CN102335977A

CN102335977A - 植物纤维与热塑性塑料复合粒料的生产方法及设备

Info

Publication number: CN102335977A
Application number: CN2011101475907A
Authority: CN
Inventors: 彭建新; 陈云范; 彭建成
Original assignee: 张毅
Current assignee: Fujian Bamboo Fiber Material Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2011-06-02
Filing date: 2011-06-02
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2031-06-02
Also published as: CN102335977B

Abstract

本发明提供一种植物纤维与热塑性塑料复合粒料的生产方法和设备，该方法包括气流过程、液滴化过程以及混合粘结过程；气流总体作上升运动，依次上升穿过冷却区预热、加热区加热至工作温度、预热区与塑粉进行热交换，然后再次进入预热区和冷却区形成循环热气流，热塑性塑料粉总体做下降运动，植物纤维由循环热气流带入冷却区顶部与塑液滴相遇，在气流的作用下充分均匀粘入塑液滴形成纤维塑液滴而下落，冷却形成复合粒料。本发明方法和设备采用悬浮粘结技术通过控制气流速度、温度、进料位置，达到植物纤维与热塑性塑料的充分分散，均匀粘结的效果，所生产的复合粒料有效克服了植物纤维在基体中聚结成团的问题复合材料的力学性能得到有效改善。

Description

植物纤维与热塑性塑料复合粒料的生产方法及设备

【技术领域】

本发明涉及一种植物纤维与热塑性塑料复合粒料的生产加工方法及设备，适用于植物纤维作为增强材料、热塑性塑料(包括新料、回收料)作为基体生产复合材料的配料、造粒环节。

【背景技术】

随着现代高新技术的发展，材料技术已与信息技术、能源技术并列为三大支柱，而高新技术对于新材料的依赖也变得越来越突出。作为材料科学的一个重要分支，纤维增强复合材料以其优异的性能取得了飞速发展，并已广泛应用于航天、航空、交通运输、化工、建材、体育运动及医疗卫生等各个领域。随着高性能树脂的应用及高性能植物纤维的深入开发，更给纤维增强复合材料的发展注入了新的活力。植物纤维复合材料的生产与玻璃纤维等化学纤维复合材料的生产相比，大大减少了环境污染，有利于环境保护和生态平衡。

当前复合材料行业产品应用上存在变形、开裂等质量问题以及用途的局限性，在植物纤维与热塑性塑料进行生产复合材料过程中，主要涉及两大难题：一是作为增强材料的植物纤维在基体中充分分散困难，二是植物纤维与基体界面清晰，载荷传递性差。这是由于天然植物纤维含有大量的极性羟基和酚羟基官能团，其表面表现出很强的化学极性。由于其极性的存在，无论基体材料以液态还是干态粉与之搅拌混合植物纤维均不可避免地出现聚结成团现象。亦即，让植物纤维在基体中均匀分布是大难题。另外，由于植物纤维极性的存在，在与非极性的热塑性塑料结合时其界面相容性差，两相界面清晰，粘结力差。这就极大地削弱了复合材料的力学性能。因此，复合材料的生产技术亟需提升，其中至关重要的是原料加工方法。

如2010年6月30公开的“一种改性竹纤维复合材料及其制备方法”(申请号：201010300117.3，公开号：101760034A)，其是采用改性剂对竹纤维进行改性后，将改性的竹纤维与不饱和聚酯树脂及引发剂热压成型，得到改性竹纤维复合材料。其在一定程度上解决了现有技术中植物纤维与塑料界面结合强度低的问题，提高了拉伸强度、弯曲强度，但其是将竹原纤维切成2.54cm长再与不饱合树脂在高压条件下成形的。公知的竹原纤维单纤维最长不超过3mm，超过此长度必为纤维束(竹纤维的利用·王晓玲等，中国科学院上海冶金研究所；材料物理与化学(专业)博士论文2000年度)。而纤维束是由胶质将竹原单纤维粘结形成，故与基体所之间界面载荷传递性能仍然较差。

另如2008年6月4日公开的“一种竹纤维增强复合材料”(申请号：200710190739.3，公开号：101190972)，其是以对撞流干燥技术将竹材爆破浆干燥，用羧化聚醚作为媒介与基体结合。但这也是一种较为粗放且没有解决增强材料在基体中分布不均的问题。

再如2008年6月25日公开的“一种木塑复合制品及其制备方法”(申请号：200710178708.6，公开号：CN 101204824 B)，是将由200-1000根单丝纤维组成的增强纤维与木粉和热塑性树脂粉的混合物一起挤出成型。显然，也存在界面载荷传递性能较差和增强材料在基体中分布不均的问题。

由上所述可知，虽然有一些公开的资料表明植物纤维与基体界面相容性差的问题在一定程度上得到解决，但还没有关于植物纤维在基体中充分分散问题得到解决方法的报道。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题之一，在于提供一种植物纤维与热塑性塑料复合粒料的生产方法，采用悬浮混合粘结技术，有效克服了植物纤维在基体中聚结成团的问题。

上述技术问题是这样实现的：一种植物纤维与热塑性塑料复合粒料的生产方法，其包括气流过程、液滴化过程以及混合粘结过程；所述气流过程：气流总体作上升运动，自然冷空气由冷却区的底部进入，依次上升穿过冷却区预热、加热区加热至工作温度、预热区与塑粉进行热交换，然后再次进入预热区和冷却区形成循环热气流，余气则从余气管排出；所述液滴化过程：热塑性塑料粉总体做下降运动，热塑性塑料粉由循环热气流带入预热区与来自加热区的热气流进行热交换，一部分液化，并聚集成塑液滴，塑液滴和另一部分热塑性塑料粉在重力作用下克服上升热气流穿过加热区，加热区管径的设置远小于预热区，两区交界处气流上升速度相对加快，对雾状热塑性塑料粉产生的托举力使塑料粉呈“沸腾”状态，热塑性塑料粉粒之间相互碰撞概率增加，热塑性塑料粉在此加热成雾，相互碰撞并粘结成滴者下落；为雾者继续在原处“沸腾”直到化成塑液滴下落穿过加热区进入冷却区；所述混合粘结过程：植物纤维由循环热气流带入冷却区顶部与塑液滴相遇，一部分植物纤维粘入塑液滴者随塑液滴下降；另一部分植物纤维自由悬浮者上升直到粘入塑液滴形成纤维塑液滴而下落，此纤维塑液滴下落过程中与相对高速上升的冷空气进行热交换，再进一步冷却形成复合粒料。

本发明要解决的技术问题之二，在于提供一种植物纤维与热塑性塑料复合粒料的生产设备，采用悬浮混合粘结技术，有效克服了植物纤维在基体中聚结成团的问题。

上述技术问题是这样实现的：一种植物纤维与热塑性塑料复合粒料的生产设备，其特征在于：包括一混粘悬浮塔，该混粘悬浮塔自下而上分为冷却区、加热区、预热区；所述加热区的管径的远小于预热区，所述冷却区的底部具有进风口，顶部设有用于输送植物纤维的第一进料口，所述预热区设有用于输送热塑性塑料粉的第二进料口，所述预热区的顶部设有余气出口和循环热气出口。

本发明具有如下优点：本发明方法和设备通过控制气流速度和温度以及进料位置，达到植物纤维与热塑性塑料二者的充分分散，均匀粘结的效果，所生产的复合粒料有效克服了植物纤维在基体中聚结成团的问题，复合材料的力学性能得到有效改善，可用于各种植物纤维与热塑性塑料复合材料成型加工，它奠定了各种植物纤维与热塑性塑料进行生产复合材料产品的基础，为各种植物纤维与热塑性塑料进行生产复合材料产品提供了原料保证，可以大大提升此类复合材料产品性能及质量，增加了其应用的可靠性和广泛性。

【附图说明】

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明设备的结构示意图。

图2为本发明方法制得的复合材料料粒的结构示意图。

【具体实施方式】

本发明方法用于生产植物纤维与热塑性塑料的复合粒料，包括气流过程、液滴化过程以及混合粘结过程。

所述气流过程：气流总体作上升运动，自然冷空气由冷却区的底部进入，依次上升穿过冷却区预热、加热区加热至工作温度、预热区与塑粉进行热交换，然后再次进入预热区和冷却区形成循环热气流，余气则从余气管排出；所述加热区的工作温度为100～200℃；所述加热区、预热区和冷却区的工作温度递减。

所述液滴化过程：热塑性塑料粉总体做下降运动，热塑性塑料粉由循环热气流带入预热区与来自加热区的热气流进行热交换，一部分液化，并聚集成塑液滴，塑液滴和另一部分热塑性塑料粉在重力作用下克服上升热气流穿过加热区，加热区管径的设置远小于预热区，两区交界处气流上升速度相对加快，对热塑性塑料粉产生的托举力使塑料粉呈“沸腾”状态，热塑性塑料粉粒之间相互碰撞概率增加，热塑性塑料粉在此加热成雾，相互碰撞并粘结成滴者下落；为雾者继续在原处“沸腾”直到化成塑液滴下落穿过加热区进入冷却区。

所述混合粘结过程植物纤维由循环热气流带入冷却区顶部与塑液滴相遇，一部分植物纤维粘入塑液滴者随塑液滴下降；另一部分植物纤维自由悬浮或上升直到粘入塑液滴形成纤维塑液滴而下落，此纤维塑液滴下落过程中与相对高速上升的冷空气进行热交换，再进一步冷却形成复合粒料。在混合粘结过程中，高速上升的冷空气的流速应小于纤维塑液滴的下落速度(即流速小于纤维塑液滴的悬浮速度)，以防止纤维塑液滴一直处于悬浮状态或上升状态而不会下落。

本发明方法的所述热塑性塑料粉可以是新塑料粉或是回收的旧塑料粉；所述植物纤维取木纤维、竹纤维、麻纤维中的一种或一种以上，所述植物纤维长度在1～6mm；所述热塑性塑料粉与所述植物纤维的配比是1∶9～3∶7。

请参阅图1所示，本发明方法可以采用下述设备进行生产，本发明的一实施例中，植物纤维与热塑性塑料复合粒料的生产设备包括一混粘悬浮塔1，该混粘悬浮塔1自下而上分为冷却区11、加热区12、预热区13(为清楚各区的位置，图中用虚线隔开)；所述加热区12的管径的远小于预热区13(如：可以在一实施例中，将所述预热区的直径设置为加热区或冷却区直径的2～8倍)；所述冷却区11的底部具有进风口112，顶部设有用于输送植物纤维的第一进料口141，所述预热区13设有用于输送热塑性塑料粉的第二进料口151，所述预热区13的顶部设有余气出口132和循环热气出口134。所述加热区12的工作温度为100～200℃，所述加热区12、预热区和冷却区工作温度递减，所述预热区的顶部设有80～200目金属滤网以滤留工作物料。

所述第一进料口141连接一第一进料斗142，用于贮存植物纤维，所述第二进料口151连接一第二进料斗152，用于贮存热塑性塑料粉，所述第一进料斗142设有一进料调节装置143，第二进料斗152上设有一进料调节装置153，分别用于调节植物纤维和热塑性塑料粉的进料量，以调配二者合适的比例。所述循环热气出口134通过热空气循环管16穿过第一进料斗142连通所述第一进料口141，并通过热空气循环管16穿过第二进料斗152的底部后连通所述第二进料口151，所述热空气循环管上并在第一进料斗142和第二进料斗152的旁边还设有空气压缩机17，如此，热空气循环管16内的循环热气流即可将植物纤维和热塑性塑料粉分别从第一进料口141和第二进料口151送进混粘悬浮塔1内，又具节能的作用。

在本发明的一实施例中，植物纤维与热塑性塑料复合粒料的生产设备还包括一冷却水池2，该冷却水池2设于所述混粘悬浮塔1的冷却区11进风口112的下方，该冷却水池2内设有一输送带3，经混粘悬浮塔1成形的复合材料的料粒即可从冷却区11的进风口112处落入冷却水池2进一步冷却后，再经输送带3送出进入下一个工序。所述冷却区11与冷却水池2的水面之间可以设置5～80mm冷风补入缝隙，便于冷却水池2的水面上的冷风补入，顺利进入混粘悬浮塔1的冷却区11。

结合图1和图2，以生产天然竹纤维与回收聚丙烯的复合粒料为例，具体说明本发明方法和设备的结合使用。

一、原材料的准备：

1天然竹纤维的处理：采用长度在1～6mm的天然竹纤维，可先作碱处理或偶联等改性处理，在其它实施例中也可不作这方面的处理。

A碱处理

将天然竹纤维置于0.5～6％NaOH溶液中，常温常压下浸泡0.5～2h，沥干后用去离子水清洗，使其PH值为7～8，滤后烘干待用。

B偶联处理

配以0.2～0.8ml的偶联剂溶液，将天然竹纤维浸于其中5～20min，滤后烘干待用。

2回收聚丙烯的处理

采用现已商品化的塑料磨粉设备对回收聚丙烯塑料加工为直径小于0.3mm的粉末，在其它实施例中也可采用新塑料粉末。

二、具体实施步骤：

1、将混粘悬浮塔1的加热区调至170～180℃(在其它实施例中控制在100～200℃的范围即可)。

2、分别调节第一进料斗142上的进料调节装置143，以及第二进料斗152上的进料调节装置153，使天然竹纤维和回收聚丙烯粉末的配比为1∶9(在其它实施例中控制在1∶9～3∶7的范围即可)。

3、投料，将天然竹纤维、回收聚丙烯粉末分别(连续)投入第一进料斗142和第二进料斗152内。

4、开启空气压缩机17，天然竹纤维和回收聚丙烯粉末分别进入冷却区11的顶部和预热区13内。

5、气流过程：气流从冷却区11的进风口112进入混粘悬浮塔1之后总体作上升运动，依次上升穿过冷却区11预热、加热区12加热至工作温度、预热区与塑粉进行热交换，然后从循环热气出口134再次进入预热区13和冷却区11形成循环热气流，余气则从余气出口132上的余气管排出。

6、液滴化过程：热塑性塑料粉从预热区13总体做下降运动，在预热区13与来自加热区12的热气流进行热交换，一部分液化，并聚集成塑液滴，塑液滴和另一部分热塑性塑料粉在重力作用下克服上升热气流穿过加热区12，且呈“沸腾”状态，热塑性塑料粉粒之间相互碰撞并粘结成滴者下落；或加热成雾，继续在原处“沸腾”直到化成塑液滴下落穿过加热区12进入冷却区11。

7、混合粘结过程：天然竹纤维由循环热气流带入冷却区11顶部与塑液滴相遇，一部分粘入塑液滴者随塑液滴下降；另一部分自由悬浮或上升直到粘入塑液滴形成纤维塑液滴而下落，此纤维塑液滴下落过程中与相对高速上升的冷空气进行热交换，再进一步冷却形成复合粒料4，复合粒料4的内部为塑液滴41，表面均匀粘满天然竹纤维。

8、经混粘悬浮塔1成形的复合材料4的料粒即可从冷却区11的进风口112处落入冷却水池2进一步冷却后，再经输送带3送出进入下一个工序。

本发明方法和设备通过控制气流速度和温度以及进料位置，达到植物纤维与热塑性塑料二者的充分分散，均匀粘结的效果，所生产的复合粒料有效克服了植物纤维在基体中聚结成团的问题，复合材料的力学性能得到有效改善，可用于各种植物纤维与热塑性塑料复合材料成型加工，它奠定了各种植物纤维与热塑性塑料进行生产复合材料产品的基础，为各种植物纤维与热塑性塑料进行生产复合材料产品提供了原料保证。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims

1.一种植物纤维与热塑性塑料复合粒料的生产方法，其特征在于：其是将植物纤维粉与热塑性塑料液滴在悬浮状态下混合、粘结成粒，具体包括气流过程、液滴化过程以及混合粘结过程；

所述气流过程：气流总体作上升运动，自然冷空气由冷却区的底部进入，依次上升穿过冷却区预热、加热区加热至工作温度、预热区与塑粉进行热交换，然后再次进入预热区和冷却区形成循环热气流，余气则从余气管排出；

所述液滴化过程：热塑性塑料粉总体做下降运动，热塑性塑料粉由循环热气流带入预热区与来自加热区的热气流进行热交换，一部分液化，并聚集成塑液滴，塑液滴和另一部分热塑性塑料粉在重力作用下克服上升热气流穿过加热区，加热区管径的设置远小于预热区，两区交界处气流上升速度相对加快，对热塑性塑料粉产生的托举力使塑料粉呈“沸腾”状态，热塑性塑料粉粒之间相互碰撞概率增加，热塑性塑料粉在此加热成雾，相互碰撞并粘结成滴者下落；为雾者继续在原处“沸腾”直到化成塑液滴下落穿过加热区进入冷却区；

所述混合粘结过程植物纤维由循环热气流带入冷却区顶部与塑液滴相遇，一部分植物纤维粘入塑液滴者随塑液滴下降；另一部分植物纤维自由悬浮或上升直到粘入塑液滴形成纤维塑液滴而下落，此纤维塑液滴下落过程中与相对高速上升的冷空气进行热交换，再进一步冷却形成复合粒料。

2.根据权利要求1所述的植物纤维与热塑性塑料复合粒料的生产方法，其特征在于：所述加热区的工作温度为100～200℃，所述加热区、预热区和冷却区工作温度递减。

3.根据权利要求1或2所述的植物纤维与热塑性塑料复合粒料的生产方法，其特征在于：所述热塑性塑料粉是新塑料粉或是回收的旧塑料粉；所述植物纤维取木纤维、竹纤维、麻纤维中的一种或一种以上，所述植物纤维长度在1～6mm；所述热塑性塑料粉与所述植物纤维的配比是1∶9～3∶7。

4.一种植物纤维与热塑性塑料复合粒料的生产设备，其特征在于：包括一混粘悬浮塔，该混粘悬浮塔自下而上分为冷却区、加热区、预热区；所述加热区的管径远小于预热区，所述冷却区的底部具有进风口，顶部设有用于输送植物纤维的第一进料口，所述预热区设有用于输送热塑性塑料粉的第二进料口，所述预热区的顶部设有余气出口和循环热气出口。

5.根据权利要求4所述的植物纤维与热塑性塑料复合粒料的生产设备，其特征在于：所述第一进料口连接一第一进料斗，所述第二进料口连接一第二进料斗，所述第一进料斗和第二进料斗上均设有一进料调节装置，所述循环热气出口通过热空气循环管穿过第一进料斗连通所述第一进料口，并通过热空气循环管穿过第二进料斗的底部后连通所述第二进料口，所述热空气循环管上并位于所述第一进料斗和第二进料斗的一侧均设有空气压缩机，所述余气出口设有流量调节装置。

6.根据权利要求4或5所述的植物纤维与热塑性塑料复合粒料的生产设备，其特征在于：还包括一冷却水池，该冷却水池设于所述混粘悬浮塔的冷却区的下方，该冷却水池内设有一输送带。

7.根据权利要求6所述的植物纤维与热塑性塑料复合粒料的生产设备，其特征在于：所述冷却区与冷却水池的水面之间有5～80mm冷风补入缝隙。

8.根据权利要求4所述的植物纤维与热塑性塑料复合粒料的生产设备，其特征在于：所述加热区的工作温度为100～200℃，所述加热区、预热区和冷却区工作温度递减。

9.根据权利要求4所述的植物纤维与热塑性塑料复合粒料的生产设备，其特征在于：所述预热区的直径为加热区或冷却区直径的2～8倍。

10.根据权利要求4所述的植物纤维与热塑性塑料复合粒料的生产设备，其特征在于：所述预热区的顶部设有80～200目金属滤网。