CN108178861B - 一种木塑复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于复合材料领域，尤其涉及一种木塑复合材料及其制备方法。本发明提供的木塑复合材料，由包括以下重量份组分的原料制成：聚丙烯40～65份；杨木粉30～50份；石膏2～20份；相容剂0.5～3份；偶联剂0.5～3份；润滑剂0.5～3份；抗氧剂0～5份；阻燃剂0～3份。本发明以聚丙烯和杨木粉作为基料，在其中添加了特定比例的石膏，从而使本发明提供的复合材料在表现出优异的抗弯强度同时又能保证一定的刚韧平衡。实验结果表明，本发明提供的木塑复合材料的拉伸强度＞27MPa，弯曲强度＞47MPa，弯曲模量＞4000MPa，缺口冲击强度＞4kJ/m2。

Description

一种木塑复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料领域，尤其涉及一种木塑复合材料及其制备方法。
背景技术
木塑复合材料既绿色环保又具有良好的力学稳定性。增加该新型材料的应用能大量替代木材，可有效缓解我国森林资源贫乏、木材供应紧缺的现状，同时它也解决了塑料、木材行业废弃资源的再生利用问题，使环境污染和“白色污染”两大污染问题很好地得到解决。因此越来越受到人们的重视。
目前，木塑复合材料已是一种商业化产品并形成了相关制造产业，但随着应用领域的不断增加，对木塑复合材料的性能提出了更高要求。但是，木塑复合材料存在静曲强度和抗冲击性能相对较低，且易蠕变等缺点，在结构工程材料领域的应用受到限制，有时需要加入大量填充料来调整刚性，这样又往往造成脆性过大，易开裂，及比重过大。因此，如何提高木塑复合材料的抗弯强度同时又能保证一定的刚韧平衡，是目前亟待解决的技术难题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种木塑复合材料及其制备方法，本发明提供的木塑复合材料兼具较高的弯曲强度、韧性和抗冲击性能。
本发明提供了一种木塑复合材料，由包括以下重量份组分的原料制成：
Figure BDA0001531615610000011
Figure BDA0001531615610000021
优选的，所述丙烯的熔体流动质量速率为2～60g/10min。
优选的，所述相容剂包括马来酸酐接枝PP和/或马来酸酐接枝PE。
优选的，所述偶联剂包括铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂和硅烷偶联剂中的一种或多种。
优选的，所述润滑剂包括聚乙烯蜡、氯化聚乙烯、硬脂酸、硬脂酸锌和硬脂酸钙中的一种或多种。
优选的，所述抗氧剂包括抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂2246、抗氧剂168和抗氧剂626中的一种或多种。
优选的，所述阻燃剂包括氯化石蜡、三氧化二锑、磷酸三脂和多聚磷酸铵中的一种或多种。
本发明提供了一种上述技术方案所述复合材料的制备方法，包括以下步骤：
原料混合后在挤出机中共混挤出，得到木塑复合材料。
优选的，所述挤出机的共混区温度为165～240℃；所述挤出机的机头温度为180～230℃。
优选的，所述挤出机的螺杆转速为50～300r/min。
与现有技术相比，本发明提供了一种木塑复合材料及其制备方法。本发明提供的木塑复合材料，由包括以下重量份组分的原料制成：聚丙烯40～65份；杨木粉30～50份；石膏2～20份；相容剂0.5～3份；偶联剂0.5～3份；润滑剂0.5～3份；抗氧剂0～5份；阻燃剂0～3份。本发明以聚丙烯和杨木粉作为基料，在其中添加了特定比例的石膏，从而使本发明提供的复合材料在表现出优异的抗弯强度同时又能保证一定的刚韧平衡。实验结果表明，本发明提供的木塑复合材料的拉伸强度＞27MPa，弯曲强度＞47MPa，弯曲模量＞4000MPa，缺口冲击强度＞4kJ/m2。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种木塑复合材料，由包括以下重量份组分的原料制成：
Figure BDA0001531615610000031
在本发明中，制备所述复合材料的原料包括聚丙烯、杨木粉、石膏、抗氧剂、相容剂、偶联剂、润滑剂和阻燃剂。其中，所述聚丙烯可选择石化生产PP开工料、机头料和边角料；所述聚丙烯的熔体流动质量速率为2～60g/10min，优选为10～45g/10min。在本发明中，原料中所述聚丙烯的含量为40～65重量份，具体可选择为45重量份、50重量份或55重量份。
在本发明中，所述杨木粉的粒度优选为20～100目；所述杨木粉的含水率优选为≤2％；原料中所述杨木粉的含量为30～50重量份，具体可选择35重量份、40重量份或45重量份。
在本发明中，所述石膏优选为脱硫石膏；原料中所述石膏的含量为2～20重量份，具体可选择5重量份、10重量份或15重量份。
在本发明中，所述相容剂包括但不限于马来酸酐接枝PP和/或马来酸酐接枝PE；所述马来酸酐接枝PP的接枝率优选为0.5～1％，具体可为0.8％；所述马来酸酐接枝PP的熔体质量流动速率优选为20～60g/10min，具体可为40g/10min；所述马来酸酐接枝PE的接枝率优选为0.5～1.5％，具体可为0.7～1.2％；所述马来酸酐接枝PE的熔融指数优选为0.2～2g/10min(190℃,2.16kg)，具体可为0.7～1.0g/10min(190℃,2.16kg)。在本发明提供的一个实施例中，所述相容剂包括马来酸酐接枝PP和马来酸酐接枝PE，所述马来酸酐接枝PP和马来酸酐接枝PE的质量比优选为1：(0.5～2)，具体可为1:1。在本发明中，原料中所述相容剂的含量为0.5～3重量份，具体可选择为1重量份、1.5重量份或2重量份。
在本发明中，所述偶联剂包括但不限于铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂和硅烷偶联剂中的一种或多种。其中，所述铝酸酯偶联剂具体可选择二硬脂酰氧异丙氧基铝酸酯；所述钛酸酯偶联剂具体可选择异丙基二油酸酰氧基(二辛基磷酸酰氧基)钛酸酯；所述硅烷偶联剂具体可选择3-氨基丙基三乙氧基硅烷。在本发明提供的一个实施例中，所述偶联剂包括硅烷偶联剂和铝酸酯偶联剂，所述硅烷偶联剂和铝酸酯偶联剂的质量比优选为1：(1～3)，具体可为1:2；在本发明提供的另一个实施例中，所述偶联剂包括硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂，所述硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂的质量比优选为1：(1～3)，具体可为1:2；在本发明提供的其他实施例中，所述偶联剂包括硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂和钛酸酯偶联剂，所述硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂和钛酸酯偶联剂的质量比优选为1：(0.5～2)：(0.2～5)，具体可为1:1:1。在本发明中，原料中偶联剂的含量为0.5～3重量份，具体可选择为1重量份、1.5重量份或2重量份。
在本发明中，所述润滑剂包括但不限于聚乙烯蜡、氯化聚乙烯、硬脂酸、硬脂酸锌和硬脂酸钙中的一种或多种混合。其中，所述聚乙烯蜡的聚合度优选为50～500，更优选为100～200；所述聚乙烯蜡的数均分子量优选为1000～10000，更优选为3000～5000；所述聚乙烯蜡的密度优选为0.8～1.2g/cm3，具体可为0.95g/cm3；所述氯化聚乙烯的密度优选为1～1.5g/cm3，具体可为1.22g/cm3。在本发明中，原料中所述润滑剂的含量为0.5～3重量份，具体可选择为1重量份、1.5重量份或2重量份。
在本发明中，所述抗氧剂包括但不限于抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂2246、抗氧剂168和抗氧剂626中的一种或多种。在本发明中，原料中中所述抗氧剂的含量为0～5重量份，具体可选择为0.1重量份、0.2重量份、0.5重量份、0.6重量份、1重量份、1.1重量份、1.5重量份、2重量份、2.1重量份、2.5重量或3重量份。在本发明提供的一个实施例中，原料中，以抗氧剂1010、抗氧剂1076和抗氧剂2246中的一种或多种作为主抗氧剂，以抗氧剂168和/或抗氧剂626作为辅助抗氧剂。在本发明提供的一个实施例中，原料中主抗氧剂的含量为0.1～1重量份，具体可选择为0.1重量份、0.5重量份或1重量份；原料中辅助抗氧剂的含量为0.1～2重量份，具体可选择为0.1重量份、0.5重量份或2重量份。
在本发明中，所述阻燃剂包括但不限于氯化石蜡、三氧化二锑、磷酸三脂和多聚磷酸铵中的一种或多种。其中，所述氯化石蜡优选为氯化石蜡70；所述氯化石蜡的粒度优选为10～50目，具体可为20目；所述多聚磷酸铵的聚合度优选≥1000；所述多聚磷酸铵的含磷量优选为20～40wt％，具体可为31wt％。在本发明中，复合材料中所述阻燃剂的含量为0～3重量份，具体可选择为0.5重量份、1.0重量份或1.5重量份。
本发明提供了一种上述技术方案所述复合材料的制备方法，包括以下步骤：
原料混合后在挤出机中共混挤出，得到木塑复合材料。
在本发明提供的上述制备方法中，首先将原料混合均匀，在本发明提供的一个实施例中，可采用如下方式混合原料：
a)、将偶联剂和乙醇配成溶液A，待用；所述偶联剂和乙醇的体积比优选为1：(2～10)，具体可为1:5；
b)、将杨木粉、石膏和溶液A混合，干燥至水含量小于5wt％，制得混合物B，待用；所述混合的搅拌速率优选为500～1500r/min,更优选为1000～1500r/min，具体可为500r/min、750r/min、1000r/min、1200r/min或1500r/min；所述干燥的温度优选为80～120℃，具体可为100℃；
c)、将b)步骤的混合物B和剩余原料混合，得到原料混合物；所述混合的搅拌速率优选为500～1500r/min,更优选为1000～1500r/min，具体可为500r/min、750r/min、1000r/min、1200r/min或1500r/min。
原料混合均匀后，将其加入挤出机中共混挤出。其中，所述挤出机优选为双螺杆挤出机；所述挤出机的长径比优选为(30～50)：1。在本发明中，挤出机运行过程中，所述挤出机的共混区温度优选为165～240℃，更优选为170～240℃，最优选为180～235℃，最最优选为190～225℃。在本发明提供的一个实施例中，所述挤出机具有六个共混温区，其中，一区温度优选为180～205℃，更优选为190～195℃；二区温度优选为185～215℃，更优选为195～205℃；三区温度优选为190～220℃，更优选为200～210℃；四区温度优选为195～225℃，更优选为205～215℃；五区温度优选为200～230℃，更优选为210～220℃；六区温度优选为195～235℃，更优选为205～225℃。在本发明中，挤出机运行过程中，所述挤出机的机头温度优选为180～230℃，更优选为190～220℃，最优选为195～205℃。在本发明中，挤出机运行过程中，所述挤出机的螺杆转速优选为50～300r/min，更优选为180～220r/min，最优选为195～205r/min。原料混合物共混挤出后，造粒，得到木塑复合材料。
本发明以聚丙烯和杨木粉作为基料，在其中添加了特定比例的石膏，从而使本发明提供的复合材料在表现出优异的抗弯强度同时又能保证一定的刚韧平衡。实验结果表明，本发明提供的木塑复合材料的拉伸强度＞27MPa，弯曲强度＞47MPa，弯曲模量＞4000MPa，缺口冲击强度＞4kJ/m2。
为更清楚起见，下面通过以下实施例进行详细说明。
在本发明的下述实施例中，聚丙烯的熔体流动质量速率为10～45g/10min；杨木粉为20～100目，含水率≤2％；马来酸酐接枝PE，接枝率0.7～1.2％，熔融指数0.7～1.0g/10min(190℃,2.16kg)；马来酸酐接枝PP，接枝率0.8％，熔体质量流动速率40g/10min；钛酸酯偶联剂为异丙基二油酸酰氧基(二辛基磷酸酰氧基)钛酸酯；硅烷偶联剂为3-氨基丙基三乙氧基硅烷；铝酸酯偶联剂为二硬脂酰氧异丙氧基铝酸酯；聚乙烯蜡的聚合度100～200，数均分子量3000～5000，密度0.95g/cm3；氯化聚乙烯的密度1.22g/cm3；氯化石蜡为氯化石蜡70，粒度20目；多聚磷酸铵的聚合度≥1000，含磷31wt％。
实施例1
1)成分设计：
成分 含量/重量份
聚丙烯 45
杨木粉 45
脱硫石膏 10
抗氧剂1010(巴斯夫) 0.5
抗氧剂168(玛雅试剂) 0.5
相容剂(马来酸酐接枝PE) 1.5
偶联剂(钛酸酯偶联剂) 2
润滑剂(硬脂酸钙) 1
阻燃剂(氯化石蜡) 1
2)制备木塑复合材料：
按照1)中设计成分，将偶联剂和乙醇按照体积比1:5配成溶液A；将杨木粉和脱硫石膏放入高速混合搅拌机(1000r/min)，一边搅拌一边喷入溶液A，至溶液A将木粉和脱硫石膏充分均匀浸润后取出，100℃干燥至水含量小于5％，制得混合物B；将混合物B和剩余原料放入高速混合搅拌机(1000r/min)混合均匀，得到预混合物；将预混物投加到长径比为40:1的双螺杆挤出机中，挤出机一区温度设置为190℃，二区温度设置为195℃，三区温度设置为200℃，四区温度设置为205℃，五区温度设置为210℃，六区温度设置为205℃，机头温度设置为200℃，螺杆转速设置为195r/min。预混物在双螺杆挤出机中共混挤出，得到木塑复合材料。
实施例2
1)成分设计：
成分 含量/重量份
聚丙烯 55
杨木粉 40
脱硫石膏 5
抗氧剂(抗氧剂1076) 0.1
抗氧剂(抗氧剂168) 0.1
相容剂(马来酸酐接枝PP) 1
偶联剂(铝酸酯偶联剂) 1.5
润滑剂(硬脂酸锌) 2
阻燃剂(三氧化锑) 1.5
2)制备木塑复合材料：
按照1)中设计成分，按实施例1的原料混合方式，采用高速混合搅拌机在1200r/min下，制备成预混物，将预混物投加到长径比为40:1的双螺杆挤出机中，挤出机一区温度设置为195℃，二区温度设置为205℃，三区温度设置为210℃，四区温度设置为215℃，五区温度设置为220℃，六区温度设置为225℃，机头温度设置为210℃，螺杆转速设置为205r/min。预混物在双螺杆挤出机中共混挤出，得到木塑复合材料颗粒。
实施例3
1)成分设计：
成分 含量/重量份
聚丙烯 50
杨木粉 35
脱硫石膏 15
抗氧剂(抗氧剂2246) 0.5
抗氧剂(抗氧剂626) 0.5
相容剂(马来酸酐接枝PP) 2
偶联剂(硅烷偶联剂) 1
润滑剂(聚乙烯蜡) 1.5
阻燃剂(磷酸三酯) 0.5
2)制备木塑复合材料：
按照1)中设计成分，按实施例1的原料混合方式，采用高速混合搅拌机在1500r/min下，制备成预混物，将预混物投加到长径比为40:1的双螺杆挤出机中，挤出机一区温度设置为195℃，二区温度设置为205℃，三区温度设置为205℃，四区温度设置为210℃，五区温度设置为215℃，六区温度设置为215℃，机头温度设置为205℃，螺杆转速设置为200r/min。预混物在双螺杆挤出机中共混挤出，得到木塑复合材料颗粒。
实施例4
1)成分设计：
Figure BDA0001531615610000081
Figure BDA0001531615610000091
2)制备木塑复合材料：
按照1)中设计成分，按实施例1的原料混合方式，采用高速混合搅拌机在1500r/min下，制备成预混物，将预混物投加到长径比为40:1的双螺杆挤出机中，挤出机一区温度设置为195℃，二区温度设置为205℃，三区温度设置为205℃，四区温度设置为210℃，五区温度设置为215℃，六区温度设置为215℃，机头温度设置为205℃，螺杆转速设置为200r/min。预混物在双螺杆挤出机中共混挤出，得到木塑复合材料颗粒。
实施例5
1)成分设计：
成分 含量/重量份
聚丙烯 50
杨木粉 35
脱硫石膏 15
抗氧剂(抗氧剂2246) 0.5
抗氧剂(抗氧剂626) 0.5
相容剂(马来酸酐接枝PP和马来酸酐接枝PE，质量比1:1) 2
偶联剂(硅烷偶联剂) 1
润滑剂(聚乙烯蜡) 1.5
阻燃剂(磷酸三酯) 0.5
2)制备木塑复合材料：
按照1)中设计成分，按实施例1的原料混合方式，采用高速混合搅拌机在1500r/min下，制备成预混物，将预混物投加到长径比为40:1的双螺杆挤出机中，挤出机一区温度设置为195℃，二区温度设置为205℃，三区温度设置为205℃，四区温度设置为210℃，五区温度设置为215℃，六区温度设置为215℃，机头温度设置为205℃，螺杆转速设置为200r/min。预混物在双螺杆挤出机中共混挤出，得到木塑复合材料颗粒。
实施例6
1)成分设计：
成分 含量/重量份
聚丙烯 50
杨木粉 35
脱硫石膏 15
抗氧剂(抗氧剂2246) 0.5
抗氧剂(抗氧剂626) 0.5
相容剂(马来酸酐接枝PP和马来酸酐接枝PE，质量比1:1) 2
偶联剂(硅烷偶联剂和铝酸酯偶联剂，质量比1:2) 1
润滑剂(聚乙烯蜡) 1.5
阻燃剂(磷酸三酯) 0.5
2)制备木塑复合材料：
按照1)中设计成分，按实施例1的原料混合方式，采用高速混合搅拌机在1500r/min下，制备成预混物，将预混物投加到长径比为40:1的双螺杆挤出机中，挤出机一区温度设置为195℃，二区温度设置为205℃，三区温度设置为205℃，四区温度设置为210℃，五区温度设置为215℃，六区温度设置为215℃，机头温度设置为205℃，螺杆转速设置为200r/min。预混物在双螺杆挤出机中共混挤出，得到木塑复合材料颗粒。
实施例7
1)成分设计：
Figure BDA0001531615610000101
Figure BDA0001531615610000111
2)制备木塑复合材料：
按照1)中设计成分，按实施例1的原料混合方式，采用高速混合搅拌机在1500r/min下，制备成预混物，将预混物投加到长径比为40:1的双螺杆挤出机中，挤出机一区温度设置为195℃，二区温度设置为205℃，三区温度设置为205℃，四区温度设置为210℃，五区温度设置为215℃，六区温度设置为215℃，机头温度设置为205℃，螺杆转速设置为200r/min。预混物在双螺杆挤出机中共混挤出，得到木塑复合材料颗粒。
实施例8
1)成分设计：
成分 含量/重量份
聚丙烯 50
杨木粉 35
脱硫石膏 15
抗氧剂(抗氧剂2246) 0.5
抗氧剂(抗氧剂626) 0.5
相容剂(马来酸酐接枝PP和马来酸酐接枝PE，质量比1:1) 2
偶联剂(硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂和钛酸酯偶联剂，质量比1:1:1) 1
润滑剂(聚乙烯蜡) 1.5
阻燃剂(磷酸三酯) 0.5
2)制备木塑复合材料：
按照1)中设计成分，按实施例1的原料混合方式，采用高速混合搅拌机在1500r/min下，制备成预混物，将预混物投加到长径比为40:1的双螺杆挤出机中，挤出机一区温度设置为195℃，二区温度设置为205℃，三区温度设置为205℃，四区温度设置为210℃，五区温度设置为215℃，六区温度设置为215℃，机头温度设置为205℃，螺杆转速设置为200r/min。预混物在双螺杆挤出机中共混挤出，得到木塑复合材料颗粒。
实施例9
对实施例1～3制成的木塑复合材料进行性能测试，结果如表1所示：
表1性能
Figure BDA0001531615610000121
通过表1可以看出，本申请制备的木塑复合材料兼具良好的弯曲强度、韧性和抗冲击性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种木塑复合材料，由包括以下重量份组分的原料制成：
Figure FDA0002627132780000011
所述聚丙烯的熔体流动质量速率为10～45g/10min。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述相容剂包括马来酸酐接枝PP和/或马来酸酐接枝PE。
3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述偶联剂包括铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂和硅烷偶联剂中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述润滑剂包括聚乙烯蜡、氯化聚乙烯、硬脂酸、硬脂酸锌和硬脂酸钙中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述抗氧剂包括抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂2246、抗氧剂168和抗氧剂626中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述阻燃剂包括氯化石蜡、三氧化二锑、磷酸三脂和多聚磷酸铵中的一种或多种。
7.一种权利要求1～6任一项所述复合材料的制备方法，包括以下步骤：
原料混合后在挤出机中共混挤出，得到木塑复合材料。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述挤出机的共混区温度为165～240℃；所述挤出机的机头温度为180～230℃。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述挤出机的螺杆转速为50～300r/min。
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