CN113354906B - 一种耐高温复合木塑材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种耐高温复合木塑材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及建筑材料技术领域，具体来说是一种耐高温复合木塑材料及其制备方法和应用，耐高温复合木塑材料由如下重量百分比的原料制成：改性纤维6‑12％；改性微球20‑28％；耐高温基体60‑74％；改性微球为硅烷偶联剂改性的SiC微球；改性纤维为物理和硅烷偶联剂改性的植物纤维。本发明对阻燃材料和纤维材料均进行了改性，有效提升了与耐高温基体材料的共混和相容，继而制得了使用寿命长久且高效阻燃的耐高温复合木塑材料。

Description

一种耐高温复合木塑材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种耐高温复合木塑材料及其制备方法和应用。
背景技术
我国纤维资源极为丰富，但天然纤维一直以来仅作为纺织工业的原料，应用领域局限比较大，开发天然纤维作为复合材料增强体，可以拓宽天然纤维的应用范围。刺激天然纤维的农业生产，对调整农村产业结构，发展以天然纤维为基础的高新技术产业，提高农副产品的附加价值，促进我国材料科学的发展有着十分积极的意义。并且在环保问题日益突出、资源形势日益紧张的当今社会，天然纤维在环保、节能材料的研究领域中扮演着越来越重要的角色。
木塑复合材料是利用木粉与塑料进行加工从而获得一种新材料，具有优良的力学性能、耐水性和耐腐蚀性能以及可循环使用等优点。但是由于其组成部分天然纤维和聚合物都属于易燃物，所以木塑复合材料属于易燃材料。这使木塑复合材料的使用受到的较大的限制，因此阻燃型复合材料的研究成为了至关重要的一步。
植物纤维增强的复合材料具有低成本、降解性能良好的特性，但植物纤维与被增强材料之间存在着界面相容性较差的问题，同时与阻燃材料也存在着相容性差的技术缺陷，导致在使用过程中容易变形、开裂、脱落，继而降低使用寿命的缺陷。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种耐高温复合木塑材料及其制备方法和应用，本发明对阻燃材料和纤维材料均进行了改性，有效提升了与耐高温基体材料的共混和相容性，继而制得了使用寿命长久且阻燃性能好的耐高温复合木塑材料。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种耐高温复合木塑材料，由如下重量百分比的原料制成：改性纤维6-12％；改性微球20-28％；耐高温基体60-74％；
所述改性微球为硅烷偶联剂改性的SiC微球，所述SiC微球的粒径为25-50μm；
所述改性纤维为物理和硅烷偶联剂改性的植物纤维。
优选的，还包括功能试剂，所述功能试剂包括但不限于抗紫外线吸收剂、抗氧剂、防潮剂中的一种或几种的混合。
优选的，所述改性微球使用的硅烷偶联剂为KH550或KH570，所述硅烷偶联剂的体积与SiC微球的质量比为0.5-1mL:100g；
所述改性纤维使用的硅烷偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷偶联剂，所述硅烷偶联剂的体积与改性纤维的质量比为0.5-1mL:200g。
优选的，所述耐高温基体为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物中的一种。
优选的，所述植物纤维为木纤维，所述植物纤维的长度为2-5mm。
优选的，所述改性微球按照如下步骤制备：将SiC微球和硅烷偶联剂加入至体积分数为75％的乙醇溶液中，在N2气氛中于70-85℃下搅拌4-6h后，趁热真空抽滤，依次采用水、丙酮分别超声分散25-40min，离心洗涤后烘干至恒重，得到改性碳化硅微球。
优选的，所述改性纤维按照如下步骤制备：
S1、于室温下，将植物纤维浸泡于质量分数为15-20％的NaOH溶液中36-48h后，水洗至中性，得到一次改性植物纤维；
S2、将S1的一次改性植物纤维置于高速混合机内，搅拌的同时与硅烷醇水溶液混合均匀，然后干燥至恒重，制得改性纤维；
所述硅烷醇水溶液的配制方法为：调节体积分数为95％乙醇溶液的pH至3-4，加入硅烷偶联剂后搅拌6-8h，得到硅烷醇水溶液。
本发明还保护了一种耐高温复合木塑材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、按照如下重量百分比称取原料：改性纤维6-12％；改性微球20-28％；耐高温基体60-74％，备用；
S2、耐高温复合木塑材料的制备：将耐高温基体剪碎后熔化，然后与改性纤维和改性微球混合均匀，再挤出造粒。
优选的，所述步骤S1称量的原料中还包括功能试剂，并于所述步骤S2中混合于熔化的耐高温基体中。
本发明还保护了耐高温复合木塑材料在制备内墙耐火保温材料中的应用。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
1、本发明先制得改性微球，改性微球由硅烷偶联剂对碳化硅材料进行改性，在SiC粉体生成过程中，特别是热处理过程的温度非常高，导致SiC颗粒的表面很容易发生氧化生成一层很薄的无定型SiO2层，使SiC颗粒的表面显现出SiO2的表面性质，SiC颗粒在水溶液中分散时，其表面高活性的无定型SiO2会发生水解，继而形成稳定的不带电荷的产物Si-OH，即硅醇；硅烷偶联剂是一种在无机物与有机物之间建立起联系的具有两性结构的化学物质，其分子中的Si-O-C基团能够在水中水解，从而与SiC粉体表面的Si-OH反应，形成强有力的Si-O-Si化学键，制得的改性微球不仅结构稳定，而且提升了SiC颗粒的相容性；此时通过SiC颗粒做为耐火材料，实现高效阻燃的目的。
2、含脂性较高的木质材料，其表面的脂肪蜡层会影响其与热塑性塑料的界面结合，为此采用此类原料时应采用碱处理，碱处理法使天然纤维中的部分果胶、木质素和半纤维素等低分子杂质溶解以及微纤旋转角减小，分子取向度提高；纤维表面的杂质被除去，纤维表面变得粗糙，纤维与树脂之间粘合能力增强；而且碱处理使纤维表面活性点增多，提高了其他改性剂如硅烷偶联剂的反应能力，再通过采用硅烷偶联剂进行改性，提升植物纤维与耐高温基体之间的相容性。
3、本发明采用的基体为耐高温基体，通过耐高温基体提升耐高温复合木塑材料的耐高温性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施例的限制。
实施例1
一种耐高温复合木塑材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)改性微球的制备：
将SiC微球和硅烷偶联剂加入至体积分数为75％的乙醇溶液中，SiC微球的粒径为25-50μm，硅烷偶联剂为KH550，硅烷偶联剂的体积与SiC微球的质量比为0.5mL:100g，在N2气氛中于85℃下搅拌4h后，趁热真空抽滤，依次采用水、丙酮分别超声分散25min，离心洗涤后烘干至恒重，得到改性碳化硅微球；
(2)改性纤维的制备：
S1、于室温下，将木纤维浸泡于质量分数为15％的NaOH溶液中48h后，水洗至中性，得到一次改性植物纤维；
S2、将S1的一次改性植物纤维置于高速混合机内，搅拌的同时与硅烷醇水溶液混合均匀，然后干燥至恒重，制得改性纤维；
硅烷醇水溶液的配制方法为：调节体积分数为95％乙醇溶液的pH至3，加入乙烯基三甲氧基硅烷偶联剂后搅拌8h，得到硅烷醇水溶液；硅烷偶联剂的体积与改性纤维的质量比为1mL:200g；
(3)耐高温复合木塑材料的制备：
S1、按照如下重量百分比称取原料：改性纤维12％；改性微球28％；聚苯乙烯60％，备用；
S2、将聚苯乙烯剪碎后熔化，然后与改性纤维和改性微球混合均匀，再挤出造粒。
实施例2
一种耐高温复合木塑材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)改性微球的制备：
将SiC微球和硅烷偶联剂加入至体积分数为75％的乙醇溶液中，SiC微球的粒径为25-50μm，硅烷偶联剂为KH570，硅烷偶联剂的体积与SiC微球的质量比为0.75mL:100g，在N2气氛中于80℃下搅拌5h后，趁热真空抽滤，依次采用水、丙酮分别超声分散30min，离心洗涤后烘干至恒重，得到改性碳化硅微球；
(2)改性纤维的制备：
S1、于室温下，将木纤维浸泡于质量分数为18％的NaOH溶液中40h后，水洗至中性，得到一次改性植物纤维；
S2、将S1的一次改性植物纤维置于高速混合机内，搅拌的同时与硅烷醇水溶液混合均匀，然后干燥至恒重，制得改性纤维；
硅烷醇水溶液的配制方法为：调节体积分数为95％乙醇溶液的pH至3.5，加入乙烯基三甲氧基硅烷偶联剂后搅拌7h，得到硅烷醇水溶液；硅烷偶联剂的体积与改性纤维的质量比为0.75mL:200g；
(3)耐高温复合木塑材料的制备：
S1、按照如下重量百分比称取原料：改性纤维10％；改性微球25％；聚氯乙烯65％，备用；
S2、将聚氯乙烯剪碎后熔化，然后与改性纤维和改性微球混合均匀，再挤出造粒。
实施例3
一种耐高温复合木塑材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)改性微球的制备：
将SiC微球和硅烷偶联剂加入至体积分数为75％的乙醇溶液中，SiC微球的粒径为25-50μm，硅烷偶联剂为KH550，硅烷偶联剂的体积与SiC微球的质量比为1mL:100g，在N2气氛中于70℃下搅拌6h后，趁热真空抽滤，依次采用水、丙酮分别超声分散40min，离心洗涤后烘干至恒重，得到改性碳化硅微球；
(2)改性纤维的制备：
S1、于室温下，将木纤维浸泡于质量分数为20％的NaOH溶液中36h后，水洗至中性，得到一次改性植物纤维；
S2、将S1的一次改性植物纤维置于高速混合机内，搅拌的同时与硅烷醇水溶液混合均匀，然后干燥至恒重，制得改性纤维；
硅烷醇水溶液的配制方法为：调节体积分数为95％乙醇溶液的pH至-4，加入乙烯基三甲氧基硅烷偶联剂后搅拌6h，得到硅烷醇水溶液；硅烷偶联剂的体积与改性纤维的质量比为0.5mL:200g；
(3)耐高温复合木塑材料的制备：
S1、按照如下重量百分比称取原料：改性纤维6％；改性微球20％；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物74％，备用；
S2、将丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物剪碎后熔化，然后与改性纤维和改性微球混合均匀，再挤出造粒。
实施例4
与实施例2的制备步骤相同，不同之处仅在于，步骤S1称量的原料中还包括功能试剂抗紫外线吸收剂，并于步骤S2中混合于熔化的耐高温基体中。
实施例5
与实施例2的制备步骤相同，不同之处仅在于，步骤S1称量的原料中还包括功能试剂抗氧剂，并于步骤S2中混合于熔化的耐高温基体中。
实施例6
与实施例2的制备步骤相同，不同之处仅在于，步骤S1称量的原料中还包括功能试剂防潮剂和抗氧剂，并于步骤S2中混合于熔化的耐高温基体中。
对比例1
S1、按照如下重量百分比称取原料：木纤维(未处理)35％；聚氯乙烯65％，备用；
S2、将聚氯乙烯剪碎后熔化，然后与木纤维混合均匀，再挤出造粒。
对比例2
S1、按照如下重量百分比称取原料：改性木纤维(实施例2处理过的)35％；聚氯乙烯65％，备用；
S2、将聚氯乙烯剪碎后熔化，然后与木纤维混合均匀，再挤出造粒。
本发明实施例1-实施例6均制得阻燃性能优异的耐高温复合木塑材料，下面以实施例2为例，对实施例2进行性能测试，并与对比例1和对比例2进行对比研究，具体测试方法和测试结果如表1所示：
(1)力学性能和耐高温性能分析
表1耐高温复合木塑材料的性能对比研究
Figure BDA0003119612730000101
从密度对比来看，由于采用了偶联剂改性，偶联剂实现了优异的共混和连接，使得密度呈现：实施例2＞对比例2＞对比例1；
从拉伸强度、断裂标称应变和弯曲强度等力学性能能够看出，偶联剂改性后有效提升了原料的共混及力学性能，表现为实施例2＞对比例2＞对比例1；
对比例1和对比例2中，由于聚氯乙烯与木纤维实现了复合，木纤维为易燃材料，因此与聚氯乙烯复合后，使得复合材料的氧指数和维卡软化温度均下降，继而使得复合材料的氧指数和维卡软化温度均低于聚氯乙烯的氧指数；实施例2中由于掺杂了SiC改性微球，SiC为优异的耐火材料，其有效提升了耐高温复合木塑材料的阻燃性能，使得其成为难燃材料。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种耐高温复合木塑材料，其特征在于，由如下重量百分比的原料制成：改性纤维6-12%；改性微球20-28%；耐高温基体60-74%，所述耐高温基体为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物中的一种；
所述改性微球为硅烷偶联剂改性的SiC微球，所述SiC微球的粒径为25-50μm，所述改性微球使用的硅烷偶联剂为KH550或KH570，所述硅烷偶联剂的体积与SiC微球的质量比为0.5-1mL:100g；
所述改性纤维使用的硅烷偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷偶联剂，所述硅烷偶联剂的体积与改性纤维的质量比为0.5-1mL:200g；
还包括功能试剂，所述功能试剂包括但不限于抗紫外线吸收剂、抗氧剂、防潮剂中的一种或几种的混合；
所述改性纤维为物理和硅烷偶联剂改性的植物纤维，所述植物纤维为木纤维，所述植物纤维的长度为2-5mm；
所述改性微球按照如下步骤制备：将SiC微球和硅烷偶联剂加入至体积分数为75%的乙醇溶液中，在N2气氛中于70-85℃下搅拌4-6h后，趁热真空抽滤，依次采用水、丙酮分别超声分散25-40min，离心洗涤后烘干至恒重，得到改性碳化硅微球；
所述改性纤维按照如下步骤制备：
S1、于室温下，将植物纤维浸泡于质量分数为15-20%的NaOH溶液中36-48h后，水洗至中性，得到一次改性植物纤维；
S2、将S1的一次改性植物纤维置于高速混合机内，搅拌的同时与硅烷醇水溶液混合均匀，然后干燥至恒重，制得改性纤维；
所述硅烷醇水溶液的配制方法为：调节体积分数为95%乙醇溶液的pH至3-4，加入硅烷偶联剂后搅拌6-8h，得到硅烷醇水溶液。
2.一种权利要求1所述的耐高温复合木塑材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、按照如下重量百分比称取原料：改性纤维6-12%；改性微球20-28%；耐高温基体60-74%，备用；
S2、耐高温复合木塑材料的制备：将耐高温基体剪碎后熔化，然后与改性纤维和改性微球混合均匀，再挤出造粒；所述步骤S1称量的原料中还包括功能试剂，并于所述步骤S2中混合于熔化的耐高温基体中。
3.一种权利要求1所述的耐高温复合木塑材料在制备内墙耐火保温材料中的应用。
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