CN107686665A - 一种增强型木塑复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种增强型木塑复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种增强型木塑复合材料及其制备方法，属于环保材料技术领域。本发明通过微生物处理竹粉，打开纤维素、木质素以及半纤维素间的氢键，将纤维素从木质素和半纤维素的束缚中释放出来，并利用微生物有选择性地去除木质纤维素、半纤维素和果胶等成分，木质素与碳水化合物分离，而且细胞壁也将变得蓬松，提高了纤维素的纯度，在一定程度上降低了纤维素的极性，提高竹粉纤维与热塑性塑料的浸润性，有效增强复合材料的力学性能，同时竹粉与戊二醛交联改性后再经丁二酸酐表面修饰，引入羧基基团，增大了其与热塑性塑料基质的界面粘附力，提高复合材料的力学性能和热稳定性，同时可以降低吸水性能。

Description

一种增强型木塑复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种增强型木塑复合材料及其制备方法，属于环保材料技术领域。
背景技术
木塑复合材料(WPC)是一种将木质纤维与塑料复合而成的新型材料，它的加工过程是将木材等作为填料或增强材料添加到热塑性塑料中，并通过加热使木材与熔融状态的热塑性塑料进行复合而得到的一种环保材料。它拥有木材的低密度，低成本，耐光氧老化和良好的机械加工性能等优点，同时，热塑性塑料为它提供了良好的热流动性使其更便于加工成型。此外，WPC在冷却成型后，又拥有与塑料类似的耐水性和抗生物侵蚀性。从生产原料来看，用于木塑复合材料的塑料主要为聚乙稀、聚丙稀等聚烯烃，聚苯乙稀和聚氯乙烯等热塑性塑料，包括新料、回收料以及两者的混合料;而木塑复合材料中的木材是植物纤维材料的代称，可以是木粉、银屑等木材加工剩余物，也可以是稻壳、麦稻等农作物剩余物，或者是其他种类的天然纤维，如大麻、黄麻、洋麻等，通常是各自工业加工过程中的副产物。木塑复合材料的深入研究和广泛应用，将有助于解决塑料废弃物的回收利用，也有助于减少农业废弃物的焚烧给环境带来的污染。
塑料的共挤出技术是目前最先进的塑料成型技术之一，如果将木塑复合材料与共挤出技术优化组合，则能够扬长避短，设计制备具有不同组成和结构的多层结构木塑复合材料，使其成为制备高附加值、高性能木塑复合材料的重要途径。然而，由于具有亲水性的木质基体存在于其中，木塑复合材料必然会面临吸湿性较强、耐久性偏低的问题，同时，木质基体的介入增强了热塑性塑料的刚性，却不可避免地使塑料基体原有的优良韧性大幅降低，因此，需要研究新的技术以改善或避免这些问题，从而改良木塑复合材料的长期使用性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：针对由于具有亲水性的木质基体存在于其中，木塑复合材料必然会面临吸湿性较强、耐久性偏低的问题，同时，木质基体的介入增强了热塑性塑料的刚性，却不可避免地使塑料基体原有的优良韧性大幅降低的问题，提供了一种增强型木塑复合材料及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种增强型木塑复合材料，其特征在于，包括以下重量份原料：
60～120份杨木粉，8～16份表面修饰竹粉，40～80份热塑性塑料，5～10份无机填料，1～3份偶联剂，加入高速混合机中混合均匀后倒入锥型双螺杆挤出机料筒中挤出成型。
所述表面修饰竹粉为经丁二酸酐表面修饰的交联改性竹粉，丁二酸酐与交联改性竹粉的质量比为1：3～1：5。
所述交联改性竹粉为改性竹粉与戊二醛在酸性条件下加热交联反应制得，所述改性竹粉与戊二醛的质量比为1：3～1：5。
所述改性竹粉为竹片干燥粉碎后与尿素、去离子水、复合菌液混合均匀并有氧发酵3～5天制得。
所述热塑性塑料为聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚氯乙烯中一种或多种。
所述无机填料为云母、滑石粉、二氧化硅、三氧化二铝、二硫化钼、碳酸钙中的一种或多种。
所述偶联剂为硅烷类偶联剂、钛酸酯类偶联剂中的任意一种。
具体步骤为：
S1.将竹片干燥粉碎后与尿素、去离子水、复合菌液混合均匀并有氧发酵3～5天，干燥得改性竹粉；
S2.将改性竹粉与戊二醛在酸性条件下加热交联，得交联改性竹粉；
S3.将交联改性竹粉与丁二酸酐反应，得表面修饰竹粉；
S4.将杨木粉、表面修饰竹粉、热塑性塑料、无机填料、偶联剂，加入高速混合机中混合均匀后倒入锥型双螺杆挤出机料筒中挤出成型，得增强型木塑复合材料。
本发明与其他方法相比，有益技术效果是：
（1）本发明通过微生物处理竹粉，打开纤维素、木质素以及半纤维素间的氢键，将纤维素从木质素和半纤维素的束缚中释放出来，并利用微生物有选择性地去除木质纤维素、半纤维素和果胶等成分，木质素与碳水化合物分离，而且细胞壁也将变得蓬松，提高了纤维素的纯度，在一定程度上降低了纤维素的极性，提高竹粉纤维与热塑性塑料的浸润性，有效增强复合材料的力学性能，同时竹粉与戊二醛交联改性后再经丁二酸酐表面修饰，引入羧基基团，增大了其与热塑性塑料基质的界面粘附力，提高复合材料的力学性能和热稳定性，同时可以降低吸水性能，有效解决了木塑复合材料吸湿性较强、耐久性偏低的问题；
（2）本发明利用表面修饰竹粉填充在杨木粉和热塑性塑料的间隙中，达到增强作用，针对性强，有效提高了抗冲击能力，无空隙和裂纹产生，改善了复合材料的韧性。
具体实施方式
取300～500g竹片置于干燥箱中，在100～105℃下干燥至恒重，再加入粉碎机中粉碎，过100目筛，将过筛后的竹粉平铺在发酵罐底部中，并用600～800g质量分数为1%尿素溶液均匀喷洒在竹粉表面，风干至竹粉含水量为30～40%，再在28～32℃下密封放置5～7天，再喷洒0.5～1.0g复合菌液，有氧发酵3～5天，发酵完毕后置于干燥箱中，在105～110℃下干燥至恒重，得改性竹粉，取30～60g改性竹粉，60～120mL质量分数为10%盐酸，150～300g戊二醛装入三口烧瓶中，在60～70℃下以200～300r/min搅拌2～3h，过滤得滤渣，用无水乙醇洗涤滤渣2～3次后再用去离子水洗涤2～3次，再转入干燥箱中，在60～80℃下干燥20～24h，得交联改性竹粉；取6～12g丁二酸酐，加入450～900mL无水乙醇中，以300～400r/min搅拌20～30min，并用氢氧化钠溶液调节pH至8.0～9.0，再加入30～60g交联改性竹粉，在50～60℃下搅拌反应3～5h，再用盐酸调节pH至中性后过滤，得滤饼，用去离子水洗涤滤饼3～5次后置于干燥箱中，在70～80℃下干燥20～24h，得表面修饰竹粉，取60～120g杨木粉，8～16g表面修饰竹粉，40～80g热塑性塑料，5～10g无机填料，1～3g偶联剂，加入高速混合机中混合均匀，将混合均匀的材料倒入锥型双螺杆挤出机料筒，四区温度设置为150～180℃，转速为30～50r/min，挤出成型后，得增强型木塑复合材料。
实例1
取300g竹片置于干燥箱中，在100℃下干燥至恒重，再加入粉碎机中粉碎，过100目筛，将过筛后的竹粉平铺在发酵罐底部中，并用600g质量分数为1%尿素溶液均匀喷洒在竹粉表面，风干至竹粉含水量为30%，再在28℃下密封放置5天，再喷洒0.5g复合菌液，有氧发酵3天，发酵完毕后置于干燥箱中，在105℃下干燥至恒重，得改性竹粉，取30g改性竹粉，60mL质量分数为10%盐酸，150g戊二醛装入三口烧瓶中，在60℃下以200r/min搅拌2h，过滤得滤渣，用无水乙醇洗涤滤渣2次后再用去离子水洗涤2次，再转入干燥箱中，在60℃下干燥20h，得交联改性竹粉；取6g丁二酸酐，加入450mL无水乙醇中，以300r/min搅拌20min，并用氢氧化钠溶液调节pH至8.0，再加入30g交联改性竹粉，在50℃下搅拌反应3h，再用盐酸调节pH至中性后过滤，得滤饼，用去离子水洗涤滤饼3次后置于干燥箱中，在70℃下干燥20h，得表面修饰竹粉，取60g杨木粉，8g表面修饰竹粉，40g热塑性塑料，5g无机填料，1g偶联剂，加入高速混合机中混合均匀，将混合均匀的材料倒入锥型双螺杆挤出机料筒，四区温度设置为150℃，转速为30r/min，挤出成型后，得增强型木塑复合材料。
实例2
取400g竹片置于干燥箱中，在102℃下干燥至恒重，再加入粉碎机中粉碎，过100目筛，将过筛后的竹粉平铺在发酵罐底部中，并用700g质量分数为1%尿素溶液均匀喷洒在竹粉表面，风干至竹粉含水量为350%，再在30℃下密封放置6天，再喷洒0.7g复合菌液，有氧发酵4天，发酵完毕后置于干燥箱中，在107℃下干燥至恒重，得改性竹粉，取45g改性竹粉，90mL质量分数为10%盐酸，225g戊二醛装入三口烧瓶中，在65℃下以250r/min搅拌2h，过滤得滤渣，用无水乙醇洗涤滤渣2次后再用去离子水洗涤2次，再转入干燥箱中，在70℃下干燥22h，得交联改性竹粉；取9g丁二酸酐，加入725mL无水乙醇中，以350r/min搅拌25min，并用氢氧化钠溶液调节pH至8.5，再加入45g交联改性竹粉，在55℃下搅拌反应4h，再用盐酸调节pH至中性后过滤，得滤饼，用去离子水洗涤滤饼4次后置于干燥箱中，在75℃下干燥22h，得表面修饰竹粉，取90g杨木粉，12g表面修饰竹粉，60g热塑性塑料，7g无机填料，2g偶联剂，加入高速混合机中混合均匀，将混合均匀的材料倒入锥型双螺杆挤出机料筒，四区温度设置为145℃，转速为40r/min，挤出成型后，得增强型木塑复合材料。
实例3
取500g竹片置于干燥箱中，在105℃下干燥至恒重，再加入粉碎机中粉碎，过100目筛，将过筛后的竹粉平铺在发酵罐底部中，并用800g质量分数为1%尿素溶液均匀喷洒在竹粉表面，风干至竹粉含水量为40%，再在32℃下密封放置7天，再喷洒1.0g复合菌液，有氧发酵5天，发酵完毕后置于干燥箱中，在110℃下干燥至恒重，得改性竹粉，取60g改性竹粉， 120mL质量分数为10%盐酸， 300g戊二醛装入三口烧瓶中，在70℃下以200r/min搅拌3h，过滤得滤渣，用无水乙醇洗涤滤渣3次后再用去离子水洗涤3次，再转入干燥箱中，在80℃下干燥24h，得交联改性竹粉；取12g丁二酸酐，加入900mL无水乙醇中，以400r/min搅拌30min，并用氢氧化钠溶液调节pH至9.0，再加入60g交联改性竹粉，在60℃下搅拌反应5h，再用盐酸调节pH至中性后过滤，得滤饼，用去离子水洗涤滤饼5次后置于干燥箱中，在80℃下干燥24h，得表面修饰竹粉，取120g杨木粉，16g表面修饰竹粉，80g热塑性塑料，10g无机填料，3g偶联剂，加入高速混合机中混合均匀，将混合均匀的材料倒入锥型双螺杆挤出机料筒，四区温度设置为180℃，转速为50r/min，挤出成型后，得增强型木塑复合材料。
将制备得的一种增强型木塑复合材料及北京某公司生产的木塑材料进行检测，具体检测如下：
（1）耐水性能测试
测试开始前，将试样的两端用热溶胶密封起来，以消除因材料内部暴露在外表面的吸水影响，从而考察材料表面部分的耐水性能，与此同时，两端没有被密封的试样也一起进行浸水测试。为了系统研究复合材料的吸水和增厚趋势，将测试时间延长至40天以上，每组实验配方重复测试3个试件。
（2）弯曲性能测试
采用三点弯曲测试方法，按照ASTMD790一03中塑料弯曲性能试验方法进行，试样尺寸：80mm（长）10mm×（宽）4mm×（厚），测试仪器为RGT-20A电子万能力学试验机，跨距为60mm运行速度设为2 mm/min每组测量3个试件。
（3）拉伸强度测试
拉伸性能测试按照ASTMD638-03中的塑料拉伸试验方法中I型大试样拉伸试验方法行测试仪器为RGT-20A电子万能力学试验机，拉伸速度为5mm/min，测试试件每组均为3个，所需测量值为拉伸强度、拉伸模量和拉伸断裂伸长率。
具体测试结果如表1
表1增强型木塑复合材料性能表征
由表1可知本发明制备的一种增强型木塑复合材料弯曲强度高，提高了木塑材料的延展性。断裂强度降低所生产木塑材料不易断裂，有效提高了材料的力学性能，吸水率降低，使增强型木塑复合材料性能更稳定。

Claims (8)

1.一种增强型木塑复合材料，其特征在于，包括以下重量份原料：
60～120份杨木粉，8～16份表面修饰竹粉，40～80份热塑性塑料，5～10份无机填料，1～3份偶联剂，加入高速混合机中混合均匀后倒入锥型双螺杆挤出机料筒中挤出成型。
2.如权利要求1所述的一种增强型木塑复合材料，其特征在于，所述表面修饰竹粉为经丁二酸酐表面修饰的交联改性竹粉，丁二酸酐与交联改性竹粉的质量比为1：3～1：5。
3.如权利要求2所述的一种增强型木塑复合材料，其特征在于，所述交联改性竹粉为改性竹粉与戊二醛在酸性条件下加热交联反应制得，所述改性竹粉与戊二醛的质量比为1：3～1：5。
4.如权利要求3所述的一种增强型木塑复合材料，其特征在于，所述改性竹粉为竹片干燥粉碎后与尿素、去离子水、复合菌液混合均匀并有氧发酵3～5天制得。
5.如权利要求1所述的一种增强型木塑复合材料，其特征在于，所述热塑性塑料为聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚氯乙烯中一种或多种。
6.如权利要求1所述的一种增强型木塑复合材料，其特征在于，所述无机填料为云母、滑石粉、二氧化硅、三氧化二铝、二硫化钼、碳酸钙中的一种或多种。
7.如权利要求1所述的一种增强型木塑复合材料，其特征在于，所述偶联剂为硅烷类偶联剂、钛酸酯类偶联剂中的任意一种。
8.如权利要求1～7任意一项所述的一种增强型木塑复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
S1.将竹片干燥粉碎后与尿素、去离子水、复合菌液混合均匀并有氧发酵3～5天，干燥得改性竹粉；
S2.将改性竹粉与戊二醛在酸性条件下加热交联，得交联改性竹粉；
S3.将交联改性竹粉与丁二酸酐反应，得表面修饰竹粉；
S4.将杨木粉、表面修饰竹粉、热塑性塑料、无机填料、偶联剂，加入高速混合机中混合均匀后倒入锥型双螺杆挤出机料筒中挤出成型，得增强型木塑复合材料。
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