CN102167872A - 一种建筑模板用微发泡木塑复合材料板材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种建筑模板用微发泡木塑复合材料板材及其制备方法，该木塑复合材料组成为：聚氯乙烯、木粉、轻质活性碳酸钙、发泡剂、发泡稳定剂、聚乙烯蜡、钛酸酯偶联剂、氯化聚乙烯、吸附剂纳米氧化钙、助发泡剂纳米氧化锌、硅酮加工助剂、增强纤维无碱玻璃纤维。先将木粉与纳米氧化钙粉末高速混合后，加入钛酸酯偶联剂后高速混合，最后加入其余物料，经高速混合后，再经低速混合得到预混料，经挤出机挤出、急速冷却即可。该板材具有表面硬度高、流动性好、强度和韧性高、尺寸稳定好、使用寿命长等特点。

Description

一种建筑模板用微发泡木塑复合材料板材及其制备方法
技术领域
本发明涉及发泡木塑复合材料及其加工领域，特别涉及一种微发泡木塑复合材料及加工工艺领域。
背景技术
现有的建筑模板用微发泡木塑复合材料存在着制品表面硬度低、韧性差、强度低、流动性差、木粉含量低、容易开裂变形、尺寸稳定性差、寿命短等缺点，难以用于实际建筑，特别是不能生产宽度超过90cm的建筑模板。微发泡木塑复合材料的制备存在以下关键技术问题：
1、生产微发泡木塑复合材料的配方中，含有大量固态粉末，各种粉末间的物理性质差别很大，特别是聚氯乙烯与木粉和碳酸钙粉之间属于不同化学极性的物料，相容性很差，造成物料在加热塑化后的粘度很高，流动阻力很大，成型较宽（宽度超过90cm）的板材十分困难。
2、由于木粉表面大量极性羟基的存在，使得木粉具有较强的吸水特性。通过加热烘干等措施，可以在一定程度上降低木粉的含水率。然而，要将木粉的含水率控制在0.5%以下十分困难。发泡过程中，木粉中的水分会严重影响发泡质量，导致微孔形状不规则，大小不均，并孔现象发生。众所周知，发泡质量的好坏直接决定产品的性能差异，因此对微发泡木塑复合材料而言，生产性能优异产品的首要条件便是控制木粉中水分的含量。
3、微发泡木塑复合材料的成型包括气泡核的形成、长大和泡孔的固化定型三个阶段，其中气泡核的形成阶段至关重要，成核剂的选用是影响微发泡材料性能的关键因素之一。成核剂与基体界面形成大量低势能点，压力释放的同时气体在这些界面处离析出，形成大量气泡核。一些成核剂在基体树脂中分散性不好，从而导致泡孔分布不均匀，如何解决这些问题以优化微发泡木塑复合材料的工艺条件，实现微孔发泡的有效控制显得十分重要。
4、与未发泡的木塑复合材料相比，微发泡型木塑复合材料由于基体的连续性大大下降，机械强度一般要下降30-50%，使其应用受到很大的限制。同时，微发泡木塑复合材料的表面硬度很低，制品使用过程中可循环的次数很短（3-5次），与传统的模板材料相比优势不显著。
发明内容
针对以上存在的成型较宽板材困难、易并孔、表面硬度低等技术问题，本发明提供了一种建筑模板用微发泡木塑复合材料板材及其制备方法，制备的板材较宽、微孔分布均匀、表面硬度高。
本发明的技术方案为：一种建筑模板用微发泡木塑复合材料板材，原料组成为：
（1）聚氯乙烯                              40~50质量份；
（2）木粉       　                         15~25质量份；
（3）轻质活性碳酸钙                        10~25质量份；
（4）发泡剂偶氮二甲酰胺                    0.2~1.2质量份；
（5）发泡稳定剂有机锡                      0.6~3.5质量份；
（6）聚乙烯蜡                              0.5~2.5质量份；
（7）钛酸酯偶联剂                          1.0~2.0质量份；
（8）氯化聚乙烯                           4.0~10.0质量份；
（9）吸附剂纳米氧化钙                      5.0~8.0质量份；
（10）助发泡剂纳米氧化锌                   1.0~3.5质量份；
（11）硅酮加工助剂                         0.5~1.5质量份；
（12）增强纤维                             3.0~6.5质量份。
所述的有机锡为二丁基锡或二辛基锡。
所用纳米氧化钙的粒径为100-500nm，纯度大于98%wt。
所用纳米氧化锌粒径为30~60nm。
所用硅酮加工助剂为不含载体为不含载体的聚二甲基硅氧烷，其数均分子量为80~120万。
所用增强纤维为直径7~14um、长4~8mm的无碱玻璃纤维。
所述木粉的粒度为100~200目；所述的轻质活性碳酸钙的粒度为1000-1500目。
一种制备所述的建筑模板用微发泡木塑复合板材的方法，先将木粉与纳米氧化钙粉末按质量份经高速1500~2500转/分混合10-15分钟后，按质量份加入钛酸酯偶联剂后高速1500~2500转/分混合5-6分钟，最后按质量份加入其余物料，经高速1500~2500转/分混合10~20分钟后，再经低速300~600转/分混合5~10分钟后，得到预混料，将该预混料经锥形双螺杆挤出机挤出发泡成型、0~15℃的循环水急速冷却定型、牵引、切割，制成微发泡木塑复合板材。
挤出成型工艺参数条件如下：
主机转速450~750转/分，牵引速度30~70cm/min，机筒一区120~135℃，机筒二区145~165℃，机筒三区150~175℃,机筒四区170~190℃，模具温度140~165℃，冷却循环水温度0~15℃。
有益效果：
1、传统的塑料用的内、外润滑剂的添加量大，且润滑效果不十分理想。本发明在木塑复合材料中加入适量的不含有机载体的超高分子量硅酮加工助剂。该助剂具有添加量少、润滑效果好、表面不析出等特点，性能远优于传统的硅油和脂肪酸类等润滑剂。超高分子量硅酮加工助剂能促进木粉与聚氯乙烯（PVC）等塑料的充分混合，有利于增加物料的流动性，易于冲模成形，有利于提高产品的内在质量和表面光洁度。
2、选用纯度大于98%wt、粒径为100-500nm的超细氧化钙粉末作为吸附剂。当超细氧化钙粉末与木粉进行高速混合时，一方面利用氧化钙粉末较强的吸水特性吸收木粉中的水分；另一方面，氧化钙吸水后生成氢氧化钙，利用其碱性特性，能够将木粉表面的胶质等溶解，有利于提高木粉与树脂基体之间的相容性和界面结合力。此外，氢氧化钙还能与偶氮二甲酰胺产生的气体CO2反应，可以缓和气体的释放速度，有利于降低并泡等现象产生的几率，从而提高发泡质量。
3、选用粒径为30~60nm的纳米氧化锌作为助发泡剂。纳米氧化锌一方面可以作为发泡的成核剂，有利于超细微孔的形成与均匀分布；同时可以利用其增强增韧作用，提高基体的强度和韧性。
4、选用长度4~8mm的无碱短切玻璃纤维，可以起到对微发泡木塑复合材料的增强作用。所添加的玻璃纤维经过挤出加工后的长度约为0.6~1.3mm，可以穿透微孔，在微孔间起到桥梁作用，能承受并有效传递载荷，提高复合材料的力学强度。
5、本发明所制得的微发泡木塑复合材料板材具有微小均匀分布的微孔结构，表面层硬度高，成型加工性能好，韧性高、尺寸稳定好，产品表面光亮，可生产幅宽大于1200 mm的建筑模板，有效解决了普通微发泡木塑复合材料板材存在的脆性大、强度低、尺寸稳定性差、寿命短等缺点，能广泛替代实木模板、塑料模板、钢模板和普通木塑模板。
经检测，采用本发明所述之配方及工艺制得的木塑复合材料板材的性能如下：
幅  宽                    大于1200 mm
厚  度                     10~24 mm
比  重                        0.60~0.70
孔隙率                      16.0~18.0%
微孔密度                 2.0~2.5×106个/cm3
平均微孔孔径                 40~45μm
断裂伸长率（GB T1040）     7.5~9.5 %
抗弯模量（GB T9341）             1.20~1.40 GPa
抗弯强度（GB T9341）            22.0~26.0 MPa
冲击强度（GB T1843）           170.0~182.0 J/m
洛氏硬度（GB/T 9342）        82~86
表面硬壳层厚度             0.80~1.00 mm
可循环使用次数               18~22
附图说明
图1为实施例3得到的材料的电镜照片，可以看出微孔分布很均匀。
具体实施方式：
所用试剂皆为通用市售试剂。
1、先将木粉与纳米氧化钙粉末按质量份经高速1500~2500转/分混合10-15分钟后，按质量份加入NDZ-311钛酸酯偶联剂后高速1500~2500转/分混合5-6分钟，最后按质量份加入其余物料，经高速1500~2500转/分混合10~20分钟后，再经低速300~600转/分混合5~10分钟后，得到预混料。将该预混料置于锥形双螺杆挤出机组。
2、在挤出机组完成成型过程：预混料熔融→成型→低温定型→冷却→牵引→切削→堆放。
A、锥形双螺杆挤出机主机由三部分组成：
（1）挤压系统：它是挤出机的关键部分，主要由螺杆和机筒组成。物料通过挤压系统，被加热、塑化成均匀的熔体。在螺杆推力作用下，这些熔体从挤出机前端的口模被连续挤出。
（2）传动系统：其作用是驱动螺杆，保证螺杆在工作过程中所需要的扭矩和转速；
（3）加热冷却系统：保证物料和挤压系统在成型加工中的温度控制要求。
B、锥形双螺杆挤出机辅机由六部分组成：
（1）机头：它是制品成型的主要部件，用于获得所需截面形状的制品；
（2）定型装备：其作用是将从口模挤出的物料的形状和尺寸进行精整，从而得到具有更为精确的截面形状、表面光亮的制品；
（3）冷却装置：从定型装置出来的制品，在冷却装置中（0~15℃的循环水）充分地冷却固化，从而得到所需的形状：
（4）牵引装置：用于均匀地引出制品，使挤出过程稳定地进行。牵引速度的快慢会影响制品的截面厚度，对挤出机生产效率也有一定的影响；
（5）切割装置：它的作用是将连续挤出的制品按照要求切割成一定的长度；
（6）堆放：用来将切成一定长度的木塑建筑模板制品整齐地堆放。
3、挤出成型工艺参数条件如下：
主机转速450~750转/分，牵引速度30~70cm/min，机筒一区120~135℃，机筒二区145~165℃，机筒三区150~175℃,机筒四区170~190℃，模具温度140~165℃，冷却循环水温度0~15℃
实施例1：
1、工艺配方
（1）聚氯乙烯（PVC  S-700）                         40.0质量份；
（2）粒度为100~200目的木粉                         20.0质量份；
（3）轻质活性碳酸钙（1000-1500目）                  11.5质量份；
（4）发泡剂（偶氮二甲酰胺）                         1.2质量份；
（5）发泡稳定剂（二丁基锡）                         0.6质量份；
（6）聚乙烯蜡                                       1.5质量份；
（7）钛酸酯偶联剂（NDZ311）                        1.0质量份；
（8）氯化聚乙烯                                    10.0质量份；
（9）吸附剂                                         6.0质量份；
吸附剂为粒径为100~500nm纳米氧化钙，纯度＞98%wt；
（10）助发泡剂                                    1.0质量份；
粒径为30~60nm的氧化锌；
（11）硅酮加工助剂（LYSI-100）                     0.7质量份；
（12）无碱玻璃纤维（直径12um,长5mm）                6.5质量份；
2、工艺过程
先将木粉与纳米氧化钙粉末按质量份经高速1500~2500转/分混合10-15分钟后，按质量份加入钛酸酯偶联剂后高速1500~2500转/分混合5-6分钟，最后按质量份加入其余物料，经高速1500~2500转/分混合10~20分钟后，再经低速300~600转/分混合5~10分钟后，得到预混料。将该预混料经锥形双螺杆挤出机挤出发泡成型、0~15℃的循环水急速冷却定型、牵引、切割，制成微发泡木塑板材。
3、实施效果
    所得板材的性能如下：
幅  宽                    大于1200 mm
厚  度                     10~24 mm
比  重                        0.65
孔隙率                      17.4%
微孔密度            2.14×106个/cm3微孔孔径
平均微孔孔径                 44um
断裂伸长率（GB T1040）           8.6 %
抗弯模量（GB T9341）             1.32  GPa
抗弯强度（GB T9341）         22.4  MPa
冲击强度（GB T1843）         170.8 J/m
洛氏硬度（GB/T 9342）     82.1
表面硬壳层厚度           0.95 mm
可循环使用次数           19
实施例2：
1、工艺配方
（1）聚氯乙烯（PVC  S-700）                         50.0质量份；
（2）粒度为100~200目的木粉                         15.0质量份；
（3）轻质活性碳酸钙（1000-1500目）                  10.0质量份；
（4）发泡剂（偶氮二甲酰胺）                         0.4质量份；
（5）发泡稳定剂（二丁基锡）                         3.5质量份；
（6）聚乙烯蜡                                      0.5质量份；
（7）钛酸酯偶联剂（NDZ311）                       1.1质量份；
（8）氯化聚乙烯                                    4.0质量份；
（9）吸附剂（粒径为100~500nm纳米氧化钙，纯度＞98%wt；）  8.0质量份；
（10）助发泡剂（粒径为30~60nm的氧化锌）      2.0质量份；
（11）硅酮加工助剂（LYSI-100）                     1.5质量份；
（12）无碱玻璃纤维（直径10um,长6mm）            4.0质量份
2、工艺过程
先将木粉与纳米氧化钙粉末按质量份经高速1500~2500转/分混合10-15分钟后，按质量份加入钛酸酯偶联剂后高速1500~2500转/分混合5-6分钟，最后按质量份加入其余物料，经高速1500~2500转/分混合10~20分钟后，再经低速300~600转/分混合5~10分钟后，得到预混料。将该预混料经锥形双螺杆挤出机挤出发泡成型、0~15℃的循环水急速冷却定型、牵引、切割，制成微发泡木塑板材。
3、实施效果
    所得材料的性能如下：
幅  宽                    大于1200 mm
厚  度                     10~24 mm
比  重                        0.62
孔隙率                      16.5%
微孔密度            2.22×106个/cm3微孔孔径
平均微孔孔径                 45um
断裂伸长率（GB T1040）           9.1 %
抗弯模量（GB T9341）           1.38  GPa
抗弯强度（GB T9341）         24.1  MPa
冲击强度（GB T1843）         174.5 J/m
洛氏硬度（GB/T 9342）     84.2
表面硬壳层厚度           0.82 m m
可循环使用次数           22
实施例3：
1、工艺配方
（1）聚氯乙烯（PVC  S-700）                        41.0质量份；
（2）粒度为100~200目的木粉                         25.0质量份；
（3）轻质活性碳酸钙（1000-1500目）                  11.5质量份；
（4）发泡剂（偶氮二甲酰胺）                         0.2质量份；
（5）发泡稳定剂（二丁基锡）                        0.8质量份；
（6）聚乙烯蜡                                       2.5质量份；
（7）钛酸酯偶联剂（NDZ311）                        2.0质量份；
（8）氯化聚乙烯                                     5.0质量份；
（9）纳米吸附剂（粒径为100~500nm纳米氧化钙，纯度＞98%wt；） 5.0质量份；
（10）纳米助发泡剂（粒径为30~60nm的氧化锌）        3.5质量份；
（11）硅酮加工助剂 （GM100）                      0.5质量份；
（12）无碱玻璃纤维（直径14um,长3mm）             3.0质量份。
2、工艺过程
先将木粉与纳米氧化钙粉末按质量份经高速1500~2500转/分混合10-15分钟后，按质量份加入钛酸酯偶联剂后高速1500~2500转/分混合5-6分钟，最后按质量份加入其余物料，经高速1500~2500转/分混合10~20分钟后，再经低速300~600转/分混合5~10分钟后，得到预混料。将该预混料经锥形双螺杆挤出机挤出发泡成型、0~15℃的循环水急速冷却定型、牵引、切割，制成微发泡木塑板材。
3、实施效果
    所得材料的性能如下：
幅  宽                    大于1200 mm
厚  度                     10~24 mm
比  重                        0.70
孔隙率                      16.4%
微孔密度            2.09×106个/cm3微孔孔径
平均微孔孔径                 42um
断裂伸长率（GB T1040）             7.6 %
抗弯模量（GB T9341）         1.23  GPa
抗弯强度（GB T9341）         25.5  MPa
冲击强度（GB T1843）         180.5 J/m
洛氏硬度（GB/T 9342）     83.5
表面硬壳层厚度           0.98 mm
可循环使用次数             　21。

Claims (9)

1.一种建筑模板用微发泡木塑复合材料板材，原料组成为：
（1）聚氯乙烯                                              40~50质量份；
（2）木粉                                                  15~25质量份；
（3）轻质活性碳酸钙                                        10~25质量份；
（4）发泡剂偶氮二甲酰胺                                   0.2~1.2质量份；
（5）发泡稳定剂有机锡                                      0.6~3.5质量份；
（6）聚乙烯蜡                                              0.5~2.5质量份；
（7）钛酸酯偶联剂                                          1.0~2.0质量份；
（8）氯化聚乙烯                                          4.0~10.0质量份；
其特征在于，还包括：
（9）吸附剂纳米氧化钙                                      5.0~8.0质量份；
（10）助发泡剂纳米氧化锌                                   1.0~3.5质量份；
（11）硅酮加工助剂                                         0.5~1.5质量份；
（12）增强纤维                                             3.0~6.5质量份。
2.如权利要求1所述的建筑模板用微发泡木塑复合材料板材，其特征在于所述的有机锡为二丁基锡或二辛基锡。
3.如权利要求1所述的建筑模板用微发泡木塑复合材料板材，其特征在于所用纳米氧化钙的粒径为100-500nm，纯度大于98%wt。
4.如权利要求1所述的建筑模板用微发泡木塑复合材料板材，其特征在于所用纳米氧化锌粒径为30~60nm。
5.如权利要求1所述的建筑模板用微发泡木塑复合材料板材，其特征在于所用硅酮加工助剂为不含载体的聚二甲基硅氧烷，其数均分子量为80~120万。
6.如权利要求1所述的建筑模板用微发泡木塑复合材料板材，其特征在于所用增强纤维为直径7~14um、长4~8mm的无碱玻璃纤维。
7.如权利要求1所述的建筑模板用微发泡木塑复合材料板材，其特征在于所述木粉的粒度为100~200目；所述的轻质活性碳酸钙的粒度为1000-1500目。
8.一种制备权利要求1~7任一所述的建筑模板用微发泡木塑复合材料板材的方法，其特征在于先将木粉与纳米氧化钙粉末按质量份经高速1500~2500转/分混合10-15分钟后，按质量份加入钛酸酯偶联剂后高速1500~2500转/分混合5-6分钟，最后按质量份加入其余物料，经高速1500~2500转/分混合10~20分钟后，再经低速300~600转/分混合5~10分钟后，得到预混料，将该预混料经锥形双螺杆挤出机挤出发泡成型、0~15℃的循环水急速冷却定型、牵引、切割，制成微发泡木塑复合材料板材。
9.如权利要求8所述的制备建筑模板用微发泡木塑复合材料板材的方法，其特征在于挤出成型工艺参数条件如下：
主机转速450~750转/分，牵引速度30~70cm/min，机筒一区120~135℃，机筒二区145~165℃，机筒三区150~175℃,机筒四区170~190℃，模具温度140~165℃，冷却循环水温度0~15℃。
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