CN111391264A - 一种三维增强木塑复合材料的生产方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维增强木塑复合材料的生产方法及设备，生产方法，包括木塑型坯挤出；将挤出的木塑型坯表面预冷；在预冷后的木塑型坯上套设管网，形成管网包覆木塑型坯；对所述管网包覆木塑型坯进行模压塑形；定型冷却，得到三维增强木塑复合材料。本发明的一些实例，可以有效的制备得到三维增强木塑复合材料，增强后的木塑基材在纤维管网的网孔中形成贯穿钉结构，避免了界面问题的同时尽可能多的发挥出纤维管网的增强作用。制得的材料具有良好的机械性能，同时材料本身的表面装饰性和美观性不受影响。本发明的一些实例，生产工艺简单，效率高，生产的能耗相对较低，整体的生产成本较低。

Description

一种三维增强木塑复合材料的生产方法及设备

技术领域

本发明涉及一种三维增强木塑复合材料的生产方法及设备，特别涉及一种三维增强木塑复合材料的生产方法及设备。

背景技术

木塑复合材料作为一种绿色环保复合材料，主要利用聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等热塑性聚合物，代替通常的树脂胶粘剂，与超过35％-70％以上的木粉、稻壳、秸秆等废植物纤维混合成新的木质材料，再经挤压、模压、注塑成型得到。

与木材相比，木塑复合材料具有一系列优异的性能，同时也是一种绿色环保、可再生的材料，易于制备成为各种型材。近年来在国际上得到迅速发展，被广泛运用在室内装饰、汽车内饰、室外园林景观等领域。由于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，使得现有木塑复合材料的应用局限在室内外装饰、具有防腐防水功能的园林景观材等非承重装饰材料，而不适于对刚度和韧性要求较高的承重结构材料。

采用连续纤维片材或纤维束，通过共挤成型或模压成型，可以实现木塑复合材料一定程度的增强和增韧。现有技术中，普遍是通过添加长纤维丝或连续纤维丝的方式对木塑复合材料进行增强，但由于增强纤维与木塑基体的界面相容性差及增强性能的单一性，导致增强增韧效果非常有限，增强后的产品性能达不到承重材料的要求。同时存在如下不足：

1、单方向的增强，性能增强效果单一，增强纤维与木塑基体的界面相容性差，增强增韧效果非常有限，增强后的产品性能达不到承重材料的要求；

2、制作工艺复杂，大多都采用多阶段成型方式，制作成本高，材料性能的稳定性差；

3、在夏天较高的户外温度情况下使用木塑产品时，热塑性树脂会受热变软，使得增强效果在高温条件下更加有限。

使用纤维网理论上可以有效增加木塑复合材料的力学性能，但是纤维网需要有效张紧才会带来增强效果，否则不但不能起到增加的效果，反而会使木塑复合材料的力学性能下降。然而在木塑材料完全硬化后对木塑材料进行增加，纤维网固然可以有效张紧，但是纤维网和芯材并不能很好的复合，会出现明显的分层现象，实际上并不具有较好的增强效果。在纤维网的结构破坏之后，这种增加的木塑复合材料的力学性能会急剧下降。对于木塑复合板材而言，其宽厚比较大(一般大于10)，在使用纤维网对板状木塑材料增强时，板材会因为两侧受力显著大于平面，导致木塑复合材料会从中间折断，无法生产得到相应的板材。现有的木塑复合板材，难以有效增强其性能。

如何有效三维增强木塑复合材料，特别是木塑复合板材，对增加木塑复合材料的应用范围具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的至少一种不足，提供一种三维增强木塑复合材料的生产方法及设备。

本发明所采取的技术方案是：

本发明的第一个方面，提供：

一种三维增强木塑复合材料的生产方法，包括如下步骤：

1)木塑型坯挤出；

2)将挤出的木塑型坯表面预冷，使木塑型坯的表皮硬化而内部保持为熔体结构；

3)在预冷后的木塑型坯上套设管网，形成管网包覆木塑型坯；

4)对所述管网包覆木塑型坯进行模压塑形，使管网嵌入到木塑型坯的近体表位置；

5)定型冷却，得到三维增强木塑复合材料。

将纤维管网固定在木塑复合材料的近体表位置，不改变木塑复合材料的表面装饰性能和美观性；在模压塑形过程中，木塑熔体体积保持不变，周长增大，使得管网受到木塑熔体的扩张力而产生预紧力且保持了形体完整性，进而使得增强后的木塑复合材料在各方向上的强度和韧性得到大幅度提高。

在一些实例中，所述模压塑形时在厚度方向进行加热加压定厚，使管网嵌入木塑型坯上下表面的基体层，随后首次冷却定厚；和/或

在所述首次冷却定厚后对木塑型坯左右两侧进行加热，在木塑型坯上下表面加压，使管网嵌入木塑左右表面的基体层，冷却定宽并二次冷却定厚。

通过前后二次冷却定厚，可以有效地对木塑型坯进行定厚定宽，保证产品的尺寸。

在一些实例中，在定宽定厚后，加热使表层木塑熔体流平和/或塑形。这样可以使产品具有所需要的外观，满足不同应用领域的需要。

在一些实例中，所述三维增强木塑复合材料为板材。

在一些实例中，所述板材的宽厚比为(50～1)：1。板材的宽厚比可以根据具体的需要进行相应的调节。

在一些实例中，所述木塑型坯厚度方向的表皮硬化厚度为整个厚度的1/4～1/3；和/或

所述木塑型坯厚度的表皮硬化后可以承受0.5MPa以上的压强而不破裂。

这样可以保证在进行定厚或定宽时，管网可以根据需要嵌入木塑型坯的上下表面，左右两侧并产生足够的张紧力起到相应的增强作用。

本发明的第二个方面，提供：

一种三维增强木塑复合材料的生产设备，包括木塑挤出装置，所述木塑挤出装置下游依次设置有冷却口模、管网套设装置、模压塑形装置、定型冷却装置和牵引装置；

所述冷却口模用于冷却挤出的木塑型坯表面；

所述管网套设装置用于在木塑型坯表面套设管网；

所述模压塑形装置包括加热定厚履带、第一冷却定厚辊、宽部加热器、第二冷却定厚辊、冷却定宽辊、角部加热定形辊和表面加热流平辊，其中：

所述加热定厚履带成对存在于木塑型坯的上下表面位置，用于加热木塑型坯表面和初步定厚并将管网初步嵌入木塑型坯的上下表面；

所述第一冷却定厚辊成对存在于木塑型坯的上下表面位置，位于加热定厚履带下游，用于对初步定厚的木塑型坯进行首次冷却定厚并使管网固定在木塑型坯的上下表面的木塑基体层；

所述宽部加热器位于木塑型坯的左右两侧，用于对冷却定厚的木塑型坯的两侧面进行加热，使两侧的木塑表皮软化；

所述第二冷却定厚辊成对存在于木塑型坯的上下表面位置，所述冷却定宽辊存在于木塑型坯的左右两侧，均位于所述宽部加热器的下游，所述第二冷却定厚辊和所述冷却定宽辊共同作用于所述木塑型坯将左右两侧的管网嵌入木塑基体层并实现木塑型坯的定宽定厚；

所述角部加热定形辊和表面加热流平辊位于冷却定宽辊下游，用于流平和塑形管网表面的木塑熔体。

在一些实例中，所述宽部加热器为红外等非接触型加热器，避免会木塑型坯产生不必要的压力，以更好地保证产品的尺寸稳定性。

冷却定厚辊、冷却定宽辊的冷却方式可以是水冷。

在一些实例中，加热定厚履带可以由加热部件和定厚履带联合组成。

在一些实例中，所述模压塑形装置的第一冷却定厚辊上游还设有加热器，所述加热器用于使木塑型坯上下面的表皮软化。这样可以保证木塑型坯易于压薄，同时也利于管网的嵌入。

在一些实例中，所述第一冷却定厚辊和第二冷却定厚辊还包括用于调节厚度的定厚尺规；和/或所述冷却定宽辊还包括用于调节宽度的定宽尺规。这样方便对三维增强木塑复合材料的规格进行相应的调整，满足不同产品的需要。

在一些实例中，所述加热定厚履带还包括用于调节厚度的定厚尺规。

在一些实例中，所述管网套设装置为在线编织管网套设装置。这样可以根据需要调整管网的参数，同时有利于连续生产。方便不同规格三维增强木塑复合材料的制造。

在一些实例中，牵引装置采用软模块摩擦牵引，增大牵引机对复合材料的摩擦力，保证牵引速度的稳定性。

在一些实例中，牵引装置下游还连接有锯切装置。

在一些实例中，锯切装置采用激光切割，避免切割过程对管网的破坏。

本发明的有益效果是：

本发明的一些实例，可以有效的制备得到三维增强木塑复合材料，增强后的木塑基材在纤维管网的网孔中形成贯穿钉结构，避免了界面问题的同时尽可能多的发挥出纤维管网的增强作用。制得的材料具有良好的机械性能，同时材料本身的表面装饰性和美观性不受影响。

本发明的一些实例，生产工艺简单，效率高，生产的能耗相对较低，整体的生产成本较低。

本发明一些生产设备的实例，可以很好地制备得到三维增强木塑复合材料，同时可以实现连续生产。

本发明一些生产设备的实例，冷热辊与履带交替使用，既能保证塑形过程中型坯整体的抗变形强度，又能让木塑型坯局部处的管网有序的进入到木塑体积的内部。

附图说明

图1是本发明一些生产设备实例的整体结构示意图；

图2是本发明一些生产设备实例的冷却定厚辊的正视图；

图3是本发明一些生产设备实例的冷却定厚辊的侧视图；

图4是本发明一些生产设备实例的冷却定宽辊的正视图；

图5是本发明一些生产设备实例的冷却定宽辊的俯视图。

具体实施方式

所述管网由一种或若干种纤维编织而成，所述纤维选自碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、棉纤维、麻纤维、竹纤维、蚕丝纤维、羊毛纤维、兔毛纤维、黏胶纤维、涤纶纤维、锦纶纤维、腈纶纤维、维纶纤维、丙纶纤维、氯纶纤维和氨纶纤维。

下面结合附图，进一步说明本发明的生产设备。

参照图1～5，本发明一些生产设备的实例，包括木塑挤出装置1，所述木塑挤出装置1下游依次设置有冷却口模2、管网套设装置3、模压塑形装置4、定型冷却装置5和牵引装置6；

所述冷却口模2用于冷却挤出的木塑型坯表面；

所述管网套设装置3用于在木塑型坯表面套设管网；

所述模压塑形装置4包括加热定厚履带41、第一冷却定厚辊42、宽部加热器43、第二冷却定厚辊44、冷却定宽辊45、角部加热定形辊46和表面加热流平辊47，其中：

所述加热定厚履带41成对存在于木塑型坯的上下表面位置，用于加热木塑型坯表面和初步定厚并将管网初步嵌入木塑型坯的上下表面；

所述第一冷却定厚辊42成对存在于木塑型坯的上下表面位置，位于加热定厚履带41下游，用于对初步定厚的木塑型坯进行首次冷却定厚并使管网固定在木塑型坯的上下表面的木塑基体层；

所述宽部加热器43位于木塑型坯的左右两侧，用于对冷却定厚的木塑型坯的两侧面进行加热，使两侧的木塑表皮软化；

所述第二冷却定厚辊44成对存在于木塑型坯的上下表面位置，所述冷却定宽辊45存在于木塑型坯的左右两侧，均位于所述宽部加热器43的下游，所述第二冷却定厚辊44和所述冷却定宽辊45共同作用于所述木塑型坯将左右两侧的管网嵌入木塑基体层并实现木塑型坯的定宽定厚；

所述角部加热定形辊46和表面加热流平辊47位于冷却定宽辊45下游，用于流平和塑形管网表面的木塑熔体。

第一冷却定厚辊42和第二冷却定厚辊44可以分别具有有多个成对存在的压辊，所述压辊的数量可以根据实际的需要进行设置。第一冷却定厚辊42和第二冷却定厚辊44的结构可以相同。

加热定厚履带41可以由加热部件和定厚履带联合组成。实现加热软化木塑型坯表面基材并将其初步压薄。

在一些实例中，所述模压塑形装置4的第一冷却定厚辊42上游还设有加热器，所述加热器用于使木塑型坯上下面的表皮软化。这样可以保证木塑型坯易于压薄，同时也利于管网的嵌入。

在一些实例中，所述第一冷却定厚辊42和第二冷却定厚辊44还包括用于调节厚度的定厚尺规421(第二冷却定厚辊44的结构和第一冷却定厚辊42相同)；和/或所述冷却定宽辊45还包括用于调节宽度的定宽尺规451。这样方便对三维增强木塑复合材料的规格进行相应的调整，满足不同产品的需要。

在一些实例中，所述加热定厚履带41还包括用于调节厚度的定厚尺规。

在一些实例中，所述管网套设装置为在线编织管网套设装置。这样可以根据需要调整管网的参数，同时有利于连续生产，方便不同规格三维增强木塑复合材料的制造。

在一些实例中，牵引装置6采用软模块摩擦牵引，增大牵引机对复合材料的摩擦力，保证牵引速度的稳定性。

在一些实例中，牵引装置6下游还连接有锯切装置7。

在一些实例中，锯切装置采用激光切割，避免切割过程对管网的破坏。

下面结合实施例，进一步说明本发明的生产方法。

实施例1：

木塑基材的制备原料包括：按照质量份数来配比，60份HDPE塑料、20份木纤维、4份偶联剂、10份无机填料、3份润滑剂和3份熔体增强剂。制备方法包括：

S1、木塑型坯挤出：把木塑基材所用的制备原料依次投入到混料机中混合均匀，然后用造粒机制成木塑颗粒，木塑颗粒投入螺杆挤出机中，经由螺杆输送、熔融塑化、混合均化及增压密实后，从成型模具口挤出长×宽为100.0mm×100.0mm的方形木塑型坯；

S2、表面预冷：成型模具口挤出的木塑型坯经由一块冷却口模进行表面预冷，冷却口模的冷水温度设置为80℃，预冷后的木塑型坯表面结皮变硬来维持型坯的形状，此时型坯芯部的木塑材料为熔体结构；

S3、在线编织管网：在冷却口模出口处连接一台管网编织机，用碳纤维在线编织成管网包覆在表面预冷的木塑型坯上，管网的规格为：厚度0.8mm、400g/㎡，形成管网包覆木塑型坯；

S4、模压塑形：管网包覆木塑型坯经由四台联用的模压塑形设备后，成型为长×宽为80.0mm×125.0mm的长方形管网增强木塑型坯，管网在木塑基体的近体表位置，模压塑形过程中管网受到木塑熔体向管网孔外扩充流动时产生的拉拽力达到预紧的效果；

S5、定型冷却：模压塑形设备末端接连一个外形尺寸监测器，监测的木塑型坯尺寸与定型模的定型腔尺寸相匹配时，被允许进入后面冷却定型模及冷却水槽，通过对木塑型坯进行定型冷却得到一种在线编织管网三维增强增韧的木塑复合材料。

实施例2：

一种在线编织管网三维增强增韧木塑复合材料及其制备方法，复合材料由近体表的麻纤维预紧管网和木塑基材组成。木塑基材的制备原料包括：按照质量份数来配比，60份PVC塑料、10份木纤维、4份界面相容剂、10份无机填料、3份润滑剂、3份熔体增强剂、6份热稳定剂和4份抗氧化剂。制备方法包括：

S1、木塑型坯挤出：把木塑基材所用的制备原料依次投入到混料机中混合均匀，然后把原料投入到一步法木塑挤出机中，经由螺杆输送、熔融预塑化、熔融塑化、混合均化及增压密实后，从成型模具口挤出长×宽为80.0mm×80.0mm的方形木塑型坯；

S2、表面预冷：成型模具口挤出的木塑型坯经由一块冷却口模进行表面预冷，预冷后的木塑型坯表面结皮变硬来维持型坯的形状，此时型坯芯部的木塑材料为熔体结构；

S3、在线编织管网：在冷却口模出口处连接一台管网编织机，用麻纤维在线编织成管网包覆在表面预冷的木塑型坯上，形成管网包覆木塑型坯；

S4、模压塑形：管网包覆木塑型坯经由一台模压塑形设备后，成型为长×宽为76.0mm×84.2mm的长方形管网增强木塑型坯，管网在木塑基体的近体表位置，模压塑形过程中管网受到木塑熔体向管网孔外扩充流动时产生的拉拽力达到预紧的效果；

S5、定型冷却：模压塑形设备末端接连一个外形尺寸监测器，监测的木塑型坯尺寸与定型模的定型腔尺寸相匹配时，被允许进入后面冷却定型模及冷却水槽，通过对木塑型坯进行定型冷却得到一种在线编织管网三维增强增韧的木塑复合材料。

实施例3：

一种在线编织管网三维增强增韧木塑复合材料及其制备方法，复合材料由近体表的芳纶纤维预紧管网和木塑基材组成。木塑基材的制备原料包括：按照质量份数来配比，40份PP塑料、40份木纤维、6份偶联剂、4份无机填料、3份润滑剂、4份热稳定剂和3份抗氧化剂。

制备方法包括：

S1、木塑型坯挤出：把木塑基材所用的制备原料依次投入到混料机中混合均匀，然后把原料投入到一步法木塑挤出机中，经由螺杆输送、熔融预塑化、熔融塑化、混合均化及增压密实后，从成型模具口挤出半径为40mm的圆形木塑型坯；

S2、表面预冷：成型模具口挤出的木塑型坯经由一块冷却口模进行表面预冷，预冷后的木塑型坯表面结皮变硬来维持型坯的形状，此时型坯芯部的木塑材料为熔体结构；S3、在线编织管网：在冷却口模出口处连接一台管网编织机，用麻纤维在线编织成管网包覆在表面预冷的木塑型坯上，形成管网包覆木塑型坯；

S4、模压塑形：管网包覆木塑型坯经由一台模压塑形设备后，成型为长×宽为70.9mm×70.9mm的方形管网增强木塑型坯，管网在木塑基体的近体表位置，模压塑形过程中管网受到木塑熔体向管网孔外扩充流动时产生的拉拽力达到预紧的效果；

S5、定型冷却：模压塑形设备末端接连一个外形尺寸监测器，监测的木塑型坯尺寸与定型模的定型腔尺寸相匹配时，被允许进入后面冷却定型模及冷却水槽，通过对木塑型坯进行定型冷却得到一种在线编织管网三维增强增韧的木塑复合材料。

对比例1：

PP无纺布增强木塑复合材料，其基础的制备原料包括：按质量份数来配比，60份HDPE塑料、20份木纤维、4份偶联剂、10份无机填料、3份润滑剂和3份熔体增强剂。制备方法包括：

S1、木塑造粒：把木塑基材所用的制备原料依次投入到混料机中混合均匀，然后用造粒机制成木塑颗粒备用；

S2、PP无纺布共挤：木塑颗粒投入螺杆挤出机中，经由螺杆输送、熔融塑化、混合均化及增压密实后进入模具，厚度0.8mm、密度720g/㎡的PP无纺布从共挤模具中的纤维布通道(上下表面)进入模具中与木塑基体汇合，最终通过成型口挤出长×宽为125.0mm×80.0mm的增强木塑型坯；

S3、冷却定型：S2中的增强木塑型坯进入到后面冷却定型模及冷却水槽，冷却定型得到PP无纺布增强的木塑复合材料。

性能测试：

分别采用常用方法对实施例1～3和对比例制备得到的增强木塑复合材料进行性能测试，结果如表1所示。

表1、不同增强木塑复合材料的性能对比

项目	测试标准	实施例1	实施例2	实施例3	对比例1
						密度(g/cm<sup>3</sup>)	GB/T 17657	1.25	1.08	1.12	1.15
弯曲强度(MPa)	ASTM D6109-13	113.2	102.6	96.4	40.2
						弯曲模量(GPa)	ASTM D6109-13	9.42	8.24	7.83	3.80
冲击强度(kJ/m<sup>2</sup>)	ASTM D256	32.1	23.5	22.0	9.2
						蠕变恢复(％)	AC174	98	96	97	90

实验数据显示，本发明一些实例的三维增强增韧的木塑复合材料，材料的弯曲强度，弯曲模量、冲击强度和蠕变恢复性能均有显著的提高。这使得本发明一些实例的三维增强增韧的木塑复合材料应用领域可以拓展至对力学性能有更高要求的领域，包括但不限于：板式家具领域替代刨花板、纤维板及胶合板；户外家具领域替代钢材、铝材等金属材料；建筑材料领域替代传统的工程木质材料、建筑模板及模板支撑系统等。

Claims (10)

1.一种三维增强木塑复合材料的生产方法，包括如下步骤：

1)木塑型坯挤出；

2)将挤出的木塑型坯表面预冷，使木塑型坯的表皮硬化而内部保持为熔体结构；

3)在预冷后的木塑型坯上套设管网，形成管网包覆木塑型坯；

4)对所述管网包覆木塑型坯进行模压塑形，使管网嵌入到木塑型坯的近体表位置；

5)定型冷却，得到三维增强木塑复合材料。

2.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于：所述模压塑形时在厚度方向进行加热加压，使管网嵌入木塑型坯上下表面的基体层，随后首次冷却定厚；和/或

在所述首次冷却定厚后对木塑型坯左右两侧进行加热，在木塑型坯上下表面加压，使管网嵌入木塑左右表面的基体层，冷却定宽并二次冷却定厚；

优选的，在定宽定厚后，加热塑形使表层木塑熔体流平和/或塑形。

3.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于：所述三维增强木塑复合材料为板材。

4.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于：所述板材的宽厚比为(50～1)：1。

5.根据权利要求1～4任一项所述的生产方法，其特征在于：所述木塑型坯为圆柱体，或宽厚比为(30～1)：1的板材。

6.根据权利要求1～4任一项所述的生产方法，其特征在于：所述木塑型坯厚度方向的表皮硬化厚度为整个厚度的1/4～1/3；和/或

所述木塑型坯厚度的表皮硬化后可以承受0.5MPa以上的压强而不破裂。

7.一种三维增强木塑复合材料的生产设备，包括木塑挤出装置，其特征在于：所述木塑挤出装置下游依次设置有冷却口模、管网套设装置、模压塑形装置、定型冷却装置和牵引装置；

所述冷却口模用于冷却挤出的木塑型坯表面；

所述管网套设装置用于在木塑型坯表面套设管网；

所述模压塑形装置包括加热定厚履带、第一冷却定厚辊、宽部加热器、第二冷却定厚辊、冷却定宽辊、角部加热定形辊和表面加热流平辊，其中：

所述加热定厚履带成对存在于木塑型坯的上下表面位置，用于加热木塑型坯表面和初步定厚并将管网初步嵌入木塑型坯的上下表面；

所述第一冷却定厚辊成对存在于木塑型坯的上下表面位置，位于加热定厚履带下游，用于对初步定厚的木塑型坯进行首次冷却定厚并使管网固定在木塑型坯的上下表面的木塑基体层；

所述宽部加热器位于木塑型坯的左右两侧，用于对首次冷却定厚的木塑型坯的左右两侧面进行加热，使两侧的木塑表皮软化；

所述第二冷却定厚辊成对存在于木塑型坯的上下表面位置，所述冷却定宽辊存在于木塑型坯的左右两侧，均位于所述宽部加热器的下游，所述第二冷却定厚辊和所述冷却定宽辊共同作用于所述木塑型坯将左右两侧的管网嵌入木塑基体层并实现木塑型坯的定宽定厚；

所述角部加热定形辊和表面加热流平辊位于冷却定宽辊下游，用于流平和塑形管网表面的木塑熔体。

8.根据权利要求7所述的生产设备，其特征在于：所述模压塑形装置的第一冷却定厚辊上游还设有加热器，所述加热器用于使木塑型坯上下面的表皮软化。

9.根据权利要求7或8所述的生产设备，其特征在于：所述第一冷却定厚辊和第二冷却定厚辊还包括用于调节厚度的定厚尺规；和/或

所述冷却定宽辊还包括用于调节宽度的定宽尺规。

10.根据权利要求7或8所述的生产设备，其特征在于：所述管网套设装置为在线编织管网套设装置。

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