CN106273302A - 一种高性能木塑复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高性能木塑复合材料的制备方法，属于高分子材料技术领域。所述方法首先将废弃的烟杆粉碎，依次经过微波烘干、蒸汽爆破和生物酶预处理，得到预处理过的烟杆纤维粉，将回收的塑料经熔融接枝改性后，与预处理过的烟杆纤维粉混合，加入助剂，高速共混，微发泡后，进行挤出成型，冷却脱模后即得到高性能木塑复合材料。本发明提供的一种高性能木塑复合材料的制备方法制备的产品提高了木塑复合材料中木质纤维的含量，同时增强了木质纤维与塑料之间的结合力，生产的木塑复合材料密度小、木质感强、耐磨性好、力学性能高、强度大，而且降低了生产成本。

Description

一种高性能木塑复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种高性能木塑复合材料的制备方法。
背景技术
木塑复合材料是一种以木质纤维和塑料为主要原料复合制备而成，兼具木材和塑料的双重的特性，具有优良的耐水、耐腐蚀性能，耐虫蛀、尺寸稳定性好、易加工、耐磨，还可以用回收的农林作物和废旧塑料为原料制得，并且可循环使用，可以为治理石油基塑料的“白色污染”提供很好的解决方案，倍受人们的关注。木塑复合材料的最主要用途之一是替代实体木材在各领域中的应用。
我国烟草的种植面积和产量均居世界首位，但是在完成采摘和收购烟叶的任务后，大量的烟秆或被丢弃于田间或被晒干焚烧。烟草废弃物未得到有效的处理和利用，不仅造成烟草秸秆资源的浪费，而且对我国的生态环境也造成了严重影响。因此，回收利用成本低的废弃烟秆意义重大。
目前，木塑复合材料主要存在以下两方面的问题：一是未经处理的木质纤维与塑料的相容性差，导致两者的结合强度低，使得木塑复合材料的品质难以提高；
二是木塑复合材料中的木质纤维添加量低，塑料的添加量仍然较高，现有的木塑复合材料的木质纤维填充量一般都在30%左右，材料的力学性能及韧性普遍差，且木塑复合材料的成本、价格仍然偏高，当木质纤维含量提高时，产品的密度大，力学性能下降。因此，在保证木质纤维含量高的前提下，如何确保塑料与木质纤维之间具有良好的相容性、使制备的木塑复合材料具有良好的力学性能、同时降低成本这一问题急需得以解决。
发明内容
本发明以废弃的烟杆和回收的塑料为主要原料，烟杆纤维作为木质纤维，提供一种高性能木塑复合材料的制备方法，该方法不仅可大大提高木塑复合材料中木质纤维的含量，增强生物质纤维与塑料的结合紧密性，增强木塑复合材料的木质感，降低生产成本，而且生产的木塑复合材料具有强度高、韧性好、稳定性好等良好的力学性能。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种高性能木塑复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）烟杆预处理：将烟杆粉碎，粒度为80-100目，得到烟杆纤维粉，然后依次采用微波烘干、蒸汽爆破、生物酶处理，得到预处理后的烟杆纤维粉；
（2）塑料改性：将回收的废弃塑料粉碎，进行熔融接枝改性，得到改性塑料；
（3）高速共混成型：称取预处理后的烟杆纤维粉和改性塑料，加入助剂，在转速为3000-4500r/min下混合搅拌10-15min，混合均匀，微发泡后，进行挤出成型，冷却脱模后即可。
优选地，所述步骤（1）烟杆预处理中，微波烘干至烟杆纤维粉的水分含量≤5%。
优选地，所述步骤（1）烟杆预处理中，蒸汽爆破时，水蒸汽相对压力为2.5-4MPa，汽蒸处理的相对压力为1.5-3.5MPa，汽蒸时间为15-30min。
优选地，所述步骤（1）烟杆预处理中，生物酶处理的具体步骤为：
（A）以冰醋酸和醋酸钠为原料，配制pH=4.9的醋酸-醋酸钠缓冲溶液；
（B）按重量比为1:1称取烟杆纤维粉和醋酸-醋酸钠缓冲溶液，搅拌均匀，然后加入生物酶，生物酶的用量为：烟杆纤维粉重量的1.5-2%，搅拌均匀后，在温度为50℃的条件下静置反应2h；
（C）干燥：将步骤（B）的溶液过滤，将得到的滤饼干燥，备用。
优选地，所述步骤（1）烟杆预处理中，采用的生物酶为纤维素精酶。
优选地，上述步骤（2）塑料改性的具体步骤为：先将回收的废弃塑料进行分捡去杂、清洗烘干、粉碎，然后加入塑料质量0.5%的顺丁烯二酸酐进行10-15min的充分混合，进行熔融挤出，挤出温度220℃，物料停留时间2-3min。
优选地，上述步骤（3）中，预处理后的烟杆纤维粉、改性塑料和助剂的重量比为：13:6:1。
优选地，上述步骤（3）中，采用的助剂为：硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、润滑剂、抗老化剂和阻燃剂，其中，各助剂之间的重量比为硅烷偶联剂：钛酸酯偶联剂：润滑剂：抗老化剂：阻燃剂=9:5:6:1:4。
优选地，上述步骤（3）中，挤出成型的工艺参数为：温度220℃、螺杆转速7r/min、挤出压力8MPa、牵引速度1.55-1.65m/min，加料速度12r/min。
本发明具有以下优点：
本发明提供的方法生产的木塑复合材料，木质纤维含量高，烟杆纤维的含量达65%，而产品的发泡密度仍然可以控制在0.85-1.25 g/cm3，克服了木质纤维含量高时，木塑复合材料难于发泡、密度大的缺点。此外，从外观上看，产品表面光洁、木质感突出。充分利用了废弃的烟杆资源，烟杆纤维用量的提高，也进一步降低了产品的生产成本。
本发明利用微波烘干、蒸汽爆破处理和生物酶技术对烟杆纤维进行预处理，环保经济，降低烟杆纤维的极性，增强了烟杆纤维与塑料的相容性，使得二者间界面相互作用力增强，经过与接枝改性的塑料高速共混成型后，生产的木塑复合材料耐磨性好、力学性能高、强度大。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种高性能木塑复合材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）烟杆预处理：将烟杆粉碎，粒度为80目，得到烟杆纤维粉，置于微波炉中，烘干至烟杆纤维粉的水分含量≤3%，然后进行蒸汽爆破，水蒸汽相对压力为2.5MPa ，汽蒸处理的相对压力为1.5MPa ，汽蒸时间为15min；然后用纤维素精酶对经过蒸汽爆破的烟杆纤维粉进行生物酶处理，具体步骤如下：
（A）以冰醋酸和醋酸钠为原料，配制pH=4.7的醋酸-醋酸钠缓冲溶液；
（B）按重量比为1:1称取烟杆纤维粉和醋酸-醋酸钠缓冲溶液，搅拌均匀，然后加入生物酶，生物酶的用量为：烟杆纤维粉质量的1.5%，搅拌均匀后，在温度为50℃的条件下静置反应2h；
（C）干燥：将步骤（B）的溶液过滤，将得到的滤饼干燥，备用；
（2）塑料改性：先将回收的废弃塑料进行分捡去杂、清洗烘干、粉碎，然后加入塑料质量0.5%的顺丁烯二酸酐(简称MAH)进行10min的充分混合，再将混合料加入螺杆挤出机中进行熔融挤出，挤出温度220℃，物料停留时间2min；
（3）高速共混成型：按照重量比13:6:1分别称取预处理后的烟杆纤维粉、改性塑料和助剂，其中，所采用的助剂为：硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、润滑剂、抗老化剂和阻燃剂，各助剂之间的重量比为硅烷偶联剂：钛酸酯偶联剂：润滑剂：抗老化剂：阻燃剂=9:5:6:1:4。混合均匀后置于挤出机中，在模具中进行微发泡后，进行挤出成型，挤出成型时挤出机的工艺参数为：温度：220℃、螺杆转速 7r/min、挤出压力8MPa、牵引速度 1.55m/min，加料速度12r/min，冷却脱模后即得到高性能木塑复合材料。
制备的木塑复合材料性能如下：
烟杆纤维含量：65%；密度：1.25g/cm3 ；抗弯强度：32MPa；弯曲模量 2520MPa；冲击强度16.3kJ/m2；拉升强度：17.2 MPa。
实施例2
一种高性能木塑复合材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）烟杆预处理：将烟杆粉碎，粒度为100目，得到烟杆纤维粉，置于微波炉中，烘干至烟杆纤维粉的水分含量≤5%，然后进行蒸汽爆破，水蒸汽相对压力为4MPa ，汽蒸处理的相对压力为3.5MPa ，汽蒸时间为30min；然后用纤维素精酶对经过蒸汽爆破的烟杆纤维粉进行生物酶处理，具体步骤如下：
（A）以冰醋酸和醋酸钠为原料，配制pH=4.9的醋酸-醋酸钠缓冲溶液；
（B）按重量比为1:1称取烟杆纤维粉和醋酸-醋酸钠缓冲溶液，搅拌均匀，然后加入生物酶，生物酶的用量为：烟杆纤维粉质量的2%，搅拌均匀后，在温度为50℃ 的条件下静置反应2h；
（C）干燥：将步骤b的溶液过滤，将得到的滤饼干燥，备用；
（2）塑料改性：将回收的废弃塑料进行粉碎、熔融接枝改性：先将回收的废弃塑料进行分捡去杂、清洗烘干、粉碎，然后加入塑料质量0.5%的顺丁烯二酸酐(MAH)进行15min的充分混合，再将混合料加入螺杆挤出机中进行熔融挤出，挤出温度220℃，物料停留时间3min；
（3）高速共混成型：按照重量比13:6:1分别称取预处理后的烟杆纤维粉、改性塑料和助剂，其中，所采用的助剂为：硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、润滑剂、抗老化剂和阻燃剂，各助剂之间的重量比为硅烷偶联剂：钛酸酯偶联剂：润滑剂：抗老化剂：阻燃剂=9:5:6:1:4。混合均匀后置于挤出机中，在模具中进行微发泡后，进行挤出成型，挤出成型时挤出机的工艺参数为：温度：220℃、螺杆转速 7r/min、挤出压力8MPa、牵引速度 1.65m/min，加料速度12r/min，冷却脱模后即得到高性能木塑复合材料。
制备的木塑复合材料性能如下：
烟杆纤维含量：65%；密度：0.85 g/cm3；抗弯强度：26MPa；弯曲模量： 2400MPa；冲击强度：12.5kJ/m2；拉升强度：11.67 MPa。
实施例3
一种高性能木塑复合材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）烟杆预处理：将烟杆粉碎，粒度为90目，得到烟杆纤维粉，置于微波炉中，烘干至烟杆纤维粉的水分含量≤4%，然后进行蒸汽爆破，水蒸汽相对压力为3MPa ，汽蒸处理的相对压力为2MPa ，汽蒸时间为23min；然后用纤维素精酶对经过蒸汽爆破的烟杆纤维粉进行生物酶处理，具体步骤如下：
（A）以冰醋酸和醋酸钠为原料，配制pH=4.9的醋酸-醋酸钠缓冲溶液；
（B）按重量比为1:1称取烟杆纤维粉和醋酸-醋酸钠缓冲溶液，搅拌均匀，然后加入生物酶，生物酶的用量为：烟杆纤维粉质量的2%，搅拌均匀后，在温度为50℃ 的条件下静置反应2h；
（C）干燥：将步骤b的溶液过滤，将得到的滤饼干燥，备用；
（2）塑料改性：将回收的废弃塑料进行粉碎、熔融接枝改性：先将回收的废弃塑料进行分捡去杂、清洗烘干、粉碎，然后加入塑料质量0.5%的顺丁烯二酸酐(MAH)进行12min的充分混合，再将混合料加入螺杆挤出机中进行熔融挤出，挤出温度220℃，物料停留时间2.8min；
（3）高速共混成型：按照重量比13:6:1分别称取预处理后的烟杆纤维粉、改性塑料和助剂，其中，所采用的助剂为：硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、润滑剂、抗老化剂和阻燃剂，各助剂之间的重量比为硅烷偶联剂：钛酸酯偶联剂：润滑剂：抗老化剂：阻燃剂=9:5:6:1:4。混合均匀后置于挤出机中，在模具中进行微发泡后，进行挤出成型，挤出成型时挤出机的工艺参数为：温度：220℃、螺杆转速 7r/min、挤出压力8MPa、牵引速度 1.60m/min，加料速度12r/min，冷却脱模后即得到高性能木塑复合材料。
制备的木塑复合材料性能如下：
烟杆纤维含量：65%；密度：1.02 g/cm3 ；抗弯强度：35MPa；弯曲模量：2520MPa；冲击强度：14.3kJ/m2；拉升强度：15.23MPa。

Claims (9)

1.一种高性能木塑复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）烟杆预处理：将烟杆粉碎，粒度为80-100目，得到烟杆纤维粉，然后依次采用微波烘干、蒸汽爆破、生物酶处理，得到预处理后的烟杆纤维粉；
（2）塑料改性：将回收的废弃塑料粉碎，进行熔融接枝改性，得到改性塑料；
（3）高速共混成型：称取预处理后的烟杆纤维粉和改性塑料，加入助剂，在转速为3000-4500r/min下混合搅拌10-15min，混合均匀，微发泡后，进行挤出成型，冷却脱模后即可。
2.根据权利要求1所述的一种高性能木塑复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）烟杆预处理中，微波烘干至烟杆纤维粉的水分含量≤5%。
3.根据权利要求1所述的一种高性能木塑复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）烟杆预处理中，蒸汽爆破时，水蒸汽相对压力为2.5-4MPa ，汽蒸处理的相对压力为1.5-3.5MPa，汽蒸时间为15-30min。
4.根据权利要求1所述的一种高性能木塑复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）烟杆预处理中，生物酶处理的具体步骤为：
（A）以冰醋酸和醋酸钠为原料，配制pH=4.9的醋酸-醋酸钠缓冲溶液；
（B）按重量比为1:1称取烟杆纤维粉和醋酸-醋酸钠缓冲溶液，搅拌均匀，然后加入生物酶，生物酶的用量为：烟杆纤维粉重量的1.5-2%，搅拌均匀后，在温度为50℃的条件下静置反应2h；
（C）干燥：将步骤（B）的溶液过滤，将得到的滤饼干燥，备用。
5.根据权利要求1或4所述的一种高性能木塑复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）烟杆预处理中，采用的生物酶为纤维素精酶。
6.根据权利要求1所述的一种高性能木塑复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）塑料改性的具体步骤为：先将回收的废弃塑料进行分捡去杂、清洗烘干、粉碎，然后加入塑料质量0.5%的顺丁烯二酸酐进行10-15min的充分混合，进行熔融挤出，挤出温度220℃，物料停留时间2-3min。
7.根据权利要求1所述的一种高性能木塑复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中预处理后的烟杆纤维粉、改性塑料和助剂的重量比为：13:6:1。
8.根据权利要求1或7所述的一种高性能木塑复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中采用的助剂为：硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、润滑剂、抗老化剂和阻燃剂，其中，各助剂之间的重量比为硅烷偶联剂：钛酸酯偶联剂：润滑剂：抗老化剂：阻燃剂=9:5:6:1:4。
9.根据权利要求1所述的一种高性能木塑复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，挤出成型的工艺参数为：温度：220℃、螺杆转速7r/min、挤出压力8MPa、牵引速度1.55-1.65m/min，加料速度12r/min。
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