CN105542498A - 一种改性木塑复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种改性木塑复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改性木塑复合材料及其制备方法。所述改性木塑复合材料主要由以下质量百分比的原料制成：5-10％的聚乙烯醇、60-70％的咖啡壳纤维、15-20％的聚乙烯塑料和2.5-10％的助剂。本发明利用聚乙烯醇和咖啡壳纤维制备改性木塑复合材料，改善了木塑复合材料脆性大易开裂的问题，同时通过挤出设备二次挤压，取代传统木塑复合材料生产需要造粒设备问题，大大提高了生产效率，降低了生产能耗，与此同时，实现了农林废弃物咖啡壳的资源化利用。

Description

一种改性木塑复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于木塑材料制备技术领域，尤其涉及一种改性木塑复合材料及其制备方法。
背景技术
我国是咖啡种植规模较大国家之一，尤其是我国云南滇西南地区，其气候条件非常适合咖啡种植，国际知名公司企业纷纷在云南普洱地区大力开展咖啡种植业，每年产生数以万吨的咖啡壳难以利用，严重威胁生态环境，如何处理咖啡壳已经成为多年来的课题。
木塑复合材料(WPC)是由热塑料塑料，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯以及它们的回收再生料，与木纤维或植物纤维复合制备而成，该材料兼具木材和塑料的双重特性，热伸缩性、吸水性均比木材小，尺寸稳定性好，耐磨性和抗冲击性能高，产品可以再回收利用。但是由于热塑料塑料与高极性的木质材料相容性差，界面相互作用力弱，在温度和湿度变化的条件下，塑料/木材界面容易发生破坏，因此，以热塑料塑料为基材的木塑复合材料制品在内应力或外载荷作用下易出现蠕变变形，从而使制品扭曲、品质降低甚至制品部件破坏，使材料的应用范围受到限制。
公告号为CN1227297C的发明专利公开了一种木塑复合材料其用途及其制造方法，其利用木粉及塑料或废旧塑料为主要原料，配以少量助剂，用专用接枝剂对木粉及塑料表面进行接枝改性处理，有效增强木粉和塑料间的界面强度，采用连续挤出工艺，利用各种断面形状的模具，挤出生产各种高性能复合材料。
授权公告号为CN1482166的中国发明专利公开了一种木塑复合材料，该木塑复合材料是指由热塑料树脂、木粉、助剂相容剂、改性剂等原料按重量比混合而成，将该木塑复合材料经挤出机造粒后再经挤出机挤出成型或直接经挤出机熔融塑化挤出并通过一个片状机头口模挤出到压延机上，压成板、片材型材，在材料上下面各热覆合一层介质膜或织物，或双面各再热覆合一层铝箔(带)层，经冷却裁边切断成成品。
申请号为CN201210311274.3的中国专利申请，公开了咖啡渣纤维木塑复合材料及其制备方法。该复合材料各成份重量按以下配比：咖啡渣纤维50～70％；高密度聚乙烯17～30％；其他助剂添加剂。本发明采用高新技术，收集使用后丢弃的PE饮品瓶、洗浴瓶与从咖啡渣中特别制备的纤维，通过高速和低速混料机、造粒机和挤出成型机加工生产各种型材。该方法制得的木塑材料需要将咖啡渣纤维与酚醛树脂反应进行改性，经过改性后的咖啡渣纤维才能用来制备木塑复合材料，制备繁琐，而且由于咖啡渣内纤维素含量较低，木质素含量高导致制备的木塑混合材料的脆性大。
上述方法生产木塑复合材料，虽有各自的优点，但都存在都未解决木塑复合材料脆性大、密度均匀性差异大、易开裂等问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种改性木塑复合材料及其制备方法。本发明利用聚乙烯醇和咖啡壳纤维改善了木塑复合材料脆性大易开裂的问题，同时通过挤出设备二次挤压，取代传统木塑复合材料生产需要造粒设备问题，大大提高了生产效率，降低了生产能耗。
本发明的技术方案如下：一种改性木塑复合材料，所述改性木塑复合材料主要由以下质量百分比的原料制成：5-10％的聚乙烯醇、60-70％的咖啡壳、15-20％的聚乙烯(PE)塑料和2.5-10％的助剂。
所述助剂包括以下质量百分比的组分：1-2％的相容剂、1-2％的润滑剂和0.5-1％的交联剂。
所述相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯；马来酸酐接枝聚乙烯在界面改性过程中充当PE塑料和咖啡壳纤维之间的桥梁，马来酸酐接枝聚乙烯的酸酐与咖啡壳纤维的羟基发生酯化反应，增强了两相间的界面黏合力，提高PE塑料与咖啡壳纤维的相容性，改善力学性能。
所述润滑剂为聚乙烯蜡、硬脂酸或硬脂酸锌；所述润滑剂可以减少化合物与加工机械的摩擦力，使加工设备发挥出最佳的操作特性，并且能改善熔体的流动性以及提高挤出产品的外观质量，提高产量。
所述交联剂(偶联剂)为硅烷偶联剂、异氰酸盐、过氧化二异丙苯(DCP)、铝酸酯、酞酸酯类或乙烯-丙烯酸酯；所述偶联剂可以使塑料与纤维表面间产生很强的界面结合，提高它们的相容性及分散性。
为了保证木塑复合材料有均匀稳定的顔色，提高木塑复合材料的抗老化性能和耐光性能，所述助剂还包括0.5-1％着色剂、1-2％的抗氧剂和1-2％的紫外线稳定剂。
所述着色剂为双偶氮颜料；所述紫外线稳定剂为受阻胺类光稳定剂；所述抗氧剂为四[β(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯；
所述聚乙烯醇的聚合度为17～99；所述聚乙烯醇有助于聚乙烯塑料与咖啡壳纤维之间形成较强的界面黏合力，增加二者的相容性。
所述聚乙烯(PE)塑料为高密度聚乙烯塑料，来源于废弃的聚乙烯塑料瓶盖或聚乙烯塑料瓶。
所述咖啡壳内中性纤维含量高达88％，其中纤维素占1/2，半纤维素占1/4，木质素占1/5(黄循清，“咖啡副产品的化学成分与综合利用”)，由于咖啡壳含有大量的中性纤维，不需改性处理，能够直接用来生产木塑复合材料；且咖啡壳内纤维素和半纤维素含量较高，半纤维素吸附到纤维素上，增加了纤维的韧性和弹性，进而增强木塑复合材料的韧性。
本发明利用聚乙烯醇和咖啡壳纤维解决木塑复合材料脆性大易开裂的问题的原理如下：
一方面聚乙烯醇增加了咖啡壳纤维与PE塑料的相容性，且聚乙烯醇在高温条件下作用在咖啡壳的纤维素表面形成聚乙烯醇/咖啡壳纤维，聚乙烯醇/咖啡壳纤维与PE塑料在挤出机中混合，通过自由基反应、缩合反应、氢键等作用，PE塑料和聚乙烯醇/咖啡壳纤维之间更容易形成交联网络，纤维素、半纤维素含量越多，这种交联网络越多，越能提高复合材料的韧性和强度；
另一方面咖啡壳内纤维素和半纤维素含量高，木质素含量低，造成咖啡壳纤维较软，且韧性好。与木材相比，咖啡壳不易粉碎，经过40～60目筛后仍保留有部分细长纤维，细长纤维的拉伸力大于短纤维，咖啡壳的细长纤维掺杂到PE塑料中，能有效地增加纤维与PE塑料的拉伸力，继而提高木塑材料的韧性；
综合以上两方面的作用，本发明制得的木塑复合材料尺寸稳定性好，能够有效解决木塑复合材料脆性大易开裂问题。
本发明还提供所述改性木塑复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)原料制备：将废弃的聚乙烯塑料水洗、破碎和干燥得到聚乙烯塑料颗粒；将咖啡壳干燥、超微粉碎过筛得到咖啡壳粉；
步骤(2)原料混合：将步骤(1)得到的咖啡壳粉、聚乙烯塑料颗粒、聚乙烯醇及助剂在搅拌机中混合均匀，得到混合料；
步骤(3)一次挤出：将步骤(2)得到的混合料在挤出机中直接挤出成柱状挤出料；
步骤(4)破碎：将柱状挤出料在破碎机中破碎，得到均匀的颗粒状木塑复合材料；
步骤(5)二次挤压成型：将颗粒状木塑复合材料挤压成型，得到各种规格的改性木塑复合材料。
本发明通过挤出机两次挤出制成改性木塑复合材料，代替了传统木塑复合材料生产使用造粒机造粒的步骤，从而大大提高了生产效率，同时节省了能耗；另外，采用两次挤出工艺能够最大限度地保证咖啡壳纤维在木塑复合材料中伸展开，充分与PE塑料结合在一起，继而增强了木塑复合材料的柔韧性。
所述咖啡壳粉碎后通过40-60目筛，得到咖啡壳粉；粉碎的咖啡壳后便于制备改性木塑材料。
步骤(3)一次挤出的温度参数如下：挤出机全程温度：180-200℃，其中：一区温度为180-185℃，二区温度为185-190℃，三区温度为190-195℃，四区温度为195-200℃，五区温度为190-195℃，六区温度为185-190℃，七区温度为180-185℃。
步骤(5)二次挤出成型温度参数如下：挤出机全程温度160-180℃，其中：一区温度为160-165℃，二区温度为165-170℃，三区温度为170-175℃，四区温度为175-180℃，五区温度为170-175℃，六区温度为165-170℃，七区温度为160-165℃。
依据GB/T24508—2009《木塑地板》进行检验，咖啡壳纤维的重量含量为60～70％时，所述改性木塑复合材料物理性能和力学性能如强度、韧性、尺寸稳定性、膨胀系数等指标均优于国家标准。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明利用聚乙烯醇和咖啡壳纤维制备改性木塑复合材料，改善了木塑复合材料脆性大易开裂的问题，同时通过挤出设备二次挤压，取代传统木塑复合材料生产需要造粒设备问题，大大提高了生产效率，降低了生产能耗，与此同时，实现了农林废弃物咖啡壳的资源化利用。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
以下实施例采用的聚乙烯醇的聚合度为17～99，纯度为98％以上，购买于云南云维集团有限公司，所述的助剂纯度均为分析纯，均能由市售得到，咖啡壳来源于云南省普洱市咖啡产区。
对比例1
现有技术中采用锯末等木材制备木塑材料。
(1)原料制备：废弃思茅松锯末刨花经干燥和粉碎工序，经过60目筛得到木材粉末；将废弃PE瓶盖破碎成片状颗粒并干燥，得到PE塑料颗粒；
(2)原料混合：将步骤(1)所述木材粉末和PE塑料颗粒及助剂按重量百分比为60：25：15的比例，在高速搅拌机中混合均匀，得到高混料；所述助剂包括3％马来酸酐接枝聚乙烯、3％聚乙烯蜡、1％双偶氮颜料红、3％受阻胺类光稳定剂、2％[β(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯和3％过氧化二异丙苯(DCP)。
(3)一次挤出：将步骤(2)所述混合料在挤出机中直接挤出成柱状挤出料，挤出机全程温度：185-195℃，其中：一区185℃、二区185℃、三区190℃、四区195℃、五区190℃、六区185℃、七区185℃。
(4)破碎：将柱状挤出料在破碎机中破碎，得到均匀的颗粒状木塑复合材料；
(5)二次挤出成型：将颗粒状木塑复合材料在挤出机中挤出，得到改性木塑复合材料。挤出机全程温度170-180℃，其中：一区温度为170℃、二区温度为170℃、三区温度为175℃、四区温度为180℃、五区温度为175℃、六区温度为170℃、七区温度为170℃。
依据GB/T24508-2009《木塑地板》对上述木塑复合材料进行检验，结果数据如表1所示。
表1木塑板材性能检测数据
对比例2
本发明采用聚乙烯醇和锯末制备改性木塑材料。
(1)原料制备：废弃思茅松锯末刨花经干燥和粉碎工序，通过60目筛得到木材粉末；将废弃PE瓶盖破碎成片状颗粒并干燥，得到PE塑料颗粒；
(2)原料混合：将步骤(1)所述木材粉末、PE塑料颗粒、聚乙烯醇及助剂按重量百分比为60：20：10：10的比例，在高速搅拌机中混合均匀，得到高混料；所述助剂包括3％马来酸酐接枝聚乙烯、3％聚乙烯蜡、1％双偶氮颜料红、3％受阻胺类光稳定剂、2％[β(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯和3％过氧化二异丙苯(DCP)。
(3)一次挤出：将步骤(2)所述混合料在挤出机中直接挤出成柱状挤出料，挤出机全程温度：185-195℃，其中：一区185℃、二区185℃、三区190℃、四区195℃、五区190℃、六区185℃、七区185℃。
(4)破碎：将柱状挤出料在破碎机中破碎，得到均匀的颗粒状木塑复合材料；
(5)二次挤出成型：将颗粒状木塑复合材料在挤出机中挤出，得到改性木塑复合材料。挤出机全程温度170-180℃，其中：一区温度为170℃、二区温度为170℃、三区温度为175℃、四区温度为180℃、五区温度为175℃、六区温度为170℃、七区温度为170℃。
依据GB/T24508-2009《木塑地板》对上述木塑复合材料进行检验，结果数据如表2所示。
表2木塑板材性能检测数据
实施例1
(1)原料制备：废弃咖啡壳经干燥和粉碎工序，通过40目筛得到咖啡壳粉；将废弃PE瓶盖破碎成片状颗粒并干燥，得到PE塑料颗粒；
(2)原料混合：将步骤(1)所述咖啡壳粉、PE塑料颗粒、聚乙烯醇及助剂按重量百分比为60：20：10：10的比例，在高速搅拌机中混合均匀，得到高混料；所述助剂包括1％马来酸酐接枝聚乙烯(相容剂)、1％聚乙烯蜡(润滑剂)和0.5％偶联剂过氧化二异丙苯(DCP)。
(3)一次挤出：将步骤(2)所述混合料在挤出机中直接挤出成柱状挤出料，挤出机全程温度：185-195℃，其中：一区温度为185℃、二区温度为185℃、三区温度为190℃、四区温度为195℃、五区温度为190℃、六区温度为185℃、七区温度为185℃。
(4)破碎：将柱状挤出料在破碎机中破碎，得到均匀的颗粒状木塑复合材料；
(5)二次挤出成型：将颗粒状木塑复合材料在挤出机中挤出，得到改性木塑复合材料。挤出机全程温度170-180℃，其中：一区温度为170℃、二区温度为170℃、三区温度为175℃、四区温度为180℃、五区温度为175℃、六区温度为170℃、七区温度为170℃。
依据GB/T24508-2009《木塑地板》对上述聚乙烯醇改性咖啡壳纤维基木塑复合材料进行检验，结果数据如表3所示。
表3聚乙烯醇改性咖啡壳纤维基木塑板材性能检测数据
与对比例1和2相比，弯曲破坏载荷提高了20％以上，改善以往木塑材料的脆性大易开裂的问题。
对比例1和对比例2相比，由于聚乙烯醇的存在，锯末纤维容易与PE塑料形成交联网络，故制得的木塑材料的韧性有所提高。
由于木材锯末刨花纤维素、半纤维素含量较低，木质素含量较高，木材锯末的纤维较硬，且容易粉碎，对比例2与实施例1相比，故制得的木塑材料中纤维和PE塑料的交联网络较少，纤维与PE塑料的拉伸力也较小，故制得的木塑复合材料的弯曲破坏载荷较小，脆性较大，容易开裂。
实施例2
(1)原料制备：废弃咖啡壳经干燥和粉碎工序，通过50目筛得到咖啡壳粉；将废弃的PE瓶盖破碎成片状颗粒并干燥，得到PE塑料颗粒；
(2)原料混合：将步骤(1)制得的咖啡壳粉和PE塑料颗粒、聚乙烯醇及助剂按重量百分比为65：15：10：10的比例，在高速搅拌机中混合均匀，得到混合料，所述助剂包括1.5％马来酸酐接枝聚乙烯、1.5％硬脂酸、0.8％双偶氮颜料红、1.5％受阻胺类光稳定剂、1.5％[β(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯和0.8％过氧化二异丙苯(DCP)。
(3)一次挤出：将步骤(2)所述混合料在挤出机中直接挤出成柱状挤出料；挤出机全程温度：190-200℃，其中：一区温度为190℃、二区温度为190℃、三区温度为195℃、四区温度为200℃、五区温度为195℃、六区温度为190℃、七区温度为190℃。
(4)破碎：将步骤(3)所述柱状料在破碎机中破碎，得到均匀的颗粒状木塑复合材料；
(5)二次挤出成型：将颗粒状木塑复合材料在挤出机中挤出，得到改性木塑复合材料。挤出机全程温度170-180℃，其中：一区温度为170℃，二区温度为170℃、三区温度为175℃、四区温度为180℃、五区温度为175℃、六区温度为170℃、七区温度为170℃。
依据GB/T24508-2009《木塑地板》对上述聚乙烯醇改性咖啡壳纤维基木塑复合材料进行检验，结果数据如表4所示。与对比例相比，弯曲破坏载荷提高了20％以上，改善以往木塑材料的脆性大易开裂的问题。
表4聚乙烯醇改性咖啡壳纤维基木塑板材性能检测数据
实施例3
(1)原料制备：废弃咖啡壳经干燥和粉碎工序，通过50目筛得到咖啡壳粉；将废弃PE瓶盖破碎成片状颗粒并干燥，得到PE塑料颗粒；
(2)原料混合：将步骤(1)所述咖啡壳粉和PE塑料颗粒、聚乙烯醇及助剂按重量百分比为70：15：5：10的比例，在高速搅拌机中混合均匀，得到高混料。所述助剂包括2％马来酸酐接枝聚乙烯、2％聚乙烯蜡、1％双偶氮颜料红、2％受阻胺类光稳定剂、2％[β(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯和1％过氧化二异丙苯(DCP)。
(3)一次挤出：将步骤(3)所述混合料在挤出机中直接挤出成柱状挤出料；挤出机全程温度：180-190℃，其中：一区温度为180℃，二区温度为180℃、三区温度为185℃、四区温度为190℃、五区温度为185℃、六区温度为180℃、七区温度为180℃。
(4)破碎：将步骤(4)所述柱状挤出料在破碎机中破碎，得到均匀的颗粒状木塑复合材料；
(5)二次挤出成型：将颗粒状木塑复合材料在挤出机中挤出，得到改性咖木塑复合材料。挤出机全程温度160-170℃，其中：一区温度为160℃、二区温度为160℃、三区温度为165℃、四区温度为170℃、五区温度为165℃、六区温度为160℃、七区温度为160℃。
依据GB/T24508-2009《木塑地板》对上述聚乙烯醇改性咖啡壳纤维基木塑复合材料进行检验，结果数据如表5所示。与对比例相比，弯曲破坏载荷提高了20％以上，改善以往木塑材料的脆性大易开裂的问题。
表5聚乙烯醇改性咖啡壳纤维基木塑板材性能检测数据
以上实施例证明，咖啡壳含量在60-70％的PE木塑复合材料，强度、韧性、尺寸稳定性和膨胀系数指标均优于国家标准。
本发明针对目前PE木塑复合材料脆性大易断裂问题，同时结合农林废弃物——咖啡壳资源化利用，提出采用二次挤出法制备聚乙烯醇改性咖啡壳纤维基木塑复合材料，大大降低了木塑复合材料脆性大问题，同时也为咖啡壳资源化利用提供一条有效的综合利用途径。

Claims (10)

1.一种改性木塑复合材料，其特征在于，所述改性木塑复合材料主要由以下质量百分比的原料制成：5-10％的聚乙烯醇、60-70％的咖啡壳、15-20％的聚乙烯塑料和2.5-10％的助剂。
2.如权利要求1所述的改性木塑复合材料，其特征在于，所述助剂包括以下质量百分比的组分：1-2％的相容剂、1-2％的润滑剂和0.5-1％的交联剂。
3.如权利要求2所述的改性木塑复合材料，其特征在于，所述助剂还包括以下质量百分比的组分：0.5-1％的着色剂、1-2％的抗氧剂和1-2％的紫外线稳定剂。
4.如权利要求2所述的改性木塑复合材料，其特征在于，所述相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯；所述润滑剂为聚乙烯蜡、硬脂酸或硬脂酸锌；所述交联剂为硅烷偶联剂、异氰酸盐、过氧化二异丙苯、铝酸酯、酞酸酯类或乙烯-丙烯酸酯。
5.如权利要求3所述的改性木塑复合材料，其特征在于，所述着色剂为双偶氮颜料；所述紫外线稳定剂为受阻胺类光稳定剂；所述抗氧剂为四[β(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯。
6.如权利要求1所述的改性木塑复合材料，其特征在于，所述聚乙烯醇的聚合度为17-99。
7.一种如权利要求1～6任一所述的改性木塑复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)原料制备：将废弃的聚乙烯塑料水洗、破碎和干燥得到聚乙烯塑料颗粒；将咖啡壳干燥、超微粉碎过筛得到咖啡壳粉；
步骤(2)原料混合：将步骤(1)得到的咖啡壳粉末、聚乙烯塑料颗粒、聚乙烯醇及助剂在搅拌机中混合均匀，得到混合料；
步骤(3)一次挤出：将步骤(2)得到的混合料在挤出机中直接挤出成柱状挤出料；
步骤(4)破碎：将柱状挤出料在破碎机中破碎，得到均匀的颗粒状木塑复合材料；
步骤(5)二次挤压成型：将颗粒状木塑复合材料挤压成型，得到各种规格的改性木塑复合材料。
8.如权利要求7所述的改性木塑复合材料的制备方法，其特征在于，所述咖啡壳超微粉碎后通过40-60目的筛子，得到咖啡壳粉。
9.如权利要求7所述的改性木塑复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)一次挤出的温度参数如下：挤出机全程温度：180-200℃，其中：一区温度为180-185℃，二区温度为185-190℃，三区温度为190-195℃，四区温度为195-200℃，五区温度为190-195℃，六区温度为185-190℃，七区温度为180-185℃。
10.如权利要求7所述的改性木塑复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)二次挤出成型温度参数如下：挤出机全程温度160-180℃，其中：一区温度为160-165℃，二区温度为165-170℃，三区温度为170-175℃，四区温度为175-180℃，五区温度为170-175℃，六区温度为165-170℃，七区温度为160-165℃。
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