CN107083077A - 一种耐候性能增强的木塑复合材料的制造方法 - Google Patents

一种耐候性能增强的木塑复合材料的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种耐候性能大幅改善的新型木塑复合材料的制备方法，将热塑性塑料、木质纤维、高温润滑剂、高温偶联剂按比例混合均匀，得到混合物料；经碳化造粒和碳化挤压，再经常规冷却、牵引、切割，得到木塑材料，其中，碳化造粒和碳化挤压的温度为250～290℃。本发明的木塑复合材料表面与断面乌黑，有金属光泽，敲击有金属声；热胀冷缩形变小，热变形温度大幅提升；吸湿性显著降低，不易发生腐蚀与解体，耐候性好；耐紫外线能力增强。

Description

一种耐候性能增强的木塑复合材料的制造方法
技术领域
本发明涉及一种木塑材料及其制备方法，具体涉及一种耐候性能增强的木塑材料及其制备方法。
背景技术
木塑，即木塑复合材料（Wood- Plastic Composites,WPC），是国内外近年蓬勃兴起的一类新型复合材料，指利用聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等，代替通常的树脂胶粘剂，与35～70%以上的木粉、稻壳、秸秆等废植物纤维混合成新的木质材料，再经挤压、模压、注塑成型等塑料加工工艺，生产出的板材或型材。
木塑材料主要用于建材、家具、物流包装等行业，应用灵活，可以应用于木材加工的任何领域，取代木材；木塑还是一种环保材料，不含甲醛，可回收循环利用，应用较为广泛，但是木塑也存在以下问题：
1、吸水性强，不仅在湿度变化时造成材料的伸缩变形，而且容易让微生物以及微生物分泌的酶类物质随着水分深入到材料内部，发生自内向外的腐蚀与解体，严重影响产品的耐久性。
2、耐紫外线能力不足，表面容易发生光氧化反应，导致材料褪色以及表面氧化腐蚀；
3、热变形严重，冷热变化产生内部应力，热变形温度偏低，限制了部分应用场景。
专利申请CN105733129A公开了一种碳化植物纤维改性木塑复合材料，由如下组分和重量份数组成：废旧塑料100份、碳化植物纤维2～90份、增容剂0.05～40份、加工改性剂0.1～40份、热稳定剂0～25份、交联剂0～20份、润滑剂0～35份、抗氧剂0～30份、抗冲击改性剂1～30份；经碳化处理的植物纤维具有良好的耐候性、韧性、抗冲击强度，甲基丙烯酸-苯乙烯树脂同样具有较高的抗冲击性能及硬度，马来酸酐接枝的丙烯腈-苯乙烯共聚物增溶剂能够有效提高树脂与碳化植物纤维、填料之间的界面结合力，进一步提高材料的抗变形能力。此方法的缺点在于：1、成本增加，植物纤维的碳化处理（相当于制作碳纤维原丝）是一个高能耗、高成本的过程；2、步骤比较复杂，增加了植物纤维碳化的步骤；3、植物纤维碳化的程度难以把握，容易碳化不足或者碳化过度，碳化不足时仍然是植物纤维，碳化过度时形成碳粉，丧失纤维属性不再有力学性能；4、碳化植物纤维作为单独的原料在于其它木塑组分混合造粒时，表面能（即石墨的表面能）很高，易形成一层极薄的气膜，阻止它与其它木塑组分的混合与相容，内部结合力弱，造成的结果就是虽然添加了碳化植物纤维，但是木塑的整体力学性能提高有限。
发明内容
为了解决现有的木塑复合材料问题，本发明提供了一种耐候性能大幅改善的新型木塑复合材料的制备方法。
本发明通过下列技术方案实现：一种耐候性能大幅改善的新型木塑复合材料的制备方法，经过以下步骤：
（1）按下列质量份的组分备料：
热塑性塑料100份、木质纤维100～200份、高温润滑剂1～10份、高温偶联剂10～20份；
（2）将步骤（1）中的各组分混合均匀，得到混合物料；
（3）将步骤（2）的混合物料经碳化造粒和碳化挤压，再经常规冷却、牵引、切割，得到木塑材料，所述碳化造粒和碳化挤压是在常规的多段造粒和多段挤压工序中，将其中温度最高段的温度均提升为250～290℃。
所述步骤（1）的热塑性塑料为聚苯乙烯、高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛，聚碳酸酯，聚酰胺、丙烯酸类塑料、聚砜、聚苯醚，聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯硫醚、聚醚砜、聚醚醚酮、热塑性聚酰亚胺中的一种或几种。
所述步骤（1）的木质纤维为木粉、竹粉、农作物秸秆粉中的一种或几种。
所述步骤（1）的高温润滑剂为硬脂酸、硬脂酸盐、石蜡、聚乙烯蜡、聚丙烯蜡的一种或几种。
所述步骤（1）的高温偶联剂为钛酸酯、异氰酸酯、马来酸酐接枝聚苯乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚丙烯中的一种或几种。
现有技术中，木塑材料生产的造粒和挤压温度一般控制在150～180℃，最高不超过200℃，以避免原料的分解以及木塑的碳化。
本发明提高造粒与挤压成型的温度达250～290℃。在高温碳化造粒中，木质纤维发生部分碳化反应，生成碳化（脱氢脱氧）的木质素。碳化过程虽导致木质纤维的强度有所下降，但是木质纤维由亲水性变为疏水性，与疏水性的热塑性塑料或纤维间的范德华力（主要为色散力与疏水作用）明显增强，不仅补偿了碳化过程导致木质纤维的强度下降，而且还使得木塑材料的整体力学性能略有提升，并且使得木塑材料的耐候性能大幅提升。
木质纤维在高温下发生的部分碳化反应，部分脱除了原料中的氢元素、氧元素和其它的非碳元素，降低了材料的亲水性，碳化产物（碳化木质素）的生成更增强了材料的疏水性。所以材料吸水性显著下降，热膨胀系数显著下降，热稳变形温度显著升高，耐紫外线能力显著增强。材料部分碳化之后，还显著增强了对微生物、生物酶以及白蚁的耐受能力，进一步提升了该材料在湿热与白蚁高发地区的使用寿命。
本发明与现有技术相比，有以下有益效果：
1、材料吸水性小，减少了材料在吸水过程中吸入微生物以及生物酶导致的自内向外的腐蚀，材料的整体耐候性能显著增强；
2、材料表面发生部分碳化，增强了对紫外线的耐受能力，降低了光氧化导致材料褪色、表面腐蚀的程度，材料表面的耐候性显著增强；
3、材料表面发生部分碳化，增强了对微生物以及生物酶的耐受能力，材料表面不容易生霉，降低了清理与清洗的难度；
4、热膨胀系数明显降低，冷热变化导致的应力大幅减少，减少了龙骨与衬板的使用，简化了安装过程；
5、材料的热变形温度显著提升，可以应用到温度较高的环境中，增加了产品的应用场景。
本发明与专利申请CN105733129A相比，本发明不仅步骤简单，碳化程度容易控制（木塑生产的过程中本来就有严格的温度控制，同时也就控制了木质纤维碳化的程度），而且木质纤维是先与木塑其它组分混合均匀并且界面融合之后再发生的碳化反应，碳化木质素已经均匀分布在木塑材料中了。虽然碳化过程导致木质纤维的强度有所下降，但是木质纤维由亲水性变为疏水性，与疏水性的热塑性塑料或纤维间的范德华力（主要为色散力与疏水作用）明显增强，不仅补偿了碳化过程导致木质纤维的强度下降，而且还使得木塑材料的力学性能略有提升。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
（1）按下列质量份的组分备料：
聚苯乙烯10份、高密度聚乙烯20份、低密度聚乙烯10份、聚乙烯60份、木粉100份、硬脂酸盐2份、石蜡1份、聚乙烯蜡5份、马来酸酐接枝聚苯乙烯1份、马来酸酐接枝聚乙烯14份；
（2）将步骤（1）中的各组分混合均匀，得到混合物料；
（3）将步骤（2）的混合物料在双螺杆挤出造粒机中进行碳化造粒和碳化挤压，所述碳化造粒和碳化挤压是在常规的多段造粒和多段挤压工序中，将其中温度最高段的温度均提升为250～260℃，转速为30r/min，再经常规冷却、牵引、切割，得到木塑材料。
实施例2
（1）按下列质量份的组分备料：
聚丙烯40份、聚氯乙烯10份、聚苯乙烯10份、聚甲醛10份，聚碳酸酯10份，聚酰胺20份、竹粉150份、聚丙烯蜡5份、钛酸酯4份、马来酸酐接枝聚丙烯中的一种或几种6份；
（2）将步骤（1）中的各组分混合均匀，得到混合物料；
（3）将步骤（2）的混合物料在双螺杆挤出造粒机中进行碳化造粒和碳化挤压，所述碳化造粒和碳化挤压是在常规的多段造粒和多段挤压工序中，将其中温度最高段的温度均提升为260～270℃，转速为20r/min，再经常规冷却、牵引、切割，得到木塑材料。
实施例3
（1）按下列质量份的组分备料：
丙烯酸类塑料10份、聚砜10份、聚苯醚10份，聚对苯二甲酸乙二醇酯10份、聚对苯二甲酸丁二醇酯10份、聚苯硫醚10份、聚醚砜10份、聚醚醚酮10份、热塑性聚酰亚胺20份、农作物秸秆粉200份、硬脂酸2份、硬脂酸盐2份、钛酸酯4份、异氰酸酯16份；
（2）将步骤（1）中的各组分混合均匀，得到混合物料；
（3）将步骤（2）的混合物料在双螺杆挤出造粒机中进行碳化造粒和碳化挤压，所述碳化造粒和碳化挤压是在常规的多段造粒和多段挤压工序中，将其中温度最高段的温度均提升为270～280℃，转速为40r/min，再经常规冷却、牵引、切割，得到木塑材料。
实施例4
（1）按下列质量份的组分备料：
聚乙烯100份、木粉80份、竹粉20份、农作物秸秆粉75份、石蜡3、聚乙烯蜡7份、钛酸酯5份、马来酸酐接枝聚乙烯7份；
（2）将步骤（1）中的各组分混合均匀，得到混合物料；
（3）将步骤（2）的混合物料在双螺杆挤出造粒机中进行碳化造粒和碳化挤压，所述碳化造粒和碳化挤压是在常规的多段造粒和多段挤压工序中，将其中温度最高段的温度均提升为280～290℃，转速为25r/min，再经常规冷却、牵引、切割，得到木塑材料。
实施例5
（1）按下列质量份的组分备料：
热塑性聚酰亚胺50份、聚甲醛50份，木粉20份、竹粉100、硬脂酸盐1份、异氰酸酯9份、马来酸酐接枝聚苯乙烯2份；
（2）将步骤（1）中的各组分混合均匀，得到混合物料；
（3）将步骤（2）的混合物料在双螺杆挤出造粒机中进行碳化造粒和碳化挤压，所述碳化造粒和碳化挤压是在常规的多段造粒和多段挤压工序中，将其中温度最高段的温度均提升为260～265℃，转速为35r/min，再经常规冷却、牵引、切割，得到木塑材料。
实施例6
（1）按下列质量份的组分备料：
聚丙烯80份、聚对苯二甲酸丁二醇酯20份、木粉170份、硬脂酸1份、聚丙烯蜡5份、异氰酸酯4份、马来酸酐接枝聚丙烯4份；
（2）将步骤（1）中的各组分混合均匀，得到混合物料；
（3）将步骤（2）的混合物料在双螺杆挤出造粒机中进行碳化造粒和碳化挤压，所述碳化造粒和碳化挤压是在常规的多段造粒和多段挤压工序中，将其中温度最高段的温度均提升为290℃，转速为40r/min，再经常规冷却、牵引、切割，得到木塑材料。
对比例1：同实施例1，仅去除步骤（3）中碳化造粒和碳化挤压的碳化操作，即按常规造粒和挤压的温度150～180℃进行。
对比例2：同实施例1，仅提高步骤（3）中碳化造粒和碳化挤压的碳化温度，即碳化造粒和碳化挤压中温度最高段的温度均提升为300℃。由于温度过高，碳化过度，该例无法挤压成型。
对比例3：同实施例1，仅降低步骤（3）中碳化造粒和碳化挤压的碳化温度，即碳化造粒和碳化挤压中温度最高段的温度均降低为240℃。
对比例4：专利申请CN105733129A所得改性木塑复合材料。

Claims (5)

1.一种耐候性能大幅改善的新型木塑复合材料的制备方法，其特征在于经过以下步骤：
（1）按下列质量份的组分备料：
热塑性塑料100份、木质纤维100～200份、高温润滑剂1～10份、高温偶联剂10～20份；
（2）将步骤（1）中的各组分混合均匀，得到混合物料；
（3）将步骤（2）的混合物料经碳化造粒和碳化挤压，再经常规冷却、牵引、切割，得到木塑材料，所述碳化造粒和碳化挤压是在常规的多段造粒和多段挤压工序中，将其中温度最高段的温度均提升为250～290℃。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）的热塑性塑料为聚苯乙烯、高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛，聚碳酸酯，聚酰胺、丙烯酸类塑料、聚砜、聚苯醚，聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯硫醚、聚醚砜、聚醚醚酮、热塑性聚酰亚胺中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）的木质纤维为木粉、竹粉、农作物秸秆粉中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）的高温润滑剂为硬脂酸、硬脂酸盐、石蜡、聚乙烯蜡、聚丙烯蜡的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）的高温偶联剂为钛酸酯、异氰酸酯、马来酸酐接枝聚苯乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚丙烯中的一种或几种。
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