CN104356511A - 木塑制品用高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒及制备和模具 - Google Patents

木塑制品用高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒及制备和模具 Download PDF

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Abstract

本发明属于长玻纤增强母粒制备技术领域，特别涉及一种木塑制品用高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒及其制备方法和用于该制备方法的浸渍模具。本发明的母粒包括以下质量百分数的组分：热塑性塑料35～80％；纤维束10～55％；表面处理剂0.3～3％；相容剂5.5～9.2％；抗氧剂0.5～1.5％。本发明的母粒通过选用特定的热塑性塑料及相容剂等材料，利用特定的浸渍模具，使长纤维束在母粒中充分浸渍，降低了孔隙率，提供浸渍效果，具有更强的刚性及抗蠕变性能。将其添加到木塑型材制品中，提高了弯曲模量和强度，抗蠕变能力，起到减少型材使用中的变形的效果，使得到的WPC型材的应用性能和长期使用稳定性得到改善。

Description

木塑制品用高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒及制备和模具
技术领域
本发明属于长玻纤增强母粒制备技术领域，特别涉及一种木塑制品用高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒及其制备方法和用于该制备方法的浸渍模具。
背景技术
木塑复合材料(Wood Plastics Composites，简称WPC)是由木粉或植物纤维和热塑性聚合物如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯按照一定的比例混合，通过挤出、注塑和压制加工成型而形成的具有新的结构和优异综合性能的新型制品制件材料，它具有木材、塑料双重特性，目标是取代实木、复合木材、塑料型材、铝合金型材等传统材料。近十几年来，木塑复合材料的研究和发展受到了世界上科技界和工业界极大的关注，尤其是在北美地区发展极其迅速，其原因是：乱砍滥伐造成森林资源缺乏，木材的供应量减少；大量废旧塑料对环境造成的白色污染也越来越严重，如何将低质废弃的木材和塑料重新地利用，成为当今国内外环境保护重要的课题之一。木塑复合材料正是解决回收利用低质废弃木材和塑料的一条行之有效的途径。目前在国内已经形成成熟、广泛并具有相当规模的行业能力。由于这种环保的材料具有寿命长、比塑料硬度高、易着色、易成型加工、有类似木质外观等优点而广泛地应用于户外园林、家具、建筑、工业、车辆船舶、包装运输等领域。
木塑复合材料具有(1)耐酸碱、耐化学晶、耐盐水性好；(2)相对低温有优势；耐紫外光；(3)防水、耐潮湿，不腐烂、不开裂或翘曲；(4)不易被细菌繁殖白蚁、蠹虫等害虫的侵害；(5)外观性能好无疤痕、色差，保温性能好等许多优点，具有现时代环保、节能、废旧资源循环、再生利用的意义，一定程度上缓解了森林资源的生态危机，因而获得广泛政策支持和应用。木塑复合材料的应用范围非常广泛，主要包括建筑方面、家具方面、化工、机电方面、车辆船舶方面、包装运输方面等，然而，涵盖了更广泛的木粉资源废旧木材、砂光粉、稻壳、稻秆等，聚合物及其相关复合材料对使用环境的敏感性使WPC的安全性和耐久性受到质疑，聚稀烃自身的力学性能缺陷(例如抗蠕变性差)严重妨碍了WPC的拓展应用。蠕变受外部温度和湿度影响大，地板在受热或摆放浴盆等重物的作用下，更容易出现下沉现象，即蠕变。当需要反复承受一定外力时，如门、窗、栏杆等，不得不在WPC内部使用金属内衬以增加强度，这样又产生成木、重量、结构设计复杂性、加工等问题。更为严重的是，WPC材料蠕变达到一定程度会发生突然的脆性断裂，造成严重安全隐患。WPC如要扩大用途首先必须满足增强性、适用性、耐用性和可靠性等方面的要求，其中包括解决强度和刚度较低导致蠕变性能差的问题。
长纤维增强热塑性树脂材料是指一种增强纤维单向排布且取向与树脂粒料轴向平行，长度与树脂粒料等长的增强热塑性树脂。其生产是将连续纤维用熔融的热塑性树脂充分浸渍后，通过定型模头，拉出棒状或带状，切成不同长度(一般为10～25mm)的粒料。与传统的短纤维增强材料的生产方法不同，用这种方法生产的长纤维增强材料，由于纤维没有通过挤出机的混炼过程，纤维不会因为螺杆的剪切作用而被切短，因此纤维的长度与所切粒子的长度一样，可达到能够注射成型时的最大长度，通过采用合适的注射成型工艺，制品中的纤维长度仍然可以保持3～5mm的长度(而普通短纤维增强塑料注塑制品中的纤维长度一般只有0.2～0.7mm)。所以，长纤维增强塑料比短纤维增强材料具有更高的冲击强度，更好的刚性，弹性模量对温度的依赖性更小；同时成型收缩率更小、制品的变形较小；而且，用这种方法可以制造出纤维含量非常高(60％～80％)的增强材料。
本发明研制出一种高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒，这种母粒添加到木塑型材制品中，通过加工过程的熔融共混，母粒中纤维得以分散、偶联和取向，纤维的增强作用提高了木塑型材制品的弯曲模量和强度，提升了材料的抗蠕变能力，起到减少型材使用中的变形的效果，使得WPC型材的应用性能和长期使用稳定性得到改善。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种木塑制品用高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒。
本发明另一目的在于提供一种上述木塑制品用高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒的制备方法
本发明再一目的在于提供一种用于上述制备方法的浸渍模具。
本发明再一目的在于提供上述高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒在聚烯烃木塑复合材料制品、特殊箱壳体材料、新型聚合物建材、电动工具、汽车用结构受力部件领域等中的应用。
本发明的目的通过下述方案实现：
一种木塑制品用高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒，包括以下质量百分数的组分：
所述的热塑性塑料包括聚烯烃树脂、聚酰胺树脂、热塑性聚酯树脂；所述的聚烯烃树脂包括均聚聚丙烯、共聚聚丙烯和聚乙烯；所述的聚酰胺树脂包括尼龙6(PA6)、尼龙66、尼龙612、尼龙610、尼龙1010、尼龙46；所述的热塑性聚酯包括PET、TPEE、PBT。
优选地，所述的热塑性塑料为PBT、PA6、PP、EVA、HDPE、LDPE和LLDPE中的至少一种。
所述的纤维束包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、玄武岩纤维、天然纤维、不锈钢纤维、芳香族聚酰胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维；优选为无碱无捻玻璃纤维。优选地，选用上述纤维束的至少两种进行混搭使用。
所述的表面处理剂指硅烷偶联剂，如KH-550等。
所述的相容剂优选为聚丙烯接枝马来酸酐，聚烯烃、EVA、SEBS、EPDM等弹性体接枝马来酸酐和丙烯酸酯类中的至少一种；所述的抗氧剂优选为抗氧剂1010、抗氧剂1076和抗氧剂168中的至少一种。
上述木塑制品用高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒还可以根据需要添加其他本领域常用加工助剂，如阻燃剂、耐候添加剂、色粉等。
在不影响本发明的木塑制品用高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒效果的前提下，可进一步包含以下添加物中的至少一种：硬化促进剂、交联剂、无机填充物等。
本发明还提供了一种上述木塑制品用高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒的制备方法，包括以下步骤：将35～80wt％热塑性塑料、0.3～3wt％表面处理剂、5.5～9.2wt％相容剂和0.5～1.5wt％抗氧剂混合加入双螺杆挤出机加热熔融后导入浸渍模具中，10～55wt％纤维束由浸渍模具的纤维束入口加入，与上述组分熔体融合、包覆、抽条，冷却，切粒，得到木塑制品用高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒。
所述双螺杆挤出机的工艺温度范围为190～250℃，转速为120～300转/分。
本发明还提供了一种用于上述制备方法的浸渍模具，包括：熔体输入流道1；纤维束入口通道2；纤维预热套筒7；熔体浸渍腔3；点阵式张力辊4；浸渍料出口口模5；熔体浸渍腔腔体6。
所述纤维束入口通道2、熔体输入流道1、浸渍料出口口模5分别与熔体浸渍腔3相连通；熔体输入流道1为熔体浸渍腔的进料端口；纤维束入口通道2位于熔体浸渍腔壳体6进料端的上模板；浸渍料出口口模5位于熔体浸渍腔壳体6出料端；熔体浸渍腔3内设有3～8组张力辊。
熔体通过所述熔体流入通道1均匀稳定的进入浸渍腔3中，同时保持一定的压力，该熔体流入通道1的截面形状优选为椭圆形，椭圆形的长轴尺寸为40～100mm，短轴尺寸为20～50mm。
所述的纤维束入口通道装有一组长纤维束预热套筒7，每1或2束长纤维束通过一个加热套筒进入热塑性树脂熔体浸渍腔3；套筒的外侧安装有电加热棒。纤维束预热套筒7的横截面为椭圆形，长轴尺寸为12～25mm，短轴尺寸为6～8mm。独立的、椭圆形的加热套筒使长纤维束在张力作用下展开后，各个部位被充分均匀地预热。纤维束入口通道2与熔体浸渍腔3相连部分为喇叭形，可减少由于熔体浸渍腔3中熔体压力过大而导致的溢料情况的出现。
所述的熔体浸渍腔3的横截面优选为椭圆形，其横截面的长轴尺寸为100～600mm，短轴尺寸为50～300mm，其优选的尺寸为长轴：300～500mm，短轴：100～250mm。椭圆的型腔有利于腔体内部熔体参与流动循环，避免方形截面型腔中因为角落处的熔料停留时间过长而导致产品发黄的现象出现，改善产品的外观与性能。
所述的可自由旋转的点阵式张力辊4的圆辊圆周表面由很多个相同圆弧成点阵式凸起间隔排布组成的，相邻圆弧凸起间具有一定间隔从而形成了弧形凹槽。长纤维束通过该点阵式张力辊时，在不同位置被分散和集束；同时，当张力辊转动时，未与长纤维束接触部分的张力辊表面的圆弧凸起在转动时可增加熔体的扰动，进一步增加了熔体对长纤维束的浸渍。通过这样的设计保证了纤维在通过该组张力辊时多次不断地被分散浸渍和集束压实，从而使长纤维束得到热塑性树脂熔体完整而均匀的浸渍。
所述的熔体输入流道1、浸渍料出口5与熔体浸渍腔3相连部分为喇叭形，模具的浸渍腔内壁均为流线型结构，无棱角设计，避免了熔料滞留而导致产品老化发黄的现象出现，改善产品的外观与性能。
本发明制备得到的木塑制品用高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒具有优异的性能，其拉伸强度≥100MPa，弯曲模量≥6000MPa，弯曲强度≥150MPa，抗冲击强度≥18KJ/m2，热变形温度≥155℃，可广泛应用于聚烯烃木塑复合材料制品、特殊箱壳体材料、新型聚合物建材、电动工具、汽车用结构受力部件领域等中。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
本发明的木塑制品用高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒通过选用特定的热塑性塑料及相容剂等材料，利用特定的浸渍模具，使长纤维束在母粒中充分浸渍，降低了孔隙率，提供浸渍效果，制备得到的母粒具有更强的刚性及抗蠕变性能。将本发明的母粒添加到木塑型材制品中，通过加工过程的熔融共混，母粒中纤维得以分散、偶联和取向，纤维的增强作用提高了木塑型材制品的弯曲模量和强度，提升了材料的抗蠕变能力，起到减少型材使用中的变形的效果，使得到的WPC型材的应用性能和长期使用稳定性得到改善。本发明的木塑制品专用高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒的拉伸强度≥100MPa，弯曲模量≥6000MPa，弯曲强度≥150MPa，抗冲击强度≥18KJ/m2，热变形温度≥155℃。
附图说明
图1为本发明浸渍模具的垂直截面示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：高刚性、抗蠕变木塑制品用长纤维增强母粒的制备
如图1所示，一种浸渍模具，包括熔体输入流道1；纤维束入口通道2；纤维束预热套筒7；熔体浸渍腔3；点阵式张力辊4；浸渍料出口口模5；熔体浸渍腔腔体6。
a、将30Kg玻璃纤维(362，巨石纤维厂)经纤维束预热套筒7预热后连续引入纤维浸渍模具的模腔内，纤维束由纤维束入口通道2进入熔体浸渍腔3；
b、将65Kg聚丙烯(V30G，海南石化)、0.5Kg的KH-550、5Kg聚丙烯接枝马来酸酐、0.2Kg抗氧剂1010、0.1Kg抗氧剂168在混料机内预混后，加入挤出机混合熔融成熔体，熔体经熔体输入流道1进入熔体浸渍腔3和经纤维束入口通道2的纤维束在熔体浸渍腔3中互溶、浸渍并被包覆，纤维束在模腔内的齿轮熔体泵从动辊筒、点阵式张力辊4之间呈波浪形上下穿插并经浸渍料出口口模5引出；
c、从浸渍模具出口引出的被熔体复合包覆的纤维束经水冷装置和牵引切粒机切粒后，干燥包装，得到木塑制品用高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒。
实施例2：高刚性、抗蠕变木塑制品用长纤维增强母粒的制备
如图1所示，一种浸渍模具，包括熔体输入流道1；纤维束入口通道2；纤维束预热套筒7；熔体浸渍腔3；点阵式张力辊4；浸渍料出口口模5；熔体浸渍腔腔体6。
a、将30Kg玻璃纤维(362，巨石纤维厂)经纤维束预热套筒7预热后连续引入纤维浸渍模具的模腔内，纤维束由纤维束入口通道2进入熔体浸渍腔3；
b、将65Kg尼龙6(YH800，岳阳石化)、0.5Kg的KH-550、5Kg的POE-g-MAH、0.2Kg抗氧剂1010、0.1Kg抗氧剂168在混料机内预混后，加入挤出机混合熔融成熔体，熔体经熔体输入流道1进入熔体浸渍腔3和经纤维束入口通道2的纤维束在熔体浸渍腔3中互溶、浸渍并被包覆，纤维束在模腔内的齿轮熔体泵从动辊筒、点阵式张力辊4之间呈波浪形上下穿插并经浸渍料出口口模5引出；
c、从浸渍模具出口引出的被熔体复合包覆的纤维束经水冷装置和牵引切粒机切粒后，干燥包装，得到木塑制品用高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒。
实施例3：高刚性、抗蠕变木塑制品用长纤维增强母粒的制备
如图1所示，一种浸渍模具，包括熔体输入流道1；纤维束入口通道2；纤维束预热套筒7；熔体浸渍腔3；点阵式张力辊4；浸渍料出口口模5；熔体浸渍腔腔体6。
a、将30Kg玻璃纤维(362，巨石纤维厂)经纤维束预热套筒7预热后连续引入纤维浸渍模具的模腔内，纤维束由纤维束入口通道2进入熔体浸渍腔3；
b、将65Kg的PBT(1100，台湾长春)、0.5Kg的KH-550、5Kg的丙烯酸酐接枝乙烯类弹性体、0.2Kg抗氧剂1076、0.1Kg抗氧剂168在混料机内预混后，加入挤出机混合熔融成熔体，熔体经熔体输入流道1进入熔体浸渍腔3和经纤维束入口通道2的纤维束在熔体浸渍腔3中互溶、浸渍并被包覆，纤维束在模腔内的齿轮熔体泵从动辊筒、点阵式张力辊4之间呈波浪形上下穿插并经浸渍料出口口模5引出；
c、从浸渍模具出口引出的被熔体复合包覆的纤维束经水冷装置和牵引切粒机切粒后，干燥包装，得到木塑制品用高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒。
实施例4：木塑制品用高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒的性能测试
对实施例1～3制备得到的木塑制品用高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒的性能进行测试，结果见表1。
表1长纤维增强母粒的性能指标
实施例1 实施例2 实施例3
拉伸强度/MPa 107 175 156
弯曲强度/MPa 155 210 245
弯曲模量/MPa 6800 9150 9850
缺口冲击KJ/m2 18 23 22
热变形温度℃ 158 215 218
由表1可见，本发明制备得到的木塑制品用高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒具有优异的综合性能，拉伸强度≥100MPa，弯曲模量≥6000MPa，弯曲强度≥150MPa，抗冲击强度≥18KJ/m2，热变形温度≥155℃，其弯曲模量、弯曲强度、拉伸强度等性能相对于现有材料得到明显的提高，而作为应用于木塑材料中的母粒，刚性和弯曲模量为主要提升性能，本发明的母粒应用于木塑制品中可提高型材的强度、抗蠕变能力，扩大木塑材料的应用。
将本发明实施例1制备得到的母粒添加到WPC制品中，测试其性能，测试标准ASTM D6109-05Method A，测试速度11.8mm/min，结果见表2：
表2木塑板添加本发明母粒前后的性能指标
由表2可见，添加了本发明的高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒后，木塑板的弯曲强度、弯曲模量均得到了显著的提升。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种木塑制品用高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒，其特征在于包括以下质量百分数的组分：
2.根据权利要求1所述的木塑制品用高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒，其特征在于：所述的热塑性塑料包括聚烯烃树脂、聚酰胺树脂、热塑性聚酯树脂；所述的纤维束包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、玄武岩纤维、天然纤维、不锈钢纤维、芳香族聚酰胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维。
3.根据权利要求1所述的木塑制品用高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒，其特征在于：所述的热塑性塑料为PBT、PA6、PP、EVA、HDPE、LDPE和LLDPE中的至少一种；所述的纤维束为无碱无捻玻璃纤维；所述的表面处理剂指硅烷偶联剂；所述的相容剂为聚丙烯接枝马来酸酐，聚烯烃、EVA、SEBS或EPDM弹性体接枝马来酸酐和丙烯酸酯类中的至少一种；所述的抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1076和抗氧剂168中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的木塑制品用高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒，其特征在于：所述的纤维束指玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、玄武岩纤维、天然纤维、不锈钢纤维、芳香族聚酰胺纤维和超高分子量聚乙烯纤维中的至少两种。
5.一种根据权利要求1～4任一项所述的木塑制品用高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒的制备方法，其特征在于包括以下步骤：将35～80wt％热塑性塑料、0.3～3wt％表面处理剂、5.5～9.2wt％相容剂和0.5～1.5wt％抗氧剂混合加入双螺杆挤出机加热熔融后导入浸渍模具中，10～55wt％纤维束由浸渍模具的纤维束入口加入，与上述组分熔体融合、包覆、抽条，冷却，切粒，得到木塑制品用高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒。
6.根据权利要求5所述的木塑制品用高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒的制备方法，其特征在于：所述双螺杆挤出机的工艺温度范围为190～250℃，转速为120～300转/分。
7.一种用于权利要求5～6任一项所述的木塑制品用高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒的制备方法的浸渍模具，其特征在于：包括熔体输入流道、纤维束入口通道、纤维预热套筒、熔体浸渍腔、点阵式张力辊、浸渍料出口口模、熔体浸渍腔腔体；所述纤维束入口通道、熔体输入流道、浸渍料出口口模分别与熔体浸渍腔相连通；熔体输入流道为熔体浸渍腔的进料端口；纤维束入口通道位于熔体浸渍腔壳体进料端的上模板；浸渍料出口口模位于熔体浸渍腔壳体出料端；熔体浸渍腔内设有3～8组张力辊。
8.根据权利要求7所述的浸渍模具，其特征在于：所述熔体流入通道为椭圆形，椭圆形的长轴尺寸为40～100mm，短轴尺寸为20～50mm；所述纤维束预热套筒的横截面为椭圆形，长轴尺寸为12～25mm，短轴尺寸为6～8mm；所述的熔体浸渍腔的横截面为椭圆形，其横截面的长轴尺寸为100～600mm，短轴尺寸为50～300mm。
9.根据权利要求7述的浸渍模具，其特征在于：所述的点阵式张力辊的圆辊圆周表面由很多个相同圆弧成点阵式凸起间隔排布组成的，相邻圆弧凸起间具有一定间隔从而形成了弧形凹槽；所述的熔体输入流道、浸渍料出口与熔体浸渍腔相连部分为喇叭形。
10.根据权利要求1～4任一项所述的木塑制品用高刚性、抗蠕变长纤维增强母粒在聚烯烃木塑复合材料制品、特殊箱壳体材料、新型聚合物建材、电动工具、汽车用结构受力部件领域中的应用。
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