CN110035900A - 木质复合材料的制造方法 - Google Patents
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Abstract
制造木质复合材料的方法，包括以下步骤：通过混合反应性粘合剂和植物纤维提供反应性复合材料混合物(4)；将反应性复合材料混合物供给到挤出机(5)，将复合材料混合物从挤出装置中通过挤出排出口(6)排出到固化模具(8)中；用反应性粘合剂填充植物纤维的孔隙，同时在挤出工艺条件下从孔隙中排出空气；在挤出工艺条件的温度下，反应性粘合剂在植物纤维周围和植物纤维的孔隙中反应成木质复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种植物-纤维-塑料复合材料的制造方法，特别是木基植物纤维复合材料。以下将这些复合材料称为木质复合材料。
因此，下文使用的术语木质复合材料(材料)包括含有植物纤维(也称为植物纤维或(木质)纤维素纤维)的复合材料，包括(硬)木纤维、亚麻纤维、大麻纤维和/或椰子纤维；以及粘合剂。
背景技术
迄今为止，常见类型的木塑复合材料(WPC)是压制材料，由(木质)植物纤维和作为粘合剂的热塑性树脂(聚合物)组成。这些传统的木质复合材料主要用于平台部件、(木材)围栏部件等。
这些广泛使用的木质复合材料的生产方法包括：将植物纤维(通常是木纤维)与聚合物热塑性材料颗粒混合，并将该混合物供给(加热)挤出装置，该挤出装置设有挤出喷嘴；然后通过挤出喷嘴将混合物送入敞口模具中，然后在敞口模具中控制冷却混合物，通过空气或水冷却，使混合物变成固体材料，可以切割并缩短到所需的长度。
在EP0807510中，粘合剂尤其使用：聚合物、塑料、树脂或反应产物，例如聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)。在挤出机中将粘合剂与木粉形式的植物纤维混合。取决于所施加的塑料，对于PVC，挤出机被加热至约65-95℃的温度，对于PS，挤出机被加热至约130℃-190℃的温度。这种已知方法的一个缺点是植物纤维和塑料之间的粘合不充分，因为在加工条件下塑料的粘度太高而不能使塑料渗透到植物纤维的孔中。结果，空气残留在孔隙中，这降低了木质复合材料的强度并对其火灾行为产生不利影响。
发明概述
因此，本发明的目的是提供一种方法及其反应性复合材料混合物，用于制造具有显着改进性能的木质复合产品材料，特别是在形状保持性能(收缩和膨胀)方面，耐压性和耐热性，以及强度和火灾行为。
为此目的，本发明提出制造木质复合产品的方法，包括以下步骤：
-提供一定量的植物纤维或植物纤维流；
-提供一定量或反应性粘合剂或反应性粘合剂流，该粘合剂包括反应性组分和/或反应性预聚物；
-将反应性粘合剂和植物纤维混合成反应性复合材料混合物，并将反应性复合材料混合物馈送入挤出装置中；
-使反应性复合材料混合物经受挤出装置中的挤出工艺条件；
-用反应性粘合剂填充植物纤维的孔隙，同时从孔隙中排出空气；
-使反应性粘合剂在植物纤维周围和植物纤维的孔内反应，并在挤出工艺条件的温度下形成木质复合材料。
因此，获得具有改进的质量性能和高耐久性的木质复合材料，该材料通常不是通过将植物纤维与反应的(化学惰性)热塑性颗粒物理混合，随后加热然后挤出所述混合物，最后通过冷却对材料进行精加工以获得其固体形式而制成的。
相反，在根据本发明的新方法中，挤出装置用于预热植物纤维与反应性粘合剂的混合物，其包括反应性组分和/或反应性预聚物，并通过施加压力在挤出装置中形成均匀的复合材料混合物。随后将混合物通过挤出排出口压入固化模具中以形成棒或型材。由此形成的复合材料混合物在挤出排出时仍然可变形并且已经开始反应和聚合，随后在固化模具中保持在反应温度，从而保持反应，使得反应性粘合剂的反应产物与植物纤维最佳地结合。
因为挤出机内的反应性粘合剂在挤出工艺条件下具有约0.1mPa·s至约100mPa·s的粘度，所以反应性粘合剂进入木纤维的孔隙并将孔隙内的空气排出。因此，反应性粘合剂的反应产物在植物纤维周围并围绕植物纤维延伸，并且在形成的木质复合产物内的植物纤维的孔隙中延伸。
在复合材料混合物中使用化学反应性(固化)粘合剂，有利地导致在粘合剂固化后所形成的木质复合材料产品没有由于热和温度(例如在非常热的天气情况下)的影响而变形。木质复合材料的收缩和膨胀非常小。而且，与如迄今为止惯常的那样当最终反应的热塑性塑料用作植物纤维的(物理)粘合剂时相比，在压力(差异)和压缩的影响下由于“蠕变”引起的变形是相当小的。
通过根据本发明的制造方法获得的不含化学添加剂的木质复合材料几乎是不可燃的，具有提高火灾条件下的使用安全性和防火安全性的效果。这与包括热塑性树脂作为粘合剂(例如高压聚乙烯(HDPE))的木质复合材料相反。
优选地，挤出工艺条件包括约100℃至约200℃的温度以及约100巴至约3000巴的压力。在这些工艺条件下，木纤维孔隙中的空气基本上被置换并被具有低粘度的反应性粘合剂取代。
植物纤维与反应性粘合剂的重量比特别是在8：2至99：1的范围内。因为粘合剂现在也延伸到孔隙中，所以建立了植物纤维与粘合剂之间更好的连接(粘合)，并且获得具有良好性能的实木复合材料，其具有高浓度的(多孔)植物纤维。
植物纤维中的水分含量优选调节至按重量约5％至约40％的范围；更优选按重量15％至20％。当使用湿固化粘合剂时，有利地，用于固化的水分存在于木材及其孔隙中，从而保证在孔隙和植物纤维表面上的反应完成。
特别地，反应性粘合剂的粘度在25℃和1atm下为约100至约500mPa·s的范围，并且在挤出工艺条件下为约0.1至100mPa·s的范围。由于其在挤出工艺条件下的低粘度，反应性粘合剂容易浸渍植物纤维并渗透到植物纤维的孔隙中，从而置换空气，从而形成坚固且刚性的木质复合材料，无论施加的植物纤维的孔隙率如何。
在一个有利的实施方案中，使用聚氨酯形成的粘合剂作为粘合剂，其中反应性组分和/或反应性预聚物包括反应性异氰酸酯(NCO)基团，特别是反应性组分和/或反应性预聚物具有范围为约10％重量至约40％重量的NCO含量。已经发现异氰酸酯基粘合剂由于它们在挤出工艺条件下的低粘度而非常合适，并且还易于在植物纤维中存在的水分的影响下固化，并且另外形成具有改进性能的木质复合材料产品。
在本发明的另一个实施方案中，反应性粘合剂含有反应性组分，其选自反应性环氧树脂或反应性聚酯。这些反应性组分同样在高压和高温下迁移到木纤维的孔隙中，以在那里反应或聚合。
特别地，该方法包括在固化模具中压缩和随后固化复合材料混合物的步骤，其中固化模具中的温度对应于挤出工艺条件的温度。更具体地，该方法包括将木质复合产品从固化模具馈送到滑动元件的步骤，其中滑动元件中的温度对应于或低于挤出工艺条件的温度。
通过使木质复合材料在反应温度下保持更长时间，(聚合)反应持续更长时间并且获得具有更好性能的木质复合材料产品。
本发明还涉及根据该方法制造的木质复合材料。
本发明还涉及用于根据本发明的方法的反应性复合材料混合物，其包括植物纤维和重量比为8：2至99：1的范围的反应性粘合剂，该反应性粘合剂包括反应性组分和/或反应性预聚物，其中反应性粘合剂的粘度在挤出装置的挤出工艺条件下在约0.1-100mPa·s的范围内，使得植物纤维的孔隙基本上填充有反应性粘合剂，并且在反应后，孔隙中充满反应性粘合剂的反应产物。优选地，反应性粘合剂包括具有反应性异氰酸酯(NCO)基团的组分。
本发明还涉及一种挤出组件，其适用于实施根据本发明的方法，其中在挤出装置后面的下游提供固化模具和/或滑动元件。
附图说明
现在将通过下面的附图说明更详细地描述本发明。
图1显示了适用于实施根据本发明的方法的挤出装置的实施例。
图2显示了适用于实施该方法的挤出装置的第二实施方案。
发明详述
图1显示了用于生产和制造根据本发明的木质复合材料产品的装置的实施例。植物纤维1和至少一种具有反应性(单体)组分2a和/或反应性预聚物2b和/或反应性塑料前体(它们形成热固化或热固性聚合物)的反应性粘合剂分批或连续馈送给混合模块3，例如桨式混合器或叶片式混合器，其中植物纤维1和包含组分2a和2b的反应性粘合剂混合成均匀的模具反应性复合材料混合物4。例如，植物纤维的重量百分比是约95％，植物纤维中的水分含量为15％(重量)。热固性树脂是通过形成3维分子网络结构而固化和硬化的聚合物，因此热固性树脂通常与热塑性塑料不同，在加热时不会变软。
然后将反应性复合材料混合物4馈入挤出装置5-例如挤出机或螺旋压榨机-并通过挤出排出口6从挤出装置中排出并压入固化模具8中。压出材料的横截面通过固化模具8的形状确定。反应性复合材料混合物4在其停留在挤出机中的过程中通过加热元件7预热到例如约60℃-200℃，并且压力增加到100–3000巴。在这些挤出工艺条件下，粘合剂的粘度降低，例如从25℃下400mPa·s下降到160℃下5mPa·s，这使得粘合剂渗透到木纤维的孔隙中并从孔隙中排出空气。
与基于热塑性材料的挤出方法相反，该材料通过加热变得柔软和/或有塑性，在根据本发明的方法中，粘合剂在外部提供的热量的影响下通过形成分子交联固化，尤其是在由挤出装置5和固化模具8中的加热元件7提供的热量的影响下固化，使得复合材料混合物通过使用含有(至少)活性组分(例如，可湿固化的反应性组分或通过添加催化剂固化(聚合)的反应性组分)的低粘度反应性粘合剂固化和硬化/凝固。在由加热元件7辐射的热量的影响下，由粘合剂(具有催化剂)和植物纤维组成的反应性复合材料混合物在离开挤出装置5时开始固化，使得通过应用正确的加热能量和适当的定时，混合物仍然是足够可变形和粘性的，以允许在通过挤出排出口6之后采取(在横截面中)固化模具8的形状。
借助于连接在挤出排出口6下游的固化模具8，通过挤出排出口6将复合材料混合物压入固化模具中，并在固化模具中在例如约140℃的温度下固化。
在固化模具8中的复合材料混合物在停留时间内暴露于例如约140℃的温度之后，复合材料混合物充分固化成木质复合材料产品，从而可以借助于例如传送带9和轨道锯10缩短产品并切割成所需长度。
图2显示了用于实施根据本发明的方法的挤出装置5的替代构造。在具有加热元件7的固化模具8上设置滑动件20，其中允许形成的具有方形横截面的杆形状的木质复合材料产品21有额外的停留时间，使得杆在进一步加工产品之前可以进一步固化。优选地，滑动件设置有罩23，罩23设有一个或多个通气孔22。在该实施方案中，挤压装置5还设置有通气孔22，其中，从植物纤维的孔隙中移出的空气可以被吸出，清洁和处理。
因此，根据本发明，提供了一种制造木质复合材料产品的方法，该木质复合材料产品具有显着改进的性能，特别是在形状保持性能和耐压性和耐热性方面具有显着改进的性能。根据本发明，代替使用热熔粘性或粘性非反应性树脂的热塑性粘合剂，应用具有反应性组分的反应性粘合剂，即通过供热(加热元件7)借助化学反应固化并保持硬/刚性的热固性粘合剂。通过将植物纤维与反应性粘合剂混合，并将反应性复合材料混合物在挤出机中充分混合并将粘合剂压入植物材料的孔隙中，然后通过固化模具将反应性复合材料混合物压制成棒或型材并且通过加热使混合物化学固化，得到木质棒或型材，其性能大大超过迄今已知的木质复合材料的性能。所形成的木质复合材料在温度变化时不会膨胀并且不会收缩，并且具有非常有利的防火性能。此外，该方法适用于各种类型的植物材料，包括具有不同孔隙率的木材，因为空气从植物纤维中移出并且植物纤维的孔填充有反应性粘合剂。
在优选的实施方案中，使用(热固性)粘合剂，其基于具有异氰酸酯(NCO)基团的聚氨酯。当使用可湿固化的聚氨酯组合物时，通过植物纤维中存在的水分开始固化和聚合，因此不需要添加单独的催化剂。诸如MDI(4.4'-亚乙基二苯基二异氰酸酯)或TD1(2,4-或2,6-甲苯二异氰酸酯)的组分适合作为含聚氨酯的粘合剂。
任选地，还可以使用在工艺条件下具有低粘度的其它反应性热固性粘合剂，这种粘合剂的使用允许在粘合剂固化之前用反应性粘合剂浸渍植物纤维的孔隙。其它已知的合适的热固性粘合剂包括醇酸树脂、酚醛树脂、二甲硅烷基甲酸酯、蜜胺甲醛、聚酯树脂、尿素甲醛、丙烯酸树脂、环氧树脂。
Claims (15)
1.木质复合材料的制造方法，包括以下步骤：
-提供一定量的植物纤维(1)或植物纤维(1)流；
-提供一定量的反应性粘合剂或反应性粘合剂流，该粘合剂包括反应性组分(2a)和/或反应性预聚物(2b)；
-将反应性粘合剂和植物纤维混合成反应性复合材料混合物(4)并将反应性复合材料混合物馈入挤出装置(5)中；
-使所述挤出装置中的反应性复合材料混合物经受挤出工艺条件；
-用所述反应性粘合剂填充植物纤维的孔隙，同时从孔隙中排出空气；
-使反应性粘合剂在植物纤维周围和植物纤维的孔隙内反应，并在挤出工艺条件的温度下形成木质复合材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述挤出工艺条件包括约100℃至200℃范围内的温度以及约100巴至约3000巴范围内的压力。
3.根据权利要求2所述的方法，包括以下步骤：将木材复合产品馈入固化模具(8)中，其中所述固化模具中的温度对应于所述挤出工艺条件下的温度。
4.根据权利要求3所述的方法，包括以下步骤：将所述木质复合材料产品从所述固化模具(8)馈入滑动元件(20)，其中所述滑动元件的温度对应于或者低于所述挤出工艺条件的所述温度。
5.根据权利要求1-4的方法，其中植物纤维与反应性粘合剂的重量比在8：2至99：1的范围内。
6.根据权利要求1-5的方法，其中调节植物纤维中的水分含量，优选将水分含量调节至按重量约5％至约40％的范围；更优选按重量15％至20％的范围。
7.根据权利要求1-6所述的方法，其中所述反应性粘合剂的粘度在25℃下在约100-500mPa·s的范围内。
8.根据权利要求1-7的方法，其中在挤出工艺条件下，所述反应性粘合剂的粘度在挤出工艺条件下在约0.1-100mPa·s的范围内。
9.根据权利要求1-8的方法，其中反应性组分和/或反应性预聚物包括反应性异氰酸酯(NCO)基团。
10.根据权利要求9的方法，其中反应性组分和/或反应性预聚物的NCO含量为约10重量％至约40重量％的范围。
11.根据权利要求1的方法，其中反应性组分选自反应性环氧树脂或反应性聚酯。
12.根据权利要求1-11的方法制造的木质复合材料。
13.反应性复合材料混合物，用于根据本发明1至11的方法，包括重量比为8：2至99：1的植物纤维和反应性粘合剂，该反应性粘合剂包括活性组分和/或反应性预聚物，其中在挤出装置(5)的挤出工艺条件下反应性粘合剂的粘度在约0.1-100mPa·s的范围内，使得植物纤维的孔隙基本上填充有反应性粘合剂，在反应后，孔隙中充满反应性粘合剂的反应产物。
14.根据权利要求13的反应性复合材料混合物，其中反应性粘合剂包括具有反应性异氰酸酯(NCO)基团的组分。
15.挤出组件，其适于实施根据权利要求1-11中任一项所述的方法，其中固化模具(8)和/或滑动元件(20)设置在所述挤出装置(5)后面的下游。
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