CN105924998A - 一种木塑陶瓷复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种木塑陶瓷复合材料，由以下重量份的各原料组成：天然植物纤维40～50份，废旧塑料20～30份，废旧陶瓷粉体10～15份，阻燃剂0.1～2份，相溶剂1～4份，润滑剂0.5～2份，增塑剂1～3份，抗氧化剂0.1～0.5份，着色剂0.1～0.2份。本发明利用废弃的天然植物纤维、废旧塑料及废旧陶瓷粉体生产木塑陶瓷复合材料，充分达到固体废弃物的无害化资源化利用，具有环保、经济、原材料供应广泛等优点。而且本发明的木塑陶瓷复合材料具有优异的耐磨性，还具有优异的力学性能、较高的抗弯强度和冲击强度、极低的吸水率和耐高低温性能优异。本发明木塑陶瓷复合材料的制备工艺简单，对设备要求低，生产能耗低，成本低，市场前景广阔。

Description

一种木塑陶瓷复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，特别是指一种木塑陶瓷复合材料及其制备方法。
背景技术
木塑陶瓷复合材料是一种新型环保复合材料，它主要利用废弃的各种天然植物纤维、废旧塑料和废旧陶瓷粉体进行复配，添加特种助剂，经热挤制成的优于木材及普通木塑复合材料的新型环保复合材料。该种材料不仅具有普通木塑复合材料机械性能高、吸水率低、不易形变和开裂、不易被虫蛀和霉变、防潮、耐酸碱、耐化学品、耐盐水性好、不腐烂、便于清洗、可反复回收利用等优点，更解决了普通木塑复合材料耐磨性、耐热性差的缺点，能广泛用于室内外建筑、运输、包装等领域。
我国是木材需求大国和农业大国，每年产生的农作物秸秆、木材加工业废弃物高达上千万吨，是一种巨大的可再生资源，利用废弃的各种天然植物纤维制备环保木塑陶瓷复合材料，是资源化利用最具有市场发展潜力和产业化前景的技术，是解决农作物秸秆、木材加工业废弃物综合利用、降低野外秸秆焚烧污染大气环境的最佳途径之一。
目前，废旧塑料是我国环境污染的重大源头之一，每年有上千万吨的废旧塑料作为垃圾丢弃，而塑料本身具有难以降解的特性，因此对环境造成长久的危害。
随着特种陶瓷在通信、计算机、电子仪表、家用电器和数字电路技术等领域的普及发展，我国特种陶瓷生产规模逐年增长，但限于国内特种陶瓷烧结、加工技术的不足，特种陶瓷生产合格率普遍偏低，已烧结的不合格特种陶瓷元器件成为该类生产企业的最大污染来源之一，完全被当成垃圾来处理，没有得到有效利用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种性能出色、制备简单的木塑陶瓷复合材料及其制备方法。
基于上述目的，本发明提供的一种木塑陶瓷复合材料，由以下重量份的各原料组成：天然植物纤维40～50份，废旧塑料20～30份，废旧陶瓷粉体10～15份，阻燃剂0.1～2份，相溶剂1～4份，润滑剂0.5～2份，增塑剂1～3份，抗氧化剂0.1～0.5份，着色剂0.1～0.2份。
优选的，所述天然植物纤维为废弃的农作物秸秆、稻壳、锯末、木屑、竹屑、花生壳、大豆皮、椰壳或甘蔗渣。
优选的，所述废旧塑料为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、丙烯腈─丁二烯─苯乙烯共聚合物、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酷中的一种或其组合；所述废旧塑料为不规则片状。
优选的，所述废旧陶瓷粉体是通过表面处理剂对废旧陶瓷粉的表面进行接枝改性所得；所述废旧陶瓷粉为氮化硅、碳化硅、二氧化硅、滑石粉、氧化铝、氧化锆中的一种或其组合。
优选的，所述表面处理剂为硅烷偶联剂、钛酸酯、铝酸酯中的一种或其组合。
优选的，所述阻燃剂为氢氧化铝、氢氧化镁中的一种或其组合；所述相溶剂为马来酸酐接枝聚乙烯。
优选的，所述润滑剂为聚乙烯蜡；所述增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯或邻苯二甲酸二丁酯。
优选的，所述抗氧化剂为三(2.4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、抗氧剂1010、抗紫外吸收剂UV531中的一种或其组合。
优选的，所述着色剂为炭黑、铁红、铁黄、钛青绿、钛青蓝和二氧化钛中的一种或其组合。
在本发明的木塑陶瓷复合材料的配方中，废旧陶瓷粉体是通过表面处理剂对废旧陶瓷粉的表面进行接枝改性所得，能够改善
本发明还提供了一种上述的木塑陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：
a.将废弃的天然植物纤维干燥后，破碎成40-80目的纤维粉体；
b.将回收的废旧塑料进行分拣、破碎、清洗、干燥处理后，进行混合均化备用；
c.将回收的废旧陶瓷进行破碎、清洗后，研磨成400-1000目的陶瓷粉，通过表面处理剂对陶瓷粉进行接枝改性处理，得到废旧陶瓷粉体；
d.将步骤a中的纤维粉体、步骤b中处理后的废旧塑料、步骤c中的废旧陶瓷粉体与剩余各原料进行充分混匀，得到混合料；
e.通过双螺杆挤出机，在加工温度150-250℃，转速150-200转/分钟下，对混合料进行混炼挤出并风冷造粒，制得木塑陶瓷复合材料。
优选的，制备废旧陶瓷粉体的方法如下：
称取0.5g～1.5g陶瓷粉，加入20mL甲苯，常温用300W的超声波清洗器超声分散30min，得到均匀悬浮液，再向其中加入表面处理剂，表面处理剂的浓度为0.5％～2％，继续超声3～4min，转移到烧瓶中，在90℃的温度中搅拌反应6h，反应结束后以12000r/min的速度常温离心分离，即得废旧陶瓷粉体。
本发明的重点在于木塑陶瓷复合材料的配方，其原理在于：废旧陶瓷粉体通过表面处理剂对废旧陶瓷粉的表面进行接枝改性所得，陶瓷粉可减低聚合物的磨损，同时可改善聚合物的耐热性能、尺寸稳定性、膨胀性、硬度和收缩性等；表面处理剂与陶瓷粉表面的羟基发生反应，消除或减少表面硅醇基的量，使陶瓷粉由亲水性变为疏水性，从而改变陶瓷粉的表面性质，改善陶瓷粉界面结合，使陶瓷粉表面产生新的物理、化学和机械性能及新的功能。本发明的阻燃剂是无卤阻燃剂，具有阻燃、抑烟和填充功能，可用来改善木塑复合材料易燃和发烟量大的缺陷。相溶剂是一端含有极性基团，另一端含有非极性基团的化合物。根据相似相容的原则：含有极性基团的一端和植物纤维部分相溶，而含有非极性基团的一端则和树脂部分相溶，可起到一个桥梁的作用而将两者结合在一起。相容性的改善是通过降低两相间的界面能，促进植物纤维在树脂相中的分散，降低植物纤维之间的凝聚力，提高聚合物基体的容纳能力而实现的，另外还通过增加高分子链与纤维间的机械缠绕而提高界面的粘结力，得到优良性能的制品，可以显著提高材料的力学性能。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，从而提高挤出产品的外观质量，提高产量，提高生产效率，减少边缘磨损。增塑剂可以提高分子制品的塑性增加、改进其柔性、延伸性和加工性。塑剂分子结构中含有极性和非极性两种基团，在高温剪切作用下，它能进入聚合物分子链中，通过极性基团与聚合物上的极性基团互相吸引形成均匀稳定体系，而它非极性部分的插入则可减弱聚合物分子的相互吸引，增加高分子链段的活动空间，从而使加工容易进行。抗氧化剂，能抑制或延缓聚合物氧化。着色剂可以赋予制品色泽，起美观、易于辩识等作用，它能使制品有均匀稳定的颜色，且脱色慢。
从上面所述可以看出，本发明提供的一种木塑陶瓷复合材料及其制备方法，利用废弃的天然植物纤维、废旧塑料及废旧陶瓷粉体生产木塑陶瓷复合材料，充分达到废弃的天然植物纤维、废旧塑料和废旧陶瓷的无害化资源化利用，具有环保、经济、原材料供应广泛等优点。而且本发明的木塑陶瓷复合材料具有优异的耐磨性，还具有优异的力学性能、较高的抗弯强度和冲击强度、极低的吸水率和耐高低温性能优异。本发明木塑陶瓷复合材料的制备工艺简单，对设备要求低，生产能耗低，成本低，性能均优于木材及普通木塑复合材料，市场前景广阔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
实施例一
木塑陶瓷复合材料按质量份计成分如下：
农作物秸秆：40份
废旧聚乙烯塑料(不规则片状)：20份
废旧氮化硅陶瓷粉体：10份
氢氧化铝：0.1份
马来酸酐接枝聚乙烯：1份
聚乙烯蜡：0.5份
邻苯二甲酸二辛酯：1份
三(2.4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯：0.1份
炭黑：0.1份
按照以下制备方法制备上述的木塑陶瓷复合材料：
(1)按照实施例一所述的质量份称取农作物秸秆，将农作物秸秆干燥后，破碎成40-80目的纤维粉体；
(2)按照实施例一所述的质量份称取废旧聚乙烯塑料，将废旧聚乙烯塑料进行分拣、破碎、清洗、干燥处理后，进行混合均化备用；
(3)将回收的废旧氮化硅陶瓷进行破碎、清洗后，研磨成400-1000目的氮化硅粉，通过硅烷偶联剂560对氮化硅粉进行接枝改性处理，得到废旧氮化硅陶瓷粉体；
所述废旧氮化硅陶瓷粉体的制备方法如下：
称取0.5g氮化硅粉，加入20mL甲苯，常温用300W的超声波清洗器超声分散30min，得到均匀悬浮液，再向其中加入硅烷偶联剂560，硅烷偶联剂560的浓度为0.5％，继续超声3～4min，转移到烧瓶中，在90℃的温度中搅拌反应6h，反应结束后以12000r/min的速度常温离心分离，即得废旧氮化硅陶瓷粉体。
(4)按照实施例一所述的质量份称取步骤(3)中的废旧氮化硅粉体，按照实施例一所述的质量份称取氢氧化铝、马来酸酐接枝聚乙烯、聚乙烯蜡、邻苯二甲酸二辛酯、三(2.4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、炭黑，将步骤(1)中的纤维粉体、步骤(2)处理后的废旧聚乙烯塑料、步骤(3)中的废旧氮化硅粉体与氢氧化铝、马来酸酐接枝聚乙烯、聚乙烯蜡、邻苯二甲酸二辛酯、三(2.4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、炭黑进行充分混匀，得到混合料；
(5)通过双螺杆挤出机，在加工温度150-250℃，转速150-200转/分钟下，对混合料进行混炼挤出并风冷造粒，制得木塑陶瓷复合材料。
实施例二
木塑陶瓷复合材料按质量份计成分如下：
稻壳：50份
废旧聚丙烯塑料(不规则片状)：30份
废旧碳化硅陶瓷粉体：15份
氢氧化铝：1.5份
马来酸酐接枝聚乙烯：3份
聚乙烯蜡：1.5份
邻苯二甲酸二辛酯：2份
三(2.4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯：0.5份
炭黑：0.2份
按照以下制备方法制备上述的木塑陶瓷复合材料：
(1)按照实施例二所述的质量份称取稻壳，将稻壳干燥后，破碎成40-80目的纤维粉体；
(2)按照实施例二所述的质量份称取废旧聚丙烯塑料，将废旧聚丙烯塑料进行分拣、破碎、清洗、干燥处理后，进行混合均化备用；
(3)将回收的废旧碳化硅陶瓷进行破碎、清洗后，研磨成400-1000目的碳化硅粉，通过铝酸酯偶联剂F-1对碳化硅粉进行接枝改性处理，得到废旧碳化硅陶瓷粉体；
所述废旧碳化硅陶瓷粉体的制备方法如下：
称取0.5g碳化硅粉，加入20mL甲苯，常温用300W的超声波清洗器超声分散30min，得到均匀悬浮液，再向其中加入铝酸酯偶联剂F-1，铝酸酯偶联剂F-1的浓度为1.0％，继续超声3～4min，转移到烧瓶中，在90℃的温度中搅拌反应6h，反应结束后以12000r/min的速度常温离心分离，即得废旧碳化硅陶瓷粉体。
(4)按照实施例二所述的质量份称取步骤(3)中的废旧碳化硅粉体，按照实施例二所述的质量份称取氢氧化铝、马来酸酐接枝聚乙烯、聚乙烯蜡、邻苯二甲酸二辛酯、三(2.4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、炭黑，将步骤(1)中的纤维粉体、步骤(2)处理后的废旧聚丙烯塑料、步骤(3)中的废旧碳化硅粉体与氢氧化铝、马来酸酐接枝聚乙烯、聚乙烯蜡、邻苯二甲酸二辛酯、三(2.4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、炭黑进行充分混匀，得到混合料；
(5)通过双螺杆挤出机，在加工温度150-250℃，转速150-200转/分钟下，对混合料进行混炼挤出并风冷造粒，制得木塑陶瓷复合材料。
实施例三
木塑陶瓷复合材料按质量份计成分如下：
木屑和花生壳的组合物：50份
废旧聚苯乙烯塑料(不规则片状)：30份
废旧二氧化硅陶瓷粉体：15份
氢氧化镁：2份
马来酸酐接枝聚乙烯：4份
聚乙烯蜡：2份
邻苯二甲酸二丁酯：3份
抗氧剂1010：0.5份
铁红和钛青蓝的组合物：0.2份
按照以下制备方法制备上述的木塑陶瓷复合材料：
(1)按照实施例三所述的质量份称取木屑和花生壳的组合物，将木屑和花生壳的组合物干燥后，破碎成40-80目的纤维粉体；
(2)按照实施例三所述的质量份称取废旧聚苯乙烯塑料，将废旧聚苯乙烯塑料进行分拣、破碎、清洗、干燥处理后，进行混合均化备用；
(3)将回收的废旧二氧化硅陶瓷进行破碎、清洗后，研磨成400-1000目的二氧化硅粉，通过钛酸酯偶联剂201对二氧化硅粉进行接枝改性处理，得到废旧二氧化硅粉体；
所述废旧二氧化硅粉体的制备方法如下：
称取1.5g二氧化硅粉，加入20mL甲苯，常温用300W的超声波清洗器超声分散30min，得到均匀悬浮液，再向其中加入钛酸酯偶联剂201，钛酸酯偶联剂201的浓度为1.5％，继续超声3～4min，转移到烧瓶中，在90℃的温度中搅拌反应6h，反应结束后以12000r/min的速度常温离心分离，即得废旧二氧化硅粉体。
(4)按照实施例三所述的质量份称取步骤(3)中的废旧二氧化硅粉体，按照实施例三所述的质量份称取氢氧化镁、马来酸酐接枝聚乙烯、聚乙烯蜡、邻苯二甲酸二丁酯、抗氧剂1010、铁红和钛青蓝的组合物，将步骤(1)中的纤维粉体、步骤(2)处理后的废旧聚苯乙烯塑料、步骤(3)中的废旧二氧化硅粉体与氢氧化镁、马来酸酐接枝聚乙烯、聚乙烯蜡、邻苯二甲酸二丁酯、抗氧剂1010、铁红和钛青蓝的组合物进行充分混匀，得到混合料；
(5)通过双螺杆挤出机，在150-250℃，转速150-200转/分钟下，对混合料进行混炼挤出并风冷造粒，制得木塑陶瓷复合材料。
实施例四
木塑陶瓷复合材料按质量份计成分如下：
农作物秸秆、木屑、甘蔗渣的组合物：45份
废旧聚苯乙烯塑料、聚碳酸酯塑料的组合物(不规则片状)：30份
废旧二氧化硅陶瓷粉体和氧化铝陶瓷粉体的组合物：15份
氢氧化铝和氢氧化镁的组合物：2份
马来酸酐接枝聚乙烯：4份
聚乙烯蜡：2份
邻苯二甲酸二丁酯：3份
抗氧剂1010和抗紫外线吸收剂UV531的混合物：0.5份
二氧化钛：0.2份
按照以下制备方法制备上述的木塑陶瓷复合材料：
(1)按照实施例四所述的质量份称取天然植物纤维(农作物秸秆、木屑、甘蔗渣的组合物)，将天然植物纤维干燥后，破碎成40-80目的纤维粉体；
(2)按照实施例四所述的质量份称取废旧塑料(废旧聚苯乙烯塑料、聚碳酸酯塑料的组合物)，将废旧塑料进行分拣、破碎、清洗、干燥处理后，进行混合均化备用；
(3)将回收的废旧陶瓷(二氧化硅陶瓷和氧化铝陶瓷)进行破碎、清洗后，研磨成400-1000目的陶瓷粉，通过钛酸酯偶联剂201对陶瓷粉进行接枝改性处理，得到废旧二氧化硅陶瓷粉体和氧化铝陶瓷粉体的组合物；
所述废旧二氧化硅陶瓷粉体和氧化铝陶瓷粉体的组合物的制备方法如下：
称取1.5g陶瓷粉(二氧化硅陶瓷粉和氧化铝陶瓷粉)，加入20mL甲苯，常温用300W的超声波清洗器超声分散30min，得到均匀悬浮液，再向其中加入钛酸酯偶联剂201，钛酸酯偶联剂201的浓度为1.5％，继续超声3～4min，转移到烧瓶中，在90℃的温度中搅拌反应6h，反应结束后以12000r/min的速度常温离心分离，即得废旧二氧化硅陶瓷粉体和氧化铝陶瓷粉体的组合物。
(4)按照实施例四所述的质量份称取步骤(3)中的废旧二氧化硅陶瓷粉体和氧化铝陶瓷粉体的组合物，按照实施例四所述的质量份称取氢氧化铝和氢氧化镁的组合物、马来酸酐接枝聚乙烯、聚乙烯蜡、邻苯二甲酸二丁酯、抗氧剂1010和抗紫外线吸收剂UV531的混合物、二氧化钛，将步骤(1)中的纤维粉体、步骤(2)处理后的废旧聚苯乙烯塑料、聚碳酸酯塑料的组合物、步骤(3)中的废旧二氧化硅陶瓷粉体和氧化铝陶瓷粉体与氢氧化镁、马来酸酐接枝聚乙烯、聚乙烯蜡、邻苯二甲酸二丁酯、抗氧剂1010和抗紫外线吸收剂UV531的混合物、二氧化钛进行充分混匀，得到混合料；
(5)通过双螺杆挤出机，在150-250℃，转速150-200转/分钟下，对混合料进行混炼挤出并风冷造粒，制得木塑陶瓷复合材料。
对比例一
除了对比例中的废旧塑料为回收塑料粒子，本发明中的回收塑料为不规则的片料，不采用表面处理剂对废旧陶瓷粉进行表面接枝改性处理，其余组分及条件同实施例一。经挤出造粒，进行各种力学性能和摩擦性能测试。测试结果如表1所示。
表1本发明实施例的木塑陶瓷复合材料与对比例一的木塑陶瓷复合材料性能对比
从上表可以看出，本发明实施例提供的一种木塑陶瓷复合材料具有优异的耐磨性，还具有优异的力学性能、较高的抗弯强度和冲击强度、极低的吸水率和耐高低温性能优异。本发明木塑陶瓷复合材料的制备工艺简单，对设备要求低，生产能耗低，成本低，性能均优于木材及普通木塑复合材料，市场前景广阔。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种木塑陶瓷复合材料，其特征在于，由以下重量份的各原料组成：天然植物纤维40～50份，废旧塑料20～30份，废旧陶瓷粉体10～15份，阻燃剂0.1～2份，相溶剂1～4份，润滑剂0.5～2份，增塑剂1～3份，抗氧化剂0.1～0.5份，着色剂0.1～0.2份。
2.根据权利要求1所述的木塑陶瓷复合材料，其特征在于，所述天然植物纤维为废弃的农作物秸秆、稻壳、锯末、木屑、竹屑、花生壳、大豆皮、椰壳或甘蔗渣。
3.根据权利要求1所述的木塑陶瓷复合材料，其特征在于，所述废旧塑料为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、丙烯腈─丁二烯─苯乙烯共聚合物、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酷中的一种或其组合；所述废旧塑料为不规则片状。
4.根据权利要求1所述的木塑陶瓷复合材料，其特征在于，所述废旧陶瓷粉体是通过表面处理剂对废旧陶瓷粉的表面进行接枝改性所得；所述废旧陶瓷粉为氮化硅、碳化硅、二氧化硅、滑石粉、氧化铝、氧化锆中的一种或其组合。
5.根据权利要求4所述的木塑陶瓷复合材料，其特征在于，所述表面处理剂为硅烷偶联剂、钛酸酯、铝酸酯中的一种或其组合。
6.根据权利要求1所述的木塑陶瓷复合材料，其特征在于，所述阻燃剂为氢氧化铝、氢氧化镁中的一种或其组合；所述相溶剂为马来酸酐接枝聚乙烯。
7.根据权利要求1所述的木塑陶瓷复合材料，其特征在于，所述润滑剂为聚乙烯蜡；所述增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯或邻苯二甲酸二丁酯。
8.根据权利要求1所述的木塑陶瓷复合材料，其特征在于，所述抗氧化剂为三(2.4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、抗氧剂1010、抗紫外吸收剂UV531中的一种或其组合。
9.根据权利要求1所述的木塑陶瓷复合材料，其特征在于，所述着色剂为炭黑、铁红、铁黄、钛青绿、钛青蓝和二氧化钛中的一种或其组合。
10.一种如权利要求1至9任意一项所述的木塑陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.将废弃的天然植物纤维干燥后，破碎成40-80目的纤维粉体；
b.将回收的废旧塑料进行分拣、破碎、清洗、干燥处理后，进行混合均化备用；
c.将回收的废旧陶瓷进行破碎、清洗后，研磨成400-1000目的陶瓷粉，通过表面处理剂对陶瓷粉进行接枝改性处理，得到废旧陶瓷粉体；
d.将步骤a中的纤维粉体、步骤b中处理后的废旧塑料、步骤c中的废旧陶瓷粉体与剩余各原料进行充分混匀，得到混合料；
e.通过双螺杆挤出机，在加工温度150-250℃，转速150-200转/分钟下，对混合料进行混炼挤出并风冷造粒，制得木塑陶瓷复合材料。
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