CN110283471A - 一种咖啡渣木塑及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种咖啡渣木塑，属于木塑材料技术领域。咖啡渣木塑包括以下质量百分比的成分：改性木粉35‑70％、聚烯烃20‑40％、咖啡渣10‑20％、离子聚合物相容剂3‑5％、润滑剂1‑3％和马来酸酐接枝聚乙烯0.5‑2％。咖啡渣木塑的制备方法包括：(1)采用氢氧化钠和乙醇溶液对木粉经常处理并用液态硅烷偶联剂和液态铝钛复合偶联剂对其进行改性；(2)咖啡渣除杂预处理和除油处理；(3)备料；(4)混料；(5)成型。采用上述方法制备的咖啡渣木塑抗弯强度大于35MPa，抗弯弹性模量不低于2850MPa，邵氏硬度在50以上，吸水厚度膨胀率不大于0.25％。
Description
技术领域
本发明属于木塑材料技术领域，尤其涉及一种咖啡渣木塑及其制备方法。
背景技术
木塑，即木塑复合材料，是指利用聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等代替通常的树脂胶粘剂，与木粉、稻壳、秸秆等费植物纤维混合成的新的木质材料，经挤压、模压、注塑成型等塑料加工工艺，生产出的板材或型材。其主要用于建材、家具、物流包装等行业。木塑材料中的木粉含水量比较大，并且在使用过程中特别的容易吸水变潮，从而降低木塑的力学性能，影响其使用寿命。另外，木粉结构比较蓬松，不易对挤出机螺杆进行喂料，在成型过程中常出现″架桥″和″抱杆″现象，导致加料不稳定，造成挤出质量和产量降低。另外，木粉与聚烯烃材料之间的相容性较差，导致木塑材料的强度较低。
咖啡是世界三大饮品之一，随着人们生活习惯的改变，咖啡的用量呈每年递增的趋势。每生产1千克的咖啡将产生0.9千克的咖啡渣，咖啡渣产量比较大。处理咖啡渣常用的方法就是燃烧和填埋，造成了资源和能源的浪费。咖啡渣具有较好的吸水性、除臭性、隔热和保温性，将咖啡渣加入到木塑材料中，咖啡渣可以吸附木粉中的水分，利于木塑材料的成型，提高其使用寿命。咖啡渣与聚烯烃材料的极性相差较大，二者的相容性不好。
发明内容
本发明的目的是提供一种咖啡渣木塑及其制备方法，解决木塑材料不易成型、强度低、使用寿命短的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种咖啡渣木塑，包括以下质量百分比的成分：改性木粉35-70％、聚烯烃20-40％、咖啡渣10-20％、离子聚合物相容剂3-5％、润滑剂1-3％和马来酸酐接枝聚乙烯0.5-2％。
优选的，包括以下质量百分比的成分：改性木粉36-65％、聚烯烃21-38％、咖啡渣11-19％、离子聚合物相容剂3.2-4.9％、润滑剂1.1-2.9％和马来酸酐接枝聚乙烯0.55-1.90％。
优选的，所述聚烯烃为聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯回收料或聚丙烯回收料，聚烯烃的熔体流动速率为3-7g/10min。
优选的，所述润滑剂为聚乙烯蜡、硬脂酸、硬脂酸锌、乙撑双硬脂酰胺中的一种或几种混合物。
优选的，所述离子聚合物相容剂为乙烯-甲基丙烯酸共聚物。
优选的，所述改性木粉及咖啡渣的粒径为60-80目。
上述咖啡渣木塑的制备方法，包括以下步骤：
S1、木粉预处理，选取粒径为60-80目的木粉原料，将木粉原料依次浸泡在10mol/L的氢氧化钠溶液和10mol/L乙醇溶液中，浸泡时间为30-60分钟，然后过滤用水洗涤至中性，烘干；
S2、木粉改性，将液态硅烷偶联剂和液态铝钛复合偶联剂加入预处理后的木粉中，在80-100℃的温度下混合30-60分钟，搅拌均匀，快速冷却到室温；过滤、干燥；
S3、咖啡渣预处理，首先将咖啡渣放在研磨器中进行研磨、过筛，得到粒径为60-80目的咖啡渣；将研磨好的咖啡渣在水中进行清洗，去除咖啡渣表面的灰分和杂质，并将水洗后的咖啡渣放置在烘干箱中进行烘干，烘干后的咖啡渣含水量为35-40％；
S4、咖啡渣除油，将干燥后的咖啡渣放置在真空加热炉中，进行碳化除油，真空度为0.02-0.08MPa，得到咖啡渣预制料；
S5、备料；按照成分配比称取各原料，备用；
S6、混料，将经过步骤S2处理后的改性木粉、咖啡渣预制料、聚烯烃、离子聚合物相容剂、润滑剂和马来酸酐接枝聚乙烯按照质量配比加入高速混合机中混合均匀，混合温度为50-70℃，混合时间为20-30分钟，得到混合料；
S7、成型，将混合料放入双螺杆挤出机中挤出造粒，然后进行注塑或模压成型，成型温度不高于200℃。
优选的，所述步骤S2中，液态硅烷偶联剂的质量百分比为6-8％，液态铝钛复合偶联剂的质量百分比为1-2％；干燥温度为60-80℃，干燥时间为10-20小时，改性木粉的含水量小于2％。
优选的，所述步骤S4中，首先以10-15℃/min的升温速率将温度升高到150-200℃，保温20-30分钟；然后以5-10℃/min的升温速率将温度升高到400-450℃，保温30-40分钟。
本发明创造的优点和积极效果是：
(1)在木塑材料中加入咖啡渣，可以降低材料成本，降低木粉的使用量。咖啡渣具有较好的吸附效果，可以吸附异味和木粉中的水分，有利于提高木塑产品的尺寸稳定性和使用寿命。在木塑材料中加入咖啡渣可以降低木粉中的含水量，易于成型。
(2)对咖啡渣进行除油处理，提高咖啡渣内部的孔隙率，提高其吸水性，增加咖啡渣与聚烯烃之间的结合强度。
(3)采用氢氧化钠溶液和乙醇溶液对木粉进行处理，并采用液态硅烷偶联剂和液态铝钛复合偶联剂对木粉进行改性可以提高木粉与聚烯烃之间的结合强度。
(4)采用乙烯-甲基丙烯酸共聚物作为离子聚合物相容剂可以提高咖啡渣与聚烯烃之间的相容性，提高结合强度。
下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
实施例1
一种咖啡渣木塑，包括以下质量百分比的成分：改性木粉53％、聚烯烃21％、咖啡渣19％、离子聚合物相容剂3.4％、润滑剂2.5％和马来酸酐接枝聚乙烯0.55％。马来酸酐接枝聚乙烯提高了聚烯烃材料之间的分子结合力。
聚烯烃为聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯回收料或聚丙烯回收料，聚烯烃的熔体流动速率为3g/10min。
润滑剂为聚乙烯蜡、硬脂酸、硬脂酸锌、乙撑双硬脂酰胺中的一种或几种混合物。润滑剂的加入能够提高原料的润滑性，有利于混合料的成型。
离子聚合物相容剂为乙烯-甲基丙烯酸共聚物。离子聚合物相容剂能够改善咖啡渣与聚烯烃之间的相容性，提高连接强度。
改性木粉及咖啡渣的粒径为60目。
上述咖啡渣木塑的制备方法，包括以下步骤：
S1、木粉预处理，选取粒径为60目的木粉原料，将木粉原料依次浸泡在10mol/L的氢氧化钠溶液和10mol/L乙醇溶液中，浸泡时间为30分钟，然后过滤用水洗涤至中性，烘干。木粉中含有纤维素、半纤维素、木质素和其他小分子酯类物质，将木粉浸泡在氢氧化钠溶液和乙醇溶液中可将这部分不稳定纤维进行剥除，使木粉表面及内部形成间隙，有利于对木粉进行改性。
S2、木粉改性，将液态硅烷偶联剂和液态铝钛复合偶联剂加入预处理后的木粉中，在80℃的温度下混合60分钟，搅拌均匀，快速冷却到室温；过滤、干燥。液态硅烷偶联剂的质量百分比为6％，液态铝钛复合偶联剂的质量百分比为1％。干燥温度为80℃，干燥时间为10小时，改性木粉的含水量小于2％。预处理后的木粉其表面和内部存在较多的间隙，这些间隙有利于硅烷偶联剂和铝钛复合偶联剂在木粉上粘附，提高偶联剂与木粉的连接强度。硅烷偶联剂和铝钛复合偶联剂包覆在木粉的表面，改善木粉表面的活性，提高木粉与聚烯烃材料之间的相容性。
S3、咖啡渣预处理，首先将咖啡渣放在研磨器中进行研磨、过筛，得到粒径为60目的咖啡渣；将研磨好的咖啡渣在水中进行清洗，去除咖啡渣表面的灰分和杂质，并将水洗后的咖啡渣放置在烘干箱中进行烘干，烘干后的咖啡渣含水量为40％。
S4、咖啡渣除油，将干燥后的咖啡渣放置在真空加热炉中，进行碳化除油，真空度为0.02MPa。真空加热炉首先以15℃/min的升温速率将温度升高到200℃，保温20分钟，在此阶段充分的蒸发掉咖啡渣中残余的水分。然后以10℃/min的升温速率将温度升高到450℃，保温30分钟。在此阶段进行有机成分的挥发，去除咖啡渣中含有的油脂。有机物的非碳成分在热解过程中被去除，并通过热缩聚反应重新排列。热解碳化完成后，自然冷却到室温，得到咖啡渣预制料。咖啡渣内游离的脂肪酸大于60％，其内的油脂包括棕榈酸、亚油酸、油酸和硬脂酸。将咖啡渣内的油脂去除可以提高咖啡渣的孔隙率，使咖啡渣的内部存在丰富的空隙结构，有利于提高其对水分和气体的吸附能力，保持木塑料的干燥，提高结合强度和使用寿命。
S5、备料；按照成分配比称取各原料，备用。
S6、混料，将经过步骤S2处理后的改性木粉、咖啡渣预制料、聚烯烃、离子聚合物相容剂、润滑剂和马来酸酐接枝聚乙烯按照质量配比加入高速混合机中混合均匀，混合温度为50℃，混合时间为20分钟，得到混合料。
S7、成型，将混合料放入双螺杆挤出机中挤出造粒，然后进行注塑或模压成型，成型温度不高于200℃。
采用上述方法制备的咖啡渣木塑抗弯强度为35.4MPa，抗弯弹性模量2851MPa，邵氏硬度55，吸水厚度膨胀率0.21％。
实施例2
一种咖啡渣木塑，包括以下质量百分比的成分：改性木粉36％、聚烯烃37％、咖啡渣17％、离子聚合物相容剂4.8％、润滑剂2.9％和马来酸酐接枝聚乙烯1.9％。马来酸酐接枝聚乙烯提高了聚烯烃材料之间的分子结合力。
聚烯烃为聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯回收料或聚丙烯回收料，聚烯烃的熔体流动速率为7g/10min。
润滑剂为聚乙烯蜡、硬脂酸、硬脂酸锌、乙撑双硬脂酰胺中的一种或几种混合物。润滑剂的加入能够提高原料的润滑性，有利于混合料的成型。
离子聚合物相容剂为乙烯-甲基丙烯酸共聚物。离子聚合物相容剂能够改善咖啡渣与聚烯烃之间的相容性，提高连接强度。
改性木粉及咖啡渣的粒径为80目。
上述咖啡渣木塑的制备方法，包括以下步骤：
S1、木粉预处理，选取粒径为80目的木粉原料，将木粉原料依次浸泡在10mol/L的氢氧化钠溶液和10mol/L乙醇溶液中，浸泡时间为50分钟，然后过滤用水洗涤至中性，烘干。木粉中含有纤维素、半纤维素、木质素和其他小分子酯类物质，将木粉浸泡在氢氧化钠溶液和乙醇溶液中可将这部分不稳定纤维进行剥除，使木粉表面及内部形成间隙，有利于对木粉进行改性。
S2、木粉改性，将液态硅烷偶联剂和液态铝钛复合偶联剂加入预处理后的木粉中，在100℃的温度下混合60分钟，搅拌均匀，快速冷却到室温；过滤、干燥。液态硅烷偶联剂的质量百分比为6％，液态铝钛复合偶联剂的质量百分比为1％。干燥温度为80℃，干燥时间为10小时，改性木粉的含水量小于2％。预处理后的木粉其表面和内部存在较多的间隙，这些间隙有利于硅烷偶联剂和铝钛复合偶联剂在木粉上粘附，提高偶联剂与木粉的连接强度。硅烷偶联剂和铝钛复合偶联剂包覆在木粉的表面，改善木粉表面的活性，提高木粉与聚烯烃材料之间的相容性。
S3、咖啡渣预处理，首先将咖啡渣放在研磨器中进行研磨、过筛，得到粒径为80目的咖啡渣；将研磨好的咖啡渣在水中进行清洗，去除咖啡渣表面的灰分和杂质，并将水洗后的咖啡渣放置在烘干箱中进行烘干，烘干后的咖啡渣含水量为35％。
S4、咖啡渣除油，将干燥后的咖啡渣放置在真空加热炉中，进行碳化除油，真空度为0.06MPa。真空加热炉首先以10℃/min的升温速率将温度升高到200℃，保温30分钟，在此阶段充分的蒸发掉咖啡渣中残余的水分。然后以10℃/min的升温速率将温度升高到450℃，保温30分钟。在此阶段进行有机成分的挥发，去除咖啡渣中含有的油脂。有机物的非碳成分在热解过程中被去除，并通过热缩聚反应重新排列。热解碳化完成后，自然冷却到室温，得到咖啡渣预制料。咖啡渣内游离的脂肪酸大于60％，其内的油脂包括棕榈酸、亚油酸、油酸和硬脂酸。将咖啡渣内的油脂去除可以提高咖啡渣的孔隙率，使咖啡渣的内部存在丰富的空隙结构，有利于提高其对水分和气体的吸附能力，保持木塑料的干燥，提高结合强度和使用寿命。
S5、备料；按照成分配比称取各原料，备用。
S6、混料，将经过步骤S2处理后的改性木粉、咖啡渣预制料、聚烯烃、离子聚合物相容剂、润滑剂和马来酸酐接枝聚乙烯按照质量配比加入高速混合机中混合均匀，混合温度为70℃，混合时间为20分钟，得到混合料。
S7、成型，将混合料放入双螺杆挤出机中挤出造粒，然后进行注塑或模压成型，成型温度不高于200℃。
采用上述方法制备的咖啡渣木塑抗弯强度为38.7MPa，抗弯弹性模量2953MPa，邵氏硬度54，吸水厚度膨胀率0.22％。
实施例3
一种咖啡渣木塑，包括以下质量百分比的成分：改性木粉52％、聚烯烃30％、咖啡渣11％、离子聚合物相容剂3.8％、润滑剂1.1％和马来酸酐接枝聚乙烯1.6％。马来酸酐接枝聚乙烯提高了聚烯烃材料之间的分子结合力。
聚烯烃为聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯回收料或聚丙烯回收料，聚烯烃的熔体流动速率为5g/10min。
润滑剂为聚乙烯蜡、硬脂酸、硬脂酸锌、乙撑双硬脂酰胺中的一种或几种混合物。润滑剂的加入能够提高原料的润滑性，有利于混合料的成型。
离子聚合物相容剂为乙烯-甲基丙烯酸共聚物。离子聚合物相容剂能够改善咖啡渣与聚烯烃之间的相容性，提高连接强度。
改性木粉及咖啡渣的粒径为70目。
上述咖啡渣木塑的制备方法，包括以下步骤：
S1、木粉预处理，选取粒径为70目的木粉原料，将木粉原料依次浸泡在10mol/L的氢氧化钠溶液和10mol/L乙醇溶液中，浸泡时间为60分钟，然后过滤用水洗涤至中性，烘干。木粉中含有纤维素、半纤维素、木质素和其他小分子酯类物质，将木粉浸泡在氢氧化钠溶液和乙醇溶液中可将这部分不稳定纤维进行剥除，使木粉表面及内部形成间隙，有利于对木粉进行改性。
S2、木粉改性，将液态硅烷偶联剂和液态铝钛复合偶联剂加入预处理后的木粉中，在100℃的温度下混合30分钟，搅拌均匀，快速冷却到室温；过滤、干燥。液态硅烷偶联剂的质量百分比为8％，液态铝钛复合偶联剂的质量百分比为2％。干燥温度为80℃，干燥时间为10小时，改性木粉的含水量小于2％。预处理后的木粉其表面和内部存在较多的间隙，这些间隙有利于硅烷偶联剂和铝钛复合偶联剂在木粉上粘附，提高偶联剂与木粉的连接强度。硅烷偶联剂和铝钛复合偶联剂包覆在木粉的表面，改善木粉表面的活性，提高木粉与聚烯烃材料之间的相容性。
S3、咖啡渣预处理，首先将咖啡渣放在研磨器中进行研磨、过筛，得到粒径为70目的咖啡渣；将研磨好的咖啡渣在水中进行清洗，去除咖啡渣表面的灰分和杂质，并将水洗后的咖啡渣放置在烘干箱中进行烘干，烘干后的咖啡渣含水量为35％。
S4、咖啡渣除油，将干燥后的咖啡渣放置在真空加热炉中，进行碳化除油，真空度为0.08MPa。真空加热炉首先以10℃/min的升温速率将温度升高到200℃，保温30分钟，在此阶段充分的蒸发掉咖啡渣中残余的水分。然后以10℃/min的升温速率将温度升高到450℃，保温30分钟。在此阶段进行有机成分的挥发，去除咖啡渣中含有的油脂。有机物的非碳成分在热解过程中被去除，并通过热缩聚反应重新排列。热解碳化完成后，自然冷却到室温，得到咖啡渣预制料。咖啡渣内游离的脂肪酸大于60％，其内的油脂包括棕榈酸、亚油酸、油酸和硬脂酸。将咖啡渣内的油脂去除可以提高咖啡渣的孔隙率，使咖啡渣的内部存在丰富的空隙结构，有利于提高其对水分和气体的吸附能力，保持木塑料的干燥，提高结合强度和使用寿命。
S5、备料；按照成分配比称取各原料，备用。
S6、混料，将经过步骤S2处理后的改性木粉、咖啡渣预制料、聚烯烃、离子聚合物相容剂、润滑剂和马来酸酐接枝聚乙烯按照质量配比加入高速混合机中混合均匀，混合温度为60℃，混合时间为30分钟，得到混合料。
S7、成型，将混合料放入双螺杆挤出机中挤出造粒，然后进行注塑或模压成型，成型温度不高于200℃。
采用上述方法制备的咖啡渣木塑抗弯强度为36.8MPa，抗弯弹性模量2916MPa，邵氏硬度52，吸水厚度膨胀率0.25％。
本发明采用上述咖啡渣木塑及其制备方法制备的木塑产品具有抗弯强度高、除臭性好、成本低、尺寸稳定性好、使用寿命高、流动性好、易于成型的优点。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种咖啡渣木塑，其特征在于，包括以下质量百分比的成分：改性木粉35-70％、聚烯烃20-40％、咖啡渣10-20％、离子聚合物相容剂3-5％、润滑剂1-3％和马来酸酐接枝聚乙烯0.5-2％。
2.根据权利要求1所述的一种咖啡渣木塑，其特征在于：包括以下质量百分比的成分：改性木粉36-65％、聚烯烃21-38％、咖啡渣11-19％、离子聚合物相容剂3.2-4.9％、润滑剂1.1-2.9％和马来酸酐接枝聚乙烯0.55-1.90％。
3.根据权利要求1所述的一种咖啡渣木塑，其特征在于：所述聚烯烃为聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯回收料或聚丙烯回收料，聚烯烃的熔体流动速率为3-7g/10min。
4.根据权利要求1所述的一种咖啡渣木塑，其特征在于：所述润滑剂为聚乙烯蜡、硬脂酸、硬脂酸锌、乙撑双硬脂酰胺中的一种或几种混合物。
5.根据权利要求1所述的一种咖啡渣木塑，其特征在于：所述离子聚合物相容剂为乙烯-甲基丙烯酸共聚物。
6.根据权利要求1所述的一种咖啡渣木塑，其特征在于：所述改性木粉及咖啡渣的粒径为60-80目。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种咖啡渣木塑的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、木粉预处理，选取粒径为60-80目的木粉原料，将木粉原料依次浸泡在10mol/L的氢氧化钠溶液和10mol/L乙醇溶液中，浸泡时间为30-60分钟，然后过滤用水洗涤至中性，烘干；
S2、木粉改性，将液态硅烷偶联剂和液态铝钛复合偶联剂加入预处理后的木粉中，在80-100℃的温度下混合30-60分钟，搅拌均匀，快速冷却到室温；过滤、干燥；
S3、咖啡渣预处理，首先将咖啡渣放在研磨器中进行研磨、过筛，得到粒径为60-80目的咖啡渣；将研磨好的咖啡渣在水中进行清洗，去除咖啡渣表面的灰分和杂质，并将水洗后的咖啡渣放置在烘干箱中进行烘干，烘干后的咖啡渣含水量为35-40％；
S4、咖啡渣除油，将干燥后的咖啡渣放置在真空加热炉中，进行碳化除油，真空度为0.02-0.08MPa，得到咖啡渣预制料；
S5、备料；按照成分配比称取各原料，备用；
S6、混料，将经过步骤S2处理后的改性木粉、咖啡渣预制料、聚烯烃、离子聚合物相容剂、润滑剂和马来酸酐接枝聚乙烯按照质量配比加入高速混合机中混合均匀，混合温度为50-70℃，混合时间为20-30分钟，得到混合料；
S7、成型，将混合料放入双螺杆挤出机中挤出造粒，然后进行注塑或模压成型，成型温度不高于200℃。
8.根据权利要求7所述的一种咖啡渣木塑的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，液态硅烷偶联剂的质量百分比为6-8％，液态铝钛复合偶联剂的质量百分比为1-2％；干燥温度为60-80℃，干燥时间为10-20小时，改性木粉的含水量小于2％。
9.根据权利要求7所述的一种咖啡渣木塑的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中，首先以10-15℃/min的升温速率将温度升高到150-200℃，保温20-30分钟然后以5-10℃/min的升温速率将温度升高到400-450℃，保温30-40分钟。
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