CN114605849B - 一种超高木质纤维含量木塑粒料及复合材料的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高木质纤维含量木塑粒料的制造方法，包括：S1、将低木质纤维含量木塑组分A与木质纤维组分B分别通过混料机进行充分混合均匀；S2、将组分A熔融挤出造粒得到颗粒A，与木质纤维组分B进一步混匀、熔融复合、挤出造粒得到不低于80wt%的超高木质纤维含量木塑粒料。将所述超高木质纤维含量木塑粒料通过挤出机挤出或热压得到超高木质纤维含量木塑复合材料。本发明通过采用分段式双螺杆挤出机，将低木质纤维含量木塑组分A和木质纤维组分B采用分步造粒方式分批加入，可以解决传统木塑挤出机无法实现超高木质纤维含量木塑复合材料的制造以及超高含量木质纤维喂料困难和分散不均匀技术问题。

Description

一种超高木质纤维含量木塑粒料及复合材料的制造方法

技术领域

本发明涉及木塑复合材料制造方法，特别涉及一种超高木质纤维含量木塑粒料及复合材料的制造方法。

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，与一定含量（5～70wt%）的木、竹、秸秆等木质化的植物纤维材料混合后，再经挤压、模压、注塑等成型得到。木塑复合材料近几十年来在国内外迅速发展，被广泛应用于室内装饰、室外园林景观、建筑、交通、包装等领域。由于木质纤维材料的价格仅为热塑性聚合物十分之一甚至更低，提高木塑复合材料体系中廉价木质纤维的含量，不仅可以提高木塑复合材料表面木质感，还可以显著降低木塑复合材料制造成本以提高其市场竞争力。

目前，在现有技术的基础上，市场中木塑复合材料或制品的木质纤维含量以50～60wt%居多，少数可以达到70wt%，但木质纤维含量超过80wt%后，木塑复合材料或制品在加工制备过程中极易出现挤出畸变和熔体破裂现象，采用现有技术无法实现木质纤维80wt%及以上含量的制备和加工。将木质纤维含量提高至80～95wt%甚至更高，不仅可以降低聚合物（石化资源）的用量，还可以进一步提高农林生物质资源的利用率。超高木质纤维含量（80～95wt%）木塑复合材料既不同于传统意义上的木塑复合材料，也异于以各种胶黏剂连接的人造复合板，而是以较少的热塑性聚合物（10%左右甚至更低），将多尺度、非均一、各向异性的木质纤维连接形成的多相复合材料。超高木质纤维含量木塑制备难度远高于传统木塑复合材料，是因为超高含量木质纤维的存在会导致木塑熔体粘度急剧升高，易出现挤出畸变和熔体破裂等现象，成型加工困难。此外，大量堆积密度较低的木质纤维之间形成架桥，导致喂料困难和在木塑基体中分散不均匀等问题尤为突出。

现有技术中，实际上几乎无法制备得到可用的超高木质纤维含量木塑复合材料。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提出了一种超高木质纤维含量木塑粒料的制造方法，由该方法制造得到的超高木质纤维含量木塑粒料通过挤出机挤出或热压得到超高木质纤维含量木塑复合材料具有明显改善的弯曲性能、拉伸性能、冲击性能和抗蠕变性能。

本发明所采取的技术方案如下：

本发明的第一个方面，提供：

一种超高木质纤维含量木塑粒料的制造方法，包括以下步骤：

S1、将低木质纤维含量木塑组分A与木质纤维组分B分别通过混料机进行充分混合均匀；

S2、将通过混料机充分混合均匀后的低木质纤维含量木塑组分A熔融挤出造粒得到颗粒A，颗粒A与混匀木质纤维组分B进一步混匀、熔融复合、挤出造粒得到木质纤维质量含量不低于80wt%的超高木质纤维含量木塑粒料。

在本发明的一些实施方式中，所述低木质纤维含量木塑组分A中，木质纤维的含量为5～70 wt%。这种木质纤维含量的木塑颗粒相对易于制备，实现木质纤维的预密实化。

组分A和组分B的用量可以根据终产品中木质纤维的含量和各组分中木质纤维的含量进行调整。在本发明的一些实施方式中，所述低木质纤维含量木塑组分A与木质纤维组分B的质量用量比为2:1～1:18。

在本发明的一些实施方式中，所述低木质纤维含量木塑组分A是由质量分数为5～70wt%木质纤维与质量分数为30～95wt%的热塑性塑料，以及适量助剂组成；或者所述低木质纤维含量木塑组分A为低木质纤维含量木塑回收材料或制品经破碎后得到；所述低木质纤维含量木塑回收材料或制品中木质纤维的质量分数为5～70wt%。低木质纤维含量木塑组分A为普通填充量的木塑复合材料，在熔融加工过程中起到聚合物基体的作用，主要用于熔融加工过程对额外的木质纤维（组分B）进行塑化。

在本发明的一些实施方式中，所述木质纤维组分B为木质纤维，或由木质纤维和适量助剂组成。

在本发明的一些实施方式中，所述热塑性塑料为热塑性聚合物新料或热塑性聚合物回收料，选自聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯及聚苯乙烯中的至少一种。

在本发明的一些实施方式中，所述助剂包括界面相容剂和润滑剂，其中：

所述界面相容剂根据所选择的聚合物基体和木质纤维种类进行相应的选择，保持其具有较好的相容性即可，可以选自马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝聚苯乙烯、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚乙烯、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚丙烯、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚苯乙烯、钛酸酯、异腈酸酯、氨基硅烷、乙烯基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷中的至少一种；和/或

所述润滑剂保证组分A与组分B在熔融加工过程中具有较好的加工性即可，可以选自石蜡、聚乙烯蜡、硬脂酸、硬脂酸金属盐、乙烯丙烯酸共聚金属盐中的至少一种。

在本发明的一些实施方式中，所述木质纤维组分B作为额外加入的木质纤维，其种类没有特殊要求，其木质纤维种类选自木、竹、秸秆中的至少一种。可以和组分A中木质纤维种类一致或不一致。其中木质纤维组分B的添加量，根据组分A中木质纤维含量和最终超高木质纤维含量木塑复合材料中的最终木质纤维含量确定。

在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，使用串联分段式挤出装置挤出，所述串联分段式挤出装置包括第一挤出装置和第二挤出装置；所述第一挤出装置出料口与第二挤出装置喂料口位置螺筒串联；所述第一挤出装置出料口为曲面型，其中曲面直径与第二挤出装置螺筒内直径相同；所述第二挤出装置喂料口可以实现木质纤维组分B的定量加入；和/或

步骤S2中，所述低木质纤维含量木塑组分A由第一挤出装置出料口进入第二挤出装置，在第二挤出装置的喂料口位置的螺筒内与木质纤维组分B混合，之后造粒得到所述超高木质纤维含量木塑粒料。

在本发明的一些实施方式中，所述第一挤出装置和第二挤出装置选自平行双螺杆挤出机和锥形双螺杆挤出机中的至少一种。

在本发明的一些实施方式中，所述助剂的用量占所述超高木质纤维含量木塑粒料总质量的0.1～5%。

在本发明的一些实施方式中，所述超高木质纤维含量木塑粒料中木质纤维质量分数为80～95wt%。

在本发明的一些实施方式中，所述颗粒A的粒径为0.5～5mm。这样有利于与木质纤维组分B的混合更为均匀，有利于得到性能更好的超高木质纤维含量木塑粒料。

本发明的第二个方面，提供：

一种超高木质纤维含量木塑复合材料的制造方法，包括：

按本发明第一个方面所述的制造方法制备得到超高木质纤维含量木塑粒料；

将所述超高木质纤维含量木塑粒料通过挤出机挤出或热压得到超高木质纤维含量木塑复合材料。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

本发明通过将低木质纤维含量木塑组分A与木质纤维组分B分别通过混料机充分混合均匀后采用分段式双螺杆挤出机，将低木质纤维含量木塑组分A与木质纤维组分B采用分步造粒方式分批加入，即第一步造粒过程中实现木质纤维的预密实化，密实化后的木质纤维（木塑粒料）避免了喂料困难的问题；第二步造粒过程可以提高木质纤维在基体中的分散程度，减少木质纤维团聚现象。此外，回收或废旧木塑复合材料制品可以代替预密实化的木质纤维，充分利用木塑复合材料的循环特性实现超高木质纤维含量木塑复合材料的制造，从而通过采用分步造粒方式可以很大程度上解决传统木塑挤出机无法实现超高木质纤维含量木塑复合材料的制造以及超高含量木质纤维喂料困难和分散不均匀等技术问题，最终实现超高木质纤维含量（80-95wt%）木塑粒料的制造，且制造得到的超高木质纤维含量木塑粒料通过挤出机挤出或热压得到超高木质纤维含量木塑复合材料具有明显改善的弯曲性能、拉伸性能、冲击性能和抗蠕变性能。

附图说明

图1为本发明实施例串联分段式挤出装置的结构示意图；附图标记：

1-第一挤出装置、11-喂料口；

2-第二挤出装置、21-定量喂料器。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

示例性的，以下实例中，所使用的串联分段式挤出机的结构简图如图1所示，第一挤出装置1和第二挤出装置2均选自平行双螺杆挤出机，所述第一挤出装置1出料口与第二挤出装置2喂料口通过螺筒串联，所述第一挤出装置1出料口为曲面型，其中曲面直径与第二挤出装置螺筒内直径相同；

所述第一挤出装置1具有喂料口11，

所述第二挤出装置2具有定量喂料器21，所述定量喂料器21可以实现木质纤维的定量喂料。

实施例1

一种超高木质纤维含量木塑粒料的制造方法，包括以下步骤：

S1、将低木质纤维含量木塑组分A（制备原料包括：质量分数为45wt%的高密度聚乙烯HDPE、质量分数为50wt%的杨木纤维、质量分数为3 wt%的MAPE、质量分数为2wt%的PE蜡）与组分B杨木纤维按质量比例100：150分别通过混料机进行充分混合均匀；

S2、将通过混料机充分混合均匀后的低木质纤维含量木塑组分A通过串联分段式挤出机装置中的第一挤出装置熔融复合混炼后，挤出造粒得到粒径为1mm的颗粒A，颗粒A经由连接处进入第二挤出装置，在第二挤出装置的喂料口位置螺筒内与通过混料机充分混合均匀后的木质纤维组分B进一步混匀，并通过第二挤出装置熔融复合混炼，在第二挤出装置出料口挤出造粒得到质量分数为80wt%的超高木质纤维含量木塑粒料。

一种超高木质纤维含量木塑复合材料的制造方法，包括以下步骤：

按上述制造方法制备得到超高木质纤维含量木塑粒料；

将所述超高木质纤维含量木塑粒料通过挤出机挤出或热压得到质量分数为80wt%超高木质纤维含量木塑复合材料。

制造得到的超高木质纤维含量木塑复合材料的弯曲性能、拉伸性能、冲击性能、蠕变性能等性能测试结果如表1所示。

实施例2

一种超高木质纤维含量木塑复合材料的制造方法，包括以下步骤：

S1、将低木质纤维含量木塑组分A（制备原料包括：质量分数为45wt%的高密度聚乙烯HDPE、质量分数为50wt%的杨木纤维、质量分数为3 wt%的MAPE、质量分数为2wt%的PE蜡）与组分B杨木纤维按质量比例100：233.33分别通过混料机进行充分混合均匀；

S2、将通过混料机充分混合均匀后的低木质纤维含量木塑组分A通过串联分段式挤出机装置中的第一挤出装置熔融复合混炼后，挤出造粒得到粒径为2mm的颗粒A，颗粒A经由连接处进入第二挤出装置，在第二挤出装置的喂料口位置螺筒内与通过混料机充分混合均匀后的木质纤维组分B进一步混匀，并通过第二挤出装置熔融复合混炼，在第二挤出装置出料口挤出造粒得到质量分数为85wt%的超高木质纤维含量木塑粒料。

一种超高木质纤维含量木塑复合材料的制造方法，包括以下步骤：

按上述制造方法制备得到超高木质纤维含量木塑粒料；

将所述超高木质纤维含量木塑粒料通过挤出机挤出或热压得到质量分数为85wt%超高木质纤维含量木塑复合材料。

制造得到的超高木质纤维含量木塑复合材料的弯曲性能、拉伸性能、冲击性能、蠕变性能等性能测试结果如表1所示。

实施例3

一种超高木质纤维含量木塑复合材料的制造方法，包括以下步骤：

S1、将低木质纤维含量木塑组分A（制备原料包括：质量分数为45wt%的高密度聚乙烯HDPE、质量分数为50wt%的杨木纤维、质量分数为3 wt%的MAPE、质量分数为2wt%的PE蜡）与组分B杨木纤维按质量比例100：400分别通过混料机进行充分混合均匀；

S2、将通过混料机充分混合均匀后的低木质纤维含量木塑组分A通过串联分段式挤出机装置中的第一挤出装置熔融复合混炼后，挤出造粒得到粒径为0.5mm的颗粒A，颗粒A经由连接处进入第二挤出装置，在第二挤出装置的喂料口位置螺筒内与通过混料机充分混合均匀后的木质纤维组分B进一步混匀，并通过第二挤出装置熔融复合混炼，在第二挤出装置出料口挤出造粒得到质量分数为90wt%的超高木质纤维含量木塑粒料。

一种超高木质纤维含量木塑复合材料的制造方法，包括以下步骤：

按上述制造方法制备得到超高木质纤维含量木塑粒料；

将所述超高木质纤维含量木塑粒料通过挤出机挤出或热压得到质量分数为90wt%超高木质纤维含量木塑复合材料。

制造得到的超高木质纤维含量木塑复合材料的弯曲性能、拉伸性能、冲击性能、蠕变性能等性能测试结果如表1所示。

实施例4

一种超高木质纤维含量木塑复合材料的制造方法，包括以下步骤：

S1、将低木质纤维含量木塑组分A（制备原料包括：质量分数为45wt%的高密度聚乙烯HDPE、质量分数为50wt%的杨木纤维、质量分数为3 wt%的MAPE、质量分数为2wt%的PE蜡）与组分B杨木纤维按质量比例100：900分别通过混料机进行充分混合均匀；

S2、将通过混料机充分混合均匀后的低木质纤维含量木塑组分A通过串联分段式挤出机装置中的第一挤出装置熔融复合混炼后，挤出造粒得到粒径为5mm的颗粒A，颗粒A经由连接处进入第二挤出装置，在第二挤出装置的喂料口位置螺筒内与通过混料机充分混合均匀后的木质纤维组分B进一步混匀，并通过第二挤出装置熔融复合混炼，在第二挤出装置出料口挤出造粒得到质量分数为95wt%的超高木质纤维含量木塑粒料。

一种超高木质纤维含量木塑复合材料的制造方法，包括以下步骤：

按上述制造方法制备得到超高木质纤维含量木塑粒料；

将所述超高木质纤维含量木塑粒料通过挤出机挤出或热压得到质量分数为95wt%超高木质纤维含量木塑复合材料。

制造得到的超高木质纤维含量木塑复合材料的弯曲性能、拉伸性能、冲击性能、蠕变性能等性能测试结果如表1所示。

对比例1

一种木塑复合材料的制造方法，包括以下步骤：

S1、将木塑复合材料组分（制备原料包括：质量分数为15wt%的高密度聚乙烯HDPE、质量分数为80wt%的杨木纤维、质量分数为3 wt%的MAPE、质量分数为2wt%的PE蜡）通过混料机进行混合；

S2、上述组分通过混料机充分混合均匀后，采用传统平行双螺杆挤出机熔融复合，在挤出装机出料口得到质量分数为80wt%木质纤维含量的木塑粒料；

S3、将上述木塑粒料采用挤出或热压成型，即得质量分数为80wt%木质纤维含量木塑复合材料。

制造得到的木塑复合材料的弯曲性能、拉伸性能、冲击性能、蠕变性能等性能测试结果如表1所示。

对比例2

一种木塑复合材料的制造方法，包括以下步骤：

S1、将木塑复合材料组分（制备原料包括：质量分数为10wt%的高密度聚乙烯HDPE、质量分数为85wt%的杨木纤维、质量分数为3 wt%的MAPE、质量分数为2wt%的PE蜡）通过混料机进行混合；

S2、上述组分通过混料机充分混合均匀后，采用传统平行双螺杆挤出机熔融复合，由于喂料困难和木质纤维团聚，未能成功制得质量分数为85wt%木质纤维含量的木塑粒料。

对比例3

一种木塑复合材料的制造方法，包括以下步骤：

S1、将木塑复合材料组分（制备原料包括：质量分数为5wt%的高密度聚乙烯HDPE、质量分数为90wt%的杨木纤维、质量分数为3 wt%的MAPE、质量分数为2wt%的PE蜡）通过混料机进行混合；

S2、上述组分通过混料机充分混合均匀后，采用传统平行双螺杆挤出机熔融复合，由于喂料困难和木质纤维团聚，未能成功制得质量分数为90wt%木质纤维含量的木塑粒料。

性能测试

为更好的说明本发明，下面对实施例1～4得到的超高木质纤维含量木塑复合材料以及对比例1得到的木塑复合材料进行性能测试，采用行业内的标准测试方法对产品进行弯曲性能、拉伸性能、冲击性能、蠕变性能测试，性能测试结果如表1所示。

表1

测试项目	测试标准	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	对比例1
							质量分数（wt%）	--	80	85	90	95	80
弯曲强度（MPa）	ASTM D6109-13	55.4	53.6	52.6	50.7	37.4
							弯曲模量（GPa）	ASTM D6109-13	8.0	8.1	8.5	8.9	5.2
冲击强度（kJ/m<sup>2</sup>）	ASTM D256-02	6.9	6.4	6.1	6.0	4.5
							拉伸强度（MPa）	ASTM D638-10	31.6	29.7	27.8	25.7	20.1
拉伸模量（GPa）	ASTM D638-10	6.2	6.5	6.2	6.0	4.3
							蠕变恢复(%)	AC174	86	85	90	92	70

从表1的实验数据可以看出，本发明实施例1～4超高木质纤维含量木塑复合材料能够实现超高木质纤维含量木塑复合材料的制造，且制造得到的木塑复合材料具备明显改善的弯曲性能、拉伸性能、冲击性能和抗蠕变性能。

本发明的上述实施例仅为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述举例的基础上还可以做其他不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以详细举例。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (11)

1.一种超高木质纤维含量木塑粒料的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将低木质纤维含量木塑组分A与木质纤维组分B分别通过混料机进行充分混合均匀；所述低木质纤维含量木塑组分A是由质量分数为5～70wt%木质纤维与质量分数为30～95wt%的热塑性塑料，以及适量助剂组成；或者所述低木质纤维含量木塑组分A为低木质纤维含量木塑回收材料或制品经破碎后得到，所述低木质纤维含量木塑回收材料或制品中木质纤维的质量分数为5～70wt%；所述木质纤维组分B为木质纤维，或由木质纤维和适量助剂组成；

S2、将通过混料机充分混合均匀后的低木质纤维含量木塑组分A熔融挤出造粒得到颗粒A，颗粒A与混匀木质纤维组分B进一步混匀、熔融复合、挤出造粒得到木质纤维质量含量不低于80wt%的超高木质纤维含量木塑粒料。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述低木质纤维含量木塑组分A与木质纤维组分B的质量用量比为2:1～1:18。

3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述热塑性塑料为热塑性聚合物新料或热塑性聚合物回收料，选自聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯及聚苯乙烯中的至少一种；和/或

所述助剂包括界面相容剂和润滑剂，其中：

所述界面相容剂选自马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝聚苯乙烯、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚乙烯、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚丙烯、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚苯乙烯、钛酸酯、异腈酸酯、氨基硅烷、乙烯基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷中的至少一种；和/或

所述润滑剂选自石蜡、聚乙烯蜡、硬脂酸、硬脂酸金属盐、乙烯丙烯酸共聚金属盐中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述木质纤维组分B中的木质纤维种类选自木、竹、秸秆中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：步骤S2中，使用串联分段式挤出装置挤出，所述串联分段式挤出装置包括第一挤出装置和第二挤出装置；所述第一挤出装置的出料口与第二挤出装置的喂料口位置螺筒串联；所述第一挤出装置的出料口为曲面型，其中曲面直径与第二挤出装置螺筒内直径相同；所述第二挤出装置的喂料口可以实现木质纤维组分B的定量加入。

6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于：步骤S2中，所述低木质纤维含量木塑组分A由第一挤出装置出料口进入第二挤出装置，在第二挤出装置的喂料口位置的螺筒内与木质纤维组分B混合，之后造粒得到所述超高木质纤维含量木塑粒料。

7.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于：所述第一挤出装置和第二挤出装置选自平行双螺杆挤出机和锥形双螺杆挤出机中的至少一种。

8.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于：所述第一挤出装置和第二挤出装置选自平行双螺杆挤出机和锥形双螺杆挤出机中的至少一种。

9.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于：所述助剂的用量占所述超高木质纤维含量木塑粒料总质量的0.1～5%。

10.根据权利要求1～9任一项所述的制造方法，其特征在于：所述超高木质纤维含量木塑粒料中木质纤维质量分数为80～95wt%；和/或

所述颗粒A的粒径为0.5～5mm。

11.一种超高木质纤维含量木塑复合材料的制造方法，其特征在于：包括：

按权利要求1～10任一项所述的方法制备得到超高木质纤维含量木塑粒料；

将所述超高木质纤维含量木塑粒料通过挤出机挤出或热压得到超高木质纤维含量木塑复合材料。

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