CN110423427A - 一种木塑复合材料及其制备方法、成型、改性工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种木塑复合材料及其制备方法、成型、改性工艺。所述木塑复合材料，主要是由以下质量份原料制成：聚乙烯醇80‑120份，植物纤维20‑100份，增塑剂10‑50份，辐射敏化剂1‑5份。同时，本发明还提供了木塑复合材料的制备方法、成型工艺、改性方法等。本发明木塑复合材料采用植物纤维和聚乙烯醇进行复合，添加增塑剂和辐射敏化剂制成，可以采用各种成型工艺以及辐射改性处理。聚乙烯醇PVA和植物纤维相容性好，无需添加大量改性剂，制备简单，成本低，并且可以通过辐射交联反应增强界面结合力，获得综合性能良好的PVA/CSF木塑复合材料。

Description

一种木塑复合材料及其制备方法、成型、改性工艺
技术领域
本发明属于复合材料的制备领域，涉及一种木塑复合材料及其制备方法、成型、改性工艺。
背景技术
木塑复合材料(Wood-Plastic Composites,WPC)是近年来国内外蓬勃兴起的一类新型环保复合材料，它是由木粉、竹粉、稻糠、秸秆等植物纤维与高分子树脂基体配以特殊的功能改性剂和加工助剂，经挤压、模压、注射成型等塑料加工工艺，生产出的性能优良的板材或型材。WPC综合了植物纤维和高分子材料的诸多优点，能大量替代木材，可有效缓解我国森林资源贫乏、木材供应紧缺的现状，同时它也解决了塑料、农林业废弃资源再生利用问题，是一种极具发展前途的低碳、绿色、可循环、可再生的材料。
WPC用途广泛，价格便宜，但要生产出各方面性能优异的产品却不容易。植物纤维富含多羟基强氢键，具有很强的极性，而常用的高分子树脂基体如PE和PP为非极性材料，故植物纤维和高分子树脂基体相容性很差，界面粘结强度低，从而影响WPC的力学性能。目前通常采用不同单体接枝聚合物作为木塑复合材料制备的外加增容剂，用做接枝共聚的单体有马来酸酐(MAH)、马来酸二丁酯(DBM)、马来酸(MAC)、衣康酸、丙烯酸等。虽然添加接枝共聚物可以一定程度上改善木塑复合材料的界面相容性，但接枝共聚物的接枝率是影响木塑复合材料综合性能的关键因素，从而增加了高性能木塑复合材料制备的难度和成本。另外，以PE、PP和PVC等石油基合成高分子材料为基体的WPC在使用废弃后，其中难降解的高分子树脂部分仍然长时间残留在环境中，不能从根本上解决资源和环境保护方面的问题。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术存在的木塑复合材料基体相容性差、界面结合强度低的问题，本发明提供了一种木塑复合材料及其制备方法、加工、改性工艺。本发明木塑复合材料可生物降解，无需大量使用添加改性剂，环境友好度更高，且制备简单，成本低。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种木塑复合材料，它主要是由以下质量份原料制成：
聚乙烯醇80-120份，
植物纤维20-100份，
增塑剂10-50份，
辐射敏化剂1-5份。
现有的木塑复合材料中，植物纤维和高分子树脂基体相容性很差，界面粘结强度低，从而影响WPC的力学性能，即使通过添加特殊功能的改性剂在一定程度上改善木塑复合材料的界面相容性，但往往也会增加了高性能木塑复合材料制备的难度和成本。另外，现有木塑复合材料中，高分子树脂基体材料多采用难降解材料，不能从根本上解决资源和环境方面的问题。相比之下，本发明选用可完全生物降解的多羟基强极性的聚乙烯醇为聚合物基体，聚乙烯醇(PVA)是一种性能优异的多羟基通用高分子材料，我国是PVA生产大国，产量居世界首位，是我国对世界有重要影响的、具有独特发展优势的高分子材料。PVA的多羟基、强氢键结构赋予其强极性、高熔点、耐热、抗静电、耐溶剂以及优良的离子交换和络合特性，与多种有机或无机材料具有良好的相容性，具有制备多种PVA复合材料的潜能。PVA的特定结构还赋予其良好的生物相容性和生物可降解性，在特定的微生物环境中能降解成二氧化碳、水等完全无污染的物质，是一种环境友好材料。
本发明植物纤维与PVA通过强氢键相互作用，加入增塑剂来增加复合物的塑性，再加入辐射敏化剂通过辐射改性技术制备出高品质的木塑复合材料，其中由于聚乙烯醇PVA具有多羟基和强氢键，使得聚乙烯醇PVA可以和植物纤维形成良好的相容性，无需添加改性剂，制备简单，成本低。增塑剂能增加聚合物的可塑性和流动性，改善加工性，并使制品具有柔韧性的物质，并且木塑复合材料中添加辐射敏化剂，通过辐射加工技术诱导体系发生辐射交联反应，增加了植物纤维和PVA的界面结合力，促使木塑复合材料形成较强的相互作用，进一步提高了木塑复合材料体系的相容性，获得综合性能良好的PVA/CSF木塑复合材料。
进一步的，步骤1中，所述植物纤维是木粉、竹粉、稻糠、农作物秸秆中的至少一种。
优选地，所述植物纤维是农作物秸秆，优选地，所述农作物秸秆为玉米、小麦、水稻、油菜、大豆中的茎、叶和壳部分，或者是上述秸秆的两种或两种以上的混合物。我国是农业大国，农作物秸秆产量大、分布广、种类多，但是很大一部分农作物秸秆被弃置或焚烧，没有得到合理的开发利用，还带来了一系列环境问题，通过本发明方法可以充分利用农业生产过程中副产的大量的农作物秸秆，变废为宝，节约化石能源，有利于环境保护。
优选地，所述可降解的木塑复合材料中，植物纤维和聚乙烯醇的重量份比例为1:5-1:1，例如1:5、2:5、3:5、4:5、1:1。
进一步的，所述增塑剂是脂肪族二元酸酯类、苯二甲酸酯类、苯多酸酯类、苯甲酸酯类、多元醇酯类、氯化烃类、环氧类、柠檬酸酯类、聚酯类中的一种或几种。
优选地，所述增塑剂是多元醇酯类增塑剂、聚合型增塑剂中至少一种。
更优选地，所述增塑剂是丙三醇、己内酰胺的一种或两种。
更优选地，所述增塑剂是丙三醇和己内酰胺溶于水中，配制得到的水溶液。增塑剂溶于水以后，在配料的时候，按照水溶液重量计算配比。
优选地，所述增塑剂与所述聚乙烯醇的重量份比例为1:10-1:2。
进一步的，所述辐射敏化剂是分子中含有共轭体系的物质，所述辐射敏化剂能吸收辐射能量跃迁至激发态。
优选地，所述辐射敏化剂是：N,N-亚甲基双丙烯酰胺、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、三烯丙基异三聚氰酸酯中的至少一种。
优选地，所述辐射敏化剂与所述聚乙烯醇的重量份比例为1:100-5:100。筛选辐射敏化剂的用量，确保足够的辐射敏化剂对于PVA和植物纤维形成充分的敏化交联增强作用。
进一步的，所述木塑复合材料是经过敏化辐射处理的复合材料。
本发明的另一目的是提供一种木塑复合材料颗粒料的制备方法、木塑复合材料的成型工艺、木塑复合材料的改性工艺，通过优选制备方法实现木塑材料更好的综合性能。
首先，本发明提供：
一种木塑复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将植物纤维干燥、粉碎，得到植物纤维粉。
步骤2、将聚乙烯醇和步骤1所得的植物纤维粉，粉碎混匀，得共混物。
步骤3、向步骤2所得共混物加入增塑剂和辐射敏化剂，搅拌均匀，置于密封容器中，待物料溶胀。
步骤4、将步骤3溶胀的物料挤出造粒，得到木塑复合材料。
本发明将农作物秸秆(CSF)与聚乙烯醇(PVA)通过热塑加工技术进行复合，PVA分子中的羟基与CSF中的羟基等极性基团形成氢键复合体系，无需对CSF进行化学改性即可获得良好的相容体系，增塑剂能增加聚合物的可塑性和流动性，改善加工性，并使制品具有柔韧性的物质，使得物料发生溶胀，顺利完成热塑加工，添加辐射敏化剂，增加体系的辐射效应，通过敏化辐射加工技术诱导体系发生辐射交联反应，增加了植物纤维和PVA的界面结合力，促使木塑复合材料形成较强的相互作用，从而提高体系的相容性，从而可以成功制备环境友好、低成本的农作物秸秆/聚乙烯醇(PVA/CSF)木塑复合材料的成功制备。
其次，本发明提供：
一种木塑复合材料的成型工艺，上述方法制备得到的木塑复合材料作为原料进行成型加工，得到木塑复合材料型材。
进一步，所述成型加工包括模压、挤出、注塑成型工艺中的一种或几种。
再次，本发明提供：
一种木塑复合材料改性工艺，采用上述方法制备得到的木塑复合材料型材进行辐射改性处理。
预先挤出使得聚乙烯醇和农作物秸秆能够更好的充分形成均匀致密的原料，然后成型得到所需要的形状结构，最终经过辐照改性处理，使得农作物秸秆和聚乙烯醇发生敏化辐射交联反应，实现结构强度增强，得到最佳的木塑复合材料产品。
通过辐射加工技术诱导体系发生辐射交联反应，增加了植物纤维和PVA的界面结合力，促使木塑复合材料形成较强的相互作用，进一步提高了木塑复合材料体系的相容性，获得综合性能良好的PVA/CSF木塑复合材料。
进一步的，辐射改性的辐射源采用电子束、γ射线中的一种或几种。优选地，辐射改性的辐射源为电子束。
进一步的，辐射改性的辐射剂量为1～500kGy。优选地，辐射剂量为：25-200kGy，例如25、50、100、200kGy。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明的木塑复合材料采用聚乙烯醇作为高分子树脂基体原料，由于聚乙烯醇独特的特性与植物纤维之间具有很好的相容性，所得到的木塑复合材料拉伸强度可达30Mpa以上，杨氏模量可达1000MPa以上，冲击强度可达67kJ/m2以上。不需要添加任何改性剂，木塑复合材料的综合性能非常优秀，降低了生产成本及生产高性能木塑复合材料的难度。
2、本发明使用的植物纤维和聚乙烯醇均为可生物降解原料，使得合成的木塑复合材料绿色环保，可全生物降解，避免采用难以降解的高分子塑料原料，从根本上解决资源和环境方面的问题。
3、本发明的优选方案木塑复合材料不仅在原料使用上解决植物纤维与高分子树脂基体的相容性差的问题，而且在制备过程中通过辐射加工技术诱导体系发生辐射交联反应，增加了植物纤维和PVA的界面结合力，促使木塑复合材料形成较强的相互作用，从而提高体系的相容性，经过辐射处理的PVA/CSF木塑复合材料力学性能显著改善，相比于未辐射改性的木塑复合材料，多项性能都取得了明显提升，获得综合性能良好的PVA/CSF木塑复合材料。
附图说明：
图1为实施例9所制备的木塑复合材料颗粒。
图2为实施例9所制备的木塑复合材料圆饼状型材。
图3为实施例9所制备的木塑复合材料条状型材。
图4为实施例9-13所得的木塑复合材料拉伸强度性能比较的柱状图。
图5为实施例9-13所得的木塑复合材料的杨氏模量性能比较的柱状图。
图6为实施例9-13所得的木塑复合材料的弯曲强度性能比较的柱状图。
图7为实施例9-13所得的木塑复合材料的冲击强度性能比较的柱状图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
一种木塑复合材料，包括以下原料制成：
聚乙烯醇800g，木粉240g，水20g、丙三醇30g、己内酰胺30g，N,N-亚甲基双丙烯酰胺8g。
实施例2
一种木塑复合材料，包括以下原料制成：
聚乙烯醇900g，小麦秸秆200g、大豆秸秆360g，水100g、丙三醇170g，N,N-亚甲基双丙烯酰胺4g、三烯丙基异三聚氰酸酯4g。
实施例3
一种木塑复合材料，包括以下原料制成：
聚乙烯醇1100g，木粉500g、玉米秸秆490g，水150g、己内酰胺290g，N,N-亚甲基双丙烯酰胺14g、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯30g。
实施例4
一种木塑复合材料，包括以下原料制成：
聚乙烯醇1200g，水稻秸秆240g、稻壳360g，水80g、丙三醇110g、己内酰胺50g，三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯12g、三烯丙基异三聚氰酸酯12g。
实施例5
木塑复合材料的制备:
将100g的玉米秸秆和100g的小麦秸秆干燥，在高速粉碎机中粉碎，得到秸秆粉。将1000g的聚乙烯醇和上述所得的秸秆粉，粉碎混匀，得到共混物置于有盖的塑料容器中，向上述共混物中加入水100g、丙三醇150g和辐射敏化剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺12g、三烯丙基异三聚氰酸酯13g，搅拌均匀，随后密封容器，将其存于室温环境直至物料完全溶胀；随后将溶胀完全的物料于单螺杆挤出机挤出造粒；利用常规注塑机对PAV/CSF木塑复合材料粒料进行注射成型，加工成哑铃形和矩形等测试所需的试样。
实施例6
木塑复合材料的制备:
将200g的玉米秸秆和200g的小麦秸秆干燥，在高速粉碎机中粉碎，得到秸秆粉。将1000g的聚乙烯醇和上述所得的秸秆粉，粉碎混匀，得到共混物置于有盖的塑料容器中，向上述共混物中加入水100g、丙三醇150g和辐射敏化剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺12g、三烯丙基异三聚氰酸酯13g，搅拌均匀，随后密封容器，将其存于室温环境直至物料完全溶胀；随后将溶胀完全的物料于单螺杆挤出机挤出造粒；利用常规注塑机对PAV/CSF木塑复合材料粒料进行注射成型，加工成哑铃形和矩形等测试所需的试样。
实施例7
木塑复合材料的制备:
将300g的玉米秸秆和300g的小麦秸秆干燥，在高速粉碎机中粉碎，得到秸秆粉。将1000g的聚乙烯醇和上述所得的秸秆粉，粉碎混匀，得到共混物置于有盖的塑料容器中，向上述共混物中加入水100g、丙三醇150g和辐射敏化剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺12g、三烯丙基异三聚氰酸酯13g，搅拌均匀，随后密封容器，将其存于室温环境直至物料完全溶胀；随后将溶胀完全的物料于单螺杆挤出机挤出造粒；利用常规注塑机对PAV/CSF木塑复合材料粒料进行注射成型，加工成哑铃形和矩形等测试所需的试样。
实施例8
木塑复合材料的制备:
将400g的玉米秸秆和400g的小麦秸秆干燥，在高速粉碎机中粉碎，过100目筛，得到秸秆粉。将1000g的聚乙烯醇和上述所得的秸秆粉，粉碎混匀，得到共混物置于有盖的塑料容器中，向上述共混物中加入水100g、丙三醇150g和辐射敏化剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺12g、三烯丙基异三聚氰酸酯13g，搅拌均匀，随后密封容器，将其存于室温环境直至物料完全溶胀；随后将溶胀完全的物料于单螺杆挤出机挤出造粒；利用常规注塑机对PAV/CSF木塑复合材料粒料进行注射成型，加工成哑铃形和矩形等测试所需的试样。
实施例9
木塑复合材料的制备:
将500g的玉米秸秆和500g的小麦秸秆干燥，在高速粉碎机中粉碎，过100目筛，得到秸秆粉。将1000g的聚乙烯醇和上述所得的秸秆粉，粉碎混匀，得到共混物置于有盖的塑料容器中，向上述共混物中加入水100g、丙三醇150g和辐射敏化剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺12g、三烯丙基异三聚氰酸酯13g，搅拌均匀，随后密封容器，将其存于室温环境直至物料完全溶胀；随后将溶胀完全的物料于单螺杆挤出机挤出造粒，冷却、切粒；利用常规注塑机对PAV/CSF木塑复合材料粒料进行注射成型，加工成哑铃形和矩形等测试所需的试样。
实施例10
将实施例9所得的木塑复合材料试样经过敏化辐射改性工艺进行处理。辐射源采用电子加速器，辐射剂量选取25kGy。
实施例11
将实施例9所得的木塑复合材料试样经过敏化辐射改性工艺进行处理。辐射源采用电子加速器，辐射剂量选取50kGy。
实施例12
将实施例9所得的木塑复合材料试样经过敏化辐射改性工艺进行处理。辐射源采用电子加速器，辐射剂量选取100kGy。
实施例13
将实施例9所得的木塑复合材料试样经过敏化辐射改性工艺进行处理。辐射源采用电子加速器，辐射剂量选取200kGy。
对比实施例1
将1000g的聚乙烯醇在高速粉碎机中粉碎混匀，将粉碎后的聚乙烯醇置于有盖的塑料容器中，然后加入250g的增塑剂和25g的辐射敏化剂，搅拌均匀，随后密封容器，将其存于室温环境直至物料完全溶胀；随后将溶胀完全的物料于单螺杆挤出机挤出造粒；利用常规注塑机对材料粒料进行注射成型，加工成哑铃形和矩形等测试所需的试样。
图1为实施例9所制备的木塑复合材料颗粒。
图2为实施例9所制备的木塑复合材料型材。
如图1、图2所示成功制备出木塑复合材料的颗粒和型材，可以看出木塑复合材料样条饱满，形状规整，样条表面光滑并伴有木纹。
1.木塑复合材料的力学性能测试
将对比实施例1中所得的产物和实施例5-9所得的木塑复合材料分别进行力学强度的测试，其中拉伸强度、弯曲强度和杨氏模量通过万能试验机进行测试，冲击强度通过悬臂梁冲击试验机进行测试，测试结果如表1所示，
表1聚乙烯醇/农作物秸秆木塑复合材料的力学强度
结合表1木塑复合材料力学强度测试结果分析，将植物纤维加入聚乙烯醇中，木塑复合材料的拉伸强度和杨氏模量相比纯的PVA的性能测试结果有所增加，木塑复合材料的弯曲强度比纯的PVA的弯曲强度相比，下降缓慢。加入质量比1：1的植物纤维和聚乙烯醇复合时，所得的木塑复合材料的性能可以与纯PVA的性能相媲美，保持了较高力学强度。而现有技术中植物纤维与高分子树脂基体复合后性能均会降低，甚至变得很差，必须添加改性剂来提升性能，但是会使实验难度增加，成本提高。本发明无需添加任何改性剂，直接采用PVA与植物纤维复合，成本低，制备方法简单，并且可生物降解，加入植物纤维的PVA性能可与纯PVA的性能相媲美，成功制备出了一种高品质可生物降解的木塑复合材料。
2.辐射后木塑复合材料的力学性能测试
测试结果如图3、4、5、6所示。其中图3为实施例9-13所得的木塑复合材料拉伸强度性能比较的柱状图。图4为实施例9-13所得的木塑复合材料的杨氏模量性能比较的柱状图。图5为实施例9-13所得的木塑复合材料的弯曲强度性能比较的柱状图。图6为实施例9-13所得的木塑复合材料的冲击强度性能比较的柱状图。
与实施例9没做辐射处理的木塑复合材料样品相比，敏化辐射后的木塑复合材料的力学性能明显得到提高，尤其是弯曲强度和冲击强度；但PVA/CSF木塑复合材料的力学性能并不是随辐射处理剂量的增加而单调增大，当辐射剂量低于50kGy时，PVA/CSF木塑复合材料的力学性能随辐射剂量的增加而增大；当辐射处理剂量大于50kGy时，PVA/CSF木塑复合材料的力学性能随辐射处理剂量的增加而逐渐减小，从图3-6中可以看出，当辐射剂量为50kGy时，PVA/CSF木塑复合材料力学性能最优，拉伸强度、杨氏模量、弯曲强度和冲击强度分别高达：28.6MPa、757.9MPa、65.4MPa、69.5MPa。可以看出敏化辐射技术明显可以改善农作物秸秆/PVA木塑复合材料的性能，通过辐射加工技术诱导体系发生辐射交联反应，增加了植物纤维和PVA的界面结合力，促使木塑复合材料形成较强的相互作用，从而提高体系的相容性，获得综合性能良好的PVA/CSF木塑复合材料。
以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种木塑复合材料，其特征在于，主要是由以下质量份原料制成：
聚乙烯醇80-120份，
植物纤维20-100份，
增塑剂10-50份，
辐射敏化剂1-5份。
2.根据权利要求1中所述的木塑复合材料，其特征在于，所述植物纤维是木粉、竹粉、稻糠、农作物秸秆中的至少一种。
3.根据权利要求1中所述的木塑复合材料，其特征在于，所述植物纤维和所述聚乙烯醇的重量份比例是1:5-1:1。
4.根据权利要求1所述的木塑复合材料，其特征在于，所述增塑剂是脂肪族二元酸酯类、苯二甲酸酯类、苯多酸酯类、苯甲酸酯类、多元醇酯类、氯化烃类、环氧类、柠檬酸酯类、聚酯类中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的木塑复合材料，其特征在于，所述辐射敏化剂是分子中含有共轭体系的物质，所述辐射敏化剂能吸收辐射能量跃迁至激发态。
6.根据权利要求1-5任一所述的木塑复合材料，其特征在于，所述辐射敏化剂与所述聚乙烯醇的重量份比例为1:100-5:100。
7.一种木塑复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将农作物秸秆干燥、粉碎，得到秸秆粉；
步骤2、将聚乙烯醇和步骤1所得的秸秆粉，粉碎混匀，得共混物；
步骤3、向步骤2所得共混物加入增塑剂和辐射敏化剂，搅拌均匀，置于密封容器中，待物料溶胀；
步骤4、将步骤3溶胀的物料挤出造粒，得到木塑复合材料。
8.一种木塑复合材料的成型工艺，其特征在于，将权利要求7所得的木塑复合材料作为原料进行成型加工，得到木塑复合材料型材。
9.根据权利要求8所述的木塑复合材料的成型工艺，其特征在于，所述的成型加工包括模压、挤出、注塑成型工艺中的一种或几种。
10.一种木塑复合材料的改性工艺，其特征在于，将权利要求8所述的木塑复合材料型材进行辐射改性处理。
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