CN103289426A - Hdpe微发泡塑木复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明申请提供一种HDPE微发泡塑木复合材料，包括以下质量份的各种组分：熔体流动速率为0.2～1.5g/10min的高密度聚乙烯(HDPE)：20～35份、粒径为40～300μm的木粉：20～65份、AC发泡剂：0.4～1.5份、交联剂：0.5～2.0份、润滑剂：0.1～3.0份、偶联剂：1～10份、抗氧剂：0.01～1.0份、着色剂：0.5～3.0份。本发明申请还提供上述HDPE微发泡塑木复合材料的制备方法，包括木粉筛选与干燥、混炼以及压片等步骤。所述的HDPE微发泡塑木复合材料具有良好的力学性能，应用广泛。

Description

HDPE微发泡塑木复合材料及其制备方法

技术领域

本发明申请涉及一种塑木复合材料，尤其是一种微发泡的高密度聚乙烯(HDPE)塑木复合材料及其制备方法，属于新材料技术领域。

背景技术

塑木复合材料也称为木质塑料复合材料(WPC)，是一类新兴的材料，现在引起了人们越来越多的关注，其包括了范围相当宽的一类复合材料，这些材料是用纯净的或者回收的塑料与天然的纤维填料制成的，其中的塑料可以是高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)以及聚氯乙烯(PVC)等材料，而天然纤维则可以包括木粉和麻布纤维。

木质塑料复合材料及其产品兼备木材与塑料的双重特性，木质感强，可根据需要制造出不同的颜色，同时具有许多木材所没有的特性，例如质轻、防潮、耐酸碱、便于清洗等，具有优异的机械性能、很高的尺寸稳定性，且可以用来成型复杂的形状。木质塑料复合材料目前在非结构性户外住宅装饰方面具有巨大的应用空间，而且在其他房屋建筑材料方面的应用也在不断发展，包括门窗装饰部件、走廊、屋顶、汽车装饰材料以及户外花园和公园的各种设备等。

尽管木质塑料复合材料(WPC)有许多优点，但仍然存在着一些不足之处，例如抗老化性差、抗蠕变性差、色彩的一致性和持久性差、会受微生物侵蚀、拉伸强度明显低于普通木制品。

微发泡塑木复合材料是目前研究的热点之一，经微孔发泡的材料，其泡孔尺寸远小于传统发泡材料。这些小的气泡能够有效阻止材料中原有裂纹的扩展，是裂纹尖端变钝，因此冲击强度、韧性、疲劳周期、热稳定性等方面的性能都有显著提高，且泡孔的存在使材料密度减小。因此，对木纤维复合材料进行微孔发泡能够克服物理机械性能等方面的缺陷，在很大程度上提高材料的使用性能。

有学者研究了木粉含水率对PP微发泡塑木复合材料性能的影响，发现适当控制水分可形成二次发泡，减少发泡剂用量；另有研究发现，发泡剂的用量对微发泡塑木复合材料的密度、发泡孔径、以及力学性能影响最大；还有人研究了HDPE微发泡塑木复合材料的挤出工艺，发现口模温度为165℃时材料的挤出性能较好。

有关于高密度聚乙烯(HDPE)微发泡塑木复合材料及其制备过程中，木粉粒径、发泡剂用量、交联剂用量等因素对复合材料物理性能的影响，尚未见相关文献报道。

发明内容

本发明申请即是针对目前高密度聚乙烯(HDPE)微发泡塑木复合材料中存在的上述不足之处，采用模压工艺，研究了木粉粒径、发泡剂用量、交联剂用量等对HDPE微发泡塑木复合材料物理性能的影响，并以此得到相应的具有较佳力学性能的复合材料，进一步的，本发明申请还提供了制备上述复合材料的方法。

本发明申请的一个目的是提供一种HDPE微发泡塑木复合材料，所述的复合材料包括以下质量份的各种组分：

1、熔体流动速率为0.2～1.5g/10min的高密度聚乙烯(HDPE)：20～35份；

2、粒径为40～300μm的木粉：20～65份；

3、AC发泡剂：0.4～1.5份；

4、交联剂：0.5～2.0份；

5、润滑剂：0.1～3.0份；

6、偶联剂：1～10份；

7、抗氧剂：0.01～1.0份；

8、着色剂：0.5～3.0份。

优选的，在其它组分不变的情况下，当所述木粉粒径为106μm时，得到的复合材料的弯曲强度和拉伸强度均达到最大值。

优选的，在其它组分不变的情况下，交联剂添加量占HDPE微发泡塑木复合材料总质量的1.5％时，得到的复合材料的弯曲强度最佳。

在本复合材料的各种组分中，AC发泡剂可通过市售获得，AC发泡剂是应用广泛的发泡剂，广泛用于聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、ABS等合成材料。

进一步的，所述的交联剂包括DCP或DTBP。

DCP的英文全称为Dibasic calcium phosphate，即过氧化二异丙苯，白色菱形结晶，常用作聚乙烯树脂交联剂；DTBP的英文全称为Di-t-butyl peroxide，即二叔丁基过氧化物，作为交联剂，可用于硅橡胶、合成橡胶和天然橡胶、聚乙烯、EVA和EPT等；均可通过市售获得。

进一步的，所述的润滑剂包括硬脂酸、硬脂酸金属盐、乙撑双硬脂酰胺、脂肪烃蜡或氧化聚乙烯。

更进一步的，所述的硬脂酸金属盐包括硬脂酸钠、硬脂酸钙或硬脂酸锌。

其中，乙撑双硬脂酰胺，又名乙烯基双硬脂酰胺，在许多热塑性和热固性塑料中用作内部和外部润滑剂。

进一步的，所述的偶联剂包括马来酸酐接枝聚乙烯、铝酸酯、异氰酸酯或硅烷偶联剂的一种或两种以上的混合物。

更进一步的，所述的硅烷偶联剂包括六甲基二硅氮烷、六甲基二硅氧烷、乙烯基三(β-甲氧基乙氧基)硅烷或乙烯基三甲氧基硅烷。

进一步的，所述的抗氧剂包括2，2′-亚甲基-双(4-甲基-6-叔丁基苯酚)(抗氧剂1010)、抗氧剂168或DLTP中的一种或两种以上的混合物。

DLTP中文名称为硫代二丙酸二月桂酯，为白色结晶片状或粉末，有特殊甜香、类酯气味，不溶于水，溶于多数有机溶剂，为优良辅助抗氧剂，广泛用于聚丙烯、聚乙烯和ABS等合成材料中。

进一步的，所述的着色剂包括钛白粉、炭黑、铁红、铁黄、钛青绿或钛青蓝。

在本发明申请所述的复合材料中，所述的润滑剂、偶联剂、抗氧剂和着色剂都可以经市售获得。

本发明申请的另一个目的是提供所述HDPE微发泡塑木复合材料的制备方法，包括如下的步骤：

1、木粉筛选与干燥：

用不同粒径的筛子，筛选所需粒径的木粉，于60～120℃的温度下热烘6～24h；

2、混炼：

按所需的质量份，在135～160℃的温度下混炼HDPE、木粉、AC发泡剂、交联剂、润滑剂、偶联剂、抗氧剂和着色剂，至各种助剂均匀分散在HDPE中；

3、压片：

模压温度为150～180℃，预热1～5min；压力为10～15MPa，保压时间2～10min，卸模后冷压1～5min。

附图说明

图1为不同木粉粒径对HDPE微发泡塑木材料力学性能的影响的示意图；

图2为不同交联剂用量对塑木微发泡复合材料力学性能的影响的示意图；

图3为不同发泡剂用量对塑木微发泡复合材料力学性能的影响的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实验数据，对本发明申请所述的HDPE微发泡塑木复合材料及其制备方法进行描述，目的是为了公众更好的理解所述的内容，而不是对所述技术内容的限制，事实上，在以相同或近似的原理，对所述复合材料的组分及制备方法所作出的改进，包括各组分含量的增减、功能相似组分的替换、制备工艺的改进、条件的变更，以实现相同效果为目的，则都在本发明申请所要求保护的技术方案之内。

实施例一

一种HDPE微发泡塑木复合材料，包括以下质量份的各种组分：

1.熔体流动速率为0.2g/10min的高密度聚乙烯：20份；

2.粒径为40μm的木粉：20份；

3.AC发泡剂：0.4份；

4.DCP：0.5份；

5.硬脂酸：0.1％；

6.马来酸酐接枝聚乙烯：10份；

7.2，2′-亚甲基-双(4-甲基-6-叔丁基苯酚)：0.05份；

8.钛白粉：0.5份。

所述HDPE微发泡塑木复合材料的制备方法，包括如下的步骤：

1、木粉筛选与干燥：

用筛子，筛选40μm粒径的木粉，于60℃的温度下热烘24h；

2、混炼：

按上述各组分的质量份，在135℃的温度下混炼HDPE、木粉、AC发泡剂、交联剂、润滑剂、偶联剂、抗氧剂和着色剂，至各种助剂均匀分散在HDPE中；

3、压片：

模压温度为180℃，预热1min；压力为10MPa，保压时间10min，卸模后冷压3min。

实施例二

一种HDPE微发泡塑木复合材料，包括以下质量份的各种组分：

1.熔体流动速率为1.5g/10min的高密度聚乙烯：35份；

2.粒径为106μm的木粉：40份；

3.AC发泡剂：1.0份；

4.DTBP：2.0份；

5.乙撑双硬脂酰胺：3.0份；

6.铝酸酯：1份；

7.抗氧剂168：1.0份；

8.炭黑：3.0份。

所述HDPE微发泡塑木复合材料的制备方法，包括如下的步骤：

1、木粉筛选与干燥：

用筛子筛选106μm粒径的木粉，于120℃的温度下热烘6h；

2、混炼：

按上述各组分的质量份，在160℃的温度下混炼HDPE、木粉、AC发泡剂、交联剂、润滑剂、偶联剂、抗氧剂和着色剂，至各种助剂均匀分散在HDPE中；

3、压片：

模压温度为150℃，预热5min；压力为15MPa，保压时间2min，卸模后冷压1min。

实施例三

一种HDPE微发泡塑木复合材料，包括以下质量份的各种组分：

1.熔体流动速率为0.8g/10min的高密度聚乙烯(HDPE)：30份；

2.粒径为300μm的木粉：35份；

3.AC发泡剂：1.0份；

4.DCP：1.0份；

5.氧化聚乙烯：2.0份；

6.异氰酸酯：5.0份；

7.DLTP：0.5份；

8.钛青蓝：1.0份。

所述HDPE微发泡塑木复合材料的制备方法，包括如下的步骤：

1、木粉筛选与干燥：

用筛子筛选300μm粒径的木粉，于80℃的温度下热烘12h；

2、混炼：

按所需的质量份，在140℃的温度下混炼HDPE、木粉、AC发泡剂、交联剂、润滑剂、偶联剂、抗氧剂和着色剂，至各种助剂均匀分散在HDPE中；

3、压片：

模压温度为168℃，预热3min；压力为12MPa，保压时间6min，卸模后冷压5min。

实施例四木粉粒径对HDPE微发泡塑木复合材料性能的影响

1.实验方法

1.1主要设备

电热鼓风干燥箱、高速混合机、双辊开炼机、平板硫化机、万能试验机。

1.2测试方法

1)弯曲强度，参照ASTM D790测定塑木复合材料的弯曲性能，选用5000N传感器，实验速度为2mm/min，跨距96mm。

2)拉伸强度，参ASTM D638测试塑木复合材料的弯曲性能，选用5000N传感器，实验速度为5mm/min。

3)密度，参照ASTM D792测试塑木复合材料的密度，室温恒定23±2℃。

4)线性热膨胀系数，参照GB1036测试塑木复合材料的线性热膨胀系数，样品截面尺寸为12.5mm×3mm，长度60mm，温度范围为-30℃～30℃。

2.结果与讨论

采用不同粒径的木粉填充HDPE微发泡塑木复合材料，木粉粒径对材料弯曲强度和拉伸强度的影响如图1所示。

由图1中可以看出，HDPE微发泡塑木复合材料的弯曲强度和拉伸强度随木粉粒径的增大呈现先上升后下降的趋势。木粉粒径为106μm，弯曲强度达到最大值21.54MPa，拉伸强度达到最大值14.89MPa。这是由于木粉粒径较小时，在复合过程中木粉虽然容易与塑料有效包裹，但不能有效传递应力而削弱木粉对塑料基体的增强作用，另一方面，在HDPE微发泡塑木复合材料中，木粉有一定发泡成核作用，木粉粒径过大，容易形成较大的泡孔，而影响材料的力学性能。

采用不同粒径的木粉填充HDPE微发泡塑木复合材料，木粉粒径对材料密度的影响如表1中所示。

表1不同木粉粒径对HDPE微发泡塑木材料密度的变化

由表1可以看出，随着木粉粒径的增大，HDPE微发泡塑木复合材料的密度逐渐降低，从0.837g·cm^-3降至0.788g·cm^-3。如前所述，在HDPE微发泡塑木复合材料中，木粉有一定发泡成核作用，木粉粒径过大，容易形成较大的泡孔，使材料密度减小，另一方面，粒径大、粗糙度高的木粉中容易在界面处形成空洞缺陷，而粒径小的木粉发生这种现象的程度要小得多。

结论：

木粉粒径对HDPE微发泡塑木复合材料力学性能有一定影响，随着木粉粒径的增大，材料的力学性能呈先增大后减少的趋势，当木粉粒径为106μm时，材料的力学性能达到最大。

实施例五交联剂用量对HDPE微发泡塑木复合材料性能的影响

实验方法，包括主要设备和测试方法与实施例四相同。

图2为交联剂用量对HDPE微发泡复合材料力学性能的影响，由图2可以看出，随着DCP含量的增加，材料的拉伸强度逐渐增加，而弯曲强度呈先上升后下降的趋势，这是因为交联剂的加入使得复合材料体系中的大分子产生交联，大分子内聚力增加，分子间运动摩擦力增加，分子运动需要更大的能量来克服这种力，使得材料的拉伸性能明显提高。同样，交联剂添加量低于1.5％时，材料的弯曲性能也表现出上升趋势，但随着交联剂含量进一步增大，材料弯曲强度表现出下降趋势，这是由于，大分子发生交联的同时，弹性会下降，弹性模量也随之降低，交联剂加入过量，材料弹性降低过大，而使材料的弯曲强度降低。

结论：

添加交联剂可提高HDPE微发泡塑木复合材料的拉伸强度，弯曲强度则呈现先增大后降低的趋势，交联剂的添加量超过1.5％时，复合材料的弯曲强度达到最大。

实施例六发泡剂用量对HDPE微发泡塑木复合材料性能的影响

实验方法，包括主要设备和测试方法与实施例四和五相同。

发泡剂用量对HDPE微发泡塑木复合材料性能影响如图3和表2中所示，从图3和表2中可以看出，随着发泡剂含量的增大，微发泡塑木复合材料的弯曲强度、拉伸强度、密度都逐渐下降。弯曲强度和拉伸强度开始降幅较小，分别为4.9MPa和4.88MPa，而当发泡剂用量超过0.7％时，拉伸弯曲强度和拉伸强度降幅增大，分别为10.26MPa和7.74MPa，这是由于发泡剂用量较少，气孔在材料中未达到饱和，气孔孔径分布较均匀，发泡剂用量增大后，气孔在材料中过饱和形成孔洞缺陷，严重影响了材料的力学性能，而使弯曲强度和拉伸强度下降幅度增大。

表2不同发泡剂用量对塑木微发泡复合材料力学性能的影响

结论：

发泡剂能显著降低HDPE微发泡塑木复合材料的力学性能，当发泡剂用量大于0.7％时，复合材料力学性能降幅增大。

Claims (10)

1.一种HDPE微发泡塑木复合材料，其特征在于：所述的复合材料包括以下质量份的各种组分：

1)熔体流动速率为0.2～1.5g/10min的高密度聚乙烯(HDPE)：20～35份；

2)粒径为40～300μm的木粉：20～65份；

3)AC发泡剂：0.4～1.5份；

4)交联剂：0.5～2.0份；

5)润滑剂：0.1～3.0份；

6)偶联剂：1～10份；

7)抗氧剂：0.01～1.0份；

8)着色剂：0.5～3.0份。

2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述木粉粒径为106μm。

3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述交联剂添加量占HDPE微发泡塑木复合材料总质量的1.5％。

4.根据权利要求1-3任一项所述的复合材料，其特征在于：所述的交联剂包括DCP或DTBP。

5.根据权利要求1-3任一项所述的复合材料，其特征在于：所述的润滑剂包括硬脂酸、硬脂酸金属盐、乙撑双硬脂酰胺、脂肪烃蜡或氧化聚乙烯。

6.根据权利要求5所述的复合材料，其特征在于：所述的硬脂酸金属盐包括硬脂酸钠、硬脂酸钙或硬脂酸锌。

7.根据权利要求1-3任一项所述的复合材料，其特征在于：所述的偶联剂包括马来酸酐接枝聚乙烯、铝酸酯、异氰酸酯或硅烷偶联剂的一种或两种以上的混合物。

8.根据权利要求1-3任一项所述的复合材料，其特征在于：所述的抗氧剂包括2，2′-亚甲基-双(4-甲基-6-叔丁基苯酚)、抗氧剂168或DLTP中的一种或两种以上的混合物。

9.根据权利要求1-3任一项所述的复合材料，其特征在于：所述的着色剂包括钛白粉、炭黑、铁红、铁黄、钛青绿或钛青蓝。

10.一种HDPE微发泡塑木复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下的步骤：

1)木粉筛选与干燥：

用不同粒径的筛子，筛选所需粒径的木粉，于60～120℃的温度下热烘6～24h；

2)混炼：

按所需的质量份，在135～160℃的温度下混炼HDPE、木粉、AC发泡剂、交联剂、润滑剂、偶联剂、抗氧剂和着色剂，至各种助剂均匀分散在HDPE中；

3)压片：

模压温度为150～180℃，预热1～5min；压力为10～15MPa，保压时间2～10min，卸模后冷压1～5min。

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