CN109849447B - 一种木塑包覆实木复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种木塑包覆实木复合材料及其制备方法，一种木塑包覆实木复合材料，包括实木芯，芯表面具有点状齿轮压痕，实木芯外包裹有连续的纤维网及木塑复合材料层。本发明的木塑包覆实木复合材料，木塑与实木的结合力强，结构更为稳定，局部破坏不会引起大面积剥落，同时可以避免表层木塑复合材料受热时的翘曲和变形，也避免了木塑复合材料在受热后的剥落，如避免在夏季强烈日照之后的自然剥落或人为剥落。

Description

一种木塑包覆实木复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于复合材料制造技术领域，涉及一种木塑复合材料及其制备方法，具体涉及一种木塑包覆实木的复合材料及其制备方法。

背景技术

在林业资源不断减少，优质木材不足以满足使用的前提下，大力发展速生人工林木材，可以一定程度上缓解木材不足的压力，但速生材材质软、易开裂变形、耐水防腐性能差，作为低质木材其直接利用的价值不高。

木塑复合材料以其优异的尺寸稳定性，防水防潮、防腐防蛀和节能环保等特点，近年来被广泛应用。热塑性聚合物复合材料固有的易蠕变特性和高木质纤维含量下木塑的易脆断缺点，使得这类材料的应用局限在室内外装饰和具有防腐防水功能的园林景观材料，而不适于对刚度和韧性要求较高的承重结构材料。力学强度不高、蠕变与脆断共存的缺点，严重制约了木塑在高档门窗、交通工具、绿色建筑等高附加值领域的大规模推广应用。

木塑共挤出成型技术是近年来兴起的分层挤出技术，能有针对性地对复合材料的结构进行优化设计。目前国际上的木塑-木塑和木塑-塑料共挤出复合材料，依然存在木塑复合材料的缺点，木塑-金属共挤材料力学强度高，但具有材料密度大，金属内衬易锈蚀等缺点。

针对木塑和速生材实木这两类材料的不同特点，扬长避短、优势互补，以硬度高、不开裂、防水防腐、环境友好的木塑复合材料为表层，以密度低、拉伸、抗冲击和抗蠕变性能突出的速生人工林木材及其重组材为芯材，通过共挤出成型技术进行复合，能够制备出抗蠕变不脆断、强重比高、性价比高、耐久性优异的复合材料。JP2010110941A公开了一种以塑料包裹木芯材料制备型材的方法，该方法通过负压使塑料渗入木材表面加工出的凹槽内部使木材与塑料结合，形成塑料壳层以保护位于芯层的木材。CN104228236A进一步公开了具有企口和燕尾榫的木芯与木塑复合材料结合制备改进的木塑复合材料的方法。上述方法使木塑复合材料包覆实木芯，能获得具有一定界面结合强度的木塑实木复合材料。但上述两种方法均需要预先在木材表面加工出凹槽，在连续生产中会使流程变得复杂且多根木芯连续进给时容易产生制造缺陷，不仅增加了制造的难度，且由于木材和木塑材料的表面极性差异显著，界面结合较差，一旦出现局部破坏，将从一端到另一端出现大面积的剥落，因此在推广使用中尚有一定的缺陷。

现有的木塑共挤出机组中，实木通入到木塑共挤出模具的中心无法保证一致，导致木塑共挤出后，木塑表层厚度不均匀，无法确保产品质量。

开发出一种实用性更好且易于制造的木塑包覆实木复合材料，对提高木塑材料的应用范围，具有非常实际的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构优异、力学性能更佳的木塑包覆实木复合材料及其制备方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种木塑包覆实木复合材料，包括实木芯，实木芯外包覆有木塑复合材料层，

实木芯表面具有点状齿轮压痕；所述具有点状齿轮压痕的实木芯外还包裹有连续的纤维网，所述纤维网被所述木塑复合材料层包覆和约束；

纤维网由连续的高强纤维在实木芯外编织或缠绕而成；

所述高强纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维中的至少一种；

所述木塑复合材料层通过共挤出方式包覆所述实木芯及所述纤维网。

作为上述木塑包覆实木复合材料的进一步改进，所述高强纤维为经过预浸料树脂基体预浸处理的纤维，所述预浸料树脂基体为木塑复合材料或聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚乳酸、聚苯乙烯中的至少一种；

所述木塑复合材料层包括相连的第一木塑层和第二木塑层；其中第一木塑层完全包覆实木芯及点状齿轮压痕并在点状齿轮压痕内形成钉状结构，所述第一木塑层和所述第二木塑层之间具有连续的所述纤维网，且第二木塑层完全包覆所述纤维网。

作为上述木塑包覆实木复合材料的进一步改进，压痕深度为0.5～4mm。

作为上述木塑包覆实木复合材料的进一步改进，压痕密度为1～20个/cm²，优选4～10个/cm²。

作为上述木塑包覆实木复合材料的进一步改进，第一木塑层和第二木塑层的厚度分别为0.1～2mm和1～5mm。

一种木塑包覆实木复合材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将实木芯通过木塑实木共挤送料机进给，在实木芯上加工出点状齿轮压痕；

2)将连续高强纤维在实木芯表面编织或缠绕成纤维网；

3)在纤维网外共挤形成第木塑层，得到木塑包覆实木复合材料。

作为上述制备方法的进一步改进，木塑实木共挤送料机包括机架，所述机架上依次布置有至少一组齿式输送单元、在实木坯料外表面铣齿痕的铣齿痕单元和实木共挤模具，各所述齿式输送单元包括安装在第一固定轴承座上的下齿式压轮和安装在第一移动轴承座上的上齿式压轮，第一固定轴承座和第一移动轴承座之间通过调节单元连接后，所述上齿式压轮和下齿式压轮之间形成高度可调的第一输送通道。

作为上述制备方法的进一步改进，所述齿式输送单元前侧布置有胶压轮单元，所述胶压轮单元包括安装在第二固定轴承座上的下胶轮和安装在第二移动轴承座上的上胶轮，所述第二固定轴承座和第二移动轴承座之间通过调节单元连接后，所述上胶轮和下胶轮之间形成高度可调的第二输送通道，所述上胶轮和下胶轮的外表面套装有弹性胶层。

作为上述制备方法的进一步改进，所述调节单元包括滑杆、套装在滑杆外的定尺套管、用于调节的调节螺帽和一端与调节螺帽压触的压簧。

作为上述制备方法的进一步改进，所述铣齿痕单元包括用于铣实木坯料上下两面的第一铣齿痕机构和用于铣实木坯料左右两面的第二铣齿痕机构，所述第一铣齿痕机构包括第一铣刀架和位于第一铣刀架后侧的第一齿痕辊，所述第二铣齿痕机构包括第二铣刀架和位于第二铣刀架后侧的第二齿痕辊，第一铣刀架和第二铣刀架上分别布置有铣刀。

作为上述制备方法的进一步改进，各所述齿式输送单元各配置一组限位胶轮组，各组所述限位胶轮组包括左限位胶轮和右限位胶轮，左限位胶轮和右限位胶轮之间形成限位空间。

本发明的有益效果是：

本发明的木塑包覆实木复合材料，木塑与实木的结合力强，结构更为稳定，局部破坏不会引起大面积剥落，同时可以避免表层木塑复合材料受热时的翘曲和变形，也避免了木塑复合材料在受热后的剥落，如避免在夏季强烈日照之后的自然剥落或人为剥落。

附图说明

图1是本发明使用的木塑实木共挤送料机的结构示意图；

图2是本发明使用的木塑实木共挤送料机的俯视图；

图3是图2中A-A向的剖视图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

一种木塑包覆实木复合材料，包括实木芯，实木芯外包覆有木塑复合材料层，

实木芯表面具有点状齿轮压痕；所述具有点状齿轮压痕的实木芯外还包裹有连续的纤维网，所述纤维网被所述木塑复合材料层包覆和约束；

纤维网由连续的高强纤维在实木芯外编织或缠绕而成；

所述高强纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维、人造纤维中的至少一种；

所述木塑复合材料层通过共挤出方式包覆所述实木芯及所述纤维网。

作为上述木塑包覆实木复合材料的进一步改进，所述高强纤维为经过预浸料树脂基体预浸处理的纤维，所述预浸料树脂基体为木塑复合材料或聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚乳酸、聚苯乙烯中的至少一种；

所述木塑复合材料层包括相连的第一木塑层和第二木塑层；其中第一木塑层完全包覆实木芯及点状齿轮压痕并在点状齿轮压痕内形成钉状结构，所述第一木塑层和所述第二木塑层之间具有连续的所述纤维网，且第二木塑层完全包覆所述纤维网。

作为上述木塑包覆实木复合材料的进一步改进，压痕深度为0.5～4mm。

作为上述木塑包覆实木复合材料的进一步改进，压痕密度为1～20个/cm²，优选4～10个/cm²。

作为上述木塑包覆实木复合材料的进一步改进，第一木塑层和第二木塑层的厚度分别为0.1～2mm和1～5mm。

一种木塑包覆实木复合材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将实木芯通过木塑实木共挤送料机进给，在实木芯上加工出点状齿轮压痕；

2)将连续高强纤维在实木芯表面编织或缠绕成纤维网；

3)在纤维网外共挤形成第木塑层，得到木塑包覆实木复合材料。

作为上述制备方法的进一步改进，参照图1～图3，木塑实木共挤送料机，包括机架10，所述机架10上依次布置有至少一组齿式输送单元6、在实木坯料外表面铣齿痕的铣齿痕单元8和实木共挤模具9，各所述齿式输送单元6包括安装在第一固定轴承座上的下齿式压轮61和安装在第一移动轴承座上的上齿式压轮60，第一固定轴承座和第一移动轴承座之间通过调节单元连接后，所述上齿式压轮60和下齿式压轮61之间形成高度可调的第一输送通道。机架10上还安装有调速电机2，调速电机2的输出端安装有减速机3，减速机3通过链传动4连接齿式输送单元6和胶压轮单元5。

调速电机2和减速机3通过链传动控制实木坯料进入模具的速度，胶压轮单元5控制实木坯料初始进入时的不规整误差，齿式输送单元6轮精准控制实木坯料前行的速度并抵消铣齿痕单元8中铣刀组工作时产生的逆向阻力，两组限位胶轮组限定并保持实木坯料前行的线性位置，将实木坯料通过精铣齿痕机上的铣刀铣成精确尺寸的实木成型料并压上齿痕，进入木塑实木共挤模具9。

上齿式压轮60和下齿式压轮61上密布坚硬的合金尖齿，咬合进实木坯料的表面，精准控制实木坯料前行的速度并抵消铣齿痕单元8中铣刀组工作时产生的逆向阻力，更换中间的定尺套管，即可适用不同尺寸要求的实木坯料，压簧和调节螺帽用于上齿式压轮60的压力保持。

作为上述制备方法的进一步改进，所述齿式输送单元6前侧布置有胶压轮单元5，所述胶压轮单元5包括安装在第二固定轴承座上的下胶轮51和安装在第二移动轴承座上的上胶轮50，所述第二固定轴承座和第二移动轴承座之间通过调节单元连接后，所述上胶轮50和下胶轮51之间形成高度可调的第二输送通道，所述上胶轮50和下胶轮51的外表面套装有弹性胶层。上胶轮50和下胶轮51有较大的摩擦力，也有相应的弹性，能适应实木坯料初始进入时的不规整误差，更换中间的定尺套管，即可适用不同尺寸要求的实木坯料，压簧和调节螺帽用于上胶轮50压力的压力保持。

作为上述制备方法的进一步改进，所述调节单元包括滑杆、套装在滑杆外的定尺套管、用于调节的调节螺帽63和一端与调节螺帽63压触的压簧62。调节螺帽63的一端分别插入到相应的移动轴承座上，压簧62的一端与相应的移动轴承座压触，压簧62的另一端与调节螺帽63压触。

作为上述制备方法的进一步改进，所述铣齿痕单元8包括用于铣实木坯料上下两面的第一铣齿痕机构和用于铣实木坯料左右两面的第二铣齿痕机构，所述第一铣齿痕机构包括第一铣刀架和位于第一铣刀架后侧的第一齿痕辊81，所述第二铣齿痕机构包括第二铣刀架和位于第二铣刀架后侧的第二齿痕辊82，第一铣刀架和第二铣刀架上分别布置有铣刀。第一铣齿痕机构和第二铣齿痕机构分别配置一台高速铣刀电机。

作为上述制备方法的进一步改进，各所述齿式输送单元6配置一组限位胶轮组7，各组所述限位胶轮组7包括两个保持支架、左限位胶轮和右限位胶轮，各保持支架上布置有多个轴承座。左限位胶轮和右限位胶轮安装在相应的保持支架的两个轴承座之间。左限位胶轮和右限位胶轮之间形成限位空间。进一步的，所述齿式输送单元6的数量为两个，两个所述齿式输送单元6位于两组限位胶轮组7之间，即，两组限位胶轮组7安装在两组齿式输送单元6的两边，限定并保持实木坯料前行的线性位置，左限位胶轮和右限位胶轮有相应的弹性，能适应实木坯料初始进入时的不规整误差。

下面结合实施例，进一步说明本发明的技术方案。

木塑复合材料包括所有木质纤维材料及其混合物和热塑性聚合物，如PP\PE\PVC\PS\聚乳酸及其混合物的共混物。方便比较起见，以下实施例及对比例中，木塑复合材料由40％质量分数木粉、50％质量分数的高密度聚乙烯、5％滑石粉、3％偶联剂、2％润滑剂组成。

实施例1：

一种木塑包覆实木复合材料，包括实木芯，实木芯的横截面为74mm×34mm，实木芯表面具有点状齿轮压痕，压痕深度为2mm，密度为10个/cm²；实木芯外还包裹有连续的纤维网，所述纤维网被所述木塑复合材料层包覆和约束；

纤维网由连续的碳纤维在实木芯外编织或缠绕而成；

木塑复合材料层通过共挤出方式包覆所述实木芯及所述纤维网，其中，木塑复合材料层包括相连的第一木塑层和第二木塑层；第一木塑层的厚度为1mm，第二木塑层的厚度为2mm，第一木塑层完全包覆实木芯及点状齿轮压痕并在点状齿轮压痕内形成钉状结构，第一木塑层和所述第二木塑层之间具有连续的所述纤维网，且第二木塑层完全包覆所述纤维网。

实施例2

同实施例1，不同之处在于碳纤维使用木塑复合材料预浸处理。

实施例3

同实施例1，不同之处在于压痕深度为4mm。

实施例4

同实施例1，不同之处在于压痕深度为0.5mm。

实施例5

同实施例3，不同之处在于碳纤维使用木塑复合材料预浸处理。

实施例6

同实施例2，不同之处在于压痕密度为5个/cm²。

实施例7

同实施例2，不同之处在于压痕密度为1个/cm²。

实施例8

同实施例2，不同之处在于压痕密度为25个/cm²。

对比例1

同实施例1，不同之处在于压痕深度为0.3mm。

对比例2

同实施例1，不同之处在于实木芯外未包裹连续纤维网。

对比例3

同实施例1，不同之处在于实木芯表面无压痕。

对比例4

同实施例1，不同之处在于实木芯表面无压痕、实木芯外未包裹连续纤维网。

	界面结合强度(MPa)
		实施例1	1.07～1.26
实施例2	1.28～1.59
		实施例3	1.21～1.49
实施例4	0.51～0.75
		实施例5	1.55～1.91
实施例6	1.11～1.34
		实施例7	0.92～1.10
实施例8	1.33～1.67
		对比例1	0.42～0.64
对比例2	0.40～0.61
		对比例3	0.33～0.54
对比例4	0.22～0.37

实木芯表面压痕及包裹连续的纤维网能大幅提高界面结合强度，且压痕深度在一定范围内与界面结合强度具有正相关关系，当压痕深度高于一定范围之后界面结合强度没有明显增加。碳纤维使用木塑复合材料预浸处理对提高界面结合强度有较好的作用。一定范围内增大压痕密度有利于提高界面结合强度。

Claims (10)

1.一种木塑包覆实木复合材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将实木芯通过木塑实木共挤送料机进给，在实木芯上加工出点状齿轮压痕；

2)将连续高强纤维在实木芯表面编织或缠绕成纤维网；

3)在纤维网外共挤形成木塑层，得到木塑包覆实木复合材料；

所述木塑实木共挤送料机包括机架，所述机架上依次布置有至少一组齿式输送单元、在实木坯料外表面铣齿痕的铣齿痕单元和实木共挤模具，各所述齿式输送单元包括安装在第一固定轴承座上的下齿式压轮和安装在第一移动轴承座上的上齿式压轮，第一固定轴承座和第一移动轴承座之间通过调节单元连接后，所述上齿式压轮和下齿式压轮之间形成高度可调的第一输送通道。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述齿式输送单元前侧布置有胶压轮单元，所述胶压轮单元包括安装在第二固定轴承座上的下胶轮和安装在第二移动轴承座上的上胶轮，所述第二固定轴承座和第二移动轴承座之间通过调节单元连接后，所述上胶轮和下胶轮之间形成高度可调的第二输送通道，所述上胶轮和下胶轮的外表面套装有弹性胶层。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述调节单元包括滑杆、套装在滑杆外的定尺套管、用于调节的调节螺帽和一端与调节螺帽压触的压簧。

4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述铣齿痕单元包括用于铣实木坯料上下两面的第一铣齿痕机构和用于铣实木坯料左右两面的第二铣齿痕机构，所述第一铣齿痕机构包括第一铣刀架和位于第一铣刀架后侧的第一齿痕辊，所述第二铣齿痕机构包括第二铣刀架和位于第二铣刀架后侧的第二齿痕辊，第一铣刀架和第二铣刀架上分别布置有铣刀。

5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：各所述齿式输送单元各配置一组限位胶轮组，各组所述限位胶轮组包括左限位胶轮和右限位胶轮，左限位胶轮和右限位胶轮之间形成限位空间。

6.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述木塑包覆实木复合材料，包括实木芯，所述实木芯外包覆有木塑复合材料层，所述实木芯表面具有点状齿轮压痕；所述具有点状齿轮压痕的实木芯外还包裹有连续的纤维网，所述纤维网被所述木塑复合材料层包覆和约束；

所述高强纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维和聚丙烯腈纤维的至少一种。

7.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述高强纤维为经过预浸料树脂基体预浸处理的纤维，所述预浸料树脂基体为木塑复合材料或聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚乳酸、聚苯乙烯中的至少一种；

所述木塑复合材料层包括相连的第一木塑层和第二木塑层；其中第一木塑层完全包覆实木芯及点状齿轮压痕并在点状齿轮压痕内形成钉状结构，所述第一木塑层和所述第二木塑层之间具有连续的所述纤维网，且第二木塑层完全包覆所述纤维网。

8.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：压痕深度独立为0.5～4mm；压痕密度独立为1～20个/ cm^2。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述压痕密度为4～10个/ cm²。

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：第一木塑层和第二木塑层的厚度分别为0.1～2mm和1～5mm。