CN109337403B - 一种用造纸废弃物制备的木塑材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用造纸废弃物制备的木塑材料，包括如下质量百分含量的各组份：造纸废弃物30‑35％，木粉30‑40％，陶瓷粉15‑20％，山梨醇1‑5％，硅烷偶联剂1‑3％，马来酸酐接枝聚乙烯3‑6％，氯化铝1‑2％，聚乙二醇单甲醚3‑5％，封端异氰酸酯1‑2％。本发明先将硅烷偶联剂、马来酸酐接枝聚乙烯、氯化铝加入混合，氯化铝有助于各原料之间混合均匀，结合各原料之间的加入顺序，能够增强各助剂对塑料和木粉以及陶瓷粉的改性效果；本发明还加入山梨醇作为活化改性剂，与封端异氰酸酯和聚乙二醇单甲醚共同配合，能够充分对木粉和陶瓷粉进行改性，提高木粉、陶瓷粉与塑料之间的界面相容性，增强了木塑材料的性能。
Description
技术领域
本发明属于木塑材料技术领域，具体涉及一种用造纸废弃物制备的木塑材料及其制备方法。
背景技术
造纸工业是与国民经济和社会事业发展关系密切的重要基础原材料工业，纸及纸板的消费水平是衡量一个国家现代化水平和文明程度的标志，我国已成为世界造纸工业生产、消费和贸易大国。造纸过程中除了会产生大量的废水外，还有大量的固体废弃物产生。随着产业规模的逐渐扩大，这些固废物所带来的环境影响也日益突出，随之而来的各种生态问题和社会问题也逐渐突显出来。传统的处理方法是把这些废弃物进行填埋或焚烧，填埋这些废弃物却无法在短期内降解，造成土壤和地下水资源的污染，严重污染环境；而焚烧其水分含量高，造成焚烧温度难以控制，并产生二噁英，造成二次污染。而当前塑木行业存在的技术瓶颈是原材料匮乏、制品密度大、成本高。充分利用造纸过程中的这些固体废弃物开发高附加值产品，对减少环境污染，变废为宝，资源再生，是一项具有显著经济效益和环境效益的资源循环再利用工程。
木塑材料是一种新型环保的复合材料，是指以生物质粉(木粉、农业秸秆粉等)为填充材料，应用填充改型或高分子化学等手段，与热塑性塑料一起熔融、捏合、混炼，再经高温高压挤出，冷却而加工成型的一种可逆循坏利用的优质材料。该复合材料兼具塑料和木材的双重特性，有塑料的耐水、防腐、抗病虫害、易着色等优势，更有木质的感观，可像木材一样进行切、削、钻、钉、刨等二次加工。被广泛应用于建筑、家具、园林、物流、交通及车辆船舶等行业。
当前木塑行业存在的技术瓶颈是原材料匮乏、制品密度大、成本高。有鉴于此，将从造纸废弃物中回收的塑料作为木塑材料的原料，既大量的消耗了造纸废弃物，解决了木塑制品和木塑的原料来源，降低木塑材料的生产成本，又解决了造纸废弃物污染环境的技术难题，极大地带动了绿色环保领域的行业升级。但由于木粉极性和塑料之间的极性相差较大，两者具有较差的分散性和表面粘合性，因此，需要对木粉进行改性，提高木粉和塑料基体的界面相容性。但是目前常用的改性剂和偶联剂对木粉的改性效果不佳，并且在高温条件下容易发生副反应，影响木塑材料的性能。并且目前的木塑材料的抗冲击性能和耐磨性能较差，特别是用于户外公园装修时，由于使用过程中会经常受到撞击和摩擦，其抗冲击性能和耐磨性能必需改善。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种用造纸废弃物制备的木塑材料及其制备方法。
本发明提供了一种用造纸废弃物制备的木塑材料，包括如下质量百分含量的各组份：造纸废弃物30-35％，木粉30-40％，陶瓷粉15-20％，山梨醇1-5％，硅烷偶联剂1-3％，马来酸酐接枝聚乙烯3-6％，氯化铝1-2％，聚乙二醇单甲醚3-5％，封端异氰酸酯1-2％。
优选的，包括如下质量百分含量的各组份：造纸废弃物30％，木粉35％，陶瓷粉20％，山梨醇3％，硅烷偶联剂2％，马来酸酐接枝聚乙烯4％，氯化铝1％，聚乙二醇单甲醚4％，封端异氰酸酯1％。
优选的，所述木粉的粒径为100-300目。
优选的，所述封端异氰酸酯的解封温度为90-110℃。
优选的，所述硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷、γ—氨丙基三乙氧基硅烷或甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷中的一种。
本发明还提供了一种用造纸废弃物制备的木塑材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将硅烷偶联剂、马来酸酐接枝聚乙烯、氯化铝按顺序加入到混合机中混合，混合温度为30-40℃，混匀后得到混合物；
2)升温至60-70℃，往混合物中加入山梨醇、木粉和造纸废弃物，搅拌均匀，再继续升温至100-120℃加入封端异氰酸酯、聚乙二醇单甲醚和陶瓷粉，混合均匀后，冷却至40℃，得到混合料通过造粒挤出成型，得到木塑材料。
本发明所述一种用造纸废弃物制备的木塑材料的制备方法中，步骤2)所述混合料通过双螺杆造粒机和双螺杆挤出机成型，得到木塑材料。所述双螺杆造粒机中共有按进料方向顺序设置的十个区，各区的温度分别控制为：一区150-160℃、二区175-190℃、三区180-200℃、四区240-280℃、五区240-280℃、六区240-280℃、七区240-280℃、八区240-280℃、九区170-185℃、十区160-180℃。所述双螺杆挤出机中共有按进料方向顺序设置的四个区，各区的温度分别控制为：一区180-190℃、二区180-200℃、三区120-150℃、四区120-150℃。
本发明所述造纸废弃物的制备方法为：
1)将造纸废渣破碎，去除破碎渣料中的铁；
2)将除铁后的渣料在沉浮分离漂洗槽中分离，其中浮在上层的物质为塑料废料和纸浆的混合物，上层物质经过薄膜清洗机清洗后得到废塑料片Ⅰ以及塑料碎膜和纸浆两者的混合物，塑料碎膜和纸浆两者的混合物经过分离得到纸浆和废塑料；
3)废塑料片Ⅰ进一步粉碎，经过薄膜清洗机清洗后得到废塑料片Ⅱ以及塑料碎膜和纸浆两者混合物，塑料碎膜和纸浆两者的混合物经过分离得到纸浆和废塑料；
4)废塑料片Ⅱ在沉浮分离漂洗槽中分离后，浮在上层的物质经过薄膜清洗机清洗后得到废塑料；
步骤2)、3)和4)得到的废塑料混合即为造纸废弃物。
本发明所述造纸废弃物的制备方法中，步骤1)所述去除破碎渣料中的铁是利用永磁除铁器除去造纸废渣中的金属，所述永磁除铁器的磁性强度为8000-15000高斯。
本发明所述造纸废弃物的制备方法中，步骤1)所述造纸废渣破碎后经过120mm的筛网过筛。
本发明所述造纸废弃物的制备方法中，步骤2)和3)所述塑料碎膜和纸浆两者的混合物经过纸塑分离机分离，分离出的纸浆水经过过滤，细小的塑料通过双螺杆造粒，纸浆造纸。
本发明所述封端异氰酸酯是根据朱圆勤发表的学位论文《异氰酸酯封端解封反应的研究》中的原料和方法制得的。
本发明所述沉浮分离漂洗槽为无锡帝格曼环保科技有限公司供应的型号为PX2500-11。
本发明所述纸塑分离机位临沂宏忻塑料机械有限公司供应的。
本发明所述薄膜清洗机为无锡帝格曼环保科技有限公司供应的型号为FFW8030。
现有的木塑材料中木粉的添加量较多，达到了50％以上，木粉的加入会使材料的流动性变差，木粉受到较大的剪切作用力，增加在挤出机中的停留时间，使木粉容易烧焦，不利于挤出，也会影响木粉与其他原料的混合。本发明加入陶瓷粉代替木粉，能够降低木粉的含量，陶瓷粉表面比较均一，表面官能团也相对均一，并且其价格便宜，能够显著改善木塑材料的性能。但是若直接将陶瓷粉、塑料和木粉一起加入混合挤出成型，会使得陶瓷粉不能充分发挥其作用，塑料和木粉以及陶瓷粉之间的界面粘结力弱，相容性差。本发明将硅烷偶联剂等改性助剂加入到混合机中，控制在60-70℃下加入山梨醇、木粉和造纸废弃物，然后升高温度至100-120℃，加入封端异氰酸酯、聚乙二醇单甲醚和陶瓷粉，混合均匀后，冷却至40℃，得到混合料通过造粒挤出成型，得到木塑材料。先将部分助剂加入混合均匀，再加入木粉和塑料，将陶瓷粉最后与再与封端异氰酸酯、聚乙二醇单甲醚一起加入，严格控制各原料的加入顺序和混合温度，并将陶瓷粉在最后加入，能够改善木粉、陶瓷粉与塑料之间的界面相容性，界面粘结力强，最终得到的木塑材料的性能优异。采用本发明木塑材料的制备方法，能够使原料各组份之间混合均匀，副反应较少，生产效率高。整个制备过程工艺简单，生产效率高，原料之间混合均匀，界面粘结性强，生产成本降低。
本发明的制备过程中先将硅烷偶联剂、马来酸酐接枝聚乙烯、氯化铝加入混合，此过程中加入氯化铝有助于各原料之间混合均匀，结合各原料之间的加入顺序，能够增强各助剂对塑料和木粉以及陶瓷粉的改性效果；本发明还加入山梨醇作为活化改性剂，与封端异氰酸酯和聚乙二醇单甲醚共同配合，能够充分对木粉和陶瓷粉进行改性，提高木粉、陶瓷粉与塑料之间的界面相容性，增强了木塑材料的性能，所得木塑复合材料具有优异抗冲击性能和耐磨性能，力学性能较好，吸水率较低。
本发明中加入封端型多异氰酸酯，当达到封端多异氰酸酯的解封温度时，封端多异氰酸酯分解成多异氰酸酯，其中的-NCO基团与木粉、陶瓷粉反应，形成交联网络结构，能增加木塑材料的强度，并且韧性好，降低木粉的极性，使得塑料和木粉的相容性更好，混合更加均匀，极大的提高了木塑材料的拉伸、冲击和弯曲强度。若直接添加异氰酸酯(如二苯基甲烷二异氰酸酯)，其不稳定，反应活性高，反应速度难以控制，所得木塑材料的稳定性差，容易在未使用之前与空气中的水反应，并且可能发生凝胶，影响木塑材料的性能。
本发明中采用造纸废弃物为原料，充分达到了废弃物的无害化利用，具有环保、经济、原材料来源广泛等优点，既大量的消耗了造纸废弃物，解决了木塑制品和木塑的原料来源，降低木塑材料的生产成本，又解决了造纸废弃物污染环境的技术难题，极大地带动了绿色环保领域的行业升级。
本发明的造纸废弃物是通过机械装置对造纸业中的废渣进行自动分离，解决了人工生产效率低下，单位成本高的问题，提高了生产效率，既回收了资源，又减少了环境污染，从而产生显著的经济效益。并且将经过沉浮分离漂洗槽以及薄膜清洗机清洗后的废塑料片Ⅰ进一步重复经过薄膜清洗机清洗和沉浮分离漂洗槽，最终得到造纸废弃物。而现有技术中只通过一次沉浮分离，就得到造纸废弃物，使得造纸废弃物中的杂质较多，分离不彻底，并且造成资源浪费。
本发明的有益效果是：
1、本发明先将部分助剂加入混合均匀，再加入木粉和塑料，将陶瓷粉最后与再与封端异氰酸酯、聚乙二醇单甲醚一起加入，严格控制各原料的加入顺序和混合温度，并将陶瓷粉在最后加入，能够改善木粉、陶瓷粉与塑料之间的界面相容性，界面粘结力强，最终得到的木塑材料的性能优异。采用本发明木塑材料的制备方法，能够使原料各组份之间混合均匀，副反应较少，生产效率高。
2、本发明的制备过程中先将硅烷偶联剂、马来酸酐接枝聚乙烯、氯化铝加入混合，此过程中加入氯化铝有助于各原料之间混合均匀，结合各原料之间的加入顺序，能够增强各助剂对塑料和木粉以及陶瓷粉的改性效果；本发明还加入山梨醇作为活化改性剂，与封端异氰酸酯和聚乙二醇单甲醚共同配合，能够充分对木粉和陶瓷粉进行改性，提高木粉、陶瓷粉与塑料之间的界面相容性，增强了木塑材料的性能。
3、本发明的造纸废弃物是通过机械装置对造纸业中的废渣进行自动分离，解决了人工生产效率低下，单位成本高的问题，提高了生产效率，既回收了资源，又减少了环境污染，从而产生显著的经济效益。并且将经过沉浮分离漂洗槽以及薄膜清洗机清洗后的废塑料片Ⅰ进一步重复经过薄膜清洗机清洗和沉浮分离漂洗槽，最终得到造纸废弃物。解决了现有技术中纸塑分离不彻底，造纸废弃物杂质较多的问题。
4、本发明中采用造纸废弃物为原料，充分达到了废弃物的无害化利用，具有环保、经济、原材料来源广泛等优点，既大量的消耗了造纸废弃物，解决了木塑制品和木塑的原料来源，降低木塑材料的生产成本，又解决了造纸废弃物污染环境的技术难题，极大地带动了绿色环保领域的行业升级。
5、本发明整个制备过程工艺简单，生产效率高，原料之间混合均匀，界面粘结性强，生产成本降低，所得木塑材料具有优异的耐磨性，还具有优异的力学性能、较高的抗弯强度，较低的吸水率。
6、本发明加入陶瓷粉代替木粉，能够降低木粉的含量，陶瓷粉表面比较均一，表面官能团也相对均一，并且其价格便宜，能够显著改善木塑材料的性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围内。
实施例1
一种用造纸废弃物制备的木塑材料，包括如下质量百分含量的各组份：造纸废弃物35％，粒径为300目的木粉30％，陶瓷粉16％，山梨醇1％，硅烷偶联剂乙烯基三乙氧基硅烷3％，马来酸酐接枝聚乙烯6％，氯化铝2％，聚乙二醇单甲醚5％，封端异氰酸酯2％。
制备方法：1)将硅烷偶联剂、马来酸酐接枝聚乙烯、氯化铝按顺序加入到混合机中混合，混合温度为30℃，混匀后得到混合物；
2)升温至60℃，往混合物中加入山梨醇、木粉和造纸废弃物，搅拌均匀，搅拌速度为50r/min，20min后再继续升温至120℃加入封端异氰酸酯、聚乙二醇单甲醚和陶瓷粉，混合50min后，冷却至40℃，得到混合料通过造粒挤出成型，得到木塑材料。
实施例2
一种用造纸废弃物制备的木塑材料，包括如下质量百分含量的各组份：造纸废弃物30％，粒径为100目的木粉35％，陶瓷粉20％，山梨醇3％，硅烷偶联剂γ—氨丙基三乙氧基硅烷2％，马来酸酐接枝聚乙烯4％，氯化铝1％，聚乙二醇单甲醚4％，封端异氰酸酯1％。
制备方法：1)将硅烷偶联剂、马来酸酐接枝聚乙烯、氯化铝按顺序加入到混合机中混合，混合温度为35℃，混匀后得到混合物；
2)升温至70℃，往混合物中加入山梨醇、木粉和造纸废弃物，搅拌均匀，搅拌速度为100r/min，15min后再继续升温至110℃加入封端异氰酸酯、聚乙二醇单甲醚和陶瓷粉，混合40min后，冷却至40℃，得到混合料通过造粒挤出成型，得到木塑材料。
实施例3
一种用造纸废弃物制备的木塑材料，包括如下质量百分含量的各组份：造纸废弃物30％，粒径为200目的木粉40％，陶瓷粉15％，山梨醇5％，硅烷偶联剂甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷1％，马来酸酐接枝聚乙烯3％，氯化铝2％，聚乙二醇单甲醚3％，封端异氰酸酯1％。
制备方法：1)将硅烷偶联剂、马来酸酐接枝聚乙烯、氯化铝按顺序加入到混合机中混合，混合温度为40℃，混匀后得到混合物；
2)升温至68℃，往混合物中加入山梨醇、木粉和造纸废弃物，搅拌均匀，搅拌速度为80r/min，10min后再继续升温至100℃加入封端异氰酸酯、聚乙二醇单甲醚和陶瓷粉，混合30min后，冷却至40℃，得到混合料通过造粒挤出成型，得到木塑材料。
对比例1
一种用造纸废弃物制备的木塑材料，包括如下质量百分含量的各组份：造纸废弃物30％，粒径为100目的木粉36％，陶瓷粉20％，山梨醇3％，硅烷偶联剂γ—氨丙基三乙氧基硅烷2％，马来酸酐接枝聚乙烯4％，聚乙二醇单甲醚4％，封端异氰酸酯1％。
制备方法：1)将硅烷偶联剂、马来酸酐接枝聚乙烯按顺序加入到混合机中混合，混合温度为35℃，混匀后得到混合物；
2)升温至70℃，往混合物中加入山梨醇、木粉和造纸废弃物，搅拌均匀，搅拌速度为100r/min，15min后再继续升温至110℃加入封端异氰酸酯、聚乙二醇单甲醚和陶瓷粉，混合40min后，冷却至40℃，得到混合料通过造粒挤出成型，得到木塑材料。
对比例2
一种用造纸废弃物制备的木塑材料，包括如下质量百分含量的各组份：造纸废弃物32％，粒径为100目的木粉38％，陶瓷粉21％，山梨醇3％，硅烷偶联剂γ—氨丙基三乙氧基硅烷2％，马来酸酐接枝聚乙烯4％。
制备方法：1)将硅烷偶联剂、马来酸酐接枝聚乙烯按顺序加入到混合机中混合，混合温度为35℃，混匀后得到混合物；
2)升温至70℃，往混合物中加入山梨醇、木粉和造纸废弃物，搅拌均匀，搅拌速度为100r/min，15min后再继续升温至110℃加入陶瓷粉，混合40min后，冷却至40℃，得到混合料通过造粒挤出成型，得到木塑材料。
对比例3
一种用造纸废弃物制备的木塑材料，包括如下质量百分含量的各组份：造纸废弃物32％，粒径为100目的木粉38％，陶瓷粉20％，山梨醇3％，硅烷偶联剂γ—氨丙基三乙氧基硅烷2％，马来酸酐接枝聚乙烯4％，氯化铝1％。
制备方法：1)将硅烷偶联剂、马来酸酐接枝聚乙烯、氯化铝按顺序加入到混合机中混合，混合温度为35℃，混匀后得到混合物；
2)升温至70℃，往混合物中加入山梨醇、木粉和造纸废弃物，搅拌均匀，搅拌速度为100r/min，15min后再继续升温至110℃加入陶瓷粉，混合40min后，冷却至40℃，得到混合料通过造粒挤出成型，得到木塑材料。
对比例4
原料及其比例与实施例2相同，按照重量百分比称取所有原料，一起加入混合机中混合均匀，冷却至40℃，得到混合料通过造粒挤出成型，得到木塑材料。
将实施例1-3和对比例1-4所得木塑材料的性能进行测试，结果如下表1。
其中，木塑材料的抗弯强度、拉伸强度物理性能指标按《GB/T24137-2009木塑装饰板》测试。
参照木塑地板国家标准GB/T24508-2009，将上述实施例1-3和对比例1-4所得木塑材料加工制成标准样条，对其耐磨性、常温落球冲击、低温落锤冲击进行测试。
表1木塑材料性能测试结果
从上表中的数据可知，采用本发明的原料及制备方法得到的木塑材料与对比例相比，其具有较高的抗弯强度和拉伸强度，同时又具有优异的抗冲击性能和耐磨性。与对比例1相比，本发明所得的木塑材料的抗弯强度、拉伸强度均高于对比例1，抗冲击性能和耐磨性优于对比例1，说明加入氯化铝有助于各原料之间混合均匀；与对比例2相比，说明氯化铝与端异氰酸酯和聚乙二醇单甲醚共同配合，结合各原料之间的加入顺序，能够增强各助剂对塑料和木粉以及陶瓷粉的改性效果，所得木塑材料的性能优异；与对比例3相比说明山梨醇需要与封端异氰酸酯和聚乙二醇单甲醚共同配合，才能够充分对木粉和陶瓷粉进行改性，提高木粉、陶瓷粉与塑料之间的界面相容性，增强木塑材料的性能；与对比例4相比，说明采用的原料结合各原料之间的加入顺序和混合温度，能够增强各助剂对塑料和木粉以及陶瓷粉的改性效果。
Claims (4)
1.一种用造纸废弃物制备的木塑材料，其特征在于，由如下质量百分含量的各组份构成：
造纸废弃物30-35％，木粉30-40％，陶瓷粉15-20％，山梨醇1-5％，硅烷偶联剂1-3％，马来酸酐接枝聚乙烯3-6％，氯化铝1-2％，聚乙二醇单甲醚3-5％，封端异氰酸酯1-2％；所述造纸废弃物的制备方法为：
1)将造纸废渣破碎，去除破碎渣料中的铁；
2)将除铁后的渣料在沉浮分离漂洗槽中分离，其中浮在上层的物质为塑料废料和纸浆的混合物，上层物质经过薄膜清洗机清洗后得到废塑料片I以及塑料碎膜和纸浆两者的混合物，塑料碎膜和纸浆两者的混合物经过分离得到纸浆和废塑料；
3)废塑料片I进一步粉碎，经过薄膜清洗机清洗后得到废塑料片II以及塑料碎膜和纸；
4)废塑料片II在沉浮分离漂洗槽中分离后，浮在上层的物质经过薄膜清洗机清洗后得到废塑料；
步骤2)、3)和4)得到的废塑料混合即为造纸废弃物；
所述木塑材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将硅烷偶联剂、马来酸酐接枝聚乙烯、氯化铝按顺序加入到混合机中混合，混合温度为30-40℃，混匀后得到混合物；
2)升温至60-70℃，往混合物中加入山梨醇、木粉和造纸废塑料，搅拌均匀，再继续升温至100-120℃加入封端异氰酸酯、聚乙二醇单甲醚和陶瓷粉，混合均匀后，冷却至40℃，得到混合料通过造粒挤出成型，得到木塑材料；
所述封端异氰酸酯的解封温度为90-110℃。
2.如权利要求1所述的用造纸废弃物制备的木塑材料，其特征在于，包括如下质量百分含量的各组份：造纸废弃物30％，木粉35％，陶瓷粉20％，山梨醇3％，硅烷偶联剂2％，马来酸酐接枝聚乙烯4％，氯化铝1％，聚乙二醇单甲醚4％，封端异氰酸酯1％。
3.如权利要求1所述的用造纸废弃物制备的木塑材料，其特征在于，所述木粉的粒径为100-300目。
4.如权利要求1或2所述的用造纸废弃物制备的木塑材料，其特征在于，所述硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷或甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷中的一种。
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