CN102977446A - 阻燃型木塑复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻燃型木塑复合材料及其制备方法，由以下原料制备而成：木质粉末：25～50kg；塑料粒子：36～65kg；添加剂8.8～13.8kg和玄武岩纤维：0.2～1.2kg；其中添加剂包括偶联剂1.2～1.5kg、光稳定剂0.8～1.5kg、润滑剂0.9～1.3kg、增塑剂0.6～1.1kg、着色剂0.7～1.2kg、防菌剂0.8～1.6kg、紫外线吸收剂0.8～1.5kg、分散剂1.3～1.8kg、抗氧剂1.0～1.4kg、交联剂0.7～0.9kg。本发明生产成本不高，但在耐老化性能、力学性能、阻燃性能方面有显著的提高，可开发木塑屋、木塑别墅、装饰材料、室内家具、地板等用途，是一种良好的工程材料。

Description

阻燃型木塑复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种木塑复合材料，特别是涉及一种阻燃型木塑复合材料板材及其制备方法。 

背景技术

近年来，随着人们环境保护意识的增强和森林资源的日益减少，环境友好、可再生、可循环使用的木塑复合材料（Wood Plastic Composites，简称 WPC）越来越受到人们的重视。木塑复合材料是以聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）等热塑性塑料以及多种组分的共聚物为基体材料，木粉、植物秸秆粉等木质纤维为增强材料，添加一定的助剂条件下，经挤压法、模压法、注塑法等成型工艺制备而成的一种新型复合材料。其中，热塑性塑料还可采用各种废弃的塑料，木质纤维可以采用木质粉料（木材加工的剩余物）、废旧木材制品等，也可采用麦秸、亚麻秆、稻壳等加工而成。 

木塑复合材料具有实木材料的木质感和塑料基体的耐候性、耐微生物性的优点,而且在生产和使用过程中不会散发对人类健康产生危害的气体，即不会对环境造成污染，材料本身可重复循环使用，是一种全新的绿色环保产品，也是一种生态洁净的复合材料。目前，木塑复合材料的应用领域已涉及建筑装修、汽车工业（轿车内装饰材料）、包装运输（托盘）、园林景观（桌椅、凉棚、花架等）和日常生活用具等方面。 

热塑性塑料和木质纤维均为碳氢化合物，在遇明火或在加热的情况均可燃烧，因此木塑复合材料易于燃烧（ 单体燃烧FIGRA≤750-780W/S临界热辐射通量CHF≥3.0-3.5kw/m²）,这大大限制了其应用。 

木塑复合材料的阻燃十分复杂，涉及木材阻燃和塑料阻燃以及二者的相互作用问题。目前，借鉴木材及塑料阻燃改性的研究成果，对于木塑复合材料的阻燃问题主要采用两种方法来实现：一是采用将阻燃剂与木塑复合材料共混的 方式，虽然有一定的阻燃效果，但是会明显地降低木质纤维的热降解温度，使材料的力学性能大幅降低；二是在木塑复合材料表面进行涂层形成阻燃体系，可以在不降低材料性能的条件下提高其阻燃效果，但无法进行复合材料的二次加工，不能实现产品的多样性。这两种方法还有一个共同的特点，就是由于添加了阻燃剂而推高成本，不利于产业化推广。 

发明内容

本发明的目的是提供了一种在耐老化性能、力学性能、阻燃性能方面有显著的提高的阻燃型木塑复合材料。 

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：提供一种阻燃型木塑复合材料，由以下原料制备而成：木质粉末：25～50kg；塑料粒子：36～65kg；添加剂8.8～13.8kg和玄武岩纤维：0.2～1.2kg；其中添加剂包括偶联剂1.2～1.5kg、光稳定剂0.8～1.5kg、润滑剂0.9～1.3kg、增塑剂0.6～1.1kg、着色剂0.7～1.2kg、防菌剂0.8～1.6kg、紫外线吸收剂0.8～1.5kg、分散剂1.3～1.8kg、抗氧剂1.0～1.4kg、交联剂0.7～0.9kg。 

所述玄武岩纤维直径7～25um，长度3～12mm，密度2000～3000kg/m³。 

所述的木质粉末由木材、竹材、农作物秸秆以及稻壳等加工而成，粒径目数为60～80目。 

所述的塑料粒子采用聚乙烯粒子、聚丙烯粒子、聚氯乙烯粒子中的一种。 

所述偶联剂为硅烷偶联剂或马来酸酐接枝偶联剂；紫外线吸收剂为硬脂酸锌或硬脂酸钙；润滑剂为石蜡或硬脂酸；增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯（DBP）；抗氧剂为二丁羟基甲苯。 

本发明的另一目的在于提供阻燃型木塑复合材料的制备方法，该方法制备出木塑复合材料室内用木塑板的阻燃防火性能符合GB8624相应等级要求，大大优于木材及其他普通木塑复合材料。 

制备方法包括以下步骤： 

（1）收集废弃的木材、竹材、农作物秸秆以及稻壳，经干燥脱水、研磨、筛分制备基本粒度在60～80目的木质粉末； 

（2）收集废弃的饮料瓶、沐浴露瓶塑料废品，清洗干净、粉碎，经加热熔 融后，通过单螺杆挤出，过孔槽，切粒，水洗冷却，制备成塑料粒子； 

（3）玄武岩纤维的脱硅烷处理； 

（4）按配方量称取各原料； 

（5）先将木质粉末、添加剂和经过脱硅烷处理的玄武岩纤维置于机械搅拌釜内搅拌5～15分钟； 

（6）将塑料粒子加入步骤（5）混合料中，混匀后，采用挤出机进行熔融共混并造粒，得到木塑复合材料粒子； 

（7）采用模压、注塑、挤出三种成型工艺中的一种机器将所得木塑复合材料粒子加工成型产品即可。 

玄武岩纤维（BF）是一种无机纤维，是用火山爆发形成的一种玻璃态的玄武岩矿石，经高温熔融（1450-1500⁰C）后快速拉制而成的纤维，其外观为金褐色。BF具有耐高温、耐烧蚀、耐化学性能好和热稳定性优越等优点。 

玄武岩纤维属于高科技纤维。目前已广泛应用在飞机制造、军工业、陶瓷制作等领域。玄武岩纤维本身具有优异的力学性能、稳定的化学性能、突出的耐高温特性和良好的介电性能。 

木塑复合材料是一种多相复合材料，由于各种组成材料性质的差异和使用过程中的影响，木塑复合材料内部不可避免地存在大量的微裂缝，这些裂缝的存在，影响了木塑复合材料的性能，尤其是木塑复合材料的阻燃性能。 

在木塑复合材料中按一定比例添加不同长度和直径的玄武岩纤维，以提高其阻燃性能。单丝直径在7μm---25μm之间、长度在3㎜---12㎜的短切玄武岩纤维，每公斤的纤维根数在3亿根至10亿根。按3---9‰的添加量，一吨木塑复合材料中有约40亿多根玄武岩纤维。木塑复合材料在耐高温、耐烧蚀和热稳定性优越的玄武岩纤维的包覆下，既阻燃耐高温，本身又增强增韧，造价成本大大降低。 

由于玄武岩纤维的表面涂层配方对其力学性能有很大影响，其中成膜剂的组成结构直接影响玄武岩连续纤维的集束性及其与木塑复合材料基体的相容性,不同的成膜剂结构使玄武岩纤维的断裂强力及拉伸强度差异很大。 

通过优化涂层配方的玄武岩纤维按比例添加在木塑复合材料中，就可避免因添加玄武岩与基体不相容而造成强力减弱等不良因素。 

在BF生产过程中，玄武岩纤维丝周围有约0.4 %含量的浸润剂。若木塑复合材料基体与浸润剂匹配的好，混合后的木塑复合材料的粘结力强，力学性能更好。 

玄武岩纤维（BF）的力学性能影响因素除浸润剂、单丝直径等外，还有一个重要影响因素是丝束状态和编排工艺。BF在浸渍过程中经过毛刷刷涂，滚筒滚压后各丝束会弯曲或倾斜打散，通过扫描电镜及红外光谱对其微观结构及其形成的机理进行研究。结果表明,玄武岩纤维在植物纤维中均匀弥散如网状, 植物纤维与玄武岩纤维之间形成界面结合力，使纤维与助剂分子之间的结合力、助剂大分子在纤维之间的"网络连接"作用力得到了充分的发挥,。 

植物纤维与玄武岩纤维之间的界面结合力为纤维之间的氢键结合力、纤维与助剂分子之间的氢键结合力、助剂大分子在纤维之间的"网络连接"作用力等。 

对低导热性木塑复合材料进行了短切玄武岩纤维增强实验研究。测试不同BF体积掺量的木塑复合材料的阻燃性能,采用立体变焦显微镜对不同尺寸玄武岩纤维的含量进行统计与计算。采用扫描电子显微镜观察其微观形貌,并与未掺短切玄武岩纤维的木塑复合材料作对比。结果表明,短切玄武岩纤维能显著提高木塑复合材料的阻燃性。当体积掺量为3--9%时, 木塑复合材料的阻燃性可达到（ 单体燃烧FIGRA≤250-120w/s,临界热辐射通量CHF≥4.5-8.0kw/m²)最大值。 

本发明的优点在于与传统的木塑复合材料相比，生产成本不高，但在耐老化性能、力学性能、阻燃性能方面有显著的提高，可开发木塑屋、木塑别墅、装饰材料、室内家具、地板等用途，是一种良好的工程材料。 

具体实施方式

实施例1  

按以下重量份数准备原料：木质粉末25kg，聚乙烯粒子65kg，添加剂8.8kg（硅烷偶联剂1.2kg、光稳定剂0.8kg、石蜡润滑剂0.9 kg、增塑剂0.6 kg、着色剂0.7 kg、防菌剂0.8 kg、硬脂酸锌紫外线吸收剂0.8 kg、分散剂1.3 kg、抗氧剂1.0 kg、交联剂0.7 kg），玄武岩纤维1.2 kg（单丝直径7μm，长度3 ㎜，密度2000kg/m³） 

（1）按配方量称取各原料； 

（2）将木质粉末25 kg、添加剂8.8 kg、玄武岩纤维1.2 kg置于机械搅拌釜内搅拌5分钟； 

（3）将聚乙烯塑料粒子65 kg加入上述混合料，混匀后，采用挤出机进行熔融共混并造粒，得到木塑复合材料粒子； 

（4）采用锥双螺杆挤出机将所得木塑复合材料粒子挤出成型板材，即得阻燃型木塑复合型材。 

实施例2 

按以下重量份数准备原料：木质粉末50 kg，聚丙烯粒子36 kg，添加剂13.8 kg（马来酸酐接枝偶联剂1.5 kg、光稳定剂1.5 kg、硬脂酸润滑剂1.3 kg、增塑剂1.1 kg、着色剂1.2 kg、防菌剂1.6kg、硬脂酸钙紫外线吸收剂1.5 kg、分散剂1.8 kg、抗氧剂1.4 kg、交联剂0.9 kg），玄武岩纤维0.2kg（单丝直径25μm，长度12㎜，密度3000kg/m³） 

（1）按配方量称取各原料； 

（2）将木质粉末50 kg、添加剂13.8 kg、玄武岩纤维0.2 kg置于机械搅拌釜内搅拌15分钟； 

（3）将聚丙烯塑料粒子36 kg加入上述混合料，混匀后，采用挤出机进行熔融共混并造粒，得到木塑复合材料粒子； 

（4）采用锥双螺杆挤出机将所得木塑复合材料粒子挤出成型板材，即得阻燃型木塑复合型材。 

实施例3 

按以下重量份数准备原料：木质粉末35-39.91 kg，聚氯乙烯粒子 50.11-51 kg，添加剂8.88-13.7 kg（偶联剂1.21-1.49 kg、光稳定剂0.81-1.49 kg、润滑剂0.91-1.29 kg、增塑剂0.61-1.09 kg、着色剂0.71-1.19 kg、防菌剂 0.81-1.59 kg、紫外线吸收剂0.81-1.49 kg、分散剂1.29-1.79 kg、抗氧剂1.01-1.39 kg、交联剂0.71-0.89 kg），玄武岩纤维0.21-1.19kg（单丝直径7.1-24.99μm，长度3.1-11.99㎜，密度2001-2999kg/m³） 

（1）按配方量称取各原料； 

（2）将木质粉末35-39.91 kg、添加剂8.88-13.7 kg、玄武岩纤维0.21-1.19kg置于机械搅拌釜内搅拌4.99-14.99分钟； 

（3）将聚氯乙烯粒子50.11-51 kg加入上述混合料，混匀后，采用挤出机进行熔融共混并造粒，得到木塑复合材料粒子； 

（4）采用锥双螺挤出机将所得木塑复合材料粒子挤出成型板材，即得阻燃型木塑复合型材。 

通过检测证明本发明的阻燃型木塑复合板材的效果，其性能检测结果如下： 

抗弯弹性模量：大于3850MPa，抗弯强度大于28 MPa，尺寸稳定性小于1.1%，90℃下热氧老化3000h， 室内用木塑板的阻燃防火性能符合GB8624相应等级要求，大大优于木材及其他普通木塑复合材料。 

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。 

Claims (6)

1.一种阻燃型木塑复合材料，其特征在于由以下原料制备而成：木质粉末：25～50kg；塑料粒子：36～65kg；添加剂8.8～13.8kg和玄武岩纤维：0.2～1.2kg；其中添加剂包括偶联剂1.2～1.5kg、光稳定剂0.8～1.5kg、润滑剂0.9～1.3kg、增塑剂0.6～1.1kg、着色剂0.7～1.2kg、防菌剂0.8～1.6kg、紫外线吸收剂0.8～1.5kg、分散剂1.3～1.8kg、抗氧剂1.0～1.4kg、交联剂0.7～0.9kg。

2.如权利要求1所述的阻燃型木塑复合材料，其特征在于：所述玄武岩纤维直径7～25um，长度3～12mm，密度2000～3000kg/m³。

3.如权利要求1所述的阻燃型木塑复合材料，其特征在于：所述的木质粉末由木材、竹材、农作物秸秆以及稻壳加工而成，粒径目数为60～80目。

4.如权利要求1所述的阻燃型木塑复合材料，其特征在于：所述的塑料粒子采用聚乙烯粒子、聚丙烯粒子、聚氯乙烯粒子中的一种。

5.如权利要求1所述的阻燃型木塑复合材料，其特征在于：所述偶联剂为硅烷偶联剂或马来酸酐接枝偶联剂；紫外线吸收剂为硬脂酸锌或硬脂酸钙；润滑剂为石蜡或硬脂酸；增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯；抗氧剂为二丁羟基甲苯。

6.如权利要求1所述的阻燃型木塑复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）收集废弃的木材、竹材、农作物秸秆以及稻壳，经干燥脱水、研磨、筛分制备基本粒度在60～80目的木质粉末；

（2）收集废弃的饮料瓶、沐浴露瓶塑料废品，清洗干净、粉碎，经加热熔融后，通过单螺杆挤出，过孔槽，切粒，水洗冷却，制备成塑料粒子；

（3）玄武岩纤维的脱硅烷处理；

（4）按配方量称取各原料；

（5）先将木质粉末、添加剂和经过脱硅烷处理的玄武岩纤维置于机械搅拌釜内搅拌5～15分钟；

（6）将塑料粒子加入步骤（5）混合料中，混匀后，采用挤出机进行熔融共混并造粒，得到木塑复合材料粒子；

（7）采用模压、注塑、挤出三种成型工艺中的一种机器将所得木塑复合材料粒子加工成型产品即可。