CN109705453A - 聚丙烯基木塑复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于高分子材料科学领域，公开了一种聚丙烯基木塑复合材料及其制备方法和应用，该聚丙烯基木塑复合材料包括共混的如下组分：聚丙烯100重量份、改性植物纤维5‑40重量份、超高分子量聚乙烯粉末5‑20重量份、润滑剂1‑3重量份、相容剂1‑10重量份和抗氧剂0.1‑2重量份。本发明的聚丙烯基木塑复合材料具有优异的综合性能，复合材料的拉伸强度、弯曲模量、耐摩擦和冲击等性能都得到提高；同时复合材料具有较高的熔体流动速率，大于20kg/10min，满足模块高速注塑成型时的加工性能要求。

Description

聚丙烯基木塑复合材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及高分子材料科学领域，更具体地，涉及一种聚丙烯基木塑复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着“海绵城市”建设的热潮，目前国家和各地方政府都在积极推行低影响开发(LID)理念。这是一种绿色生态环保的雨水控制与利用手段，以源头控制为主，尽可能的将雨水滞蓄、入渗就地处理，以减少城市内涝和提高雨水的回收利用。塑料雨水模块由于其灵活的组合形式以及多样的储存手段，既可当做收集水池用，也可作为雨水入渗池，与传统的钢筋混凝土相比具有更生态环保、绿色可持续的特点，是建设海绵城市即经济又实用的蓄水设施优选产品之一，广泛应用于各大雨水综合利用工程中。

雨水模块产品从研发到生产仅有十多年的历史，目前仍没有统一的严格的技术标准来指导企业的生产和产品质量，各企业的原料、生产工艺以及塑料模块的构造形式均存在差异，技术要求也不一致，一般按企业标准组织生产，导致产品质量参差不齐。

雨水模块的性能要求主要包括：承载强度、耐冲击性能和对不同雨水环境的适应性。塑料雨水模块原材料以聚丙烯材料为主，加入必要的添加剂。国内各厂家使用聚丙烯树脂牌号杂乱，还有很多原料含有较多杂质和多次回用，进而会大大影响产品的承载、耐冲击等方面性能。

虽然采用天然植物纤维与树脂复合的研究已有较长的历史，木塑复合材料具有原料来源丰富、价格低廉、可再生降解等优点，但仍存在纤维表面与塑料的相容性差、性能不均一等缺点，使得植物纤维增强PP复合材料的应用受到制约。目前植物纤维增强PP复合材料在雨水模块领域的应用尚属空白，因此，有必要采用新材料和新技术引导雨水模块产品向更高的水平发展，进而为海绵城市建设提供更优质的产品支持。

发明内容

本发明的目的是提供一种可用于制备塑料雨水模块的高流动性木塑复合材料，以聚丙烯材料作为基础树脂，采用表面改性处理后的植物纤维作为增强材料，再采用超高分子量聚乙烯粉末作为耐磨损助剂和润滑剂，在满足高流动性(熔指MFR≥20g/10min)的同时，提高木塑复合材料的耐磨损和耐冲击性能。

为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种聚丙烯基木塑复合材料，该聚丙烯基木塑复合材料包括共混的如下组分：聚丙烯100重量份、改性植物纤维5-40重量份、超高分子量聚乙烯粉末5-20重量份、润滑剂1-3重量份、相容剂1-10重量份和抗氧剂0.1-2重量份。

本发明的第二方面提供一种上述聚丙烯基木塑复合材料的制备方法，该制备方法包括如下步骤：

(1)植物纤维的表面改性：a、将植物纤维浸泡于碱液中，然后用弱酸清洗至中性，烘干得到碱处理后的植物纤维；b、将所述碱处理后的植物纤维放入马来酸酐接枝聚丙烯的乳液中浸渍，然后洗涤、烘干，得到改性植物纤维；

(2)聚丙烯基木塑复合材料的熔融共混挤出：将聚丙烯、改性植物纤维、超高分子量聚乙烯粉末、相容剂、润滑剂和抗氧剂进行混合；然后经熔融共混、挤出造粒后得到所述聚丙烯基木塑复合材料。

本发明的第三方面提供一种上述聚丙烯基木塑复合材料在制备塑料雨水模块中的应用。

本发明的技术方案具有如下优点：

(1)本发明所制备的聚丙烯基木塑复合材料具有优异的综合性能，复合材料的拉伸强度、弯曲模量、耐摩擦和冲击等性能都得到提高；同时复合材料具有较高的熔体流动速率(大于20kg/10min)，满足雨水模块高速注塑成型时的加工性能要求；

(2)本发明所制备的复合材料所采用的各类辅助材料均为市场上常见材料，来源广泛且易采购，并能大大降低生产成本，具有很高的经济价值。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。

本发明的第一方面提供一种聚丙烯基木塑复合材料，该聚丙烯基木塑复合材料包括共混的如下组分：聚丙烯100重量份、改性植物纤维5-40重量份、超高分子量聚乙烯粉末5-20重量份、润滑剂1-3重量份、相容剂1-10重量份和抗氧剂0.1-2重量份。

根据本发明，优选地，所述改性植物纤维为马来酸酐接枝聚丙烯表面改性的植物纤维；进一步优选地，所述改性植物纤维为马来酸酐接枝聚丙烯表面改性的碱处理植物纤维。

通过化学方法对纤维表面进行改性，可降低植物纤维的表面自由能，增强纤维和基体树脂的界面相容性，从而提高复合材料的综合性能。本发明的聚丙烯基木塑复合材料采用改性植物纤维增强聚丙烯复合材料，对植物纤维表面进行碱处理和马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)涂覆，增强纤维和树脂之间的界面相容性，提高材料的模量(刚性)。

根据本发明一种具体实施方式，所述改性植物纤维由包括如下步骤的方法制得：

(1)将植物纤维浸泡于碱液中，然后用弱酸清洗至中性，烘干得到碱处理后的植物纤维；

(2)将所述碱处理后的植物纤维放入马来酸酐接枝聚丙烯的乳液中浸渍，然后洗涤、烘干，得到改性植物纤维。

通过碱处理可将植物纤维表面的蜡质和杂质除去，增加表面粗糙度，再涂覆一层马来酸酐接枝聚丙烯以增强纤维和基体树脂之间的相容性。

作为优选方案，步骤(1)中，浸泡时间为0.5-2h，碱液优选为NaOH溶液，烘干温度优选为80-120℃；步骤(2)中，浸渍时间为2-6h，烘干温度优选为80-120℃。所述马来酸酐接枝聚丙烯的乳液的浓度可以为5-20wt％

根据本发明，优选地，所述植物纤维为天然植物纤维，所述天然植物纤维优选包括竹纤维、木纤维、麻纤维和秸秆纤维中的至少一种。

根据本发明，优选地，超高分子量聚乙烯的粘均分子量为100万-500万。

根据本发明，优选地，所述润滑剂为液体石蜡、聚乙烯蜡和聚丙烯蜡中的至少一种。

根据本发明，优选地，所述相容剂为马来酸酐接枝聚合物，优选为马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)、马来酸酐接枝乙烯辛烯共聚物(POE-g-MAH)、马来酸酐接枝三元乙丙橡胶(EPDM-g-MAH)和马来酸酐接枝二元乙丙橡胶(EPM-g-MAH)中的至少一种。

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)粉末的加入提高了材料的耐磨损和冲击性能，再添加相容剂和润滑剂以提高复合材料的加工性能和力学性能，满足雨水模块薄壁注塑成型的需要。

根据本发明，优选地，所述抗氧剂为酚类抗氧剂、受阻胺类抗氧剂和亚磷酸酯类抗氧剂中的至少一种。优选为抗氧剂1010、抗氧剂168和抗氧剂1076中的至少一种。

根据本发明，优选地，所述聚丙烯为均聚聚丙烯和/或共聚聚丙烯，进一步优选地，所述聚丙烯在230℃、2.16kg载荷下的熔体流动速率≥20g/10min。

本发明的第二方面提供一种上述聚丙烯基木塑复合材料的制备方法，该制备方法包括如下步骤：

(1)植物纤维的表面改性：a、将植物纤维浸泡于碱液中，然后用弱酸清洗至中性，烘干得到碱处理后的植物纤维；b、将所述碱处理后的植物纤维放入马来酸酐接枝聚丙烯的乳液中浸渍，然后洗涤、烘干，得到改性植物纤维；

(2)聚丙烯基木塑复合材料的熔融共混挤出：将聚丙烯、改性植物纤维、超高分子量聚乙烯粉末、相容剂、润滑剂和抗氧剂进行混合；然后经熔融共混、挤出造粒后得到所述聚丙烯基木塑复合材料。

步骤(1)中，各步骤和条件的限定如前所述，在此不再赘述。步骤(2)中，所述熔融共混和挤出造粒均可采用本领域常规的条件和装置进行。例如，采用双螺杆挤出机在200-220℃下进行熔融共混。

本发明的复合材料可用于注塑成型制备塑料雨水模块，因此，本发明的第三方面提供一种上述聚丙烯基木塑复合材料在制备塑料雨水模块中的应用。通过对制品进行性能评价，证明本发明的复合材料制得的塑料雨水模块满足相关标准要求。

以下通过实施例进一步说明本发明：

1、所用原料和试剂

抗冲共聚聚丙烯：牌号HHP4，230℃、2.16kg载荷下的熔体流动速率28g/10min，茂名石化生产。

植物纤维：竹纤维，平均细度6dtex，平均长度95mm，宁波竹源新材料有限公司。

NaOH：北京化工厂。

马来酸酐接枝聚丙烯：南京德巴化工有限公司。

超高分子量聚乙烯粉末：M-II型，平均分子量为2.5×10⁶，北京助剂二厂。

润滑剂：聚乙烯蜡，国药集团化学试剂有限公司。

抗氧剂：抗氧剂1010，国药集团化学试剂有限公司。

2、性能测试标准及仪器

拉伸力学性能：按GB/T 1040-2006标准，拉伸速率为50mm/min，测定不同样条的拉伸屈服强度，测试仪器为德国Zwick公司Z020型材料试验机。

弯曲性能：按照GB/T 9341-2008，加载速率为2mm/min，测试不同样品的弯曲模量，测试仪器为德国Zwick公司Z020型材料试验机。

悬臂梁冲击性能：按GB/T 1843-2008标准，测定带V形缺口样品在23℃下的悬臂梁冲击强度，测试仪器为德国Zwick公司5113型冲击试验机。

熔体流动速率：按GB/T 3682-2000标准，测定材料在230℃下负荷2.16kg下的熔体流动速率，测试仪器为德国GOTTFERT公司MI-4型熔体流动速率测定仪。

磨损性能：按GB/T 3960-1983标准，测定材料在23℃下的摩擦系数，测试仪器为宣化试验机厂M-2000型磨损试验机。

实施例1-6

本发明实施例1-6聚丙烯基木塑复合材料的制备方法如下：

1)植物纤维的表面改性

室温下将植物纤维在5wt％的NaOH溶液中浸泡1h，再用弱酸清洗至中性，100℃烘箱中烘干；将碱处理后的植物纤维放入10wt％马来酸酐接枝聚丙烯的乳液中浸渍4h，取出、用清水冲洗后放入80℃烘箱中烘干，得到改性植物纤维。

2)聚丙烯基木塑复合材料的熔融共混挤出

将聚丙烯、改性植物纤维、UHMWPE粉末、相容剂、润滑剂和抗氧剂在高速搅拌机中预混，再经双螺杆挤出机在200-220℃下熔融共混，挤出造粒后得到所述的聚丙烯基木塑复合材料。

各实施例所用的组分和用量见表1。

对比例1

1)植物纤维的表面改性：首先室温下将植物纤维在5wt％的NaOH溶液中浸泡1h，再用弱酸清洗至中性，100℃烘箱中烘干；将碱处理后的植物纤维放入10wt％马来酸酐接枝聚丙烯的乳液中浸渍4h，取出用清水冲洗后放入80℃烘箱中烘干，得到改性植物纤维备用；

2)聚丙烯基木塑复合材料的熔融挤出：将聚丙烯、改性植物纤维、相容剂、抗氧剂、聚乙烯蜡在高速搅拌机中预混后，再经双螺杆挤出机在200-220℃下熔融共混，挤出造粒后得到聚丙烯基木塑复合材料；

制备本对比例的各组分和用量见表1。

对比例2

聚丙烯基木塑复合材料的熔融挤出：将聚丙烯、UHMWPE粉末、相容剂、抗氧剂、聚乙烯蜡在高速搅拌机中预混后，再经双螺杆挤出机在200-220℃下熔融共混，挤出造粒后得到聚丙烯基木塑复合材料。

制备本对比例的各组分和用量见表1。

表1 不同实施例和对比例中聚乙烯基木塑复合材料的组分

(表1中的各组分用量均指重量份数)

测试例1

将实施例1-6和对比例1-2制得的聚丙烯基木塑复合材料经注塑制作成标准样条，按照国标进行相应的拉伸力学、弯曲、冲击、熔体流动指数和耐磨损性能测试，所得测试数据见表2。

测试例2

将实施例1-6制得的聚丙烯基木塑复合材料通过注塑成型制备塑料雨水模块单元，组装成长宽高1200mm×600mm×600mm的塑料雨水模块，并对模块制品进行极限荷载试验和抗冲击性能试验；测试结果见表2。

极限荷载试验方法如下，将制品竖向放置在压力试验机上，以50kN/min加载速度施压，直至制品出现屈服、开裂或破损，记录屈服或破坏时的最大载荷；

模块抗冲击试验方法如下，将试样平放在测试平台上，上面覆盖35cm厚的砂床；将重量为4kg、锤头直径90mm的落锤从2m高度自由落下，观察被测试样是否出现开裂或破损等现象。

表2

综上所述，本发明所述的聚丙烯基木塑复合材料的各项性能满足雨水收集模块的使用要求，除具有良好的力学、弯曲、冲击和耐摩擦性能外，还具有优异的加工性能，满足模块高速薄壁注塑的需要。同时，所制成品具有较高的承载强度和冲击性能，满足实际使用中的性能要求。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (11)

1.一种聚丙烯基木塑复合材料，其特征在于，该聚丙烯基木塑复合材料包括共混的如下组分：聚丙烯100重量份、改性植物纤维5-40重量份、超高分子量聚乙烯粉末5-20重量份、润滑剂1-3重量份、相容剂1-10重量份和抗氧剂0.1-2重量份。

2.根据权利要求1所述的聚丙烯基木塑复合材料，其中，所述改性植物纤维为马来酸酐接枝聚丙烯表面改性的植物纤维；优选地，所述改性植物纤维为马来酸酐接枝聚丙烯表面改性的碱处理植物纤维。

3.根据权利要求2所述的聚丙烯基木塑复合材料，其中，所述改性植物纤维由包括如下步骤的方法制得：

(1)将植物纤维浸泡于碱液中，然后用弱酸清洗至中性，烘干得到碱处理后的植物纤维；

(2)将所述碱处理后的植物纤维放入马来酸酐接枝聚丙烯的乳液中浸渍，然后洗涤、烘干，得到改性植物纤维。

4.根据权利要求2或3所述的聚丙烯基木塑复合材料，其中，所述植物纤维为天然植物纤维，所述天然植物纤维优选包括竹纤维、木纤维、麻纤维和秸秆纤维中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的聚丙烯基木塑复合材料，其中，超高分子量聚乙烯的粘均分子量为100万-500万。

6.根据权利要求1所述的聚丙烯基木塑复合材料，其中，所述润滑剂为液体石蜡、聚乙烯蜡和聚丙烯蜡中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的聚丙烯基木塑复合材料，其中，所述相容剂为马来酸酐接枝聚合物，优选为马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝乙烯辛烯共聚物、马来酸酐接枝三元乙丙橡胶和马来酸酐接枝二元乙丙橡胶中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的聚丙烯基木塑复合材料，其中，所述抗氧剂为酚类抗氧剂、受阻胺类抗氧剂和亚磷酸酯类抗氧剂中的至少一种。

9.根据权利要求1所述的聚丙烯基木塑复合材料，其中，所述聚丙烯为均聚聚丙烯和/或共聚聚丙烯，所述聚丙烯在230℃、2.16kg载荷下的熔体流动速率≥20g/10min。

10.根据权利要求1-9中任意一项所述的聚丙烯基木塑复合材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：

(1)植物纤维的表面改性：a、将植物纤维浸泡于碱液中，然后用弱酸清洗至中性，烘干得到碱处理后的植物纤维；b、将所述碱处理后的植物纤维放入马来酸酐接枝聚丙烯的乳液中浸渍，然后洗涤、烘干，得到改性植物纤维；

(2)聚丙烯基木塑复合材料的熔融共混挤出：将聚丙烯、改性植物纤维、超高分子量聚乙烯粉末、相容剂、润滑剂和抗氧剂进行混合；然后经熔融共混、挤出造粒后得到所述聚丙烯基木塑复合材料。

11.权利要求1-9中任意一项所述的聚丙烯基木塑复合材料在制备塑料雨水模块中的应用。