CN105131630B

CN105131630B - 一种用于受力结构的生物质树脂复合材料及植物纤维改性方法

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Publication number: CN105131630B
Application number: CN201510577874.8A
Authority: CN
Inventors: 桂晓天; 张人勤; 吕常青; 何理; 桂先伦
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-09-11
Filing date: 2015-09-11
Publication date: 2018-03-06
Anticipated expiration: 2035-09-11
Also published as: CN105131630A

Abstract

一种用于受力结构的生物质树脂复合材料，其特征是有以下质量份的各组分：改性植物纤维40～60份、聚烯烃树脂20～30份、无机粉体10～25份、相容剂1～5份、润滑剂0.2～1份、抗氧剂0.1～0.5份、紫外线吸收剂0.1～1份。所述的改性植物纤维是以硅酸钠溶液、十二烷基苯磺酸钠和软脂酸改性的植物纤维。本复合材料可按木塑成型工艺加工型材，本型材的力学性能均超出GB/T20418‑2012标准规定的一倍以上，因此本复合材料不仅作为装饰材料，也可作为结构材料，加工轻型建筑物受力结构部件。这对拓展木塑材料的应用领域具有开拓性的首创意义。

Description

一种用于受力结构的生物质树脂复合材料及植物纤维改性方法

一、技术领域

本发明涉及一种生物质树脂复合材料，特别涉及可作为轻型建筑物受力构件的生物质树脂复合材料，具体地说是一种改性植物纤维增强的用于受力结构的生物质树脂复合材料及植物纤维的改性方法。

二、背景技术

生物质树脂复合材料即木塑复合材料，它是上世纪末引进的一种低碳环保型绿色建材，该材料兼具木材和塑料的属性，可钉、可刨、可锯，具有木材的加工性能，同时具有塑料不吸水可加工性能，该材料不含甲醛，又具有可重复回收利用功能，因此，在面对当前森林木材资源匮乏，环境污染压力巨大的严峻形势，这种生物质树脂复合材料一经面世，立即受到国家及市场的高度关注，近十几年来，几乎每年以100％速度发展，产能从2007年的不足10万吨发展到2014年的340万吨。

生物质树脂复合材料即木塑复合材料通常以热塑性聚烯烃树脂PE、PP、PVC中的一种为基础树脂，与生物质植物纤维粉以及相容剂、润滑剂等助剂共混，经造粒、挤出成型得到的环保型复合材料型材。其虽然是一种极具发展前景的新型绿色建材，但是，它也有着明显的不足之处，因生物质植物纤维是含有多羟基天然高分子极性材料，聚烯烃类树脂是人工合成非极性高分子材料，两种材料因极性差异，相容性很差，从而复合材料的力学性能较差，这种材料只能用于装饰性或平面受力等建筑材料，如护栏、吊顶、室外地板、挂墙板、隔板等,大大限制了这种新型绿色建材的应用范围。当前对木塑材料的改性大多集中在提高其耐侯性、阻燃性、防腐性等而添加大量的功能助剂，但却没有为提高其力学性能使之作为结构材料而改性。

三、发明内容

本发明针对现有生物质树脂复合材料力学性能较差的缺陷，旨在提供一种可用于轻型建(构)筑物受力结构的生物质树脂复合材料，也就是改性植物纤维增强的生物质树脂复合材料。所要解决的技术问题是提高复合材料的力学性能。

所述轻型建筑是指区别于传统砖混或钢混结构建筑而采用新型建筑材料组成的一类建筑体量较小、自重较轻的建(构)筑物，如移动建筑、集成建筑、景观建筑小品等。

本复合材料的技术方案也是以植物纤维和热塑性聚烯烃树脂为基础原料，与现有技术的区别是所述的植物纤维是以硅酸钠溶液、十二烷基苯磺酸钠和软脂酸改性的植物纤维，且各组分有以下质量份：

在上述组合物中还可加入0.1～5份无机颜料。如铁系氧化颜料等。

所述的聚烯烃树脂选自聚乙烯(PE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)或者聚氯乙烯(PVC)等。根据制品性能需要，可用新料，也可用回收再生料，或者两者混合使用。

所述的无机粉体选自轻质碳酸钙或滑石粉，细度800-1250目。

所述的相容剂选自马来酸酐共聚物，如乙烯-马来酸酐接枝共聚物(PE-g-MAH)、三元乙丙橡胶-马来酸酐接枝共聚物(EPDM-g-MAH)、乙烯-辛烯共聚物(POE)或830H。其中优选830H。830H为茂金属催化高密度聚乙烯通过光催化马来酸酐接枝材料，其接枝率为市售传统接枝材料的2倍。

所述的润滑剂选自聚乙烯蜡或EBS,其中优选EBS。EBS为乙撑双硬脂酸酰胺，是一种高熔点(141-146℃)内外润滑剂，可改善复合材料熔体的流动性，兼润滑、光亮和脱模剂功能。

所述的抗氧剂选自受阻酚类抗氧剂(1010,1076)、亚磷酸酯类抗氧剂(168/626)或硫代双酚类抗氧剂(DLTDP,DMTDP),其中优选抗氧剂1010。抗氧剂1010为四[甲基-β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯季戊四醇酯，是一种无污染使用效果良好的聚合物抗氧剂，用于阻止或减缓复合材料的氧化和降解。

所述的紫外线吸收剂选自UV531、UV9、UV326或UV1130，其中优选UV-531。UV-531能吸收240-340纳米的紫外光，具有无毒、相容性好、迁移性小、易于加工等特点。它对聚合物有最大的保护作用，并有助于减少色泽，同时延缓泛黄和阻滞物理性能损失。

所述的植物纤维可以是木本纤维，如林业加工废弃的边角料，也可以是草本纤维，如农作物桔杆、如水稻、小麦、棉花、甘蔗渣等。将植物纤维粉碎过60～100目筛得到粉体，或者经破碎后用搓揉机搓揉成丝条状，长2～10mm，长径比5:1～50:1。上述统称植物纤维。

所述的植物纤维改性方法是将植物纤维投入高速搅拌釜内，以植物纤维的质量计，先加入0.5～5％的硅酸钠溶液，在100～120℃下搅拌10～30分钟，然后加入0.1～2％十二烷基苯磺酸钠和0.5～3％软脂酸(正十六烷酸)，在同一温度下继续搅拌，30分钟后测定含水率，至含水率≤3％时冷却、降温、出料，即得改性植物纤维。

所述的硅酸钠溶液(水玻璃，俗称泡花碱)为模数不小于2、质量百分浓度10～20％的工业水玻璃。

本复合材料按木塑成型工艺加工型材，即混配、造粒和挤出成型，混配就是将配比的各组分投入高速搅拌釜内混合均匀，然后用平行双螺杆造粒机进行造粒，最后将粒料导入挤出机进料罐，在140-180℃温度下挤出成型，通过更换挤出机模具和变更造粒料配方，挤出不同使用功能的受力结构生物质树脂复合材料型材，如室外地板、墙板、受力结构梁、柱等。

硅酸钠溶液具有碱性，且渗透性强，可进入植物纤维毛细管，经干燥后使植物纤维毛细管封闭，大大降低了植物纤维的表面积和亲水极性，有利于改善与非极性聚烯烃树脂复合的相容性；十二烷基苯磺酸钠为双亲性表面活性物质，对极性和非极性高分子物质同时具有相容性；软脂酸起软化纤维素作用，同时包覆在植物纤维表面，更有利于植物纤维与非极性聚烯烃树脂的复合。

本生物质树脂复合材料较之传统木塑复合材料，其制品的力学性能和材料模量大幅度提升，检测结果见表2。因此本复合材料不仅作为装饰材料，也可作为结构材料用于加工轻型建筑物承重受力的结构件，如梁、柱等。这对拓展木塑材料的应用领域具有开拓性的首创意义。

四、具体实施方式

非限定实施例叙述如下：

(一).植物纤维的改性

将粉状或丝状植物纤维投高速搅拌釜内，以植物纤维的质量计，先加入1～3％的硅酸钠溶液，模数为3，浓度12～18％。在100～120℃下搅拌10～30分钟，然后加入0.5～2％粉状十二烷基苯磺酸钠和1～2％的固体软脂酸，继续搅拌，30分钟后测定含水率，至含水率≤3％时冷却、降温、出料包装待用。

(二).本复合材料的制备

为叙述方便，将改性植物纤维、聚烯烃树脂、无机粉体、抗氧剂、紫外线吸收性、无机颜料依次设定为A、B、C、D、E、F、G、H。

1.各实施例的组成见下表1：

表1

实施例	A	B	C	D	E	F	G	H
									1	40	30	25	2	1	0.3	0.5	1.2
2	45	25	23	3	0.6	0.4	1	2

3	55	22	16	3	1	0.5	0.5	2
									4	60	20	10	5	1	0.4	0.6	3
5	50	28	14	4.5	0.2	0.2	0.1	3

在例1中，B为PE，C为轻质碳酸钙，D为PE-g-MAH，E为聚乙烯蜡，F为抗氧剂1010，G为UV531，H为氧化铁黑。

在例2中，B为HDPE，C为滑石粉，D为EPDM-g-MAH，E为EBS，F为抗氧剂1076，G为UV9，H为氧化铁黄。

在例3中，B为PP，C为轻质碳酸钙，D为POE，E为聚乙烯蜡，F为抗氧剂168，G为UV326，H为氧化铁棕。

在例4中，B为PVC，C为滑石粉，D为830H，E为EBS，F为抗氧剂DLTDP，G为UV1130，H为氧化铁黄。

在例5中，B为HDPE，C为轻质碳酸钙，D为830H，E为EBS，F为抗氧剂1010，G为UV531，H为氧化铁黄。

将各例中配比量的各组分投入高速搅拌釜内混合均匀，然后用平行双螺杆造粒机进行造粒，便得到本复合材料(粒料)。

2.对比实施例

按表1的配比量，用未改性的植物纤维替换改性植物纤维，其他组分和用量相同，通过混配和造粒得到传统木塑材料(粒料)。

3.力学性能比较

按GB/T20418-2012标准规定，加工试样，然后检测力学性能。结果见下表2。

表2

结果表明，传统木塑材料的力学性能和材料模量符合GB/T20418-2012标准规定。本复合材料较之传统木塑材料则有大幅度提高。因此本复合材料不仅作为装饰材料，也可以作为结构材料用于轻型建筑物承重受力的结构件，如梁、柱、墙等。

Claims

1.一种用于受力结构的生物质树脂复合材料，以植物纤维和聚烯烃树脂为原料，其特特征在于：所述的植物纤维是以硅酸钠溶液、十二烷基苯磺酸钠和软脂酸改性的植物纤维，且各组分有以下质量份：

所述的聚烯烃树脂选自PE、HDPE、PP或者PVC；

所述的无机粉体选自轻质碳酸钙或滑石粉；

所述的相容剂选自PE-g-MAH、EPDM-g-MAH、POE或830H；

所述的润滑剂选自聚乙烯蜡或EBS；

所述的抗氧剂选自抗氧剂1010,1076、抗氧剂168/626或抗氧剂DLTDP、DMTDP；

所述的紫外线吸收剂选自UV531、UV9、UV326或UV1130。

2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：组合物中含有0.1～5份无机颜料。

3.一种如权利要求1所述的复合材料中植物纤维的改性方法，其特征在于：将粉状或丝状植物纤维投入高速搅拌釜中，以植物纤维质量计，先加入0.5～5％硅酸钠溶液于100～120℃搅拌10～30分钟，然后加入0.1～2％十二烷基苯磺酸钠和0.5～3％软脂酸在同一温度下继续搅拌，30分钟后测定含水率，至含水率≤3％时冷却降温、出料；所述的硅酸钠溶液模数不小于2、质量百分浓度10～20％。

4.根据权利要求3所述的改性方法，其特征在于：以植物纤维质量计，硅酸钠溶液、十二烷基苯磺酸钠和软酯酸的加入量依次为1～3％、0.5～2％和1～2％，硅酸钠溶液模数为3，质量百分浓度12～18％。