CN108841188A - 一种利用碳纳米纤维增强导热性能的木塑复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种利用碳纳米纤维增强导热性能的木塑复合材料，其特征在于：包含以下重量份数的原料成分：木质纤维材料50‑80份，聚乙烯20‑40份，偶联剂0.2‑0.6份，抗氧剂0.5‑1份，相容剂1‑3份，润滑剂1‑3份，纳米碳纤维材料15‑35份，纳米石墨碳粉10‑20份，表面活性剂5‑12份，抗菌剂1‑5份，过氧化物0.1‑0.5份。将具有优异力学、导电、导热性能的纳米碳纤维和纳米石墨碳粉应用于木塑复合材料中，通过对其进行改性，可以有效的在纳米材料表面引入多种官能团，使其在塑料基体中均匀分散并且增强其与木质纤维及塑料界面的结合力，有利于应力的转移，从而发挥纳米碳纤维的优异特性。

Description

一种利用碳纳米纤维增强导热性能的木塑复合材料及其制备 方法

技术领域

本发明涉及木塑复合材料制备领域，具体涉及一种利用碳纳米纤维增强导热性能的木塑复合材料及其制备方法。

背景技术

目前，全球森林资源日益枯竭且综合利用率不高，同时废弃塑料的不当处理对人类的生存环境造成严重的威胁。木塑复合材料作为一种兼有木材和塑料双重有点的环保型复合材料，受到工业界和塑料加工业的关注。但是由于木材和塑料是高绝缘性材料，使得木塑复合材料的传热性能很弱，提高木塑复合材料的导电导热性能，可以使得木塑复合材料得到更为广泛的应用。比如木塑复合地板如果具有良好的非绝缘导热性能，一方面可以防静电，减少灰尘的附着，增加美感，另一方面我国北方地区铺设该地板后采用地板辐射取暖的效果更加明显，可节约大量资源。

因此，以上问题是在研究木塑复合材料中应当考虑和予以解决的问题。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明针对克服现有技术中的缺陷，提供一种利用碳纳米纤维增强导热性能的木塑复合材料及其制备方法。

本发明的技术解决方案是：一种利用碳纳米纤维增强导热性能的木塑复合材料，包含以下重量份数的原料成分：木质纤维材料50-80份，聚乙烯20-40份，偶联剂0.2-0.6份，抗氧剂0.5-1份，相容剂1-3份，润滑剂1-3份，纳米碳纤维材料15-35份，纳米石墨碳粉10-20份，表面活性剂5-12 份，抗菌剂1-5 份，过氧化物0.1-0.5份。

本发明的进一步改进在于：所述纳米碳纤维材料为聚丙烯腈纳米碳纤维，直径为100-200nm，长度为 10-30μm，所述纳米石墨碳粉的粒径为30目-100目。

本发明的进一步改进在于：所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1070、抗氧剂168中的至少一种。

抗氧化剂一方面可以保护高温加工过程中的木质纤维材料，另一方面可以减缓使用过程中木塑复合材料在空气中的氧化降解。

本发明的进一步改进在于：所述偶联剂为钛酸酯偶联剂，硅烷偶联剂中的至少一种。

本发明的进一步改进在于：所述相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯和马来酸酐接枝聚丙烯中的至少一种。

本发明的进一步改进在于：所述润滑剂为硬脂酸、硬脂酸锌、石蜡、聚乙烯蜡中的至少一种。

使用润滑剂，可以改善加工过程中熔体流动性能，提高生产效率和的外观。

本发明的进一步改进在于：所述木质纤维材料为木粉，竹粉和农作物秸秆中的一种或几种的混合物，所述木质纤维素材料粒径为50-150目，含水率为5%-15%。

本发明的进一步改进在于：所述表面活性剂为阳离子表面活性剂，所述抗菌剂为纳米银锌复合材料。

采用纳米银锌复合材料能够提高木塑材料的抗菌防霉性能。

本发明的进一步改进在于：所述过氧化物为过氧化二异丙苯，过氧化苯甲酰，叔丁基过氧化氢或过氧化苯甲酸叔丁酯。

上述一种利用碳纳米纤维增强导热性能的木塑复合材料的制备方法，具体包括如下步骤：

（1）按重量份数称取各组成：木质纤维材料50-80份，聚乙烯30份，偶联剂0.2-0.6份，抗氧剂0.5-1份，相容剂1-3份，润滑剂1-3份，纳米碳纤维材料15-35份，纳米石墨碳粉10-20份，表面活性剂5-12 份，抗菌剂1-5 份，过氧化物0.1-0.5份；

（2）木质纤维材料的干燥：将所述木质纤维材料在100-120℃温度下进行烘干，直至其中水分含量＜2%；

（3）改性处理：将偶联剂加入到乙醇溶液中，其中偶联剂，乙醇和水的比例为2:7:1，在温度60-80℃和转速200-300rpm/min的条件下搅拌20min；将木质纤维材料和表面活性剂在封闭、常温情况下搅拌至均匀；然后将前两者得到的混合物混合并加入碳纳米纤维材料以及纳米石墨碳粉高速搅拌得到混合溶液，将混合溶液置于超声波处理器中，在室温条件下超声溶解1h-1.5h，溶解后用碱溶液清洗过滤，最后置于温度为80-120℃的真空干燥箱中进行干燥8-10h，得到碳纳米纤维材料和木质纤维材料的改性预混物；

（4）混炼：将得到的改性预混物和聚乙烯30份，抗氧剂0.5-1份，相容剂1-3份，润滑剂1-3份，抗菌剂1-5 份，过氧化物0.1-0.5份放入高速混合机中进行混合，转速为1000-1500rpm/min，混合5-10min，得到中间混料；

（5）将得到的混炼物加入挤出机，料筒温度为140-200℃、螺杆转速为 200-300rpm/min，熔融混合10-30min，得到最终的熔融混合物料；

（6）在加工温度150-200℃的条件下，将得到的最终的熔融混合物料进行挤出，后经热压成型、牵引和切割，即得木塑复合材料，其中热压成型工艺参数为在10MPa压力和180±10℃的温度下，热压10-20min。

上述方法中，挤出机的类型无严格要求，可选用单螺杆挤出机，也可以为双螺杆挤出机，作为优选，所述的挤出机为双螺杆挤出机。由于双螺杆挤出机是靠正位移原理输送物料，因此可以加入粘度很高或很低的物料以及带状料、糊状料、粉料等。而且，物料在双螺杆挤出机中停留时间短，滞留时间分布窄，因此双螺杆挤出机适于加工热敏性物料。除此而外，双螺杆挤出机还具有优异的混合、塑化效果，且功耗低。

本发明的有益效果是：本发明提供一种利用碳纳米纤维增强导热性能的木塑复合材料及其制备方法，将具有优异力学、导电、导热性能的纳米碳纤维和纳米石墨碳粉应用于木塑复合材料中，通过对其进行改性，可以有效的在纳米材料表面引入多种官能团，使其在塑料基体中均匀分散并且增强其与木质纤维及塑料界面的结合力，有利于应力的转移，从而发挥纳米碳纤维的优异特性，大幅度提高复合材料的力学性能，另外纳米碳纤维材料是良好的导电材料，电热转换率高、升温速率 快，发热均匀，能降低体积电阻率和表面电阻率，且具有防静电功能，通过本发明制得的木塑复合材料，可最大限度地扩大木塑复合材料的使用环境和应用范围，具有广阔的经济前景和社会效益。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

实施例1：

本实施例提供本发明的技术解决方案是：一种利用碳纳米纤维增强导热性能的木塑复合材料，包含以下重量份数的原料成分：木质纤维材料60份，聚乙烯30份，偶联剂0.4份，抗氧剂0.8份，相容剂2份，润滑剂2份，纳米碳纤维材料25份，纳米石墨碳粉15份，表面活性剂8份，抗菌剂3 份，过氧化物0.3份。

所述木质纤维材料为木粉，竹粉和农作物秸秆混合物，所述木质纤维素材料粒径为80目，含水率为7%。所述纳米碳纤维材料为聚丙烯腈纳米碳纤维，直径为150nm，长度为20μm，所述纳米石墨碳粉的粒径为70目。

所述抗氧剂为抗氧剂1010，所述偶联剂为钛酸酯偶联剂，所述相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯，所述润滑剂为硬脂酸，所述表面活性剂为阳离子表面活性剂，所述抗菌剂为纳米银锌复合材料，所述过氧化物为过氧化二异丙苯。

上述一种利用碳纳米纤维增强导热性能的木塑复合材料的制备方法，具体包括如下步骤：

（1）按重量份数称取各组成：木质纤维材料60份，聚乙烯30份，偶联剂0.4份，抗氧剂0.8份，相容剂2份，润滑剂2份，纳米碳纤维材料25份，纳米石墨碳粉15份，表面活性剂8 份，抗菌剂3 份，过氧化物0.3份。

（2）木质纤维材料的干燥：将所述木质纤维材料在110℃温度下进行烘干，直至其中水分含量＜1%；

（3）改性处理：将偶联剂加入到乙醇溶液中，其中偶联剂，乙醇和水的比例为2:7:1，在温度70℃和转速250rpm/min的条件下搅拌20min；将木质纤维材料和表面活性剂在封闭、常温情况下搅拌至均匀；然后将前两者得到的混合物混合并加入碳纳米纤维材料以及纳米石墨碳粉高速搅拌得到混合溶液，将混合溶液置于超声波处理器中，在室温条件下超声溶解1h，溶解后用碱溶液清洗过滤，最后置于温度为100℃的真空干燥箱中进行干燥9h，得到碳纳米纤维材料和木质纤维材料的改性预混物；

（4）混炼：将得到的改性预混物和聚乙烯、抗氧剂、相容剂、润滑剂、抗菌剂、过氧化物放入高速混合机中进行混合，转速为1200rpm/min，混合8min，得到中间混料；

（5）将得到的混炼物加入挤出机，料筒温度为170℃、螺杆转速为 250rpm/min，熔融混合20min，得到最终的熔融混合物料；

（6）在加工温度180℃的条件下，将得到的最终的熔融混合物料进行挤出，后经热压成型、牵引和切割，即得木塑复合材料，其中热压成型工艺参数为在10MPa压力和180℃的温度下，热压15min。

上述方法中，所述的挤出机为双螺杆挤出机。

本实施例的有益效果是：本发明提供一种利用碳纳米纤维增强导热性能的木塑复合材料及其制备方法，将具有优异力学、导电、导热性能的纳米碳纤维和纳米石墨碳粉应用于木塑复合材料中，通过对其进行改性，可以有效的在纳米材料表面引入多种官能团，使其在塑料基体中均匀分散并且增强其与木质纤维及塑料界面的结合力，有利于应力的转移，从而发挥纳米碳纤维的优异特性，大幅度提高复合材料的力学性能，另外纳米碳纤维材料是良好的导电材料，电热转换率高、升温速率 快，发热均匀，能降低体积电阻率和表面电阻率，且具有防静电功能，通过本发明制得的木塑复合材料，可最大限度地扩大木塑复合材料的使用环境和应用范围，具有广阔的经济前景和社会效益。

实施例2：

本实施例提供一种利用碳纳米纤维增强导热性能的木塑复合材料，包含以下重量份数的原料成分：木质纤维材料50份，聚乙烯20份，偶联剂0.2份，抗氧剂0.5份，相容剂1份，润滑剂1份，纳米碳纤维材料35份，纳米石墨碳粉20份，表面活性剂5 份，抗菌剂1份，过氧化物0.1份。

所述木质纤维材料为木粉，所述木质纤维素材料粒径为50目，含水率为5%，所述纳米碳纤维材料为聚丙烯腈纳米碳纤维，直径为10nm，长度为 10μm，所述纳米石墨碳粉的粒径为30目。

所述抗氧剂为抗氧剂1070，所述偶联剂为硅烷偶联剂，所述相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯，所述润滑剂为硬脂酸锌，所述表面活性剂为阳离子表面活性剂，所述抗菌剂为纳米银锌复合材料，所述过氧化物为过氧化苯甲酰。

上述一种利用碳纳米纤维增强导热性能的木塑复合材料的制备方法，具体包括如下步骤：

（1）按重量份数称取各组成：木质纤维材料50份，聚乙烯20份，偶联剂0.2份，抗氧剂0.5份，相容剂1份，润滑剂1份，纳米碳纤维材料35份，纳米石墨碳粉20份，表面活性剂5 份，抗菌剂1份，过氧化物0.1份；

（2）木质纤维材料的干燥：将所述木质纤维材料在100℃温度下进行烘干，直至其中水分含量＜2%；

（3）改性处理：将偶联剂加入到乙醇溶液中，其中偶联剂，乙醇和水的比例为2:7:1，在温度60℃和转速200rpm/min的条件下搅拌20min；将木质纤维材料和表面活性剂在封闭、常温情况下搅拌至均匀；然后将前两者得到的混合物混合并加入碳纳米纤维材料以及纳米石墨碳粉高速搅拌得到混合溶液，将混合溶液置于超声波处理器中，在室温条件下超声溶解1h，溶解后用碱溶液清洗过滤，最后置于温度为80℃的真空干燥箱中进行干燥8h，得到碳纳米纤维材料和木质纤维材料的改性预混物；

（4）混炼：将得到的改性预混物和聚乙烯20份，抗氧剂，相容剂，润滑剂，抗菌剂，过氧化物放入高速混合机中进行混合，转速为1000rpm/min，混合5min，得到中间混料；

（5）将得到的混炼物加入挤出机，料筒温度为140℃、螺杆转速为 200rpm/min，熔融混合10min，得到最终的熔融混合物料；

（6）在加工温度150℃的条件下，将得到的最终的熔融混合物料进行挤出，后经热压成型、牵引和切割，即得木塑复合材料，其中热压成型工艺参数为在10MPa压力和170℃的温度下，热压10min。

实施例3：

一种利用碳纳米纤维增强导热性能的木塑复合材料，包含以下重量份数的原料成分：木质纤维材料80份，聚乙烯40份，偶联剂0.6份，抗氧剂1份，相容剂3份，润滑剂3份，纳米碳纤维材料15份，纳米石墨碳粉10份，表面活性剂12 份，抗菌剂5 份，过氧化物0.5份。

所述木质纤维材料为木粉，竹粉和农作物秸秆中的一种或几种的混合物，所述木质纤维素材料粒径为150目，含水率为15%。所述纳米碳纤维材料为聚丙烯腈纳米碳纤维，直径为200nm，长度为30μm，所述纳米石墨碳粉的粒径为100目。

所述抗氧剂为抗氧剂168，所述偶联剂为钛酸酯偶联剂和硅烷偶联剂的混合物，所述相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯和马来酸酐接枝聚丙烯的混合物，所述润滑剂为聚乙烯蜡，所述表面活性剂为阳离子表面活性剂，所述抗菌剂为纳米银锌复合材料，所述过氧化物为过氧化苯甲酸叔丁酯。

上述一种利用碳纳米纤维增强导热性能的木塑复合材料的制备方法，具体包括如下步骤：

（1）按重量份数称取各组成：木质纤维材料80份，聚乙烯40份，偶联剂0.6份，抗氧剂1份，相容剂3份，润滑剂3份，纳米碳纤维材料15份，纳米石墨碳粉10份，表面活性剂12 份，抗菌剂5 份，过氧化物0.5份；

（2）木质纤维材料的干燥：将所述木质纤维材料在120℃温度下进行烘干，直至其中水分含量＜2%；

（3）改性处理：将偶联剂加入到乙醇溶液中，其中偶联剂，乙醇和水的比例为2:7:1，在温度80℃和转速300rpm/min的条件下搅拌20min；将木质纤维材料和表面活性剂在封闭、常温情况下搅拌至均匀；然后将前两者得到的混合物混合并加入碳纳米纤维材料以及纳米石墨碳粉高速搅拌得到混合溶液，将混合溶液置于超声波处理器中，在室温条件下超声溶解1.5h，溶解后用碱溶液清洗过滤，最后置于温度为120℃的真空干燥箱中进行干燥10h，得到碳纳米纤维材料和木质纤维材料的改性预混物；

（4）混炼：将得到的改性预混物和聚乙烯，抗氧剂，相容剂，润滑剂，抗菌剂，过氧化物放入高速混合机中进行混合，转速为1500rpm/min，混合10min，得到中间混料；

（5）将得到的混炼物加入挤出机，料筒温度为200℃、螺杆转速为 300rpm/min，熔融混合30min，得到最终的熔融混合物料；

（6）在加工温度200℃的条件下，将得到的最终的熔融混合物料进行挤出，后经热压成型、牵引和切割，即得木塑复合材料，其中热压成型工艺参数为在10MPa压力和190℃的温度下，热压20min。

行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种利用碳纳米纤维增强导热性能的木塑复合材料，其特征在于：包含以下重量份数的原料成分：木质纤维材料50-80份，聚乙烯20-40份，偶联剂0.2-0.6份，抗氧剂0.5-1份，相容剂1-3份，润滑剂1-3份，纳米碳纤维材料15-35份，纳米石墨碳粉10-20份，表面活性剂5-12 份，抗菌剂1-5 份，过氧化物0.1-0.5份。

2.一种利用碳纳米纤维增强导热性能的木塑复合材料，其特征在于：所述纳米碳纤维材料为聚丙烯腈纳米碳纤维，直径为100-200nm，长度为 10-30μm，所述纳米石墨碳粉的粒径为30目-100目。

3.一种利用碳纳米纤维增强导热性能的木塑复合材料，其特征在于：所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1070、抗氧剂168中的至少一种。

4.一种利用碳纳米纤维增强导热性能的木塑复合材料，其特征在于：所述偶联剂为钛酸酯偶联剂，硅烷偶联剂中的至少一种。

5.一种利用碳纳米纤维增强导热性能的木塑复合材料，其特征在于：所述相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯和马来酸酐接枝聚丙烯中的至少一种。

6.一种利用碳纳米纤维增强导热性能的木塑复合材料，其特征在于：所述润滑剂为硬脂酸、硬脂酸锌、石蜡、聚乙烯蜡中的至少一种。

7.一种利用碳纳米纤维增强导热性能的木塑复合材料，其特征在于：所述木质纤维材料为木粉，竹粉和农作物秸秆中的一种或几种的混合物，所述木质纤维素材料粒径为50-150目，含水率为5%-15%。

8.一种利用碳纳米纤维增强导热性能的木塑复合材料，其特征在于：所述表面活性剂为阳离子表面活性剂，所述抗菌剂为纳米银锌复合材料。

9.一种利用碳纳米纤维增强导热性能的木塑复合材料，其特征在于：所述过氧化物为过氧化二异丙苯，过氧化苯甲酰，叔丁基过氧化氢或过氧化苯甲酸叔丁酯。

10.根据权利要求1-9任一所述的一种利用碳纳米纤维增强导热性能的木塑复合材料的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

（1）按重量份数称取各组成：木质纤维材料50-80份，聚乙烯30份，偶联剂0.2-0.6份，抗氧剂0.5-1份，相容剂1-3份，润滑剂1-3份，纳米碳纤维材料15-35份，纳米石墨碳粉10-20份，表面活性剂5-12 份，抗菌剂1-5 份，过氧化物0.1-0.5份；

（2）木质纤维材料的干燥：将所述木质纤维材料在100-120℃温度下进行烘干，直至其中水分含量＜2%；

（3）改性处理：将偶联剂加入到乙醇溶液中，其中偶联剂，乙醇和水的比例为2:7:1，在温度60-80℃和转速200-300rpm的条件下搅拌20min；将木质纤维材料和表面活性剂在封闭、常温情况下搅拌至均匀；然后将前两者得到的混合物混合并加入碳纳米纤维材料以及纳米石墨碳粉高速搅拌得到混合溶液，将混合溶液置于超声波处理器中，在室温条件下超声溶解1h-1.5h，溶解后用碱溶液清洗过滤，最后置于温度为80-120℃的真空干燥箱中进行干燥8-10h，得到碳纳米纤维材料和木质纤维材料的改性预混物；

（4）混炼：将得到的改性预混物和聚乙烯30份，抗氧剂0.5-1份，相容剂1-3份，润滑剂1-3份，抗菌剂1-5 份，过氧化物0.1-0.5份放入高速混合机中进行混合，转速为1000-1500rpm/min，混合5-10min，得到中间混料；

（5）将得到的混炼物加入挤出机，料筒温度为140-200℃、螺杆转速为 200-300rpm/min，熔融混合10-30min，得到最终的熔融混合物料；

（6）在加工温度150-200℃的条件下，将得到的最终的熔融混合物料进行挤出，后经热压成型、牵引和切割，即得木塑复合材料，其中热压成型工艺参数为在10MPa压力和180±10℃的温度下，热压10-20min。