CN106280348B - 利用再生材料制备的仿生物骨头结构型材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用再生材料制备的仿生物骨头结构型材及其制备方法，其制备方法包括：(1)将热固性高分子废弃物粉料和热塑性树脂A发泡挤出造粒得发泡再生粒子；(2)将发泡再生粒子灌输在由热塑性树脂B生产的热缩管中，经预热、热预压，最后通过花纹定型模具热压成型得仿生物骨头结构型材；所述的热塑性树脂A包括聚烯烃树脂、乙烯醋酸乙烯树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂、聚丙烯酸酯类树脂、聚碳酸酯树脂和其改性树脂中的一种或多种；所述的热塑性树脂B包括聚氯乙烯树脂、聚烯烃树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂、聚丙烯酸酯类树脂、聚酰胺树脂、聚碳酸酯树脂和其改性树脂中的一种或多种。该型材为表皮坚韧、内芯蓬松的仿生骨头结构复合型材。

Description

利用再生材料制备的仿生物骨头结构型材及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种利用再生材料制备的仿生物骨头结构型材及其制备方法。
背景技术
复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观(微观)上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。
申请号为CN200910106735.1的中国专利文献公开了一种聚苯乙烯画框/相框、聚苯乙烯在制作画框/相框中的应用、工艺。其制造工艺包括(1)将可发性聚苯乙烯材料进行低发泡成粒状；(2)利用高压枪将发泡颗粒注入模具中，通过蒸汽加热使得颗粒膨胀充满模腔并使颗粒互相熔合成框边；(3)利用发热线切割成标准的45°角斜边的框边；(4)利用角码将四条框边驳接而成方形画框/相框或应用胶水将已加工好的框边连接成画框/相框或两种方法同时使用。该聚苯乙烯画框/相框的框边呈内45°角的斜边边端，四块框边型材的各角端经L型角码插接后并经螺钉固定或在驳口处经胶水粘接。此方法生产的材料力学性能较差，极易折断。
申请号为CN201420018331.3的中国专利文献公开了一种PVC发泡钢塑建筑模板，它是由上钢板层、下钢板层和中间发泡芯层构成，中间发泡芯层为PVC低发泡层，发泡层厚度为10～16mm，上钢板层和下钢板层厚度为0.5～1mm。该实用新型的PVC发泡钢塑建筑模板，发泡芯层为PVC微发泡层，全部使用废旧PVC塑料，降低了模板的成本，实现了节能利废的目的；上、下硬质表层为钢板，起增强、增韧、耐磨、抗冲击、防划痕等作用；其物理力学性能优异，静曲强度≥50MPa，弹性模量≥5000MPa，防水、防潮、适应性强，循环使用次数超过50次，环保无污染，使用后的废品及边角料还可以100％回收利用。但此方法加工的板材很难进行表面花纹处理或复杂加工，不能生产线材，且金属笨重而易腐蚀。
热固性树脂废弃物包括常温固化油漆、涂料和高温烤漆等交联型树脂废弃物，也包括玻璃钢、碳纤维复合材料等热固性复合材料退役材料或生产冗余料。我国此类废物每年产生的数量以几十万吨计。据调查，今后5～10年内，统计风电行业每年退役玻璃钢风电叶片超过5万吨。此类热固性废弃物难以被再次利用，焚烧成本每吨高达2000元以上。如何再生利用将是关系重大的社会课题。
动物骨头结构是由骨密质、骨松质、和髓腔组成，具有轻便、高强、结构稳定、抗弯曲抗折能力好等优点。仿生物骨头结构的复合材料具有广泛的用途。
发明内容
本发明提供了一种利用再生材料制备的仿生物骨头结构型材及其制备方法，该型材为表皮坚韧、内芯蓬松的高分子仿生骨头结构复合型材，该型材具有结构尺寸稳定、比重小、弯曲强度较高、价格便宜等特点。
一种利用再生材料制备的仿生物骨头结构型材的制备方法，包括：
(1)将热固性高分子废弃物粉料和热塑性树脂A发泡挤出造粒得发泡再生粒子；
(2)将发泡再生粒子灌输在由热塑性树脂B生产的热缩管中，经预热、热预压，最后通过花纹定型模具热压成型得仿生物骨头结构型材；
所述的热塑性树脂A包括聚烯烃树脂、乙烯醋酸乙烯树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂、聚丙烯酸酯类树脂、聚碳酸酯树脂和其改性树脂中的一种或多种；
所述的热塑性树脂B包括聚氯乙烯树脂、聚烯烃树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂、聚丙烯酸酯类树脂、聚酰胺树脂、聚碳酸酯树脂和其改性树脂中的一种或多种。
高分子树脂热缩管是形状记忆高分子材料在实际运用的一种较成熟产品。形状记忆高分子SMP(Shape Memory Polymer)材料是指具有初始形状的制品，在一定的条件下改变其初始形状并固定后，通过外界条件(如热、光、电、化学感应)等的刺激，又可恢复其初始形状的高分子材料。
上述热塑性树脂B能加工成所需温度范围的热响应收缩的薄壁管材，并且其收缩强度比较大，其本身的强度高、模量大。
上述热塑性树脂A熔点低、成本低廉并与热缩管材料相容性好。
热固性高分子废弃物粉料与热塑性树脂A经发泡造粒后作为芯材，装入作为包覆层的热缩管中，在预热过程中，发泡再生粒子受热膨胀而热缩管受热收缩，在经过后续的热压成型后发泡再生粒子与热缩管结合在一起，形成内芯疏松，表皮坚韧的仿生物骨头型材。
本发明制备的仿生物骨头结构型材的芯材和包覆层之间具有较好的协同作用，主要表现在芯材和包覆层材料的性能有机统一，并且成本大幅下降。具体说，外层包裹材料强度大、模量高，如果只有包覆层，则该材料的形变量小，虽然型材强度大，但容易脆并且成本高；芯材强度小，韧性差，但价格低廉，二者有机统一后，不仅强度较高，发挥出包裹材料的性能特点，并且由于包裹材料较薄，使之具有非常好的韧性。
普通的采用共挤压成型的包覆材料的包覆层和芯材必须具有一定的相容性，否则会发生相分离，本发明的制备方法中芯材与包覆层不具有相容性时也可以紧密的粘接在一起，该制备方法拓宽了包覆型材料包覆层和芯材的选择范围，并且该方法制备的型材其包覆层包覆完美，没有包覆缺陷，避免了芯材中危险物质的迁移。
本发明是在研究动物骨骼结构的基础上，采用最简单、高效的方法，制备出一种仿生物骨头结构的型材，根据不同的需要可以制备多种型材，包括相框线条、门窗线条、工程模板等，该方法制备的型材具有结构尺寸稳定、比重小、弯曲强度较高、价格便宜等特点，并且该制备方法能有效处理普通方法很难处理的、具有不溶、不熔性质的热固性高分子废弃物，最终达到将热固性高分子废弃物进行再生利用的目的。
本发明中热缩管的外壁可以根据需要选择具有本色或带有装饰花纹，管径和壁厚根据具体需要进行确定。
进一步优选的，所述的热塑性树脂B为聚酯树脂、聚烯烃树脂或聚氨酯树脂。
所述的热固性高分子废弃物粉料由固体油漆废渣、热固性树脂废料和玻璃钢废料中的一种或多种制得。
热固性高分子废弃物粉料为无法熔融的高分子废弃物进行脱气、粉碎、筛选制得，无法熔融的高分子废弃物包括固体油漆废渣、热固性树脂废料、玻璃钢废料。该类热固性高分子废弃物对比无机填料具有轻质、不熔、尺寸稳定且易分散的性质，能较大提高型材的性能。
为了提高热固性高分子废弃物粉料的分散性，作为优选，所述热固性高分子废弃物粉料的粒径为80～1250目。进一步优选为300～800目。且热固性高分子废弃物粉料中无挥发性组分。
作为优选，步骤(1)中，热固性高分子废弃物粉料和热塑性树脂A采用化学发泡方法发泡，使用的发泡剂为偶氮二甲酰胺(ACA)、N，N’-二亚硝基戊撑四胺(DNPA)、4，4’-氧化二苯磺酰肼(OBSH)、偶氮二异丁腈、对苯磺酰肼、复合低温发泡剂、碳酸氢钠和水中的一种或多种。
采用上述发泡方法发泡后的材料为闭孔结构，具有极其优良的抗冲击性，反弹性，柔软性，隔音性，隔热性。
作为优选，所述的发泡剂为偶氮二甲酰胺、复合低温发泡剂和碳酸氢钠中的一种或多种。
所述的复合低温发泡剂为衢州舜泰橡塑科技有限公司生产的中温发泡剂，型号为SAK-8。
作为优选，所述的发泡剂为偶氮二甲酰胺和碳酸氢钠。偶氮二甲酰胺(ACA)发泡剂为分解放热发泡，碳酸氢钠协同发泡，碳酸氢钠分解吸热，能有效控制发泡温度，提高泡孔均匀性，同时具有很好的发泡率可控性。
作为优选，步骤(2)中，以微波加热的方式进行预热，预热温度为特定热塑性树脂A软化点以上0～15℃或热塑性树脂A熔点以下0～30℃。进一步优选的，预热温度为热塑性树脂A软化点以上2～8℃。
步骤(2)中，微波加热之前，用水湿润发泡再生粒子表面，使水分含量为2～4％。
非极性塑料本身是很难被微波加热的，所以需要先将发泡再生粒子表面润湿，再灌料。水在微波下振动发热汽化，当水蒸气接触到冷颗粒表面时，水蒸气冷凝放热，使得发泡颗粒表面加热而发粘，而且不会使得颗粒发泡结构整体塌陷；同时大部分水分会在汽化后排出，不会影响粒子之间的粘结性能。
作为优选，步骤(2)中，花纹定型模具热压温度高于热缩管的软化点10～25℃。
作为优选，步骤(2)中，采用压缩空气吹料的方法将发泡再生粒子灌输在热缩管中。灌料时，将热缩管的一端用滤芯限制防止漏料，另一端采用高压吸料风机利用压缩空气输送发泡再生粒子进入热缩管中。
本发明制备方法具体过程为：在热固性高分子再生粉料和热塑性树脂A中加入发泡剂和助剂后，利用螺杆挤出机发泡挤出，冷却切粒得发泡再生粒子；将发泡再生粒子通过高压吸料风机灌输到热缩管中，传送进入微波加热机中预热到热塑性树脂A的软化点以上2～8℃，再通过花纹定型模具热压成型，花纹定型模具温度高于热缩管的软化点10～25℃；最后冷却、切断、包装。
本发明所使用的花纹定性模具包括带有加热装置的上下模压滚筒，上下模压滚筒包括模压辊和可分离套在模压辊外的花纹模套。花纹模套可以根据型材的要求加工，可以为光板或带花纹。可以加工出方形条状材料、圆形或椭圆柱状材料、扁条、弧形线条、平板等型材。
本发明还提供了一种根据上述制备方法制备的仿生物骨头结构型材。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的制备方法，是将高强度、高韧性的高分子热缩管有效地包裹在发泡再生粒子外，在发泡再生粒子表面含有一定水份的前提下，通过微波加热的方法，使得发泡再生粒子表面温度高于其软化点时，颗粒膨胀挤压的同时热缩管收缩而使其表面粘结，最后在模具的压力下模压成型，形成一种表皮坚韧，内芯蓬松的高分子仿生骨头结构复合型材。因此芯材与包覆层不具有相容性时也可以紧密的粘接在一起，该制备方法拓宽了包覆型材料包覆层和芯材的选择范围；
(2)本发明的制备方法有效利用热固性高分子废弃物，极大的提高了此类型材的性价比，有着丰富的市场前景，并且制备的型材包覆层包裹均匀，没有包覆缺陷，避免了芯材中危险物质的迁移；
(3)本发明制备方法加工方便，可生产圆形材料、板材、线材等，制备的型材边角圆润丰满，结构花纹丰富，材料四面的力学性能都非常突出。
附图说明
图1为模压成型工艺的示意图。
图中：1、微波预热机；2、第一加热预压辊；3、第二加热预压辊；4、第三加热预压辊；5、预热保温箱；6、上模压辊；7、花纹模套；8、退火控温箱；9、牵引辊；10、高压吹料风机；11、下模压辊；12、热缩管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本发明的制备方法是将热固性高分子废弃物粉料和热塑性树脂A发泡挤出造粒得发泡再生粒子；再将发泡再生粒子作为芯材，将由热塑性树脂B生产的热缩管作为包覆层仅模压成型制得仿生物骨头结构型材。
如图1所示，具体的模压成型工艺包括：通过高压吸料风机10利用压缩空气将发泡再生粒子有效灌输到热缩管12中；将灌装有发泡再生粒子的热缩管12经微波预热机1预热至发泡再生粒子软化；再在预热保温箱5中经第一加热预压辊2、第二加热预压辊3、第三加热预压辊4加热预压至热缩管12软化；软化后的热缩管12再经上下模压滚筒模压成型；成型后的型材经过退火保温箱后由牵引辊输出，再进行后续的冷却、切断、包装。
加热预压辊的数量也可以根据需要进行具体的选择，并不限于3个。
上下模压滚筒包括模压辊(上模压辊6和下模压辊11)和可分离套在模压辊外的花纹模套7。花纹模套7可以根据型材的要求加工，可以为光板或带花纹。可以加工出方形条状材料、圆形或椭圆柱状材料、扁条、弧形线条、平板等型材。
实施例1
聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)木纹门窗套线材
将一种不饱和聚酯油漆固体废渣进行破碎、脱挥、过筛，筛选其中300目～500目粉末，将此粉末、低熔点耐水解聚酯树脂(熔点176℃)和发泡剂偶氮二甲酰胺(ACA)、碳酸氢钠、发泡促进剂氧化锌、分散润滑剂、抗氧剂215等用用高速预混机机分散后加入螺杆挤出机挤出发泡，水冷切粒；挤出熔体温度200～210℃左右，挤出压力0.6～0.8MPa，得到发泡再生粒子，此颗粒为闭孔发泡颗粒，比重0.32公斤/升。
具体配比为(按重量份)：
抗氧剂215为天津市信立丰科技发展有限公司生产的复合抗氧剂，型号为215。
然后将发泡再生粒子通过高压吸料风机利用高压空气灌输在直径100mm、壁厚1.2mm的PET木纹热缩管中。灌料时，将PET热缩管一头用海绵状通孔发泡软塞堵上，但保证出气，灌料后将热缩管前端通孔软塞去除后密闭，并加上牵引力，然后由传送带进入微波加热机中将管内发泡粒子预热到180～190℃，通过220℃、240℃、260℃三道加热预压辊加热PET热缩管，并使得热缩管收缩，接着再通过花纹定型辊160℃热压成型；最后退火区120～140℃进行结晶处理，处理后风冷冷却并根据标准切断、包装，得到宽120mm、厚18mm～10mm门窗装饰木纹线条。
实施例2
聚烯烃木纹相框木纹线材
将一种热固性树脂固体废渣(纽扣树脂冗余料)进行破碎、脱挥、过筛，筛选其中300目～500目粉末，将此粉末、聚烯烃弹性体(POE)树脂(熔点66℃)、高密度聚乙烯(HDPE)树脂(熔点120℃)和复合发泡剂SAK-8、碳酸氢钠、分散润滑剂N，N’-乙撑双硬脂酰胺(EBS)、抗氧剂215等用高速预混机机分散后加入螺杆挤出机挤出发泡，水冷切粒；挤出熔体温度为150～160℃左右，挤出压力2～3MPa，得到发泡再生粒子。此颗粒为闭孔发泡颗粒，比重0.30公斤/升。
具体配比为(按重量份)：
SAK-8是ACA发泡剂改性后的一种，是以ACA为气源，然后添加促进剂使得发泡温度降低到设定温度的一种定型产品。SAK-8为衢州舜泰橡塑科技有限公司生产的中温发泡剂，型号为SAK-8。
然后将发泡再生粒子通过高压吸料风机利用高压空气灌输在直径50mm，壁厚0.8mm的聚丙烯(PP)木纹热缩管中。灌料时，将PP热缩管一头用海绵状通孔发泡软塞堵上，但保证出气，灌料后将热缩管前端通孔软塞去除后密闭，并加上牵引力，然后由传送带进入微波加热机中将管内发泡粒子预热到120℃，通过120℃、140℃、170℃三道预压加热辊加热PP热缩管，并使得热缩管收缩，接着再通过花纹定型辊115℃热压成型。最后退火区60～80℃进行结晶处理，处理后风冷冷却并根据标准切断、包装，得到宽6.5mm、厚15mm～8mm的相框装饰木纹线条。
实施例3
聚烯烃标准建筑模板
将一种退役风电叶片玻璃钢废料进行破碎、脱挥、过筛，筛选其中80目～200目粉末，将此粉末、高密度聚乙烯树脂(熔点135℃)和复合发泡剂SAK-8、碳酸氢钠、分散润滑剂N，N’-乙撑双硬脂酰胺(EBS)、抗氧剂215等用高速预混机机分散后加入螺杆挤出机挤出发泡，水冷切粒；挤出熔体温度150～160℃左右，挤出压力2～3MPa，得到发泡再生粒子。此颗粒为闭孔发泡颗粒，比重0.36公斤/升。
具体配比为(按重量份)：
然后将发泡再生粒子通过高压吸料风机利用高压空气灌输在直径700mm，壁厚2.2mm的抗冲击聚丙烯(PP)木纹热缩管中。灌料时，将抗冲击PP热缩管一头用海绵状通孔发泡软塞堵上，但保证出气；灌料后将热缩管前端通孔软塞去除后密闭，并加上牵引力，然后由传送带进入微波加热机中将管内发泡粒子预热到135℃，通过110℃、120℃、135℃、145℃、155℃、165℃六道预压加热辊加热PP热缩管，并使得热缩管收缩，接着再通过花纹定型辊115℃热压成型。最后退火区60～80℃进行结晶处理，处理后风冷冷却并根据标准长1830mm切断、包装，得到宽915mm、厚15mm的标准建筑模板。
实施例4
带加强筋的建筑模板
将一种退役风电叶片玻璃钢废料进行破碎、脱挥、过筛，筛选其中80目～120目粉末，将此粉末、抗冲击聚丙烯和复合发泡剂SAK-8、碳酸氢钠、分散润滑剂N，N’-乙撑双硬脂酰胺(EBS)、抗氧剂215等用高速预混机机分散后加入螺杆挤出机挤出发泡，水冷切粒；挤出熔体温度150～160℃左右，挤出压力2～3MPa，得到发泡再生粒子。此颗粒为闭孔发泡颗粒，比重0.36公斤/升。
具体配比为(按重量份)：
然后将发泡再生粒子通过高压吸料风机利用高压空气灌输在直径750mm，壁厚2.2mm的抗冲击聚丙烯(PP)木纹热缩管中；灌料时，将抗冲击PP热缩管一头用海绵状通孔发泡软赛堵上，但保证出气；灌料后将热缩管前端通孔软赛去除后密闭，并加上牵引力，然后由传送带进入微波加热机中将管内发泡粒子预热到135℃，通过110℃、120℃、135℃、145℃、155℃、165℃六道预压加热辊加热PP热缩管，并使得热缩管收缩，接着再通过花纹定型辊110℃热压成型。最后退火区60～80℃进行结晶处理，处理后风冷冷却并根据标准切断、包装，得到宽915mm、三加强筋厚50mm、板厚15mm的加强建筑模板。
实施例5
亚克力石材纹理相框
将一种退役风电叶片玻璃钢废料进行破碎、脱挥、过筛，筛选其中120目～200目粉末，将此粉末、乙烯醋酸乙烯树脂(EVA)、高密度聚乙烯树脂(熔点135℃)和复合发泡剂SAK-8、碳酸氢钠、分散润滑剂N，N’-乙撑双硬脂酰胺(EBS)、抗氧剂215等用高速预混机机分散后加入螺杆挤出机挤出发泡，水冷切粒；挤出熔体温度150～160℃左右，挤出压力0.9～1.0MPa，得到发泡再生粒子。此颗粒为闭孔发泡颗粒，比重0.75公斤/升。
具体配比为(按重量份)：
然后将发泡再生粒子通过高压吸料风机利用高压空气灌输在直径48mm，壁厚1.0mm的聚甲基丙烯酸甲酯树脂(亚克力)石材纹理热缩管中。灌料时，将抗冲击亚克力热缩管一头用海绵状通孔发泡软塞堵上，但保证出气，灌料后将热缩管前端通孔软塞去除后密闭，并加上牵引力，然后由传送带进入微波加热机中将管内发泡粒子预热到125℃，通过165℃、200℃、225℃、235℃四道预压加热辊加热亚克力热缩管，并使得热缩管收缩，接着再通过花纹定型辊135℃热压成型；最后退火区35～70℃进行结晶处理，处理后风冷冷却并根据标准切断、包装，得到6.5mm、厚15mm～8mm的相框装饰石材纹理线条。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种利用再生材料制备的仿生物骨头结构型材的制备方法，其特征在于，包括：
(1)将热固性高分子废弃物粉料和热塑性树脂A发泡挤出造粒得发泡再生粒子；
所述热固性高分子废弃物粉料的粒径为80～1250目；
(2)将发泡再生粒子灌输在由热塑性树脂B生产的热缩管中，经预热、热预压，最后通过花纹定型模具热压成型得仿生物骨头结构型材；
花纹定型模具热压温度高于热缩管的软化点5～35℃；
以微波加热的方式进行预热，预热温度为热塑性树脂A软化点以上0～15℃或热塑性树脂A熔点以下0～30℃；
微波加热之前，用水湿润发泡再生粒子表面，使水分含量为2～4％；
所述的热塑性树脂A包括聚烯烃树脂、乙烯醋酸乙烯树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂、聚丙烯酸酯类树脂、聚碳酸酯树脂和其改性树脂中的一种或多种；
所述的热塑性树脂B包括聚氯乙烯树脂、聚烯烃树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂、聚丙烯酸酯类树脂、聚酰胺树脂、聚碳酸酯树脂和其改性树脂中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的热固性高分子废弃物粉料由固体油漆废渣、热固性树脂废料和玻璃钢废料中的一种或多种制得。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，热固性高分子废弃物粉料和热塑性树脂A采用化学发泡方法发泡，使用的发泡剂为偶氮二甲酰胺、N,N’-二亚硝基戊撑四胺、4,4’-氧化二苯磺酰肼、偶氮二异丁腈、对苯磺酰肼、复合低温发泡剂、碳酸氢钠和水中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，采用压缩空气吹料的方法将发泡再生粒子灌输在热缩管中。
5.一种根据权利要求1～4任一项所述的制备方法制备的仿生物骨头结构型材。
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