CN107603257A - 一种低成本制备发泡塑木材料的方法 - Google Patents

Abstract

一种低成本制备发泡塑木材料的方法，以木粉、热塑性塑树脂粉末、矿物粉末共混后得到塑木共混料，以紫外稳定剂粉末、抗氧化剂、矿物润滑油、乙酸乙酯、乙二醇碳酸酯、甘油共混后得到分散介质，将塑木共混料加入到分散介质中搅拌制备凝胶，然后通入气体在凝胶内部形成泡孔，通过微波加热使树脂软化并将木粉黏结、发泡而成型，冷却固化后得到发泡塑木材料。本发明技术创新性地利用木粉与树脂粉体直接共混，以微波加热法在非熔融的相对低温下制备塑木的技术，解决了现有发泡木材生产步骤繁琐、生产成本高昂的问题。

Description

一种低成本制备发泡塑木材料的方法

技术领域

本发明涉及发泡塑木材料制备领域，尤其是涉及一种低成本制备发泡塑木材料的方法。

背景技术

近年来，木制品的市场需求越来越大, 森林资源却在不断减少。同时大量木制品加工废弃物如锯末、刨花等边角废料以及大量的农作物纤维如稻壳、麦秸、棉秸秆等却往往被焚烧浪费并对环境产生极大的污染。据统计，我国每年由于木材加工余下的废弃木屑量在几百万吨以上，其他天然纤维如稻糠等的量也有上千万吨。

随着社会经济的发展，塑料制品在生产生活的各个领域得到了广泛的应用，由此而产生的大量的难以降解的废弃物给环境带来的白色污染问题，也越来越受到人们的重视。

日益严重的环境问题和资源短缺的加剧使得采用植物纤维和塑料合成的一种新型复合材料，塑木复合材料（wood/plastics polymer composites，WPC）越来越受到人们的关注。

塑木材料就是一种很好的可代替木材的新材料。塑木制备技术是近几年在国内外发展较快的一种新型材料加工技术。所谓塑木，就是实木与塑料的结合体，它既保持了实木的亲和性，又具有良好的防潮耐水、耐酸碱、防虫蛀等性能，并以其新颖的观念、新颖的设计、新颖的产品极大地推进了新材料产业的发展。

关于木、塑材料的复合，通常认为，因木材主要组分中含有大量的极性羟基和酚羟基官能团而具有亲水性，而塑料表面具有疏水性，很难实现界面的容合。因此，在木材/聚丙烯的复合过程中，必须使亲水的极性木材表面与疏水的非极性塑料基材界面之间具有良好的相容性，使木材的表面层与塑料的表面层分子之间容合，从而复合成比原来单一材料性能更加优良的新材料。为达到这一目的，国内外已经进行了一些研究，其主要方法是采用添加不同的偶联剂，或进行材料表面的化学改性以改善塑料单体与木质材料之间的复合性能等。

与一般塑木材料相比，塑木发泡材料具有重量轻、木质感好等优点。然而，现有塑木发泡材料的生产过程中，PVC 与木粉的相容性较差，木粉用量不到25%，所得制品强度较低、外观不光滑。同时，现有塑木发泡材料的生产步骤繁琐，生产成本高昂。

针对这种情况，我们提出一种低成本制备发泡塑木材料的方法，其特征是将木粉与适量热塑性树脂粉末混合并加入到分散介质中搅拌制备凝胶，然后通入气体在凝胶内部形成泡孔，随后采用微波加热使树脂软化并将木粉黏结，冷却固化后得到发泡塑木材料。采用上述工艺制备发泡塑木材料，无需将树脂加热至熔融状态即可进行发泡，极大解决了现有发泡木材生产步骤繁琐、生产成本高昂的问题；成本的降低保证了发泡木材市场和应用领域的扩展。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本制备发泡塑木材料的方法，可以解决传统方法中存在的木粉与树脂相容性差而导致的木粉利用率低、产品强度不足的问题。本发明技术创新性地利用木粉与树脂粉体直接共混，以微波加热法在非熔融的相对低温下制备塑木的技术，解决了现有发泡木材生产步骤繁琐、生产成本高昂的问题。

本发明的具体技术实施方案如下：

一种低成本制备发泡塑木材料的方法，将木粉与适量热塑性树脂粉末、矿物粉末混合，加入到分散介质中搅拌制备凝胶，然后通入气体在凝胶内部形成泡孔，随后通过微波加热使树脂软化并将木粉黏结、发泡而成型，冷却固化后得到发泡塑木材料，具体实施步骤如下：

（1）按一定比例称取木粉、热塑性塑树脂的粉末和矿物粉末，加入搅拌混料机混匀，得到塑木共混料；按一定比例量取矿物润滑油、乙酸乙酯、乙二醇碳酸酯以及甘油混合均匀，加入适量的紫外稳定剂、抗氧化剂搅拌使其分散均匀，得到分散介质；

（2）按一定的质量比例，将塑木共混料与分散介质添加到备有加热搅拌器的容器中进行搅拌，控制温度为130-140℃，使木质颗粒与树脂粉末充分亲和，制得塑木前驱物；

（3）将塑木前驱物转移至成型模具，调节微波功率至一定值，加热前驱物，树脂受热后与木粉黏结，分散介质受热产生细微的泡孔，前驱物膨胀充满模腔形成所需的形状，恒温8~10min，缓慢冷却至室温，即得到所述的发泡塑木板。

优选的，步骤（1）所述的木粉由木屑、刨花、锯末等木材加工业的废弃料以及塑木加工所产生的边角废料中的一种或多种所组成，占塑木共混料重量的40-60%。

优选的，步骤（1）所述的热塑性塑料基体由聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、丙烯酸腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）中的一种或多种所组成，占塑木共混料重量的35-74%。

优选的，步骤（1）所述的矿物粉末由细化后的粒径在20μm以下的细小颗粒所组成。

优选的，步骤（1）所述的矿物粉末为钙、镁、铝、锶等的无水碳酸盐、磷酸盐中的至少一种所组成，占塑木共混料重量的3-5%。

优选的，步骤（1）所述的矿物润滑油、乙酸乙酯、乙二醇碳酸酯以及甘油的质量比为（3~6）:（1~2）:（1~2）:（1~2）。

优选的，步骤（1）所述的紫外稳定剂粉末的添加量为矿物润滑油、乙酸乙酯、乙二醇碳酸酯以及甘油总质量的0.1-0.35%。

优选的，步骤（1）所述的抗氧化剂的添加量为矿物润滑油、乙酸乙酯、乙二醇碳酸酯以及甘油总质量的0.1-0.5%。

优选的，步骤（2）所述的塑木共混料与分散介质的质量比为100:（4~9）。

优选的，步骤（3）所述的微波功率为800-950MHz。

本发明中，微波加热法能使物料内外部同时加热、同时升温，加热速度快且均匀，实验表明通过微波加热所获得发泡塑料孔泡大小更加均一而分布均匀；更重要的是，微波加热法获得的发泡塑木抗冲击强度、抗拉强度等力学性能均有显著的提升；另一方面，微波加热与传统的加热方法相比，仅为传统加热方式的能耗的几分之一或几十分之一就可达到加热塑性的目的。步骤（1）所述的矿物粉末为细化后的粒径在20微米以下的细小颗粒，可以提高树脂在微波发泡过程中热稳定性，并对改善发泡塑料的耐候性有良好效果。本发明采用的钙镁铝锶盐类矿物，相对于传统的铅盐的显著优势为无毒环保而产品的色泽更加容易控制；分散介质通过组合配方，可控制塑木前驱物的黏度，改善其分散，并提高微波加热的升温均匀性，同时可改善产品的脱模性。步骤（2）所述的搅拌、保温过程可改善木粉与树脂的亲和作用，在木塑复合过程中，木粉与塑料之间不但有界面之间的化学结合，同时也存在相互嵌入的物理结合，这两种结合方式的协同效应，对塑木复合材料的物理力学性能的改善均起着重要的作用。

本发明具有以下有益的效果：

（1）本发明的发泡塑木复合材料板材，原料为工农业边角料的废物再利用的，降低了产品原料成本，同时对环境污染具有改善作用。

（2）一般工业加热设备比较大，占地多，周围环境温度也比较高，操作工人劳动条件差，强度大。而微波加热占地面积小，避免了环境高温，工人的劳动条件得到了大大的改善。本发明技术利用微波加热法实现了发泡塑木在非熔融条件下的成型技术，可降低设备要求，改进生产工艺，降低能耗，具有突出的经济效益。

（3）本发明技术创新性地采用了微波发泡技术，生产过程中加热升温更加快速、均匀，避免了传统加热方式存在的内部升温慢、内外部温差较大而引起的应力集中和组织成分的差异，可明显改善了产品的微观结构，相对于传统的发泡塑木，具有孔泡尺寸更加均一的突出优点；另一方面，这种改善了的结构可以实现在达到相同力学性能的条件下，产品密度更低，更轻量化的特点，即节约了原材料，又方便于加工和运输。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。

实施例1

一种低成本制备发泡塑木材料的方法，具体实施步骤如下：

按配方量称取各原料：粉碎木屑、刨花、锯末等得到的木粉50kg，热塑性树脂聚丙烯（PP）粒子48kg，碳酸钙粉末2kg，加入搅拌机共混后得到塑木共混料；紫外稳定剂粉末0.2kg，抗氧化剂0.3kg，含矿物润滑油50kg，乙酸乙酯20kg、乙二醇碳酸酯20kg、甘油含量10kg的混和均匀，得到分散介质；按质量比每100份塑木共混料加入8份分散剂的比例，将塑木共混料与分散介质添加到可加热的容器中进行搅拌，控制反应温度在 60℃的条件下，使木质颗粒与树脂粉末充分亲和，形成凝胶状塑木前驱物；将塑木前驱物转移至成型模具，820MHz微波加热成型，前驱物中油脂升温，使木粉与树脂黏结并产生细微的泡孔，推动前驱物膨胀充满模腔形成所需的形状，恒温8min，缓慢冷却至室温，即得到所述的发泡塑木板。

对实施例1得到的发泡塑木，测试其密度、冲击韧性和拉伸强度的值如表1所示。测量结果表明制备的发泡具有低密度和高韧性、高强度的特点，可以用做各种家具的结构材料、装饰材料，具有非常广的应用范围。

实施例2

一种低成本制备发泡塑木材料的方法，具体实施步骤如下：

按配方量称取各原料：木材加工业的废弃料屑、刨花、锯末以及塑木加工所产生的边角废料粉碎后的木粉55kg，热塑性树脂聚聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、丙烯酸腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）以1:1:1的质量比混合而成的粉末粒子44kg，磷酸钙矿物粉末1kg，加入搅拌机共混后得到塑木共混料；紫外稳定剂粉末0.12kg，抗氧化剂0.5kg，含矿物润滑油40kg，乙酸乙酯25kg、乙二醇碳酸酯20kg、甘油含量15kg的混和均匀，得到分散介质；按质量比每100份塑木共混料加入4份分散剂的比例，将塑木共混料与分散介质添加到可加热的容器中进行搅拌，控制反应温度在 70℃的条件下，使木质颗粒与树脂粉末充分亲和，形成凝胶状塑木前驱物；将塑木前驱物转移至成型模具，920MHz微波加热成型，前驱物中油脂升温，使木粉与树脂黏结并产生细微的泡孔，推动前驱物膨胀充满模腔形成所需的形状，恒温3min，缓慢冷却至室温，即得到所述的发泡塑木板。

对实施例2得到的发泡塑木，测试其密度、冲击韧性和拉伸强度的值如表1所示。测量结果表明制备的发泡具有低密度和高韧性、高强度的特点，可以用做各种家具的结构材料、装饰材料，具有非常广的应用范围。

实施例3

一种低成本制备发泡塑木材料的方法，具体实施步骤如下：

按配方量称取各原料：屑、刨花、锯末等木材加工业的废弃料的木粉60kg，丙烯酸腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）的粉末粒子35kg，碳酸镁矿物粉末5kg，加入搅拌机共混后得到塑木共混料；紫外稳定剂粉末0.35kg，抗氧化剂0.15kg，含矿物润滑油45kg，乙酸乙酯15kg、乙二醇碳酸酯10kg、甘油含量20kg的混和均匀，得到分散介质；按质量比每100份塑木共混料加入9份分散剂的比例，将塑木共混料与分散介质添加到可加热的容器中进行搅拌，控制反应温度在 60℃的条件下，使木质颗粒与树脂粉末充分亲和，形成凝胶状塑木前驱物；将塑木前驱物转移至成型模具，850MHz微波加热成型，前驱物中油脂升温，使木粉与树脂黏结并产生细微的泡孔，推动前驱物膨胀充满模腔形成所需的形状，恒温10min，缓慢冷却至室温，即得到所述的发泡塑木板。

对实施例3得到的发泡塑木，测试其密度、冲击韧性和拉伸强度的值如表1所示。测量结果表明制备的发泡具有低密度和高韧性、高强度的特点，可以用做各种家具的结构材料、装饰材料，具有非常广的应用范围。

实施例4

一种低成本制备发泡塑木材料的方法，具体实施步骤如下：

按配方量称取各原料：塑木加工所产生边角废料破碎的木粉40kg，热塑性树脂聚乙烯（PE）的粉末粒子59kg，磷酸钙矿物粉末1kg，加入搅拌机共混后得到塑木共混料；紫外稳定剂粉末0.1kg，抗氧化剂0.4kg，含矿物润滑油45kg，乙酸乙酯25kg、乙二醇碳酸酯15kg、甘油含量15kg的混和均匀，得到分散介质；按质量比每100份塑木共混料加入5份分散剂的比例，将塑木共混料与分散介质添加到可加热的容器中进行搅拌，控制反应温度在 45℃的条件下，使木质颗粒与树脂粉末充分亲和，形成凝胶状塑木前驱物；将塑木前驱物转移至成型模具，880MHz微波加热成型，前驱物中油脂升温，使木粉与树脂黏结并产生细微的泡孔，推动前驱物膨胀充满模腔形成所需的形状，恒温2min，缓慢冷却至室温，即得到所述的发泡塑木板。

对实施例4得到的发泡塑木，测试其密度、冲击韧性和拉伸强度的值如表1所示。测量结果表明制备的发泡具有低密度和高韧性、高强度的特点，可以用做各种家具的结构材料、装饰材料，具有非常广的应用范围。

实施例5

一种低成本制备发泡塑木材料的方法，具体实施步骤如下：

按配方量称取各原料：屑、刨花、锯末等木材加工业的废弃料木粉45kg，热塑性树脂聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、丙烯酸腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）以1:1:0.5:0.5的质量比混合的粉末粒子52kg，磷酸钙矿物粉末3kg，加入搅拌机共混后得到塑木共混料；紫外稳定剂粉末0.35kg，抗氧化剂0.15kg，含矿物润滑油45kg，乙酸乙酯25kg、乙二醇碳酸酯15kg、甘油含量15kg的混和均匀，得到分散介质；按质量比每100份塑木共混料加入4.5份分散剂的比例，将塑木共混料与分散介质添加到可加热的容器中进行搅拌，控制反应温度在70℃的条件下，使木质颗粒与树脂粉末充分亲和，形成凝胶状塑木前驱物；将塑木前驱物转移至成型模具，950MHz微波加热成型，前驱物中油脂升温，使木粉与树脂黏结并产生细微的泡孔，推动前驱物膨胀充满模腔形成所需的形状，恒温1min，缓慢冷却至室温，即得到所述的发泡塑木板。

对实施例5得到的发泡塑木，测试其密度、冲击韧性和拉伸强度的值如表1所示。测量结果表明制备的发泡具有低密度和高韧性、高强度的特点，可以用做各种家具的结构材料、装饰材料，具有非常广的应用范围。

实施例6

一种低成本制备发泡塑木材料的方法，具体实施步骤如下：

按配方量称取各原料：塑木加工所产生的边角废料木粉22kg，热塑性树脂聚丙烯（PP）的粉末粒子74kg，碳酸钙矿物粉末4kg，加入搅拌机共混后得到塑木共混料；紫外稳定剂粉末0.1kg，抗氧化剂0.4kg，含矿物润滑油59kg，乙酸乙酯11kg、乙二醇碳酸酯10kg、甘油含量20kg的混和均匀，得到分散介质；按质量比每100份塑木共混料加入8份分散剂的比例，将塑木共混料与分散介质添加到可加热的容器中进行搅拌，控制反应温度在 70℃的条件下，使木质颗粒与树脂粉末充分亲和，形成凝胶状塑木前驱物；将塑木前驱物转移至成型模具，920MHz微波加热成型，前驱物中油脂升温，使木粉与树脂黏结并产生细微的泡孔，推动前驱物膨胀充满模腔形成所需的形状，恒温5min，缓慢冷却至室温，即得到所述的发泡塑木板。

对实施例6得到的发泡塑木，测试其密度、冲击韧性和拉伸强度的值如表1所示。测量结果表明制备的发泡具有低密度和高韧性、高强度的特点，可以用做各种家具的结构材料、装饰材料，具有非常广的应用范围。

表1 实施例1～6得到的产品性能测试结果

Claims (10)

1.一种低成本制备发泡塑木材料的方法，其特征在于，通过微波加热法使树脂粉末软化，在非熔融的温度下制备发泡塑木，具体制备步骤如下：

（1）取木粉、热塑性塑树脂的粉末和矿物粉末，加入搅拌混料机混匀，得到塑木共混料；取矿物润滑油、乙酸乙酯、乙二醇碳酸酯以及甘油，混合均匀，加入紫外稳定剂、抗氧化剂搅拌使其分散均匀，得到分散介质；

（2）将塑木共混料与分散介质添加到备有加热搅拌器的容器中进行搅拌，控制温度为130-140℃，使木质颗粒与树脂粉末充分亲和，制得塑木前驱物；

（3）将塑木前驱物转移至成型模具，调节微波功率，加热前驱物，树脂受热后与木粉黏结，分散介质受热产生细微的泡孔，前驱物膨胀充满模腔形成所需的形状，恒温8~10min，缓慢冷却至室温，即得发泡塑木材料。

2.根据权利要求1所述一种低成本制备发泡塑木材料的方法，其特征在于：步骤（1）所述的木粉由木屑、刨花、锯末等木材加工业的废弃料以及塑木加工所产生的边角废料中的一种或多种所组成，占塑木共混料重量的40-60%。

3.根据权利要求1所述一种低成本制备发泡塑木材料的方法，其特征在于：步骤（1）所述的热塑性树脂由聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、丙烯酸腈-丁二烯-苯乙烯中的一种或多种所组成，占塑木共混料重量的35-74%。

4.根据权利要求1所述一种低成本制备发泡塑木材料的方法，其特征在于：步骤（1）所述的矿物粉末由细化后的粒径在20μm以下的细小颗粒所组成。

5.根据权利要求1或4所述一种低成本制备发泡塑木材料的方法，其特征在于：步骤（1）所述的矿物粉末为钙、镁、铝、锶的无水碳酸盐、磷酸盐中的至少一种所组成，占塑木共混料重量的3-5%。

6.根据权利要求1所述一种低成本制备发泡塑木材料的方法，其特征在于：步骤（1）所述的矿物润滑油、乙酸乙酯、乙二醇碳酸酯以及甘油的质量比为3~6:1~2:1~2:1~2。

7.根据权利要求1所述一种低成本制备发泡塑木材料的方法，其特征在于：步骤（1）所述的紫外稳定剂的添加量为矿物润滑油、乙酸乙酯、乙二醇碳酸酯以及甘油总质量的0.1-0.35%。

8.根据权利要求1所述一种低成本制备发泡塑木材料的方法，其特征在于：步骤（1）所述的抗氧化剂的添加量为矿物润滑油、乙酸乙酯、乙二醇碳酸酯以及甘油总质量的0.1-0.5%。

9.根据权利要求1所述一种低成本制备发泡塑木材料的方法，其特征在于：步骤（2）所述的塑木共混料与分散介质的质量比为100:4~9。

10.根据权利要求1所述一种低成本制备发泡塑木材料的方法，其特征在于：步骤（3）所述的微波功率为800-950MHz。