CN102850815A

CN102850815A - 一种硅溶胶表面改性秸秆木塑复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN102850815A
Application number: CN2012103601148A
Authority: CN
Inventors: 石光; 林少全; 吴素萍
Original assignee: South China Normal University
Current assignee: South China Normal University
Priority date: 2012-09-25
Filing date: 2012-09-25
Publication date: 2013-01-02

Abstract

本发明公开了一种硅溶胶表面改性秸秆木塑复合材料的制备方法，将农作物秸秆粉碎并干燥得秸秆粉，应用硅溶胶对秸秆粉进行浸渍处理，干燥后得表面改性秸秆粉，将表面改性秸秆粉与回收塑料及其它加工助剂进行高速混合，然后挤出造粒，制得硅溶胶表面改性秸秆木塑复合材料粒料。本发明所制得的木塑复合材料具有更低的吸水率，更高的强度、模量、尺寸稳定性及阻燃性能。

Description

一种硅溶胶表面改性秸秆木塑复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及木塑复合材料，尤其是表面改性秸秆木塑复合材料的制备方法。

背景技术

农作物秸秆是一种自然界储量非常丰富的可再生资源，其来源广泛，生物纤维含量丰富，是作为原料替代木材纤维的重要资源。目前，我国对农作物秸秆的利用主要用于焚烧作为肥料，或农家用作燃料，部分作为牲畜的粗饲料。在工业的用途上，主要用于造纸及合成板。这种使用途径不仅造成资源浪费，而且产生较严重的环境污染问题。这种现状迫切要求我们为秸秆的合理化有效利用开辟新途径。由于秸秆富含生物纤维资源，可作为原材料替代木质纤维应用于某些材料的制造。但由于秸秆材料中纤维素含量较低、木质素及半纤维素含量较高，结构较疏松，因此秸秆的强度较差、吸水率较高，作为木质纤维的替代材料仍有许多不足之处。针对秸秆的性能缺陷，有文献提出了改性办法。如中国发明专利200810146746.8，其先应用酸性或碱性水溶液处理秸秆粉，再利用含烯丙基氯的溶剂处理秸秆粉，并将处理后的秸秆粉与树脂材料进行熔融共混挤出得到一种可生物降解材料，但该表面改性工艺比较复杂，改性过程中可能产生废酸、废碱及涉及溶剂回收等环境问题，改性成本较高。中国发明专利200610040465.5提出应用碱、尿素及增效剂等原料在蒸煮设备中对秸秆粉进行蓬松活性塑化，得到含水率为15～24%的蓬松活性塑化物料，再与多种加工助剂及热塑性树脂共混熔融挤出制备颗粒状产品，可用于制备木塑复合材料，但从改性后秸秆粉的含水率可以看出，秸秆粉的吸水特性并未得到明显改善，这势必导致秸秆木塑复合材料也具有较高吸水率，材料使用性能、使用寿命都会受到较大影响。中国发明专利200610070215.6公开了应用丙烯酸丁酯、二甲基苯胺、过氧化苯甲酰混合物对秸秆粉进行浸渍，并在90～100℃反应3.5～4小时，实现对秸秆粉的表面改性，并应用改性后的秸秆粉与加工助剂及热塑性树脂进行共混及熔融挤出制备了秸秆木塑复合材料，但该材料中秸秆粉所占比例较低。

应用秸秆粉制备木塑复合材料，不仅要考虑秸秆与树脂基体间的界面相容性，秸秆粉的吸水率、强度也是影响木塑复合材料性能的重要因素，也应充分考虑并进行相应的改性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种降低农作物秸秆吸水率、提高秸秆强度的简单易行的表面改性方法即硅溶胶表面改性，从而提供一种硅溶胶表面改性秸秆木塑复合材料的制备方法，使木塑复合材料的性能得到提高。

本发明的技术方案如下：

一种硅溶胶表面改性秸秆木塑复合材料的制备方法，将农作物秸秆粉碎并干燥得秸秆粉，应用硅溶胶对秸秆粉进行浸渍处理，干燥后得表面改性秸秆粉，将表面改性秸秆粉与回收塑料及其它加工助剂进行高速混合，然后挤出造粒，制得硅溶胶表面改性秸秆木塑复合材料粒料。

进一步的，所述的方法是：

a，将农作物秸秆粉碎成粒度为50～120目的秸秆粉，并将秸秆粉干燥至含水量为3.5～9.0%；

b，应用硅溶胶对上述秸秆粉进行浸渍处理，处理时，物料配比为，秸秆粉100重量份，硅溶胶20～200重量份，具体方法是，将秸秆粉送入带有搅拌装置、具有加热功能的反应釜中，在50～80℃的下进行搅拌，并在搅拌条件下在1～1.5小时内将硅溶胶以喷雾状加入到反应釜内，加料结束后持续搅拌1～2小时，然后，在搅拌条件下将温度升高至130～160℃，进行干燥，得改性秸秆粉；

c，将上述改性秸秆粉与回收塑料及其它加工助剂在高混机内进行高速混合，混合时，物料的配比为，回收塑料100重量份，改性秸秆粉80～150重量份，增容剂5～10重量份，塑料加工助剂5～12重量份、活性碳酸钙20～40重量份，具体方法是，将所有物料称量后送入高速混合机，关闭高速混合机加料口，开启高速混合机，将温度升至60～70℃，混合10～30分钟，温度升至110～130℃时，将混合后的上述物料放入冷却混合机中在搅拌下进行冷却混合降温，温度降至30～50℃时，将物料放出，得干态混合物料；

d, 将上述干态混合物料送入双螺杆挤出机中，进行挤出造粒。

进一步的，所述的回收塑料为回收的高密度聚乙烯（HDPE）、低密度聚乙烯（LDPE）、聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）或聚氯乙烯（PVC）。

进一步的，所述的硅溶胶中SiO₂质量百分比为20～60%，pH值为6.5～10.0，粘度为2～10厘泊，SiO₂粒径为6～25纳米。

进一步的，所述的农作物秸秆为棉杆、麦秆、稻杆、玉米杆、甘蔗渣或豆秸。

进一步的，所述增容剂为PE-g-MA、PP-g-MA或ABS-g-MA。

进一步的，所述塑料加工助剂是硬脂酸钙、硬脂酸锌、PE蜡、抗氧剂1010的组合, 其质量比为3:3:3:1。

本发明所制得的木塑复合材料具有更低的吸水率，更高的强度、模量、尺寸稳定性及阻燃性能。本发明所提供的方法能够保证在秸秆含量较高的情况下，秸秆木塑复合材料仍然具有优异的力学性能及低的吸水率，使其能够更好的适用于潮湿环境。本发明所制备的木塑复合材料粒料可以进一步应用挤出工艺、定型工艺获得高性能的秸秆木塑复合材料，可广泛应用于包装、托盘、建筑、电器等领域；也可以应用压制方法制备各种力学性能、物理性能测试所需标准样条。

本发明与已有技术相比，具有明显的优点。硅溶胶具有良好的触变性，粘度小，其中的SiO₂粒子尺寸极小，能够均匀的渗透入秸秆粉表面的孔隙，实现封闭孔隙的作用；同时，SiO₂粒子能够与秸秆表面的羟基相作用在秸秆表面形成包覆层。在干燥过程中，SiO₂粒子能够在秸秆孔隙及秸秆表面形成致密的保护层，这不仅能够大大降低秸秆粉的吸水率，而且能够明显提高秸秆粉的强度和刚性。经硅溶胶表面改性处理的秸秆粉具有更好的阻燃性能，从而显著提高秸秆木塑复合材料的阻燃性能。硅溶胶价格便宜，而且应用硅溶胶处理秸秆粉方法简单，无废水废渣排放，容易实现大规模生产。应用硅溶胶表面改性的秸秆制造秸秆木塑复合材料吸水率更低，强度和模量更高，长期耐潮湿环境的性能及耐微生物作用的性能会更优异，而且还赋予了秸秆木塑复合材料良好的阻燃性。

具体实施方式

下面给出实施例以对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。

以下实施例中，塑料加工助剂是硬脂酸钙、硬脂酸锌、PE蜡、抗氧剂1010的组合，其质量比为3:3:3:1。

实施例1

将100份尺寸为50目、含水量为9.0%的棉杆粉装入10升的反应釜中，开启搅拌设备，同时将反应釜升温至50℃，将20份SiO₂质量分数为60%、pH值为10.0、粘度为10厘泊、SiO₂粒径为6纳米的硅溶胶在1小时内以喷雾状加入到反应釜内，加料结束后继续搅拌2小时，然后在搅拌条件下将温度升高至160℃，进行干燥得到硅溶胶表面改棉杆秆粉。取回收HDPE100份，上述硅溶胶表面改性秸秆粉150份、PE-g-MA 10份、塑料加工助剂5份及活性碳酸钙20份，加入到高速混合机中，关闭混合机加料口，开启混合机，将温度升至70℃，混合30分钟混合机内物料温度达到130℃时，将混合物料转入冷却混合机中，待物料温度降至50℃，将物料放出，得干态混合物料；将上述干态混合物料送入双螺杆挤出机，进行挤出造粒。粒料经压制法制成标准样条，进行各项力学性能及吸水率等性能测试。测试结果如表1所示。

实施例2

将100份尺寸为90目、含水量为5.6%的玉米杆粉装入10升的反应釜中，开启搅拌设备，同时将反应釜升温至70℃，将120份SiO₂质量分数为45%、pH值为8.5、粘度为6.5厘泊、SiO₂粒径为15纳米的硅溶胶在1小时内以喷雾状加入到反应釜内，加料结束后继续搅拌1.5小时，然后在搅拌条件下将温度升高至150℃，进行干燥得到硅溶胶表面改玉米杆粉。取回收ABS 100份，上述硅溶胶表面改性玉米杆粉120份、ABS-g-MA 5份、塑料加工助剂8份及活性碳酸钙25份，加入到高速混合机中，关闭混合机加料口，开启混合机，将温度升至65℃，混合25分钟混合机内物料温度达到125℃时，将混合物料转入冷却混合机中，待物料温度降至45℃，将物料放出，得干态混合物料。粒料经压制法制成标准样条，进行各项力学性能及吸水率等性能测试。测试结果如表1所示。

实施例3

将100份尺寸为70目、含水量为7.5%的麦秆粉装入10升的反应釜中，开启搅拌设备，同时将反应釜升温至65℃，将80份SiO₂质量分数为35%、pH值为7.5、粘度为4厘泊、SiO₂粒径为10纳米的硅溶胶在1.2小时内以喷雾状加入到反应釜内，加料结束后继续搅拌1小时，然后在搅拌条件下将温度升高至140℃，进行干燥得到硅溶胶表面改玉米杆粉。取回收PS 100份，上述硅溶胶表面改性麦秆粉100份、PS-g-MA 8份、塑料加工助剂10份及活性碳酸钙30份，加入到高速混合机中，关闭混合机加料口，开启混合机，将温度升至70℃，混合20分钟混合机内物料温度达到120℃时，将混合物料转入冷却混合机中，待物料温度降至35℃，将物料放出，得干态混合物料；将上述干态混合物料送入双螺杆挤出机，进行挤出造粒。粒料经压制法制成标准样条，进行各项力学性能及吸水率等性能测试。测试结果如表1所示。

实施例4

将100份尺寸为120目、含水量为3.5%的稻杆粉装入10升的反应釜中，开启搅拌设备，同时将反应釜升温至80℃，将200份SiO₂质量分数为20%、pH值为6.5、粘度为2厘泊、SiO₂粒径为25纳米的硅溶胶在1.5小时内以喷雾状加入到反应釜内，加料结束后继续搅拌1小时，然后在搅拌条件下将温度升高至130℃，进行干燥得到硅溶胶表面改稻杆粉。取回收PP 100份，上述硅溶胶表面改性秸秆粉80份、PP-g-MA 5份、塑料加工助剂12份及活性碳酸钙40份，加入到高速混合机中，关闭混合机加料口，开启混合机，将温度升至60℃，混合10分钟混合机内物料温度达到110℃时，将混合物料转入冷却混合机中，待物料温度降至30℃，将物料放出，得干态混合物料；将上述干态混合物料送入双螺杆挤出机，进行挤出造粒。粒料经压制法制成标准样条，进行各项力学性能及吸水率等性能测试。测试结果如表1所示。

对比例1

除了不对秸秆粉进行硅溶胶表面改性处理外，其余组分及条件同实施例3。经挤出造粒，粒料经压制法制成标准样条，进行各种力学及物理性能测试。测试标准及结果如表1所示。

与对比例1相比，本发明实施例所提供的秸秆木塑复合材料的力学性能比原来的提高了四分之一，吸水率仅为原来的三分之一。另外，秸秆木塑复合材料具有更高的阻燃性能。可见本发明实施例所提供的秸秆木塑复合材料具有更为优异的力学性能、更低的吸水率及更好的阻燃性。

表1：各实施例性能

Claims

1.一种硅溶胶表面改性秸秆木塑复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法是，将农作物秸秆粉碎并干燥得秸秆粉，应用硅溶胶对秸秆粉进行浸渍处理，干燥后得表面改性秸秆粉，将表面改性秸秆粉与回收塑料及其它加工助剂进行高速混合，然后挤出造粒，制得硅溶胶表面改性秸秆木塑复合材料粒料。

2.如权利要求1所述的硅溶胶表面改性秸秆木塑复合材料的制备方法，其特征在于，所述的方法是：

3.如权利要求1或2所述的硅溶胶表面改性秸秆木塑复合材料的制备方法，其特征在于，所述的回收塑料为回收的高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物或聚氯乙烯。

4.如权利要求1或2所述的硅溶胶表面改性秸秆木塑复合材料的制备方法，其特征在于，所述的硅溶胶中SiO₂质量百分比为20～60%，pH值为6.5～10.0，粘度为2～10厘泊，SiO₂粒径为6～25纳米。

5.如权利要求1或2所述的硅溶胶表面改性秸秆木塑复合材料的制备方法，其特征在于，所述的农作物秸秆为棉杆、麦秆、稻杆、玉米杆、甘蔗渣或豆秸。

6.如权利要求2所述的硅溶胶表面改性秸秆木塑复合材料的制备方法，其特征在于，所述增容剂为PE-g-MA、PP-g-MA 或ABS-g-MA。

7.如权利要求2所述的硅溶胶表面改性秸秆木塑复合材料的制备方法，其特征在于，所述塑料加工助剂是硬脂酸钙、硬脂酸锌、PE蜡、抗氧剂1010的组合，其质量比为3:3:3:1。