CN103012899A - 一种高抗冲的木塑复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高抗冲的木塑复合材料及其制备方法和应用，所述高抗冲木塑复合材料含有按重量份计的如下成分：废旧塑料100份；天然纤维30-40份、增韧剂：10-20份；增粘剂：1-2份；相容剂20-25份；偶联剂2-5份；抗氧剂0.4-0.6份、填料0-3份。该木塑复合材料具有抗冲击强度高，易回收可以循环使用，即保持了塑料的优秀品质又具有木材的使用特性；收缩和膨胀系数小。

Description

一种高抗冲的木塑复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于热塑性复合材料领域范畴。本发明具体涉及一种木塑复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着我国对节能减排重视程度的提高，对卡车轻量化的要求也日益加剧。对卡车轻量化的研究也日益广泛，不同的热塑性材料和复合材料以各种形式在卡车轻量化方面得到了广泛的应用。本发明就是一种用于卡车轻量化中的复合结构板的木塑复合格栅夹心层的制备。
木塑复合材料国内曾进行过这方面的研究并申请了专利，如中国专利CN201010118850、CN201110021737.8、CN01010288907.4、CN201010528129.1。但发明研究的侧重点不同，均没有解决高的耐冲击性能及同其他复合材料的粘附性问题。而本发明主要是解决提高木塑复合材料的高抗冲击强度及其粘接复合性能，从而使木塑复合材料更好的同环氧树脂基碳纤维复合材料复合在一起，作为卡车车箱板使用，使卡车达到轻量化的目的。
如果这种夹心层采用传统的聚烯烃或木材来进行制造，那么用此材料制作的夹心栅格，虽然具有可回收的优势，但是随着石油产品价格的不断上涨，聚烯烃的价格也不断的攀高。从而也就造成了材料成本加大。为此，以其为材料做成的产品，就没有足够的竞争力和经济效益。这样在竞争日趋激烈的重卡汽车制造业，就显得有些不实用。用木材制作的夹心栅格，虽然价格低廉，但不易回收进行循环利用，而且，国家提倡保护森林，明令禁止对天然森林进行砍伐。再加上木材本身的强度较低、吸水、易变形等缺陷，因而不适合于直接用于卡车复合结构车厢板的夹心栅格的制作。鉴于上述原因，发明一种新型具有低成本、高抗冲、粘接性能优异的木塑复合新材料，使其能很好的与环氧树脂基碳纤维复合材料较好的复合在一起，用于卡车车厢板的应用制造中。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于，提供一种木塑复合材料。
本发明提供的木塑复合材料含有按重量份计的如下成分：废旧塑料100份；天然纤维30-40份、增韧剂10-15份、增粘剂1-2份、相容剂20-25份；偶联剂2-5份；抗氧剂0.4-0.6份；填料0-3份。
优选地，其含有按重量份计的如下成分：废旧塑料100份；天然纤维35份；增韧剂15、增粘剂1份、相容剂20份；偶联剂3份；抗氧剂0.5份；填料3份。
所述增韧剂为三元乙丙胶(EPDM)。
所述增粘剂为古马隆树脂。所述废旧塑料选自回收的废旧聚烯烃；所述废旧聚烯烃选自废旧聚乙烯、废旧聚丙烯、废旧聚氯乙烯、废旧的ABS。
所述天然纤维选自木粉、谷物加工后剩余的糠皮、芦苇等天然农作物的茎、杆、造纸行业中产生的改性木质素等。优选为木粉
所述相容剂为马莱酸酐接枝EPDM和选自马莱酸酐接枝聚乙烯、马莱酸酐接枝聚丙烯、马莱酸酐接枝ABS中的一种。
所述的增韧剂选自三元乙丙橡胶所述的粘接剂选自古马隆树脂
所述偶联剂为硅烷。
所述抗氧剂选自抗氧剂1010(四[甲基-β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯]季戊四醇)、硫代二丙酸二月桂酯(DLTP)中的一种或它们的混合物。
本发明的目的还在于，提供一种制备上述木塑复合材料的方法。
本发明提供的制备上述木塑复合材料的方法包括下述步骤：
1)按照所述比例将原料经过预干燥处理；
2)将聚烯烃和增韧剂、相容剂按照所述的比例在同向平行双螺杆挤出机上进行挤出造粒，制得增韧聚烯烃料A料；
3)按照所述的比例，将天然纤维和偶联剂分别加入到高速混合机内进行先期的表面处理；
4)将步骤1)2)得到的A料同其他添加助剂按照所述的比例添加到步骤3)所完成的混合机内经过热混、再经冷混后得到混合料B；
5)将混合料B经过锥形双螺杆挤出机塑化混炼、挤压成型
6)成型后经过冷却、牵引、切割。
所述步骤1)是在干燥器中进行预干燥处理。
所述步骤2)中是在平行双螺杆挤出机上进行增韧处理。
所述的步骤3)中是在混合器中进行天然纤维的表面处理。
所述的步骤4)中是在混合器中进行混合处理。
所述步骤1)中预干燥处理时间为1-1.5h，温度为50-80℃。
所述的步骤2)中是平行双螺杆挤出机上混炼、挤出造粒。
所述步骤2)中的相容剂为马莱酸酐接枝EPDM，所述同向平行双螺杆挤出机的各段温度为1段：60-95℃；2段：70-125℃；3段：75-145℃，4段：95-150℃，5段：105-165℃，6段：110-170℃，模具：120-175℃，转速为200rpm/min。
所述的步骤3)的处理时间为：5-10min；温度为：50-60℃。
所述步骤4)中，在混合机内热混合时间为3-5min，温度为45-60℃，速度为100-150rpm/min；冷混时间为4-5min，冷却水温度为常温15℃，速度为80-100rpm/min。
所述步骤5)是经过锥形双螺杆挤出机塑化混合、挤压成型
所述步骤4)中，锥形双螺杆挤出机的各段的挤出温度范围为：1段：70-95℃；2段：70-140℃；3段：95-155℃，4段：105-165℃，模具：110-180℃，转速：80rpm/min。
本发明中制得的最终产品应满足下表1所示的标准。
表1
Figure BDA0000094476390000041
本发明的提供的木塑复合材料，具有以下优点。
1、不怕风雨侵蚀；2、无碎裂无裂纹；3、收缩和膨胀小；4、不受霉菌或白蚁的损害；5、可加工成各种形状的制品，易于切割、固定、粘接；6、兼容了木材的使用特性和保持了塑料的优秀品质；7、100％可回收再利用；8、不污染土壤或地下水；9、可以同与其他树脂材料很好地复合在一起。
使用木塑复合材料制作纤维复合材料夹芯板除具有木塑材料本身的优点外，还具很高的比刚度和比强度，实体材料相比，格栅结构在几何形式上具有较好的拓扑优化性，对于相同质量的结构，其抗弯、抗屈曲性能良好。
本发明的木塑复合材料栅格，作为卡车用复合结构板夹心层使用，与碳纤维复合材料复合在一起使用，是其结构板的耐冲击强度得到了大幅度的提高，达到了目前卡车用钢板的冲击要求，而整体的重量也显著的降低。将其使用于卡车轻量化领域，作为卡车车厢板使用，不仅可以满足卡车部件的力学性能的要求，具有优越的轻量化效果同时其芯材可以完全回收再利用，减少废弃物的排放，有利于环境保护。此外，格栅结构的加强肋是相对独立的，在冲击荷载作用下裂纹不易传播，整体性能好。
本发明提供的木塑复合材料按照一定配比添加了的EPDM和古马隆树脂，从而使木塑复合材料的韧性和粘接复合性能得到了显著的提高。
本发明的提供的木塑复合材料强度高；成本低，易回收可以进行循环使用；即保持了塑料的优秀品质又具有木材的使用特性；收缩和膨胀系数小。
附图说明
图1为实施例7制备得到的复合材料夹心板的轴视图。
图2为实施例7制备得到的复合材料夹心板的俯视图。
图3为实施例8制备得到的复合材料夹心板的轴视图。
图4为实施例8制备得到的复合材料夹心板的俯视图。
其中1为蒙皮，2为木塑复合材料栅格。
具体实施方式
下面，通过具体实施例来对本发明进行详细说明。
实施例中使用的废旧聚乙烯、废旧聚丙烯、废旧聚氯乙烯、废旧的ABS均为定点收购。
实施例中使用的偶联剂为美国联碳公司生产的型号为A-151的硅烷偶联剂。
实施例中使用的增韧剂为三元乙丙胶；
实施例中使用的增粘剂为古马隆树脂；
本发明使用的抗氧剂1010为北京加成助剂研究所生产的抗氧剂1010；硫代二丙酸二月桂酯为天津力生化工厂生产。
实施例1制备高抗冲木塑复合材料
将经过50℃干燥器的预干燥处理1.5h的50kg废旧聚乙烯同2.5kg马来酸酐接枝EPDM、5kg的三元乙丙胶在高搅机上进行混合，混合后的料加入到平行双螺杆挤出机的料斗内，经平行双螺杆挤出机混炼、挤出造粒，得到增韧A料。平行双螺杆的挤出造粒温度为：1段60℃；2段：70℃；3段：80℃，4段：95℃，5段105℃，6段110℃模板：120℃，转速：200rpm/min；
将15kg的木粉和1kg硅烷偶联剂A-151分别加入到高速混合机内进行混合表面处理10分钟后，转速为100rpm/min，静止3分钟；
分别将57.5kg增韧的A料和0.1kg抗氧剂1010和0.2kg硫代二丙酸二月桂酯、7.5kg马莱酸酐接枝聚乙烯、0.5kg古马隆树脂加入到搞混机内，在50℃，转速为100rpm/min下再进行高速混合，混合时间为3min，然后再经过通有冷却水的高速混合机混合得到一种混合料B，混合时间为4min，冷却水温度为15℃，搅拌速度为80rpm/min；
混合料B加入到双螺杆混合料斗中，经过锥形双螺杆挤出机塑化、挤压成型，成型的制品再经过冷却、牵引、切割成一定尺寸的木塑复合成品。
锥形双螺杆挤出机的挤出温度为：1段：70℃；2段：85℃；3段：95℃，4段：105℃，模具：110℃，螺杆转速80rpm/min。
经检测各项性能指标达到了标准的要求。
拉伸强度：  24MPa
断裂伸长率：115％
洛氏硬度：  23HRL
冲击强度：  98KJ/m2
实施例2制备高抗冲木塑复合材料
将经过70℃干燥器的预干燥处理1h的50kg废旧聚丙烯同2.5kg马来酸接枝EPDM、10kg的三元乙丙胶在高搅机上进行混合，混合后的料加入到平行双螺杆挤出机的料斗内，经双螺杆挤出机混炼、挤出造粒，得到增韧A料。平行双螺杆的挤出造粒温度为：1段90℃；2段：125℃；3段：130℃，4段：140℃，5段150℃，6段160℃，模板：170℃。转速：200rpm/min；
将20kg的木粉和2.5kg硅烷偶联剂A-151分别加入到高速混合机内进行混合表面处理10分钟后，转速为150rpm/min。静止3分钟；
分别将62.5kg增韧的A料和0.2kg抗氧剂1010、10kg马莱酸酐接枝聚丙烯、1kg古马隆树脂加入到高混机内，在60℃，转速为150rpm/min下再进行高速混合，混合时间为5min，然后再经过通有冷却水的高速混合机混合得到一种混合料B，冷却水温度为常温15℃，搅拌速度为100rpm/min；
混合料B加入到双螺杆挤出机的料斗中，经过锥形双螺杆挤出机塑化、挤压成型，成型的制品再经过冷却、牵引、切割成一定尺寸的木塑复合成品。
锥形双螺杆挤出机的挤出温度为：1段：90℃；2段：130℃；3段：145℃，4段：165℃，模具：175℃，螺杆转速：80rpm/min
经检测各项性能指标性能达到了标准要求。
拉伸强度；  25MPa
断裂伸长率：120％
洛氏硬度：  24HRL
冲击强度：  105KJ/m2
实施例3制备高抗冲木塑复合材料
将经过50℃干燥器的预干燥处理1.2h的50kg废旧ABS同2.5kg马来酸酐接枝EPDM、7.5kg的三元乙丙胶在高搅机上进行混合，混合后的料加入到平行双螺杆挤出机的料斗内，经平行双螺杆挤出机混炼、挤出造粒，得到增韧A料。平行双螺杆的挤出造粒温度为：1段95℃；2段：125℃；3段：145℃，4段：150℃，5段165℃，6段170℃，模板：175℃，转速：200rpm/min；
将15kg的木粉和1kg硅烷偶联剂A-151分别加入到高速混合机内进行混合表面处理10分钟后，转速为100rpm/min，静止3分钟；
分别将60kg增韧的A料和2.5kg轻质碳酸钙、0.1kg抗氧剂1010和0.2kg硫代二丙酸二月桂酯、7.5kg马莱酸酐接枝ABS、0.5kg古马隆树脂加入到搞混机内，在50℃，转速为100rpm/min下再进行高速混合，混合时间为3min，然后再经过通有常温冷却水的高速混合机混合5min得到一种混合料B，冷却水温度为常温15℃，搅拌速度为80rpm/min；
混合料B加入到双螺杆挤出机的料斗中，经过锥形双螺杆挤出机挤压成型，成型的制品再经过冷却、牵引、切割成一定尺寸的木塑复合成品。
锥形双螺杆挤出机的挤出温度为：1段：95℃；2段：140℃；3段：155℃，4段：165℃，模具：180℃，螺杆转速：80rpm/min。
经检测各项性能指标达到了标准的要求。
拉伸强度；  22MPa
断裂伸长率：125％
洛氏硬度：  27HRL
冲击强度：  96KJ/m2
实施例4制备高抗冲木塑复合材料
将经过80℃干燥器的预干燥处理1h的50kg废旧聚乙烯和同2.5kg马莱酸酐接枝EPDM、7.5kg的三元乙丙胶在高搅机上进行混合，混合后的料加入到平行双螺杆挤出机的料斗内，经平行双螺杆挤出机混炼、挤出造粒，得到增韧A料。平行双螺杆的挤出造粒温度为：1段60℃；2段：70℃；3段：80℃，4段：95℃，5段105℃，6段110℃，模板：120℃。转速：200rpm/min；
将15kg的糠皮和2.5kg硅烷偶联剂A-151分别加入到高速混合机内进行混合表面处理10分钟后，静止3分钟；
分别将60kg增韧的A料和0.3kg抗氧剂1010、7.5kg马莱酸酐接枝聚乙烯、1kg古马隆树脂加入到搞混机内，在45℃，转速为100rpm/min下再进行高速混合，混合时间为3min，然后再经过通有冷却水的高速混合机混合5min得到一种混合料B，冷却水温度为常温15，搅拌速度为80rpm/min；
混合料B加入到双螺杆挤出机的料斗中，经过锥形双螺杆挤出机塑化、挤压成型。成型的制品再经过冷却、牵引、切割成一定尺寸的木塑复合成品。
锥形双螺杆挤出机的挤出温度为：1段：70℃；2段：85℃；3段：95℃，4段：105℃，模具；120℃，螺杆转速：80rpm/min
经检测各项性能指标达到了标准的要求。
拉伸强度      24MPa、
断裂伸长率    105％、
洛氏硬度      22HRL
冲击强度：    95KJ/m2
实施例5制备高抗冲木塑复合材料
将经过70℃干燥器的预干燥处理1h的50kg废旧聚丙烯同2.5kg马莱酸酐接枝EPDM、7.5kg的三元乙丙胶在在高搅机上进行混合，混合后的料加入到平行双螺杆挤出机的料斗内，经平行双螺杆挤出机混炼、挤出造粒，得到增韧A料。平行双螺杆的挤出造粒温度为：1段90℃；2段：125℃；3段：130℃，4段：142℃，5段155℃，6段160℃，模具：170℃，转速：200rpm/min；
将17.5kg的糠皮和1.5kg硅烷偶联剂A-151分别加入到高速混合机内进行混合表面处理10分钟后，转速为：80rpm/min；静止3分钟；
分别将60kg增韧的A料和1.5kg轻质碳酸钙、0.1kg抗氧剂1010和0.2kg硫代二丙酸二月桂酯、7.5kg马莱酸酐接枝聚丙烯、0.5kg古马隆树脂加入到混合机内，在50℃，转速为100rpm/min下再进行高速混合，混合时间为3min，然后再经过通有冷却水的高速混合机混合5min得到一种混合料B，冷却水温度为15℃，搅拌速度为80rpm/min；
混合料B加入到双螺杆挤出机的料斗中，经过锥形双螺杆挤出机塑化、挤压成型，成型的制品再经过冷却、牵引、切割成一定尺寸的木塑复合成品。
锥形双螺杆挤出机的挤出温度为：1段：90℃；2段：135℃；3段：140℃，4段：160℃，模具；175℃，螺杆转速：80rpm/min；
经检测各项性能指标达到了标准的要求。
拉伸强度     25MPa
断裂伸长率   135％
洛氏硬度     22HRL
冲击强度：   108KJ/m2
实施例6制备高抗冲木塑复合材料
将经过70℃干燥器的预干燥处理1h的50kg废旧聚丙烯同2.5kg马莱酸酐接枝EPDM、7.5kg的三元乙丙胶在在高搅机上进行混合，混合后的料加入到平行双螺杆挤出机的料斗内，经平行双螺杆挤出机混炼、挤出造粒，得到增韧A料。平行双螺杆的挤出造粒温度为：1段90℃；2段：120℃；3段：135℃，4段：140℃，5段150℃，6段160℃，模具：170℃，转速：200rpm/min；
将17.5kg的糠皮和1.5kg硅烷偶联剂A-151分别加入到高速混合机内进行混合表面处理10分钟后，转速为：80rpm/min；静止3分钟；
分别将60kg增韧的A料和1.5kg轻质碳酸钙、0.1kg抗氧剂1010和0.2kg硫代二丙酸二月桂酯、7.5kg马莱酸酐接枝聚丙烯、0.5kg古马隆树脂加入到混合机内，在50℃，转速为100rpm/min下再进行高速混合，混合时间为3min，然后再经过通有冷却水的高速混合机混合5min得到一种混合料B，冷却水温度为15℃，搅拌速度为80rpm/min；
混合料B加入到双螺杆挤出机的料斗中，经过锥形双螺杆挤出机塑化、挤压成型，成型的制品再经过冷却、牵引、切割成一定尺寸的木塑复合成品。
锥形双螺杆挤出机的挤出温度为：1段：90℃；2段：130℃；3段：145℃，4段：165℃，模具；175℃，螺杆转速：80rpm/min。
实验例高抗冲的木塑复合材料和专利CN201010288907.4的性能对比
专利CN201010288907.4中优选实施例5的制备方法如下；
按质量百分含量将PP再生料30％，木粉60％，相容剂200A4％，分散剂2％，偶联剂2％，抗氧剂2％在高速搅拌机中混合均匀，将混合好的物料加入到双螺杆挤出机的料斗中，经熔融共混、挤出造粒成合金材料，其中双螺杆各区温度设置分别为：1区：120-130℃，2区：130-140℃，3区：140-150℃，4区：140-170℃，5区：140-170℃，6区：140-170℃，7区；140-170℃，8区：150-160℃，机头：140-150℃。
上述制得的样品，经80℃的干燥箱干燥处理后，经过注塑机注塑成标准的测试样条。
测试标准采用ASTM D-638进行拉伸强度的测试；冲击强度按ASTM D-256进行测试。
测试结果如下表所示
  项目  实施例5   CN201010288907.4实施例2
  拉伸强度MPa  25   14
  断裂伸长率％  135   25
  冲击强度KJ/M2  108   95
由上表可以看出：本实验制得的木塑复合材料的抗冲击性能明显的比专利CN201010288907.4的高。
实施例7制备复合材料夹心板
按照实施例1制作木塑复合材料，制造长300mm，宽20mm，厚5mm板状木塑材料6块。
碳纤维复合材料蒙皮的制作：将5片碳纤维预浸料按照铺层角度顺序(90°/0°/45°/0°/90°)交替铺叠，使用两块3mm厚钢板压制，将以上预浸料压紧并一同放入烘箱以2～3℃/min升温速率升至80℃后保温20分钟，后升至120℃保温1小时，固化成型后取出，按上述步骤制作两块碳纤维复合材料蒙皮。将木塑板按图1胶粘于两块蒙皮之间，形成复合材料夹心板。制得的复合材料夹心板的轴视图如图1所示，俯视图如图2所示。
实施例8制备复合材料夹心隔栅
按照实施例2的方式制作木塑复合材料，并切割成颗粒状后待用。把颗粒状木塑复合材料经称量之后放入三角形栅格状模压模具中，施加15MPa压力，在115℃下保压15分钟后冷却成型，经修边整理形成栅格状夹心层。按实施例4中的蒙皮制作方式制作碳纤维复合蒙皮，将蒙皮粘接于夹心两侧形成木塑复合材料夹心隔栅。夹心栅格形状并不局限与此结构，还包括方格、蜂窝等形状。制得的复合材料夹心隔栅的轴视图如图3所示，俯视图如图4所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种木塑复合材料，其特征在于，其含有按重量份计的如下成分：废旧塑料100份；天然纤维30-40份、增韧剂10-20份；增粘剂：1-2份；相容剂20-25份；偶联剂2-5份；抗氧剂0.4-0.6份；填料0-3份。
2.根据权利要求1所述的木塑复合材料，其特征在于，其含有按重量份计的如下成分：废旧塑料100份；天然纤维35份；增韧剂15份；增粘剂1份；相容剂20份；偶联剂3份；抗氧剂0.6份；填料3份。
3.根据权利要求1或2所述的木塑复合材料，其特征在于，所述增韧剂为三元乙丙胶；所述增粘剂为古马隆树脂；所述废旧塑料选自回收的废旧聚烯烃；所述废旧聚烯烃选自废旧聚乙烯、废旧聚丙烯、废旧聚氯乙烯、废旧的ABS；所述相容剂为马莱酸酐接枝EPDM和选自马莱酸酐接枝聚乙烯、马莱酸酐接枝聚丙烯、马莱酸酐接枝ABS中的一种；所述偶联剂为硅烷；所述抗氧剂选自抗氧剂1010、DLTP中的一种或它们的混合物；所述填料为轻质碳酸钙。
4.一种制备权利要求1-3中任一项所述的木塑复合材料的方法，其包括下述步骤：
1)将聚烯烃和增韧剂、相容剂按照所述的比例在挤出机上进行挤出造粒，制得增韧聚烯烃料A料；
2)将步骤2)得到的A料同其他各成分按比例经热混、冷混后得到混合料B；
3)将混合料B塑化混炼、挤压成型、冷却而成。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1)中，还包括预干燥，处理时间为1-1.5h，温度为50-80℃。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中的相容剂为马莱酸酐接枝EPDM，所述平行双螺杆挤出机的各段温度为1段：60-95℃；2段：70-125℃；3段：75-145℃，4段：95-150℃，5段：105-165℃，6段：110-170℃，模具：120-175℃。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中，热混时间为3-5min，温度为45-60℃，速度为100-150rpm/min。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中，冷混合时间为4-5min，冷却水温度为15℃，速度为80-100rpm/min。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中，锥形双螺杆挤出机的各段的挤出温度范围为：1段：70-95℃；2段：70-140℃；3段：95-155℃，4段：105-165℃，模具：110-180℃。10、权利要求1-3中任一项所述的木塑复合材料在卡车轻量化中的应用。
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