CN113462056A - 一种耐磨性能改良的塑木粒子及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐磨性能改良的塑木粒子及其制备方法，以重量份数计包括200份聚乙烯、50份木粉、7‑15份低聚集改性矿物复合粉、3‑5份偶联剂以及相关辅剂。本发明通过引入低聚集改性矿物复合粉作为塑木粒子的制备原料，其所制备塑木粒子材料具有更高的耐磨性能，同时所制备的塑木粒子仍保留着塑木粒子的各种优良特性。

Description

一种耐磨性能改良的塑木粒子及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，具体是涉及一种耐磨性能改良的塑木粒子及其制备方法。

背景技术

木塑，即木塑复合材料(Wood-Plastic Composites,WPC)，是国内外近年蓬勃兴起的一类新型复合材料，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、秸秆等废植物纤维混合成新的木质材料，再经挤压、模压、注塑成型等塑料加工工艺，生产出的板材或型材。

木塑材料具有木质材料的美观度等优点，又具有防腐、耐磨、阻燃等优异的使用性能，但是随着使用需求的不断增加，需要更多针对不同使用情景下的木塑材料来满足不同要求。

因此，为了满足对于耐磨性能有着特殊需求的使用情景，现需要一种新型的针对耐磨性能进行改良的木塑粒子材料及制备方法来满足这类使用情景的使用需求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种耐磨性能改良的塑木粒子及其制备方法。

本发明的技术方案是：一种耐磨性能改良的塑木粒子，以重量份数计包括200份聚乙烯、50份木粉、7-15份低聚集改性矿物复合粉、3-5份偶联剂以及相关辅剂。

进一步地，所述树脂选用聚乙烯、聚氯乙烯或酚醛树脂中任意一种。本发明所列举的只是制备组合中使用的部分树脂种类，但不仅限于以上这几种，还可采用废树脂等材料进行废物资源再利用。

进一步地，所述木粉选用桉木粉、杨木粉、杉木粉中任意一种或多种任意比混合物。本发明所列举的只是制备组合中使用的部分木粉种类，但不仅限于以上这几种。

进一步地，所述偶联剂选用硅烷偶联剂KH570、钛酸酯偶联剂NDZ-201按照质量比1：2混合物。采用上述偶联剂配组能够较好的满足本发明塑木粒子的制备要求，能够较好的增强本发明塑木粒子组分之间的分散性以及粘合性。

进一步地，所述塑木粒子中相关辅剂包括：1-2份抗氧剂、1-2份润滑剂以及1-2份稳定剂。上述相关辅剂均为塑木粒子材料制备必要或有必要添加的附加剂，其包括但不仅限于上述几种辅剂添加，还可根据实际的生产使用要求添加所对应的辅剂组分。

更进一步地，所述抗氧剂选用抗氧剂264、抗氧剂616、抗氧剂BHT中的任意一种；所述润滑剂选用硬脂酸酰胺；所述稳定剂选用环保型稳定剂，具体为环保型稳定剂SC-123B。本发明所列举的只是制备组合中使用的部分抗氧剂、润滑剂以及稳定剂的种类，但不仅限于以上这几种。

进一步地，所述低聚集改性矿物复合粉的制备方法：

1)改性矿物复合粉基料的制备：以硅灰石、钛白粉、方解石粉作为复合基料，并将复合基料按照40-60g/L加入多巴胺盐酸盐、Tris-HCl缓冲溶液以及聚乙二胺混合的水溶液，并调节溶液至pH为8-11，20℃±1℃下搅拌3-5h，随后洗涤离心并自然干燥得到改性矿物复合粉基料，其中，所述水溶液中按质量份数计为：4-7份多巴胺盐酸盐、15-20份Tris-HCl缓冲溶液、1-2份聚乙二胺和120份水；

2)低聚集改性矿物复合粉的制备：将改性矿物复合粉基料与聚苯乙烯按照1：10的质量比混合并至于高压反应釜中，使用二氧化碳置换高压反应釜内空气，随后将高压反应釜内温度升高至55℃±1℃，并持续注入二氧化碳至高压反应釜内压强升至12MPa±0.5MPa，搅拌1-2h后，以1.5MPa/s的卸压速度收集从喷嘴所喷出产物，即得到低聚集改性矿物复合粉。

粉体产生团聚主要是由于粉体颗粒的高比表面能、颗粒间的相互吸引，以及外加轻基性或配位水分子的影响造成的粉体团聚，由于粉体添加混合时容易产生团聚的现象，从而造成矿物粉不能够很好的分散于塑木粒子材料中，从而使所制备的塑木粒子材料的耐磨性能增强效果不稳定，

本发明通过两种方式协同减弱粉体之间的团聚现象，以高分子包覆的方式对矿物复合粉进行表面包覆处理之前，对其进行矿物复合粉的表面改性，从而避免高分子包覆不全造成部分矿物复合粉仍会出现团聚的现象，通过对矿物复合粉进行表面改性以及高分子包覆的方式，显著的降低了矿物复合粉的团聚现象，从而获取耐磨性能更为稳定的塑木粒子。

本发明还提供了一种耐磨性能改良的塑木粒子的制备方法，包括以下步骤：

S1准备原料：按照质量分数计选取聚乙烯、木粉、低聚集改性矿物复合粉、偶联剂以及辅剂；

S2原料混合：将S1准备好的原料与足量乙醇混合，在200-300rpm的转速下混合10-15min，混合完成后，在25-35℃环境温度中施加频率为100kHz的超声波并不断以20-40rpm的搅拌转速进行低速搅拌，使混合物干燥发挥完乙醇；

S3挤出造粒：将S2所得混合物放入挤出机中，在150-180℃的挤出温度下挤出造粒，随后自然冷却，得到塑木粒子。

从低聚集改性矿物复合粉的角度削减了粉体团聚现象，同时在其混合时辅加特定参数的超声波、低温以及搅拌速度进行处理，以进一步削减防止矿物复合粉的团聚现象。

进一步地，所述超声波的参数随着环境温度变化进行动态调整，其搅拌转速、超声波功率以及环境温度具体满足以下公式：

其中，P表示超声波功率，单位为W；C表示环境温度，单位为℃；n表示搅拌转速。超声波功率与环境温度正相关，与搅拌转速反相关，通过上述公式对超声波功率、环境温度以及搅拌转速的限定关联，从而避免能耗过大或参数条件不足难以达到降低粉体团聚的作用。

本发明的有益效果是：

(1)本发明塑木粒子通过引入低聚集改性矿物复合粉作为塑木粒子的制备原料，其所制备塑木粒子材料具有更高的耐磨性能，同时所制备的塑木粒子仍保留着塑木粒子的各种优良特性。

(2)本发明低聚集改性矿物复合粉通过对其进行矿物复合粉的表面改性，并以高分子包覆的方式对矿物复合粉进行表面包覆处理，显著的降低了矿物复合粉的团聚现象，从而获取耐磨性能更为稳定的塑木粒子。

(3)本发明还从低聚集改性矿物复合粉的角度削减了粉体团聚现象，同时在其混合时辅加特定参数的超声波、低温以及搅拌速度进行处理，以进一步削减防止矿物复合粉的团聚现象。

具体实施方式

下面结合具体实施方式来对本发明进行更进一步详细的说明，以更好地体现本发明的优势。

实施例1

一、塑木粒子原料构成

一种耐磨性能改良的塑木粒子，以重量份数计包括200份聚乙烯、50份木粉、12份低聚集改性矿物复合粉、4份偶联剂以及相关辅剂，所述塑木粒子中相关辅剂包括：2份抗氧剂、1份润滑剂以及2份稳定剂；

所述树脂选用聚氯乙烯；所述木粉选用桉木粉；所述抗氧剂选用抗氧剂616；所述偶联剂选用硅烷偶联剂KH570、钛酸酯偶联剂NDZ-201按照质量比1：2混合物，采用上述偶联剂配组能够较好的满足本发明塑木粒子的制备要求，能够较好的增强本发明塑木粒子组分之间的分散性以及粘合性；所述润滑剂选用硬脂酸酰胺；所述稳定剂选用环保型稳定剂，具体为环保型稳定剂SC-123B；

所述低聚集改性矿物复合粉的制备方法：

1)改性矿物复合粉基料的制备：以硅灰石、钛白粉、方解石粉作为复合基料，并将复合基料按照55g/L加入多巴胺盐酸盐、Tris-HCl缓冲溶液以及聚乙二胺混合的水溶液，并调节溶液至pH为9，20℃下搅拌4h，随后洗涤离心并自然干燥得到改性矿物复合粉基料，其中，所述水溶液中按质量份数计为：6份多巴胺盐酸盐、18份Tris-HCl缓冲溶液、2份聚乙二胺和120份水；

2)低聚集改性矿物复合粉的制备：将改性矿物复合粉基料与聚苯乙烯按照1：10的质量比混合并至于高压反应釜中，使用二氧化碳置换高压反应釜内空气，随后将高压反应釜内温度升高至55℃，并持续注入二氧化碳至高压反应釜内压强升至12MPa，搅拌1.5h后，以1.5MPa/s的卸压速度收集从喷嘴所喷出产物，即得到低聚集改性矿物复合粉。

粉体产生团聚主要是由于粉体颗粒的高比表面能、颗粒间的相互吸引，以及外加轻基性或配位水分子的影响造成的粉体团聚，由于粉体添加混合时容易产生团聚的现象，从而造成矿物粉不能够很好的分散于塑木粒子材料中，从而使所制备的塑木粒子材料的耐磨性能增强效果不稳定，

本发明通过两种方式协同减弱粉体之间的团聚现象，以高分子包覆的方式对矿物复合粉进行表面包覆处理之前，对其进行矿物复合粉的表面改性，从而避免高分子包覆不全造成部分矿物复合粉仍会出现团聚的现象，通过对矿物复合粉进行表面改性以及高分子包覆的方式，显著的降低了矿物复合粉的团聚现象，从而获取耐磨性能更为稳定的塑木粒子。

二、塑木粒子的制备

一种耐磨性能改良的塑木粒子的制备方法，包括以下步骤：

S1准备原料：按照质量分数计选取聚乙烯、木粉、低聚集改性矿物复合粉、偶联剂以及辅剂；

S2原料混合：将S1准备好的原料与足量乙醇混合，在270rpm的转速下混合12min，混合完成后，在30℃环境温度中施加频率为100kHz的超声波并不断以30rpm的搅拌转速进行低速搅拌，使混合物干燥发挥完乙醇；

其中，所述超声波的参数随着环境温度变化进行动态调整，其搅拌转速、超声波功率以及环境温度具体满足以下公式：

其中，P表示超声波功率，单位为W；C表示环境温度，单位为℃；n表示搅拌转速。超声波功率与环境温度正相关，与搅拌转速反相关，通过上述公式对超声波功率、环境温度以及搅拌转速的限定关联，从而避免能耗过大或参数条件不足难以达到降低粉体团聚的作用；

通过式(1)计算可得，P为280W。

S3挤出造粒：将S2所得混合物放入挤出机中，在175℃的挤出温度下挤出造粒，随后自然冷却，得到塑木粒子。

从低聚集改性矿物复合粉的角度削减了粉体团聚现象，同时在其混合时辅加特定参数的超声波、低温以及搅拌速度进行处理，以进一步削减防止矿物复合粉的团聚现象。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，与其不同之处在于，塑木粒子的配组不同，具体为：以重量份数计包括200份聚乙烯、50份木粉、7份低聚集改性矿物复合粉、3份偶联剂以及相关辅剂，所述塑木粒子中相关辅剂包括：1份抗氧剂、1份润滑剂以及1份稳定剂。

实施例3

本实施例与实施例1基本相同，与其不同之处在于，塑木粒子的配组不同，具体为：以重量份数计包括200份聚乙烯、50份木粉、15份低聚集改性矿物复合粉、5份偶联剂以及相关辅剂，所述塑木粒子中相关辅剂包括：2份抗氧剂、2份润滑剂以及2份稳定剂。

实施例4

本实施例与实施例1基本相同，与其不同之处在于，低聚集改性矿物复合粉的制备方法中，改性矿物复合粉基料的制备参数不同，具体为：

以硅灰石、钛白粉、方解石粉作为复合基料，并将复合基料按照40g/L加入多巴胺盐酸盐、Tris-HCl缓冲溶液以及聚乙二胺混合的水溶液，并调节溶液至pH为8，20℃下搅拌3h，随后洗涤离心并自然干燥得到改性矿物复合粉基料，其中，所述水溶液中按质量份数计为：4份多巴胺盐酸盐、15份Tris-HCl缓冲溶液、1份聚乙二胺和120份水。

实施例5

本实施例与实施例1基本相同，与其不同之处在于，低聚集改性矿物复合粉的制备方法中，改性矿物复合粉基料的制备参数不同，具体为：

以硅灰石、钛白粉、方解石粉作为复合基料，并将复合基料按照60g/L加入多巴胺盐酸盐、Tris-HCl缓冲溶液以及聚乙二胺混合的水溶液，并调节溶液至pH为11，20℃下搅拌5h，随后洗涤离心并自然干燥得到改性矿物复合粉基料，其中，所述水溶液中按质量份数计为：7份多巴胺盐酸盐、20份Tris-HCl缓冲溶液、2份聚乙二胺和120份水。

实施例6

本实施例与实施例1基本相同，与其不同之处在于，塑木粒子的制备方法中，原料混合的参数不同，具体为：

S2原料混合：将S1准备好的原料与足量乙醇混合，在200rpm的转速下混合10min，混合完成后，在25℃环境温度中施加频率为100kHz的超声波并不断以20rpm的搅拌转速进行低速搅拌，使混合物干燥发挥完乙醇；

其中，所述超声波的参数随着环境温度变化进行动态调整，其搅拌转速、超声波功率以及环境温度具体满足以下公式：

其中，P表示超声波功率，单位为W；C表示环境温度，单位为℃；n表示搅拌转速。超声波功率与环境温度正相关，与搅拌转速反相关，通过上述公式对超声波功率、环境温度以及搅拌转速的限定关联，从而避免能耗过大或参数条件不足难以达到降低粉体团聚的作用；

通过式(1)计算可得，P为350W。

实施例7

本实施例与实施例1基本相同，与其不同之处在于，塑木粒子的制备方法中，原料混合的参数不同，具体为：

S2原料混合：将S1准备好的原料与足量乙醇混合，在300rpm的转速下混合15min，混合完成后，在35℃环境温度中施加频率为100kHz的超声波并不断以40rpm的搅拌转速进行低速搅拌，使混合物干燥发挥完乙醇；

其中，所述超声波的参数随着环境温度变化进行动态调整，其搅拌转速、超声波功率以及环境温度具体满足以下公式：

其中，P表示超声波功率，单位为W；C表示环境温度，单位为℃；n表示搅拌转速。超声波功率与环境温度正相关，与搅拌转速反相关，通过上述公式对超声波功率、环境温度以及搅拌转速的限定关联，从而避免能耗过大或参数条件不足难以达到降低粉体团聚的作用；

通过式(1)计算可得，P为245W。

实施例8

本实施例与实施例1基本相同，与其不同之处在于，塑木粒子的制备方法中，挤出造粒的温度不同，具体为：

S3挤出造粒：将S2所得混合物放入挤出机中，在150℃的挤出温度下挤出造粒，随后自然冷却，得到塑木粒子。

实施例9

本实施例与实施例1基本相同，与其不同之处在于，塑木粒子的制备方法中，挤出造粒的温度不同，具体为：

S3挤出造粒：将S2所得混合物放入挤出机中，在180℃的挤出温度下挤出造粒，随后自然冷却，得到塑木粒子。

塑木粒子性能实验

以实施例1所制备的塑木粒子作为探究对象，下述试验均采用相同工艺条件将塑木粒子材料压制成相同形态大小的样本条状物，针对塑木粒子的各项性能进行实验探究，

拉伸性能测试：根据GB/T 1040-2006测试标准在电子万能试验机上进行试验，拉伸速率选用20mm/min；

弯曲性能测试：根据GB/T 9341-2008测试标准在电子万能试验机上进行试验，弯曲速率选用20mm/min；

含水率测试：将打磨好的样本烘干至恒定重量，测量样本的初始重量w₀，放置于水中一段时间取出，擦干表面水分后称重w，通过下述公式(2)计算样本材料含水率W，

结果如下表1所示：

表1实施例1所制备塑木粒子的各项性能参数表

根据《塑木装饰板GBT24137-2009》所规定的标准，上述表1结果可以看出其满足塑木材料的规定标准，并且相对于传统塑木粒子而言也有着相对更优的各项性能。

塑木粒子耐磨实验

探究1不同塑木粒子配组对塑木粒子耐磨性能的影响

以实施例1、2、3所制备的塑木粒子作为探究对象，每个实施例分别制备三组，根据GB/T3960-1983试验方法测试磨损率取平均值，针对塑木粒子的耐磨性能进行实验探究，结果如表2所示：

表2实施例1、2、3所制备塑木粒子的耐磨性能参数表

	磨损率/％
		实施例1	0.43
实施例2	0.74
		实施例3	0.39

结论：由上述表2结果可知，采用不同的塑木粒子配组所制备的塑木粒子材料其磨损率有所不同，其中实施例2中使用较低含量的低聚集改性矿物复合粉，其磨损率相较于实施例1而言有着较大差别，而随着低聚集改性矿物复合粉含量不断增加，达到实施例3中含量时可以看出，其磨损率相较于实施例1而言有着较小差别，因此，考虑到制备成本等因素，实施例1的结果相对较优。

探究2不同改性矿物复合粉基料的制备参数对塑木粒子耐磨性能的影响

以实施例1、4、5所制备的塑木粒子作为探究对象，根据GB/T3960-1983试验方法，针对塑木粒子的耐磨性能进行实验探究，

同时为探究多巴胺改性中引入聚乙二胺所带来的作用，设置对照例1，其方法与实施例1基本相同，与其不同之处在于，聚乙二胺含量部分由水补足，结果如表3所示：

表3实施例1、4、5所制备塑木粒子的耐磨性能参数表

结论：由上述表3结果可知，采用不同的改性矿物复合粉基料的制备参数所制备的塑木粒子材料其磨损率有所不同，其中以实施例1的改性矿物复合粉基料的制备参数相对较优；同时，对照例1与实施例1对比可以看出，在未添加聚乙二胺后其磨损率有所增大，可能是由于矿物复合粉表面改性效果降低，造成部分粉体混合时产生聚集造成塑木粒子中矿物复合粉分散性变差，从而影响了耐磨性能。

探究3不同原料混合的参数对塑木粒子耐磨性能的影响

以实施例1、6、7所制备的塑木粒子作为探究对象，根据GB/T3960-1983试验方法，针对塑木粒子的耐磨性能进行实验探究，结果如表4所示：

表4实施例1、6、7所制备塑木粒子的耐磨性能参数表

	磨损率/％
		实施例1	0.43
实施例6	0.44
		实施例7	0.43

结论：由上述表4结果可知，采用不同的原料混合的参数所制备的塑木粒子材料其磨损率有所不同，实施例1、6、7的耐磨性能相差不大，由于低温混合有助于降低粉体团聚的现象，同时施加超声波进行混合同样能够降低粉体团聚的现象，同时对比可以看出，基于公式(1)的参数变动，其具有相近的制备性能效果，所以可以根据实际生产使用需求进行动态调整，从而获得具有稳定耐磨性能的塑木粒子材料。

探究4不同挤出造粒的温度对塑木粒子耐磨性能的影响

以实施例1、8、9所制备的塑木粒子作为探究对象，根据GB/T3960-1983试验方法，针对塑木粒子的耐磨性能进行实验探究，结果如表5所示：

表5实施例1、8、9所制备塑木粒子的耐磨性能参数表

结论：由上述表5结果可知，采用该区间端值的不同挤出造粒温度所制备的塑木粒子材料其磨损率无明显影响，其可能对塑木粒子的形态等有着一定影响。

Claims (9)

1.一种耐磨性能改良的塑木粒子，其特征在于，以重量份数计包括200份聚乙烯、50份木粉、7-15份低聚集改性矿物复合粉、3-5份偶联剂以及相关辅剂。

2.如权利要求1所述的一种耐磨性能改良的塑木粒子，其特征在于，所述树脂选用聚乙烯、聚氯乙烯或酚醛树脂中任意一种。

3.如权利要求1所述的一种耐磨性能改良的塑木粒子，其特征在于，所述木粉选用桉木粉、杨木粉、杉木粉中任意一种或多种任意比混合物。

4.如权利要求1所述的一种耐磨性能改良的塑木粒子，其特征在于，所述偶联剂选用硅烷偶联剂KH570、钛酸酯偶联剂NDZ-201按照质量比1：2混合物。

5.如权利要求1所述的一种耐磨性能改良的塑木粒子，其特征在于，所述塑木粒子中相关辅剂包括：1-2份抗氧剂、1-2份润滑剂以及1-2份稳定剂。

6.如权利要求5所述的一种耐磨性能改良的塑木粒子，其特征在于，所述抗氧剂选用抗氧剂264、抗氧剂616、抗氧剂BHT中的任意一种；所述润滑剂选用硬脂酸酰胺；所述稳定剂选用环保型稳定剂，具体为环保型稳定剂SC-123B。

7.如权利要求1所述的一种耐磨性能改良的塑木粒子，其特征在于，所述低聚集改性矿物复合粉的制备方法：

1)改性矿物复合粉基料的制备：以硅灰石、钛白粉、方解石粉作为复合基料，并将复合基料按照40-60g/L加入多巴胺盐酸盐、Tris-HCl缓冲溶液以及聚乙二胺混合的水溶液，并调节溶液至pH为8-11，20℃±1℃下搅拌3-5h，随后洗涤离心并自然干燥得到改性矿物复合粉基料，其中，所述水溶液中按质量份数计为：4-7份多巴胺盐酸盐、15-20份Tris-HCl缓冲溶液、1-2份聚乙二胺和120份水；

2)低聚集改性矿物复合粉的制备：将改性矿物复合粉基料与聚苯乙烯按照1：10的质量比混合并至于高压反应釜中，使用二氧化碳置换高压反应釜内空气，随后将高压反应釜内温度升高至55℃±1℃，并持续注入二氧化碳至高压反应釜内压强升至12MPa±0.5MPa，搅拌1-2h后，以1.5MPa/s的卸压速度收集从喷嘴所喷出产物，即得到低聚集改性矿物复合粉。

8.一种耐磨性能改良的塑木粒子的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1准备原料：按照质量分数计选取聚乙烯、木粉、低聚集改性矿物复合粉、偶联剂以及相关辅剂；

S2原料混合：将S1准备好的原料与足量乙醇混合，在200-300rpm的转速下混合10-15min，混合完成后，在25-35℃环境温度中施加频率为100kHz的超声波并不断以20-40rpm的搅拌转速进行低速搅拌，使混合物干燥发挥完乙醇；

S3挤出造粒：将S2所得混合物放入挤出机中，在150-180℃的挤出温度下挤出造粒，随后自然冷却，得到塑木粒子。

9.如权利要求8所述的一种耐磨性能改良的塑木粒子的制备方法，其特征在于，所述超声波的参数随着环境温度变化进行动态调整，其搅拌转速、超声波功率以及环境温度具体满足以下公式：

其中，P表示超声波功率，单位为W；C表示环境温度，单位为℃；n表示搅拌转速。