CN103509288B - Pvc发泡木塑复合材料及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PVC发泡木塑复合材料，涉及复合材料技术领域。其由如下重量份的原料制成：PVC树脂粉20-70份、木粉0-55份、碳酸钙粉5-40份、碳酸氢钠0.1-0.5份、偶氮化合物或肼衍生物或氨基脲化合物或亚硝基化合物0.3-0.6份、发泡调节剂2-10份、复合稳定剂1.5-6份、润滑剂0.7-2.1份、大豆油0.5-1.2份、抗冲改性剂2.5-5.5份、加工助剂0.5-3份。本发明PVC木塑复合材料具有化学稳定性强、强度高、耐酸碱腐蚀、耐水浸泡、阻燃及成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，特别是涉及一种PVC发泡木塑复合材料。
背景技术
现有的木塑复合材料的制造方法，是采用HDPE作为塑料主材，把各种原料混合→造粒→挤出后，放在模具中用液压机模压成型，成型的产品最后经喷漆完成制造的。这种制造技术具有以下缺点：1、产品需喷漆，户内使用不环保；2、产品密度较大，成本较高；3、产品表面没有木质纹理感，仿木效果差；4、产品的规格大小，受制于模具的大小，较长的木塑型材没法生产；5、形状过于复杂或中空的木塑型材，受加工工艺和模具限制，没法生产；6、HDPE塑料不具有阻燃性能，其所制成的产品也就不能阻燃，使用范围受此约束较大。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中木塑复合材料制造技术的缺点和不足，提供一种新的PVC发泡木塑复合材料及其制造方法。
所谓PVC木塑复合材料，就是以木质纤维和PVC塑料为主材，并添加部分高分子材料，通过特殊的加工工艺，加工而成的一种复合型材，其应用范围广泛，包括建筑工程装修、家庭装修、吊顶天花、墙面装饰、地板、家具、门窗、花箱、凉亭、廊架、座椅、托盘、包装、模板、园林景观等众多领域。
本发明PVC木塑复合材料由如下重量份的原料制成: PVC树脂粉20-70份、木粉1-55份、碳酸钙粉5-40份、碳酸氢钠0.1-0.5份、偶氮化合物或肼衍生物或氨基脲化合物或亚硝基化合物0.3-0.6份、发泡调节剂2-10份、复合稳定剂1.5-6份、润滑剂0.7-2.1份、大豆油0.5-1.2份、抗冲改性剂2.5-5.5份、加工助剂0.5-3份。
本发明PVC木塑复合材料，由如下优选重量份的原料制成: PVC树脂粉52.9份、木粉18.2份、碳酸钙粉13.2份、碳酸氢钠0.3份、偶氮化合物0.46份、发泡调节剂6.2份、复合稳定剂4.5份、润滑剂1.7份、大豆油0.9份、抗冲改性剂3.5份、加工助剂1.5份。
PVC树脂粉份，即聚氯乙烯，可以选用的 PVC型号为SG-4、SG-5、SG-6、SG-7、SG-8、SG-9中的一种，所选用的PVC的平均聚合度应在650-1250之间；K值应在50-70之间；黏度应在1.3-1.8之间；黏数应在70-125之间。当选用的PVC树脂的分子质量越大，黏数也就越高，其加工性能就越差。其中SG-7和SG-8型的PVC树脂粉的加工性能优越，因此多采用其中一种或混合使用，以上其它型号的树脂粉可以单用，也可混合使用；当采用其它型号的PVC树脂粉时，因其黏数较高，流动性变差，加工性能变差，应该适当添加润滑剂和加工助剂，添加量应在正常添加量的1.1倍-1.8倍之间调节。PVC树脂粉的用量，不论采用单一型号的还是两种或两种以上型号的，其树脂粉的总添加量占原料总重量的52.9％为宜（可在20％-70％之间调节），为产品主材，靠它的聚合度把各种材料粘合在一起，使产品成型，并通过添加多种高分子材料，使得PVC塑料改性，以增强产品的韧性和稳定性。
填充剂,需要同时添加以下两种：
1、木粉（竹粉、秸秆或其它植物纤维粉末，一般选择40-110目），占原料总重量的18.2％为宜（可在0-55％之间调节），既能增强产品的拉伸力，也能增强产品的木质感。制品内不添加木粉时，也可以由同等体积的碳酸钙粉或其它填充物来代替木粉制得产品，但制品表面的木质感就变差了。添加的木粉要求含水率不得高于2％，水分高于2％时，在加工过程中就很难蒸发掉，这样就会产生汽化，不利于产品的加工稳定性；
2、碳酸钙粉，也可以采用硅酸盐（如陶土、石棉、滑石、蒙脱土）、硫酸盐（如硫酸钡）、氧化物（如二氧化硅、氧化锑）单质（如炭黑、石墨）及其它（如硫化钼）等类型来代替碳酸钙粉。对型材的尺寸稳定性也有帮助，以300-1300目为宜,以上填充物可以单用一种，也可以采用两种或两种以上混合使用，但填充物的使用总量占原料总重量的13.2％为宜（可在总重量的5％-40％之间调节)。
发泡剂，使高分子材料产生泡孔结构的物质，属于化学发泡剂，化学发泡剂分为有机发泡剂和无机发泡剂两种，使用时一并添加两种化学发泡剂时，发泡效果较好，其中无机发泡剂用碳酸氢钠（小苏打）为宜，添加0.3％（可在总重量的0.1％-0.5％之间调节）；有机发泡剂，以偶氮化合物、肼衍生物、氨基脲化合物、亚硝基化合物这四项为宜，选用一项即可，添加0.47％（可在总重量0.3％-0.6％之间调节）。也可根据制品的发泡要求，只添加有机发泡剂或无机发泡剂中的一种，或添加复合型发泡剂(复合型发泡剂，就是把主发泡剂、助发泡剂、引发剂等进行组合，从而形成满足不同要求及需要的多种复合发泡剂），添加量的大小取决于对制品发泡量大小的要求，一般添加量在总重量的0.1％-1％之间。
发泡调节剂，是一种超高分子量的加工助剂，其特点是既有很高的分子量又有很好的流动性，具有良好的加工性能，占原料总重量的4.76％为宜（可在总重量的2％-10％之间调节）。市面常见双甲酯类或苯乙烯类发泡调节剂，可选用其中一种，用来提高pvc熔体的熔体强度，使发泡剂产生的气体不会从熔体中逸出，使制品发泡均匀，改善制品表面光泽。
偶联剂，偶联剂分子结构的最大特点是分子中含有化学性质不同的两个基团：一个是亲无机物的基团，易与无机物表面起化学反应；另一个是亲有机物的基团，能与合成树脂或其他聚合物发生化学反应或生成氢键溶于其中。因而，偶联剂可以改善原料中无机物和有机物之间的界面作用，从而大大提高了复合材料的性能，如物理性能、电性能、热性能、光性能等。偶联剂种类繁多，主要采用硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或铝酸酯偶联剂中的一种，添加量为树脂粉用量的0.1％-0.4％或填充料的0.2％-0.8％。
稳定剂，是一种可抑制PVC树脂降解的物质，稳定剂分为铅盐类稳定剂、金属皂类稳定剂、有机锡稳定剂、稀土类稳定剂或复合型稳定剂。其中最常用的为复合稳定剂（复合稳定剂内含有抗氧剂成分），选择其它的一种使用或多种混合使用时，需要添加0.1％-2％的抗氧剂，但铅盐类有毒，金属皂类无毒，总添加量为3.4％（可在1.5％-6％之间调节）为宜。
润滑剂，需要由以下三种润滑剂同时添加：
1、硬脂酸（或硬脂酸正丁酯），作为润滑剂，可选择其一作为润滑剂，也可以二者兼用，在物料的加工流动过程中，起到物料间和物料与机械间的摩擦润滑作用，添加总量为总重量的:0.37％（可在总重量的0.2％-0.5％之间调节）。
2、硬脂酸钙（也可以用硬脂酸铅、硬脂酸钡、硬脂酸镉、硬脂酸镧、硬脂酸锌其中的一种来代替或多种兼用），作为润滑剂，在物料的加工流动过程中，起到物料间和物料与机械间的摩擦润滑作用。添加总量为原料总重量的0.6％（可在总重量的0.4％-1％之间调节）。
3、聚乙烯蜡（即PE蜡，也可以用氧化聚乙烯蜡OPE或石蜡代替），可选择其一作为润滑剂，也可以二者兼用，在物料的加工流动过程中，起到物料间和物料与机械间的摩擦润滑作用。添加总量为原料总量的0.3％（可在总重量的0.1％-0.6％之间调节）。
环氧大豆油，在物料的加工过程中，会有效促进塑化，并且使得制品表面光泽度提高。添加量为总重量的0.8％（可在总重量的0.5％-1.2％之间调节）。
抗冲改性剂，能把脆性塑料转变为韧性塑料，以提高其抗冲击性能的添加剂。常用的pvc抗冲改性剂有CPE、ACR、MBS中的一种,也可以多种混合使用。最常用的为CPE，添加总量为总重量的3.7％（可在总重量的2.5％-5.5％之间调节）.
加工助剂，作为一种低分子量的ACR，添加量为总重量的1％（可在总重量的0.5％-3％之间调节）市面常见的有HL175S和801加工助剂，起到润滑和脱模作用，以减少物料和机械金属的摩擦和黏连，延长生产加工周期。
着色剂，可分为染料、无机颜料、有机颜料。染料和颜料可混合使用，也可单一使用，是根据制品颜色的要求，在物料中添加不同的着色剂的。颜料分为有机颜料和无机颜料两大类，有机颜料颜色鲜艳，添加量小，但容易褪色，适合在户内使用；无机颜料的添加量较大，但不容易褪色，在户外使用时较多。在白色制品中，要加入荧光增白剂和钛白粉两种颜料，加入量的大小，要看制品白度的要求来决定。钛白粉不但为一种很好的白色无机颜料，把它加入到制品原料中去，还可以显著提高制品的耐热、耐光、耐候性，使得制品的物理化学性能得到改善，增强制品的机械强度，延长使用寿命，所以其适用范围为所有木塑复合材料制品，但以户外制品和白色制品使用时更具优势，其添加量为PVC树脂粉用量的2％-15％为最佳。无机色粉和有机色粉可根据使用环境的不同，选用其中一种，也可以混合使用。添加量的大小，视颜料的纯度和制品颜色深浅的要求而定。
以上各种物料的使用，也可用具有同等性能的其它材料来代替，其配比也可适度调节，填充物过多可降低成本，但产品性能会下降，每种原料的比例变动，或原料的性能及纯度差异，都会影响到其它加工助剂的合理比例。例如，物料间的摩擦会产生热能，促进塑化，但摩擦过大时，产品的流动性会降低，这就需要添加润滑剂，以减少物料间和物料与机械间的摩擦；反之，润滑过度，就减少物料间的摩擦，进而影响塑化。总之，物料受质量、纯度等差异影响时，其中一项的比例改变超过了一个范围时，其它的物料比例也要随之调整，最终要达到一个理想的平衡状态，才能保证生产的正常。
本发明PVC木塑复合材料的制造方法，分为一步法和两步法两种加工工艺。
一步法的加工工艺，按照生产顺序，先后分为混料和挤出两个步骤：
（1）混和原料，混料可分为热混和冷混两个阶段。第一步—热混，把各种原料及色粉按比例放在高速混料机（一般采用机械型号为1000*500高低双速混料机，也可根据产能需要选用更大或更小型号）进行热混，充分混合12-25分钟，使得物料温度达到125-130度。第二步—冷混，热混后的物料输送到冷混机进行冷混，物料在冷混机内冷却水盘管的冷却下进行降温，待温度低于90度时，即完成混料工作。
（2）挤出型材，经混合好的原料进入双螺杆挤出机。挤出机的型号，根据产品型材规格的大小来确定，以45机、51机、65机、80机和92（指螺杆小头的直径）机为主。在挤出机内，原料在塑化后变成熔体状态。在螺杆的出料口，加装木塑复合材料型材的模具。熔体状态的物料在螺杆转动产生的高压下，从模具的入口端进入模具，流经模具后端的定型模后成型，并在流经模具出口后，继续在水槽内冷却水的作用下定型，定型后的型材在牵引机的作用下连续前行，使得生产出来的型材可以无限延长，并可根据使用长度的要求，用自动锯锯成成品。
一步法生产的木塑型材，物料的塑化过程是一次性的，对螺杆的剪切和塑化能力要求较高，塑化不好时，制品的机械性能会下降，且影响表面观感。其表面在没有经过再次加工处理的情况下，不具有纹理感，仿木效果不佳,但其制造费用较低，可应用在对木质纹理要求不高的场所。
两步法的加工工艺，按照生产顺序，可分为混料→造粒→挤出三个步骤：
（1）混和原料，混料可分为热混和冷混两个阶段。第一步—热混，把各种原料及色粉按比例放在高速混料机（一般采用机械型号为1000*500高低双速混料机，也可根据产能需要选用更大或更小型号）进行热混，充分混合12-25分钟，使得物料温度达到125-130度。第二步—冷混，热混后的物料输送到冷混机进行冷混，物料在冷混机内冷却水盘管的冷却下进行降温，待温度低于90度时，即完成混料工作。
（2）制造原料颗粒，混合好的原料进入双螺杆造粒机（采用木塑80锥形逆向双螺杆造粒机，也可根据产能要求选择其它型号）进行塑化制成颗粒。根据产成品对颜色的要求，在前段混料过程添加不同颜色的色粉，就会产出不同颜色的颗粒。
（3）挤出型材，把造好的原料颗粒加入单螺杆挤出机，单螺杆挤出机常用50（指螺杆直径）机、75机、90机、120机。颗粒可以是一种颜色的，但若要实现产成品的表面具有纹理感，就需要把不同颜色的几种颗粒搅拌均匀一起加入挤出机。在挤出机内，原料逐步塑化后变成熔体状态。在螺杆的出料口，加装木塑复合材料型材的模具。熔体状态的物料在螺杆转动产生的高压下，从模具的入口端进入模具，流经模具后端的定型模后成型，并在流经模具出口后，继续在水槽内冷却水的作用下定型，并在模具后端的冷却水作用下定型，定型后的型材在牵引机的作用下连续前行，使得生产出来的型材可以无限延长，并可根据使用长度的要求，用自动锯锯成成品。
两步法生产的木塑型材，物料聚合紧密，韧性更强，光泽度更好，无需经过再次加工处理，就会具有清晰的木质纹理感，仿木效果逼真。
PVC木塑复合材料是一种微发泡产品，其密度在0.7左右，和常用木材相当，其优越的装饰性能，赋予了其广阔的市场前景。
技术效果，PVC发泡木塑复合材料型材的使用，可大范围替代建筑装饰工程中使用的木材，让人们既能享用到木质装修带来的亲近自然的温馨空间，又不会对森林资源造成破坏；在某些场所使用，既能拟补钢材和塑料在应用中的不足，又能够满足其使用功能，且其产品具有如下优点：防水；防虫；阻燃；不锈蚀；易加工；安装简单；使用安全；可塑性强；节能环保；物美价廉；装饰及使用效果好；不含甲醛、苯等有毒物质。与已有的以HDPE塑料为主材，生产的不发泡的木塑复合材料比较，具有以下优点：1、产品表面无需喷漆，环保卫生；2、材料的内部结构通过发泡技术，实现了均匀的泡孔，大大减小了材料的密度，其密度在0.7:g/cm^3左右，有效的降低了成本；3、产品表面有较强的木质纹理感，有较强的仿木效果；4、产品的长度不受模具限制，可以任意长度；产品宽度虽然受模具限制，但在设计模具时，可以把产品设计成产品之间插口拼接的办法，来实现装修面的无限延展；5、形状复杂或中空的木塑型材产品，都可以根据需求轻松实现设计要求；6、PVC以其特有的阻燃、绝缘、耐磨损、耐腐蚀等优良的综合性能，使用范围更加宽广。
本发明PVC木塑复合材料具有化学稳定性强、强度高、耐酸碱腐蚀、耐水浸泡、阻燃及成本低的优点。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作详细说明，但本发明的保护范围不仅限于实施例。
实施例1：制备PVC木塑复合材料型材
原料：PVC树脂粉20份、木粉1份、碳酸钙粉5份、碳酸氢钠0.1份、偶氮化合物0.3份、发泡调节剂2份、复合稳定剂1.5份、润滑剂0.7份、大豆油0.5份、抗冲改性剂2.5份、加工助剂0.5份。
制造方法包括如下工艺步骤：
（1）混和原料，混料可分为热混和冷混两个阶段，第一步—热混，把各种原料及色粉按比例放在高速混料机进行热混，充分混合12-25分钟，使得物料温度达到125-130℃，第二步—冷混，热混后的物料输送到冷混机进行冷混，物料在冷混机内冷却水盘管的冷却下进行降温，待温度低于90℃时，即完成混料工作；
（2）挤出型材，经混合好的原料进入双螺杆挤出机，在挤出机内原料在塑化后变成熔体状态，在螺杆的出料口，加装木塑复合材料型材的模具，熔体状态的物料在螺杆转动产生的高压下，从模具的入口端进入模具，流经模具后端的定型模后成型，并在流经模具出口后，继续在水槽内冷却水的作用下定型，定型后的型材在牵引机的作用下连续前行，使得生产出来的型材可以无限延长，并可根据使用长度的要求，用自动锯锯成成品。
实施例2：制备PVC木塑复合材料型材
原料：PVC树脂粉70份、木粉55份、碳酸钙粉40份、碳酸氢钠0.5份、偶氮化合物0.6份、发泡调节剂10份、复合稳定剂6份、润滑剂2.1份、大豆油1.2份、抗冲改性剂5.5份、加工助剂3份。
制造方法包括如下工艺步骤：
（1）混和原料，混料可分为热混和冷混两个阶段，第一步—热混，把各种原料及色粉按比例放在高速混料机进行热混，充分混合12-25分钟，使得物料温度达到125-130℃，第二步—冷混，热混后的物料输送到冷混机进行冷混，物料在冷混机内冷却水盘管的冷却下进行降温，待温度低于90℃时，即完成混料工作；
（2）制造原料颗粒，混合好的原料进入双螺杆造粒机进行塑化制成颗粒，根据产成品对颜色的要求，在前段混料过程添加不同颜色的色粉，就会产出不同颜色的颗粒；
（3）挤出型材，把造好的原料颗粒加入单螺杆挤出机，颗粒可以是一种颜色的，但若要实现产成品的表面具有纹理感，就需要把不同颜色的几种颗粒搅拌均匀一起加入挤出机，在挤出机内原料逐步塑化后变成熔体状态，在螺杆的出料口，加装木塑复合材料型材的模具，熔体状态的物料在螺杆转动产生的高压下，从模具的入口端进入模具，流经模具后端的定型模后成型，并在流经模具出口后，继续在水槽内冷却水的作用下定型，并在模具后端的冷却水作用下定型，定型后的型材在牵引机的作用下连续前行，使得生产出来的型材可以无限延长，并可根据使用长度的要求，用自动锯锯成成品。
实施例3：制备PVC木塑复合材料型材
原料：PVC树脂粉52.9份、木粉18.2份、碳酸钙粉13.2份、碳酸氢钠0.3份、偶氮化合物0.46份、发泡调节剂6.2份、复合稳定剂4.5份、润滑剂1.7份、大豆油0.9份、抗冲改性剂3.5份、加工助剂1.5份。
制造方法，包括如下工艺步骤：
（1）混和原料，混料可分为热混和冷混两个阶段，第一步—热混，把各种原料及色粉按比例放在高速混料机进行热混，充分混合22分钟，使得物料温度达到128℃，第二步—冷混，热混后的物料输送到冷混机进行冷混，物料在冷混机内冷却水盘管的冷却下进行降温，待温度低于90℃时，即完成混料工作；
（2）制造原料颗粒，混合好的原料进入双螺杆造粒机进行塑化制成颗粒，根据产成品对颜色的要求，在前段混料过程添加不同颜色的色粉，就会产出不同颜色的颗粒；
（3）挤出型材，把造好的原料颗粒加入单螺杆挤出机，颗粒可以是一种颜色的，但若要实现产成品的表面具有纹理感，就需要把不同颜色的几种颗粒搅拌均匀一起加入挤出机，在挤出机内原料逐步塑化后变成熔体状态，在螺杆的出料口，加装木塑复合材料型材的模具，熔体状态的物料在螺杆转动产生的高压下，从模具的入口端进入模具，流经模具后端的定型模后成型，并在流经模具出口后，继续在水槽内冷却水的作用下定型，并在模具后端的冷却水作用下定型，定型后的型材在牵引机的作用下连续前行，使得生产出来的型材可以无限延长，并可根据使用长度的要求，用自动锯锯成成品。
对比性试验：经检测本发明实施例1、2、3制备的PVC木塑复合材料型材，具有尺寸变化率小、加热后状态稳定、吸水率小的优点，其中实施例3制备的PVC木塑复合材料型材质量最优。
Claims (2)
1.一种PVC木塑复合材料，其特征在于由如下重量份的原料制成: PVC树脂粉52.9份、木粉18.2份、碳酸钙粉13.2份、碳酸氢钠0.3份、偶氮化合物0.46份、发泡调节剂6.2份、复合稳定剂4.5份、润滑剂1.7份、大豆油0.9份、抗冲改性剂3.5份、加工助剂1.5份；
以上所述原料皆为市售产品，其中：
所述PVC树脂粉，即聚氯乙烯，平均聚合度在650-1250之间，K值在50-70之间，黏度应在1.3-1.8之间，黏数应在70-125之间；
所述木粉为竹粉或秸秆，粒度为40-110目，含水率不得高于2％；
所述碳酸钙粉，粒度为300-1300目；
所述发泡调节剂，为双甲酯类或苯乙烯类发泡调节剂；
所述复合稳定剂内含有抗氧剂成分，其中添加0.1％-2％的抗氧剂；
所述润滑剂，为以下三种润滑剂同时添加：硬脂酸或硬脂酸正丁酯为0.2-0.5份，硬脂酸钙为0.4-1份，聚乙烯蜡为0.1-0.6份；所述原料中含还有偶联剂，所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或铝酸酯偶联剂中的一种，添加量为树脂粉用量的0.1％-0.4％或填充料的0.2％-0.8％。
2.如权利要求1所述的PVC木塑复合材料的制造方法，其特征在于包括如下工艺步骤：
（1）混和原料，混料可分为热混和冷混两个阶段，第一步—热混，把各种原料及色粉按比例放在高速混料机进行热混，充分混合12-25分钟，使得物料温度达到125-130℃，第二步—冷混，热混后的物料输送到冷混机进行冷混，物料在冷混机内冷却水盘管的冷却下进行降温，待温度低于90℃时，即完成混料工作；
（2）制造原料颗粒，混合好的原料进入双螺杆造粒机进行塑化制成颗粒，根据产成品对颜色的要求，在前段混料过程添加不同颜色的色粉，就会产出不同颜色的颗粒；
（3）挤出型材，把造好的原料颗粒加入单螺杆挤出机，颗粒可以是一种颜色的，但若要实现产成品的表面具有纹理感，就需要把不同颜色的几种颗粒搅拌均匀一起加入挤出机，在挤出机内原料逐步塑化后变成熔体状态，在螺杆的出料口，加装木塑复合材料型材的模具，熔体状态的物料在螺杆转动产生的高压下，从模具的入口端进入模具，流经模具后端的定型模后成型，并在流经模具出口后，继续在水槽内冷却水的作用下定型，并在模具后端的冷却水作用下定型，定型后的型材在牵引机的作用下连续前行，使得生产出来的型材可以无限延长，并可根据使用长度的要求，用自动锯锯成成品。
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