CN114231046B - 一种高强度高耐热的木塑复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度高耐热的木塑复合材料及其制备方法，属于木塑材料领域。本发明所述木塑复合材料的组分中高流动性的聚烯烃类流动改性剂和超支化聚合物作为界面改性剂相搭配，有效包覆植物纤维组分，可有效提升植物纤维和聚烯烃的相容性，同时通过协同作用增强材料的力学强度和耐热性能，提升其热变形温度，即使在高温状态下长时间使用也不会出现粉化等现象，使用范围得到拓宽。本发明还公开了所述高强度高耐热的木塑复合材料的制备方法及其在制备家电零件中的应用。

Description

一种高强度高耐热的木塑复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及木塑材料领域，具体涉及一种高强度高耐热的木塑复合材料及其制备方法。
背景技术
木塑复合材料(wood-plastics composites，简称WPC)是用木纤维或植物纤维增强的改性塑料，兼有木材和塑料的成本和性能。木塑复合材料已被当今世界上许多国家逐步推广应用的绿色环保新型材料，发展WPC材料是越来越被重视的环境观念的结果。
现有木塑复合材料大多选用常规的聚烯烃(包括废旧回收料)作为塑料基材，添加植物纤维作为增强组分，然后适量添加特定相容剂、抗氧剂和润滑剂等加工助剂制备而成。例如，CN1990599A公开的技术方案中通过加入过氧化物来实现木塑复合材料基体之间的交联，来制备高强度的复合材料，然而过氧化物在加工的过程中添加量和性质不好控制，且过氧化物被多类领域禁止作为产品原料，致癌的风险高，因此，对于如何提高塑料基体和植物纤维间的交联性仍需要进一步探索。
此外，植物纤维材料包含各类树木经粉碎后得到的粉末、植物外壳(花生壳、椰壳等)以及破碎处理后的秸秆、亚麻、甘蔗等纤维较粗的植物，此类物质均具有一个共同的特点：含有相当比例的果糖、淀粉等天然物质，这类物质非常的不稳定，加工后的材料耐热性能不好，长期使用存在变脆和粉化的风险。
发明内容
基于现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供了一种高强度高耐热的木塑复合材料，该材料区别于传统的木塑复合材料，组分中塑料基体与植物纤维的交联性好，同时耐热性和强度得到显著提升，在高温环境下长期使用也不会出现粉化现象。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种高强度高耐热的木塑复合材料，包括以下重量份的组分：
聚烯烃30～90份、植物纤维10～55份、相容剂2～5份、聚烯烃类流动改性剂5～15份以及界面改性剂1～3份；
所述聚烯烃根据ISO 1133-2011标准在230℃，2.16kg负荷下的熔体流动速率为1～30g/10min；
所述聚烯烃类流动改性剂根据ISO 113-2011标准在190℃，2.16kg负荷下的熔体流动速率≥1000g/10min；所述界面改性剂为聚烯烃超支化聚合物。
由于植物纤维中含有不稳定的糖类等生物天然物质，因此常规木塑塑料复合材料普遍强度(特别是抗冲击强度)不高且耐热性能不好，容易在高温长期使用后出现粉化现象，而本申请发明人以高流动性的聚烯烃类流动改性剂和超支化聚合物作为界面改性剂相搭配引入到聚烯烃作为塑料基体的木塑复合材料中，有效包覆植物纤维组分，可有效提升植物纤维和聚烯烃的相容性，同时通过协同作用增强材料的力学强度和耐热性能，提升其热变形温度，即使在高温状态下长时间使用也不会出现粉化等现象，使用范围得到拓宽。
优选地，所述聚烯烃类流动改性剂为聚丙烯。
优选地，所述聚烯烃类流动改性剂根据ISO 1133-2011标准在190℃，2.16kg负荷下的熔体流动速率≥2000g/10min。
优选地，所述聚烯烃类流动改性剂的结晶度≤40％，所述结晶度根据ASTM F2625-2010标准采用DSC法进行测试(差示扫描量热法)。
更优选地，所述聚烯烃流动改性剂的结晶度为8～40％；
更优选地，所述聚烯烃流动改性剂的结晶度为8～10％。
高熔体流动速率和低结晶度的聚烯烃流动改性剂更容易和植物纤维结合，同时在产品加工注塑时流动性更高，容易分布在制件表层形成天然的隔绝保护膜，产品力学和耐热性能更佳，而在现有工艺技术中，以结晶度为8～40％的聚烯烃流动改性剂性价比最好。
优选地，所述聚烯烃超支化聚合物为含有酰胺基团的树枝状结构聚烯烃超支化聚合物，所述酰胺基团在聚烯烃超支化聚合物中的质量含量为1～2％。
由于植物纤维的表面含有较多的羟基和多糖，聚烯烃超支化聚合物中含有酰胺基团有利于其更好的锚固在植物纤维的表面，有助于提高材料的物理性能。
更优选地，所述聚烯烃超支化聚合物选自武汉超支化树脂科技有限公司生产HBP158产品。
采用该类聚烯烃超支化聚合物相比于其他现有界面改性剂可有效提升各组分的分散性和相容性，产品的力学强度和耐热性能。
优选地，所述聚烯烃为聚乙烯、聚丙烯中的至少一种；
更优选地，所述聚烯烃为新料、再生料中的至少一种；
更优选地，所述聚烯烃根据ISO 1133-2011标准在230℃，2.16kg负荷下的熔体流动速率为0.1～50g/10min；
更优选地，所述聚烯烃在230℃，2.16kg负荷下的熔体流动速率为0.5～25g/10min。
本发明所述高强度高耐热的木塑复合材料中使用的聚烯烃基体除了常规石油基聚烯烃新料外，还可以使用来源广泛的再生料，而由于聚烯烃类流动改性剂以及界面改性剂的协同作用，即使使用再生料也依然能有效提升最终材料的综合性能。
优选地，所述聚烯烃与植物纤维的重量之比为(5.5:3)～(3.5:5)。
植物纤维作为所述木塑复合材料中的主要填料，若添加含量过多则可能导致所得材料抗冲击强度不足，而添加含量不足则可能导致所得材料的拉伸强度和弯曲模量不足，两者均会使材料的刚韧失衡，使用范围变小；经综合考虑，以上述添加重量之比时所得材料的刚韧平衡性最佳。
优选地，所述植物纤维为木粉、竹粉、稻壳粉、亚麻纤维、苎麻纤维、秸秆中的至少一种；
更优选地，所述植物纤维为苎麻纤维。
发明人发现，植物纤维种类选择的不同对产品的力学强度及耐热性能均有影响，而其中苎麻纤维作为组分得到的木塑复合材料的力学强度及耐热性能最佳。
优选地，所述相容剂为三元乙丙橡胶(EPDM)、聚烯烃弹性体(POE)、聚丙烯弹性体(POP)、聚丙烯接枝马来酸酐、线形低密度聚乙烯(LLDPE)接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯、线形低密度聚乙烯接枝马来酸酐、乙烯丁烯共聚物接枝马来酸酐中的至少一种。
优选地，所述高强度高耐热的木塑复合材料的组分还包括0～2份加工添加剂；
更优选地，所述加工添加剂为0～1份抗氧剂和0～1份润滑剂；
更优选地，所述抗氧剂为主抗氧剂和辅抗氧剂的混合物；所述主抗氧剂为受阻酚类抗氧剂，所述辅抗氧剂为亚磷酸酯类抗氧剂、硫醚类抗氧剂中的至少一种；
更优选地，所述润滑剂包括金属皂类润滑剂、硬脂酸复合酯类润滑剂、酰胺类润滑剂中的至少一种。
本发明的另一目的还在于提供所述高强度高耐热的木塑复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将除聚烯烃以外的其他组分混合均匀后放入聚烯烃并继续混合，随后放入双螺杆挤出机挤出造粒，即得所述高强度高耐热的木塑复合材料。
本发明所述高强度高耐热的木塑复合材料的制备方法操作步骤简单，可实现工业化规模生产。
优选地，所述植物纤维、聚烯烃类流动改性剂、界面改性剂、相容剂和加工添加剂混合时采用搅拌混合，时间为4～6min，转速为80～120rpm。
优选地，所述双螺杆挤出机在挤出时的温度为170～190℃，转速为250～350rpm。
本发明的再一目的在于提供所述高强度高耐热的木塑复合材料在制备家电零件中的应用。
优选地，所述家电零件包括音响外壳、冰箱面板和电视机壳。
本发明所述高强度高耐热的木塑复合材料力学强度高且具有长效耐热性，特别适用于制备对耐热性具有长期要求的家电设备零件中。
本发明的有益效果在于，本发明提供了一种高强度高耐热的木塑复合材料，该材料的组分中高流动性的聚烯烃类流动改性剂和超支化聚合物作为界面改性剂相搭配，有效包覆植物纤维组分，可有效提升植物纤维和聚烯烃的相容性，同时通过协同作用增强材料的力学强度和耐热性能，提升其热变形温度，即使在高温状态下长时间使用也不会出现粉化等现象，使用范围得到拓宽。本发明还提供了所述高强度高耐热的木塑复合材料的制备方法及其在制备家电零件中的应用。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例及对比例对本发明作进一步说明，其目的在于详细地理解本发明的内容，而不是对本发明的限制。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明实施、对比例所设计的实验试剂及仪器，除非特别说明，均为常用的普通试剂及仪器。
实施例1～14
本发明所述高强度高耐热的木塑复合材料材料的一种实施例，所述木塑复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将植物纤维、聚烯烃类流动改性剂、界面改性剂、相容剂和加工添加剂混合均匀后放入聚烯烃并继续混合，随后放入双螺杆挤出机挤出造粒，即得所述高强度高耐热的木塑复合材料；所述植物纤维、聚烯烃类流动改性剂、界面改性剂、相容剂和加工添加剂混合时采用搅拌混合，时间为5min，转速为100rpm；所述双螺杆挤出机在挤出时的温度为170～190℃，转速为300rpm。
各实施例所用原料如下，所述原料的配比如表1及表2所示。
聚烯烃1：EP548，聚丙烯树脂，中海壳牌石油化工公司生产，所述聚丙烯树脂根据ISO 1133-2011在230℃、2.16kg负荷下的熔体质量流动速率为25g/10min；
聚烯烃2：HDPE 5000S，聚乙烯树脂，兰州石化公司生产，所述聚乙烯树脂根据ISO1133-2011在230℃、2.16kg负荷下的熔体质量流动速率为1.25g/10min；
聚烯烃3：JZL-PP FH40，回收聚丙烯再生料，广东金发科技股份有限公司生产，所述聚丙烯树脂根据ISO 1133-2011在230℃、2.16kg负荷下的熔体质量流动速率为25g/10min；
聚烯烃4：JZL-HDPE 05，回收聚乙烯再生料，广东金发科技股份有限公司生产，所述聚乙烯树脂根据ISO 1133-2011在230℃、2.16kg负荷下的熔体质量流动速率为0.5g/10min；
植物纤维1：WH-100型号100目松木粉，江门伟华公司生产产品；
植物纤维2：WZ-100型号100目竹粉，江门伟华公司生产产品；
植物纤维3：ZM-100型号苎麻纤维，江门伟华公司生产产品，所述苎麻纤维的平均长度为10mm；
相容剂：聚丙烯接枝马来酸酐，南海柏晨公司生产PC-3型号产品；
聚烯烃类流动改性剂1：L-MODUS400，日本出光公司生产产品，聚丙烯，在190℃，2.16kg负荷下的熔体流动速率≥2000g/10min，结晶度为8～10％；
聚烯烃类流动改性剂2：PP6936G2，EXXON生产产品，聚丙烯，在190℃，2.16kg负荷下的熔体流动速率≥1200g/10min，结晶度为30％；
界面改性剂1：HBP158，含有酰胺基团的树枝状结构聚烯烃超支化聚合物，武汉超支化树脂科技有限公司生产产品；
抗氧剂：市售受阻酚类抗氧剂和亚磷酸酯类抗氧剂按质量比1：1复配混合物；
润滑剂：市售硬脂酸。
对比例1～5
各对比例与实施例的差别仅在于组分选择及配比不同，各配比如表2所示，所述组分不同原料如下所示：
聚烯烃类流动改性剂3：PP-C800，广东金发科技股份有限公司生产产品，高结晶度聚丙烯，在190℃，2.16kg负荷下的熔体流动速率＜1000g/10min，结晶度为45％；
界面改性剂2：改性乙撑双脂肪酸酰胺，TAF-A，苏州新泰国光生产产品。
除上述特定说明外，其他对比例所用原料与实施例所用对应原料均为同一种市售产品。
表1
Figure BDA0003401728940000071
Figure BDA0003401728940000081
表2
组成(重量份) 对比例1 对比例2 对比例3 对比例4 对比例5
聚烯烃2 55 55
聚烯烃3 65 55
聚烯烃4 65
植物纤维1 30 30
植物纤维3 30 30 30
相容剂 5 5 5 5 5
聚烯烃类流动改性剂1 10 10
聚烯烃类流动改性剂3 10
界面改性剂1 5
界面改性剂2 5
抗氧剂 0.5 0.5
润滑剂 0.3 0.3
为验证本发明实施例所得产品的性能，将各实施例和对比例产品进行相关性能测试，结果如表3和表4所示，具体测试方法如下：
(1)弯曲模量测试：根据ISO178-2019标准进行测试，弯曲速率2mm/min；
(2)悬臂梁缺口冲击强度测试：根据ISO180-2000标准进行测试，A型缺口，冲击摆锤能力为5.5J，测试温度为23℃；
(3)热变形温度：根据ISO75-2-2013标准进行测试，测试压力为1.82MPa；
(4)高温拉伸性能保持率：根据ISO 527-2-2012标准对样品进行常温下的初始拉伸强度测试(拉伸速率50mm/min)，随后将样品进行高温处理，温度为120℃，测试时长为2000h，若期间出现粉化则记录为“粉化”，若未粉化则待温度降至常温后按上述方法测试高温处理后的样品老化后拉伸强度，统计记录保持率，若超过100％，则统一记录为“＞100％”，其中该保持率大于100％说明材料老化后性能没有明显衰减，产品组分中植物纤维和基团树脂的结合性强(由于组分中的聚丙烯树脂在高温处理时二次结晶，所得产品的拉伸性能将会必然提升)，材料的耐热性能优异。其高温拉伸性能保持率的计算公式为：(老化后的拉伸强度/初始拉伸强度)×100％。
表3
Figure BDA0003401728940000091
表4
Figure BDA0003401728940000092
Figure BDA0003401728940000101
根据表3和表4可以看出，本发明各实施例产品力学性能优异，无论是以聚烯烃新料或者回收料制备的产品其弯曲模量达到3000MPa以上的同时悬臂梁缺口冲击强度也可达到12KJ/m2以上，该类产品还可根据实际应用要求进行刚韧性能上的调整，应用范围广泛；而根据实施例1～4可知，当组分中聚烯烃与植物纤维的重量之比为(5.5:3)～(3.5:5)时产品的刚韧平衡性最佳。此外，所得产品的耐热性能显著提升，各产品的热变形温度可达到130℃以上，而经高温处理后的性能保持率均＞100％。从实施例2、实施例11和12可知，以苎麻纤维作为添加材料制备木塑复合材料时的力学性能和耐热性能增强效果最佳。从对比例1和2、实施例9和10所得产品性能对比可知，现有常见的产品中，无论是聚乙烯树脂亦或是聚丙烯树脂制备的木塑复合材料，在没有本发明所述聚烯烃类流动改性剂和界面改性剂作用下其无论是力学性能或者耐热性能均明显不足，难以应用于制备一些对综合性能(尤其是耐热性能)要求较高的家电零件中；对比例3和5所得产品中分别不添加界面改性剂或者采用本发明限定范围之外的界面改性剂，其产品综合性能效果仍不尽人意，说明本发明所述高强度高耐热木塑复合材料的组分中只有通过聚烯烃超支化聚合物作为界面改性剂配合聚烯烃类流动改性剂，二者发挥协同作用，才能有效提升产品的力学性能和耐热效果；而根据对比例4所得产品性能可知，当聚烯烃流动改性剂的熔体流动速率不足，结晶度过高，所得产品仍然无法达到理想的技术效果。
另外，发明人需要强调的是，本发明各实施例与对比例间所得产品的力学性能和耐热性能进行对比，以及本发明所得产品与现有技术产品性能进行对比(尤其是力学性能)时，需要考虑产品间的组分及制备方法是否存在多个变量，当产品间的组分或制备方法并非单一变量条件时，其性能间的直接对比或变化规律预估是毫无意义的。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种高强度高耐热的木塑复合材料，其特征在于，包括以下重量份的组分：
聚烯烃30~90份、植物纤维10~55份、相容剂2~5份、聚烯烃类流动改性剂5~15份以及界面改性剂1~3份；
所述聚烯烃与植物纤维的重量之比为（5.5:3）~（3.5:5）；
所述聚烯烃在230℃，2.16 kg负荷下的熔体流动速率为0.1~50g/10min；
所述聚烯烃类流动改性剂为聚丙烯，在190℃，2.16 kg负荷下的熔体流动速率≥2000g/10min，结晶度≤40%；所述界面改性剂为含有酰胺基团的树枝状结构聚烯烃超支化聚合物。
2.如权利要求1所述高强度高耐热的木塑复合材料，其特征在于，所述聚烯烃类流动改性剂的结晶度为8~40%。
3.如权利要求1所述高强度高耐热的木塑复合材料，其特征在于，所述聚烯烃为聚乙烯、聚丙烯中的至少一种。
4.如权利要求1所述高强度高耐热的木塑复合材料，其特征在于，所述聚烯烃为新料、再生料中的至少一种。
5.如权利要求1所述高强度高耐热的木塑复合材料，其特征在于，所述植物纤维为木粉、竹粉、稻壳粉、亚麻纤维、苎麻纤维、秸秆中的至少一种。
6.如权利要求5所述高强度高耐热的木塑复合材料，其特征在于，所述植物纤维为苎麻纤维。
7.如权利要求1所述高强度高耐热的木塑复合材料，其特征在于，所述高强度高耐热的木塑复合材料的组分还包括0~2份加工添加剂；所述加工添加剂为0~1份抗氧剂和0~1份润滑剂。
8.如权利要求7所述高强度高耐热的木塑复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将除聚烯烃之外的其他组分混合均匀后放入聚烯烃并继续混合，随后放入双螺杆挤出机挤出造粒，即得所述高强度高耐热的木塑复合材料。
9.如权利要求8所述高强度高耐热的木塑复合材料的制备方法，其特征在于，所述植物纤维、聚烯烃类流动改性剂、界面改性剂、相容剂和加工添加剂混合时采用搅拌混合，时间为4~6min，转速为80~120rpm；所述双螺杆挤出机在挤出时的温度为170~190℃，转速为250~350rpm。
10.如权利要求1~7任一项所述高强度高耐热的木塑复合材料在制备家电零件中的应用；所述家电零件包括音响外壳、冰箱面板和电视机壳。
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