CN105504504A - 基于麻纤维板材废料回收再利用的汽车内饰用短纤维增强复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于麻纤维板材废料回收再利用的汽车内饰用短纤维增强复合材料，包括以下重量份的原料：麻纤维板材粉碎料20-60份，热塑性树脂100份，抗氧剂2-5份，光稳剂1-3份，润滑剂2-5份，增韧剂0-10份。本发明的积极效果是，本发明与现有技术相比，对麻纤维板材废料进行再利用，变废为宝，减少成本；将麻纤维板粉碎造粒作为短纤维增强复合材料的加工原料，不仅解决了麻纤维下料困难的问题，而且减少麻纤维再加工工艺；通过注塑工艺可以用于汽车内饰件，可进一步实现汽车工业中的较复杂的零件注塑制造，也改变了只有麻纤维板材在汽车内饰件领域中市场化的应用现状。

Description

基于麻纤维板材废料回收再利用的汽车内饰用短纤维增强复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于汽车内饰用麻纤维增强复合材料制作领域，特别涉及一种基于双螺杆挤出工艺的短纤维增强热塑性复合材料加工方法，其中也包括了麻纤维板材废料回收再利用。
背景技术
当前汽车发展的主要趋势是绿色环保，主要体现在可回收和轻量化。欧盟于2002年规定，2015年起汽车总重量中至少有95％的材料可循环利用；我国于2006年也提出了2017年起所有国产及进口汽车可回收利用率达到95％左右的技术政策，其中材料的可再利用率不低于85％。
从20世纪90年代，麻纤维增强复合材料开始已经成为全球的研究与开发热点。麻纤维板材通常指由麻纤维和热塑性塑料纤维进行混合、梳理以及铺网加固成纤维毡，最终将其热压成平板。这种材料不仅减少对石油资源的依赖性，缓解二氧化碳大量释放产生的温室效应，还具备密度低、模量高、易成型和隔音隔热的优势，被广泛应用于欧洲、日本和美国汽车上，具体产品包括内衬件、标志板、座椅后背、货架以及音响板材。尤其是德国汽车制造商麻纤维板材的用量也在不断攀升，BMW和AUDI公司平均在每辆车上使用7-10kg这种材料。而国内麻纤维板材的研究起步较晚，但发展迅速，特别是近年来取得了很大的进展，不断实现产业化。
麻短纤维增强复合材料由于适应于制备形状复杂的小零部件而成为研究热点之一，但是受到很多技术的限制。其中较为关注的是麻纤维下料困难。下料时，麻纤维杂乱无章，部分容易纠缠一起，不像玻璃纤维或碳纤维是通过上浆工艺来制备呈扁平状且表面光滑的纤维束，而且在双螺杆挤出机侧喂料口处容易形成“架桥”，下料不通畅，容易堵塞。面对这个问题，国外供应商如Greencore公司就成功开发出了麻纤维母粒，也就是对麻纤维进一步除杂处理，压缩成椭圆形母粒，同时制备成了基于螺杆挤出和注塑成型工艺的相关增强复合材料。目前，国内这方面的研究刚刚起步，很多高校和研究院大部分采用混炼机将麻纤维和聚合物进行混合，再冷却造粒，最后通过螺杆挤出和注塑工艺来制备零部件。
在研发不同类型产品的同时，极少研究关注麻纤维复合材料的回收再利用问题。A.Bourmaud和C.Baley开展了关于黄麻和剑麻纤维增强聚丙烯复合材料的回收性能研究，结果表明，经过7次机械粉碎和螺杆挤出之后，材料力学性能和纤维长度大幅度降低，黄麻纤维复合材料的拉伸模量、屈服强度和拉伸断裂强度分别增长了-0.66％、1.81％和22.3％，而剑麻纤维复合材料的分别增长了-10.1％、-17.2％和8.9％。由此可见，经过一定次数的回收再利用之后，麻纤维复合材料力学性能虽然有所降低，但是在非承载结构的应用上具有一定的适应性。
现有的麻纤维复合材料在汽车内饰件领域里的应用可以概述为两大方面：1.麻纤维板材凭借自身的性能优势以及汽车行业对内饰件的“绿色”要求和轻量化发展趋势，其用量会不断增长。2.麻短纤维增强复合材料虽然适用于形状复杂的较小部件制备，但是由于麻纤维下料困难导致无法在双螺杆挤出生产线上顺利地工业化实现，而需要对麻纤维进行造粒加工。3.在开发和完善产品的同时，极少研究关注麻纤维增强复合材料的回收和再利用，尤其是产量较大的麻纤维板材废料。
发明内容
本发明的目的在于针对现有产品研发状况包括技术缺陷提出了一种基于麻纤维板材废料回收再利用的汽车内饰用短纤维增强复合材料，不仅可以充分利用麻纤维板材废料，达到减少成本、环保节能的目的，而且解决麻短纤维增强复合材料下料难的问题，便于实现双螺杆挤出工艺。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于麻纤维板材废料回收再利用的汽车内饰用短纤维增强复合材料，包括以下重量份的原料：
所述麻纤维板材粉碎料中的麻纤维为黄麻纤维、洋麻纤维、亚麻纤维和剑麻纤维的至少一种，其纤维质量百分比约为50％。
所述的麻纤维在短纤维增强复合材料中的纤维质量百分比为10-30％。所述的热塑性树脂为聚丙烯和聚乙烯中的至少一种。
所述的热塑性树脂熔融指数为10–25g/10min。
所述的抗氧剂由任意比混合的主抗氧剂和辅抗氧剂组成，主抗氧剂为四季戊四醇酯；辅抗氧剂选自三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯和硫代二丙酸二硬酯中的至少一种；
所述的润滑剂由内润滑和外润滑剂组成，内润滑剂选自硬酯酸钠、芥酸酰胺中的至少一种；外润滑剂选自液体石蜡、聚乙烯蜡中的至少一种。
所述的光稳剂选自水杨酸对辛基苯基酯、3,5-二叔丁基-4-羟基苯甲酸-2,4-二叔丁基苯酯中的至少一种。
所述的增韧剂选自马来酸酐接枝聚丙烯、聚烯烃弹性体、三元乙丙橡胶和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中的至少一种。
上述的基于麻纤维板材废料回收再利用的汽车内饰用短纤维增强复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)称量各原料，将麻纤维板材粉碎料造粒；
(2)将麻纤维板粉碎料和热塑性树脂进行烘干，温度为80℃，时间为12h；
(3)将除麻纤维板材粉碎料和热塑性树脂以外的其他原料干燥，然后加入双螺杆挤出机中，在螺杆的高速剪切，混炼和输送下，经过熔融挤出和造粒得到纤维增强母粒；将步骤(2)所得麻纤维板废料和热塑性树脂通过双螺杆挤出机侧进料进行加入；所述双螺杆挤出机从进料口到模头各区的温度为200～220℃；所述双螺杆挤出机的螺杆转速400～450rpm。
本发明的积极效果是，本发明与现有技术相比，对麻纤维板材废料进行再利用，变废为宝，减少成本；将麻纤维板粉碎造粒作为短纤维增强复合材料的加工原料，不仅解决了麻纤维下料困难的问题，而且减少麻纤维再加工工艺；通过注塑工艺可以用于汽车内饰件，可进一步实现汽车工业中的较复杂的零件注塑制造，也改变了只有麻纤维板材在汽车内饰件领域中市场化的应用现状。
具体实施方式
本发明的目的是一种基于麻纤维板材废料回收再利用的汽车内饰用短纤维增强复合材料制备方法。下面是实施例，通过它们可以进一步的理解本发明技术方案。但本发明并不局限如此，凡是本发明的等同或等效变换，均在本发明的保护范围内。
实施例1
纤维重量比为50％的黄麻纤维板材废料进行粉碎，并聚丙烯母粒一起烘干，干燥温度为80℃，干燥时间为12h。接着，按比例将熔融指数为12.5g/10min的聚丙烯60重量份、抗氧剂四季戊四醇酯1.2重量份、光稳定剂硬酯酸钠0.9重量份、润滑剂水杨酸对辛基苯基酯1.8重量份、增韧剂马来酸酐接枝聚丙烯3重量份在长径比为45:1的双螺杆挤出机中熔融混合分散，黄麻纤维和聚丙烯混合母粒40重量份从侧喂料加入，挤出造粒，其挤出工艺为：一区170-180℃，,二区180-190℃，三区190-200℃，四区190-200℃，螺杆转速400-450r/min，喂料频率10-25Hz,真空度-0.04-0.07MPa。
实施例2
纤维重量比为50％的洋麻纤维板材废料进行粉碎，并聚丙烯母粒一起烘干，干燥温度为80℃，干燥时间为12h。接着，按比例将熔融指数为12.5g/10min的聚丙烯60重量份、抗氧剂四季戊四醇酯1.2重量份、光稳定剂硬酯酸钠0.9重量份、润滑剂水杨酸对辛基苯基酯1.8重量份、增韧剂马来酸酐接枝聚丙烯3重量份在长径比为45:1的双螺杆挤出机中熔融混合分散，洋麻纤维和聚丙烯混合母粒40重量份从侧喂料加入，挤出造粒，其挤出工艺为：一区170-180℃，,二区180-190℃，三区190-200℃，四区190-200℃，螺杆转速400-450r/min，喂料频率10-25Hz,真空度-0.04-0.07MPa。
实施例3
纤维重量比为50％的亚麻纤维板材废料进行粉碎，并聚丙烯母粒一起烘干，干燥温度为80℃，干燥时间为12h。接着，按比例将熔融指数为12.5g/10min的聚丙烯60重量份、抗氧剂四季戊四醇酯1.2重量份、光稳定剂硬酯酸钠0.9重量份、润滑剂水杨酸对辛基苯基酯1.8重量份、增韧剂马来酸酐接枝聚丙烯3重量份在长径比为45:1的双螺杆挤出机中熔融混合分散，亚麻纤维和聚丙烯混合母粒40重量份从侧喂料加入，挤出造粒，其挤出工艺为：一区170-180℃,二区180-190℃，三区190-200℃，四区190-200℃，螺杆转速400-450r/min，喂料频率10-25Hz,真空度-0.04-0.07MPa。
对比例1
按比例将熔融指数为12.5g/10min的聚丙烯100重量份、抗氧剂四季戊四醇酯1.2重量份、光稳定剂硬酯酸钠0.9重量份、润滑剂水杨酸对辛基苯基酯1.8重量份、增韧剂聚烯烃弹性体3重量份在长径比为45:1的双螺杆挤出机中熔融混合分散，洋麻纤维和聚丙烯混合母粒40重量份从侧喂料加入，挤出造粒，其挤出工艺为：一区170-180℃，,二区180-190℃，三区190-200℃，四区190-200℃，螺杆转速400-450r/min，喂料频率10-25Hz,真空度-0.04-0.07MPa。
表1为实施例1-3和对比例1的测试数据表
实施例1 实施例2 实施例3 对比例1
拉伸强度(MPa) 34.5±0.5 33.7±0.3 36.2±0.6 35.2±0.2
弯曲模量(MPa) 2298±45.98 2578±36.67 2319±36.67 1475±99.95
冲击强度(J/m) 2.38±0.69 2.18±0.39 2.21±0.19 3.1±0.09
注:拉伸强度依照ASTMD638、弯曲模量依照ASTMD790、缺口悬臂梁冲击强度依照ASTMD256进行检测。
将实施例和对比例力学性能进行对比，经过黄麻、洋麻和亚麻纤维的增强，弯曲模量有所大幅度增长，而冲击强度有所降低，拉伸强度没有变化。说明通过麻纤维增强，材料模量大幅度提高，适用于汽车内饰件领域。
实施例4
纤维重量比为50％的黄麻纤维板材废料进行粉碎，并聚丙烯母粒一起烘干，干燥温度为80℃，干燥时间为12h。接着，按比例将熔融指数为12.5g/10min的聚丙烯60重量份、抗氧剂四季戊四醇酯1.2重量份、光稳定剂硬酯酸钠0.9重量份、润滑剂水杨酸对辛基苯基酯1.8重量份、增韧剂聚烯烃弹性体3重量份在长径比为45:1的双螺杆挤出机中熔融混合分散，黄麻纤维和聚丙烯混合母粒40重量份从侧喂料加入，挤出造粒，其挤出工艺为：一区170-180℃，,二区180-190℃，三区190-200℃，四区190-200℃，螺杆转速400-450r/min，喂料频率10-25Hz,真空度-0.04-0.07MPa。
实施例5
纤维重量比为50％的洋麻纤维板材废料进行粉碎，并聚丙烯母粒一起烘干，干燥温度为80℃，干燥时间为12h。接着，按比例将熔融指数为12.5g/10min的聚丙烯60重量份、抗氧剂四季戊四醇酯1.2重量份、光稳定剂硬酯酸钠0.9重量份、润滑剂水杨酸对辛基苯基酯1.8重量份、增韧剂聚烯烃弹性体3重量份在长径比为45:1的双螺杆挤出机中熔融混合分散，洋麻纤维和聚丙烯混合母粒40重量份从侧喂料加入，挤出造粒，其挤出工艺为：一区170-180℃，,二区180-190℃，三区190-200℃，四区190-200℃，螺杆转速400-450r/min，喂料频率10-25Hz,真空度-0.04-0.07MPa。

Claims (10)

1.一种基于麻纤维板材废料回收再利用的汽车内饰用短纤维增强复合材料，其特征在于：包括以下重量份的原料：
2.根据权利要求1所述的一种基于麻纤维板材废料回收再利用的汽车内饰用短纤维增强复合材料，其特征在于：所述麻纤维板材粉碎料中的麻纤维为黄麻纤维、洋麻纤维、亚麻纤维和剑麻纤维的至少一种，其纤维质量百分比约为50％。
3.根据权利要求2所述的一种基于麻纤维板材废料回收再利用的汽车内饰用短纤维增强复合材料，其特征在于：所述的麻纤维在短纤维增强复合材料中的纤维质量百分比为10-30％。
4.根据权利要求1所述的一种基于麻纤维板材废料回收再利用的汽车内饰用短纤维增强复合材料，其特征在于：所述的热塑性树脂为聚丙烯和聚乙烯中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的一种基于麻纤维板材废料回收再利用的汽车内饰用短纤维增强复合材料，其特征在于：所述的热塑性树脂熔融指数为10–25g/10min。
6.根据权利要求1所述的一种基于麻纤维板材废料回收再利用的汽车内饰用短纤维增强复合材料，其特征在于：所述的抗氧剂由任意比混合的主抗氧剂和辅抗氧剂组成，主抗氧剂为四季戊四醇酯；辅抗氧剂选自三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯和硫代二丙酸二硬酯中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的一种基于麻纤维板材废料回收再利用的汽车内饰用短纤维增强复合材料，其特征在于：所述的润滑剂由内润滑和外润滑剂组成，内润滑剂选自硬酯酸钠、芥酸酰胺中的至少一种；外润滑剂选自液体石蜡、聚乙烯蜡中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的一种基于麻纤维板材废料回收再利用的汽车内饰用短纤维增强复合材料，其特征在于：所述的光稳剂选自水杨酸对辛基苯基酯、3,5-二叔丁基-4-羟基苯甲酸-2,4-二叔丁基苯酯中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的一种基于麻纤维板材废料回收再利用的汽车内饰用短纤维增强复合材料，其特征在于：所述的增韧剂选自马来酸酐接枝聚丙烯、聚烯烃弹性体、三元乙丙橡胶和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中的至少一种。
10.权利要求1所述基于麻纤维板材废料回收再利用的汽车内饰用短纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)称量各原料，将麻纤维板材粉碎料造粒；
(2)将麻纤维板粉碎料和热塑性树脂进行烘干，温度为80℃，时间为12h；
(3)将除麻纤维板材粉碎料和热塑性树脂以外的其他原料干燥，然后加入双螺杆挤出机中，在螺杆的高速剪切，混炼和输送下，经过熔融挤出和造粒得到纤维增强母粒；将步骤(2)所得麻纤维板废料和热塑性树脂通过双螺杆挤出机侧进料进行加入；所述双螺杆挤出机从进料口到模头各区的温度为200～220℃；所述双螺杆挤出机的螺杆转速400～450rpm。
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