长度为3mm，BF含量在18％或24％的配方，制备具有更好弯曲强度的板材(图2c)。

本发明结果的解释、说明与机理阐述：

图2是不同长度以及含量的玄武岩纤维对成品板的性能参数的影响曲线；图3是加入不同质量百分数的玄武岩纤维后的成品板的电镜图。图2a是不同长度以及含量的玄武岩纤维对成品板的抗拉强度的影响曲线；图2b是不同长度以及含量的玄武岩纤维对成品板断裂伸长率的影响曲线；从图2a、2b中可以看出，不论是3mm，6mm还是12mm的短切BF，随着BF的增加，BF-WPC的抗拉强度和断裂伸长率都呈现先升后降的现象，6mm的短切BF增强效果最好，其中3mm短切BF获得抗拉强度约提高了60％，断裂伸长率约提高了30％的效果。图2c是不同长度以及含量的玄武岩纤维对成品板弯曲强度的影响曲线；图2d是不同长度以及含量的玄武岩纤维对成品板冲击强度的影响曲线；又图2c、2d可知，随着BF含量的增加，BF-WPC的弯曲与冲击强度都有一个快速上升的过程，然后有一缓慢增加的过程，直到过了某一最大值后，都开始下降。但出现最大值时的BF含量及其提高的比例不同：以3mm短切玄武岩纤维为例，获得了弯曲强度在BF含量为24％时，提高了一倍多，而冲击强度在BF含量为18％时，约提高了三分之一。

可见，与玻璃纤维相比，用玄武岩纤维增强木塑复合材料时，能添加到木塑复合材料中的增强纤维含量有较大提高的同时，取得最佳力学性能更有大幅提高：就拿本发明中增强效果相对较弱的3mm的短切BF增强的实验结果来说，也比这些报道中增强效果多出50％以上！即使木塑的木粉成份所占比高达70％(以上玻璃纤维增强WPC中，木粉含量不大于30％)，因为木粉为纤维，通常在如此高的纤维含量的基础上，再加入其他纤维时复合会比较困难，可能会达不到增强木塑性能的效果，但经本发明证明，即便我们采用了木粉所占比高达70％的WPC作为基体材料，再在一定范围内添加短切的玄武岩纤维，也可以显著改善木塑复合材料的力学性能。从前述的玻璃纤维和BF增强WPC具有相当不同的增强效果上，显示了BF-WPC具有自己的特殊性。

BF-WPC比WPC力学性能显著提高的机理探讨：

首先，高性能的BF发挥了更好的强化作用：如BF的拉伸强度在2GPa左右，而玻璃纤维只有100MPa，前者约为后者的20倍。因此，增强材料在强度上明显的不同。这可能是BF比玻璃纤维具有更好的增强效果的原因之一。

其次，所选用的制备方法及其工艺参数，可使BF和WPC致密结合，从而能让BF和WPC之间产生较大的摩擦力，起到很好的强化作用：图3是本发明加入3mm短切BF时，不同BF含量下的BF-WPC的电镜图。从图3可知，断面上以小孔或外伸的纤维为主，有少数的纤维直接断裂在断面上(图3中被六角包围的部分)，说明多数纤维在破坏过程中，确实有一个纤维拔出的过程，在这拔出过程中，实现了前述剪切力的传递，消耗了外力所作大量的功，起到了强化作用。不过，本实验中，没有添加改性剂，再从被拨出的纤维表面光滑这一点上看，BF对WPC的增强效果是通过两表面的物理吸附作用，由此产生的摩擦进行传递的。据此，如果BF和WPC混合均匀，相互挤得越实，则增加效果越好。木塑致密地包覆在BF的周围，且如前所述BF的强度远大于木塑。因此，拉伸、弯曲与冲击强度等都取得了显著的增强效果。

有关这一制备方法与现行方法的特点比较，参见后面论述。

第三，对于存在一最佳BF含量及最佳短切纤维长度的机理探讨，对于当BF含量超过一定值后性能下降的原因，传统的解释是：当增强纤维含量达到一定值后，基体与纤维不易均匀结合，产生较弱的界面，当材料受力时，容易产生界面脱附和纤维拔出，应力传递效率降低，从而使材料的性能下降。但从图3f的照片上看，即便是BF的含量在30％，观察到的BF确实也比较多，但毕竟还是木塑为主，虽然部分BF与BF之间相距较近，不过，多数纤维尚具有一定的空间。因此，只要BF含量不是过分多，我们认为尚不至于产生“不易均匀结合”的结果。从我们的实验结果上看，即便用木粉所占比高达70％的WPC作为基体材料，当BF的含量高于30％，如达到35％或以上时，才会出现“不易均匀结合”的结果。

那么，如何解释诸多强度指标上都存在最大值，而且在30％之前就出现下降的现象？对此，笔者提出了“弱端面”的定性假说，可圆满解释这一现象。

所谓“弱端面”，是指从宏观上看前述的剪切力，对强度起贡献的主要是纤维长度方向的表面，而不是纤维的断面。这是因为由于实验中使用的短切BF长度为3mm，直径为13μm，其长径比为200多倍，面积比近500倍；因此，纤维断面的表面积极小，它与木塑间的结合力有可能不如木塑本身的强度-反而会形成“纤维端面薄弱环节”，简称为“弱端面”。当纤维含量较低时，与纤维长度方向表面积对强度的贡献相比，这种“弱端面”的不良影响无足轻重。不过，随着短切BF含量的增加，这种弱端面也不断增多。对于拉伸，弯曲和冲击等不同的破坏形式，由于破坏时样品的受力状态不同，因此，都有一个各自的临界值，一旦超过了各自的临界值，其影响强度的作用增大，直到最后表现为强度开始下降，从而形成了最大区值间的现象。

顺便说明一下，这里所说的“弱端面”与崔益华等所引用的“纤维的临界长度”不是同一概念。或许可以说，“弱端面”是形成“纤维的临界长度”的原因所在。但本文所作的讨论是针对短纤维的长度已经超过临界长度的情况下“弱端面”所产生的负面影响。

通过“弱端面”的假说，不仅可以圆满的解释诸多强度指标上存在一最大值的现象，也可方便地解释为什么用6mm短切BF强化时，可以取得比3mm短切BF更好强化效果的原因。当然，量变会引起质变，也一定存在一个长度的最佳强化效果区间。从实验结果上看，12mm短切BF强化时，强化效果已经比6mm时有较大的下降，从最佳效果上看，短切纤维长度到10mm就足够了。不过，12mm短切BF强化时就其本身仍然可以获得较好的强化效果本发明的优化成分区间：通过实验证实，即便我们采用的木塑，其木粉成份所占比高达70％，不论纤维直径是13μm还是17μm，只要短切的BF含量适当，都具有十分显著的强化效果，并且从图2可见，其优化的BF含量区间为10％-25％，次佳的区间为5％-10％及25-35％。考虑到所取得的效果与加入BF成本之间的关系，BF含量在5％-30％均为可显著提高WPC性能的有效范围。

上述具体实施方式不以任何形式限制本发明的技术方案，凡是采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案均在本发明的保护范围。

Claims (4)

1.玄武岩纤维增强的木塑复合材料的制备方法，其特征在于包括以下的步骤：

(1)、按玄武岩纤维5-30重量份、木纤维21-66重量份、塑性材料21-66重量份的比例称取各组分，机械混合后投入双辊开炼机对其进行塑化混炼，混炼时前后辊筒温度控制分别在160℃和170℃，混炼8-15min，至体系混合均匀，即表面看不到玄武岩纤维为宜；

(2)、将塑化均匀的物料利用粉碎机粉碎至物料粒子直径不超过20mm为止；

(3)、利用平板硫化机加热模压成型，先将模具置于上下模板中预热至180℃后取出，喷涂脱模剂后，把物料添加到模具中，物料添加量大于模具体积，将装好模具后放置到硫化机中，在180℃-190℃下加压至8-12Mpa预热5-10min，再将模具整体取出，在保证物料充足的情况下铲除易产生飞边的多余物料，再保压8-10min；卸模后再冷压10-15min，即可得到板材试样。

2.根据权利要求1所述的玄武岩纤维增强的木塑复合材料的制备方法，其特征在于所述的物料添加量是模具体积的1.1-1.3倍。

3.根据权利要求1所述的玄武岩纤维增强的木塑复合材料的制备方法，其特征在于所述的玄武岩纤维为短切的玄武岩纤维，其长度为2mm-15mm，直径为2μm-25μm；木纤维选自桦木粉，杨树木粉，剑麻，竹粉，松木粉，花生壳粉，亚麻，秸秆，稻壳之植物纤维之任一种或者是它们的混合物；塑性材料选自低密度聚乙烯(LDPE)，聚丙烯(PP)，聚氯乙烯(PVC)，聚苯乙烯(PS)之任一种。

4.根据权利要求1所述的玄武岩纤维增强的木塑复合材料的制备方法，其特征在于所述的玄武岩纤维的长度为3mm-10mm，直径6μm-20μm。

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