CN115491049A - 一种聚氨酯基阻燃型木塑复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种聚氨酯基阻燃型木塑复合材料及其制备方法,该方法以木质材料为基材，通过对木质材料进行强碱预处理和阻燃预处理、塑料基体的制备、施胶共混、冷压等步骤，利用聚磷酸铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵作为复配阻燃剂，甲苯二异氰酸酯、聚丙二醇共混作为塑料基体和胶黏剂，活性碳酸钙、氧化聚乙烯蜡、工业级钙锌稳定剂、A151(乙烯基三乙氧基硅烷)、聚乙烯蜡作为功能性添加剂，利用多聚异氰酸酯和多元醇在常温下迅速固化的原理，制备出具有优异阻燃性能和物理力学性能的木塑复合材料。
Description
技术领域
本发明属于木塑复合材料改性领域，具体为阻燃木塑复合材料原料及阻燃木塑复合材料的制备。
技术背景
木塑复合材料指的是利用聚乙烯等塑料，代替通常的树脂胶粘剂，与超过50％以上的木粉、秸秆等植物纤维混合成新的木质材料，再经挤压、模压、注射成型等塑料加工工艺生产出的板材或型材。由于木塑复合材料中的塑料和木质纤维具有易燃性，在高温环境下极易被引燃，所以木塑复合材料应用于家具、建筑材料等领域时遇到火灾，会加速和扩大火灾，如果灭火处理不及时会使人民的生命及财产造成重大的损失。因此木塑复合材料的阻燃处理在木塑复合材料当前以及未来的发展中有着重要的意义。
近些年，无机阻燃剂因具有低毒或无毒、贮存过程中不易挥发、原料来源丰富、价格低廉等优点而得到了广泛的研究和应用。其中无机氮磷系化合物由于具有阻燃效应持久、热稳定性好、无卤等优点而受到高度重视和普遍应用。在发生火灾时，无机氮磷系阻燃剂一般会发生热分解并产生一种阻燃气体——氨气，还会生成磷酸、偏磷酸、焦磷酸等酸性物质，这些气体和酸性物质共同起着气相阻燃和固相阻燃的作用。然而，无机氮磷系阻燃剂在拥有高效阻燃性的同时也会降低材料的机械性能。并且它们作为一种无机阻燃剂，本身与作为有机物的木质材料不发生反应。除此之外，在阻燃木质材料方面，无机氮磷系阻燃剂也是以物理吸附的方式附着在木材表面，抗流失性差。
异氰酸酯是一种高反应性化合物，它可以与大多数具有活性氢的材料发生反应，用于制备聚氨酯胶粘剂。因为木塑复合材料中木质原料占50％以上，并且木质原料主要由纤维素、木质素和半纤维素组成，这些高分子有机物都含有亲水性羟基，这会导致木质原料本身尺寸稳定性差。而异氰酸酯可以与这些羟基发生反应，形成疏水氨基甲酸酯，提高木质原料的尺寸稳定性，进而提高木塑复合材料的机械性能。所以为了解决无机氮磷系阻燃剂添加进木塑复合材料中导致机械性能差的问题，可以将异氰酸酯与多元醇反应生成的聚氨酯作为木塑复合材料的塑料基体。并且聚氨酯在常温加压下即可固化，在制备过程中可以不经过热压，这样既节约了能源，又减少了碳排放。
利用反应型胶黏剂多聚异氰酸酯与聚丙二醇反应制备的聚氨酯作为木塑复合材料的原料和胶黏剂。通过将聚氨酯与经过阻燃处理的杨木纤维共混，通过冷压法制备具有高强度、高阻燃性能、低吸湿性的阻燃木塑复合材料。本发明利用聚氨酯包覆经过无机氮磷系阻燃剂处理的杨木纤维，不仅有效提高了木塑复合材料的阻燃性能，而且有利于提高木质原料和塑料基体的相容性，有效增强了木塑复合材料的机械性能；本发明采用杨木纤维，并利用一定长度分布的杨木纤维和超细粒径的杨木粉作为基底吸附负载聚磷酸铵，不仅提高了基底对无机氮磷系阻燃剂的有效吸附负载量、提高了木塑复合材料的阻燃性能，并且与聚氨酯的结合更加紧密、保证了木塑复合材料的机械强度。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种聚氨酯基阻燃木塑复合材料的制备方法，该发明以木质纤维材料和聚氨酯为基材主体，通过木质材料阻燃预处理、塑料基体制备、冷压成型，最终制备出阻燃木塑复合材料。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种聚氨酯基阻燃木塑复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)木质材料的阻燃预处理：将木质材料进行干燥直至含水率小于5％，之后对其先进行碱处理：首先采用无机强碱配制一定量的溶液，将木质材料充分浸没于碱溶液中并开始搅拌直至溶液表面无大块木质材料漂浮物。之后将木质材料从碱溶液中取出并干燥至木质材料表面无明显水分，将无机氮磷系阻燃剂、木质材料以及去离子水放入真空压力浸渍罐中，然后加压浸渍，最后将木质材料取出后干燥，即得阻燃预处理木质材料。
(2)塑料基体的制备：将多聚异氰酸酯、多元醇按顺序和一定比例共混制备聚氨酯预聚体，然后将活性碳酸钙、增塑调节剂、环保稳定剂、硅烷偶联剂、润滑剂依次加入至上述预聚体中，充分搅拌共混得到塑料基体。
(3)冷压成型：将上述制备的塑料基体加入到阻燃预处理木质原料中共混，快速充分搅拌得到木塑复合材料的原料。将混好的原料加入特制模具内进行冷压，加压一段时间后取出即可得到阻燃木塑复合材料。
为保证制备样品的优异性能，作为优选，上述步骤(1)木质材料的阻燃预处理中木质材料可以为木刨花、木粉、竹刨花、竹粉、麻纤维、秸秆、稻秆、玉米秆、花生壳、甘蔗渣等木质纤维材料。
作为优选，上述步骤(1)木质材料的阻燃预处理中用于浸泡木质材料的强碱溶液的溶质为NaOH、KOH或两者任意比例混合，保证强碱浓度为0.4g/100ml-10g/100ml。
作为优选，上述步骤(1)木质材料的阻燃预处理中木质材料在无机强碱溶液浓度中添加量为每2000ml无机强碱溶液添加150g～250g木粉，搅拌时长为20min-40min。
作为优选，上述步骤(1)木质材料的预处理中无机氮磷系阻燃剂为聚磷酸铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸铵其中的任意一种或任意两种以上以任意比例混合的混合物。
作为优选，上述步骤(1)木质材料的预处理中加入真空压力浸渍罐中的无机氮磷系阻燃剂、木质材料与去离子水的质量比为1：A：B，其中A的取值范围为10-15、B的取值范围为15-20。
作为优选，上述步骤(1)木质材料的预处理中真空压力浸渍罐设定的温度范围为70℃-90℃，压力范围为0.5MPa-1.5MPa，浸渍时间为2h-4h。
作为优选，上述步骤(1)木质材料的预处理中最后将木质材料从真空压力浸渍罐中取出后干燥至含水率为3％-5％。
作为优选，上述步骤(2)中各添加物质的重量份数为：多聚异氰酸酯7-13份；多元醇10-18份；活性碳酸钙20-30份；增塑调节剂5-10份；环保稳定剂4-8份；硅烷偶联剂0.5-1份；润滑剂1-3份。
作为优选，上述步骤(2)中的多聚异氰酸酯与多元醇的质量比为7：C，其中C的取值范围为10-13。
作为优选，上述步骤(2)中的多聚异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯其中的任意一种或任意两种以上以任意比例混合的混合物。
作为优选，上述步骤(2)中的多元醇为乙二醇、丙二醇、丙三醇、一缩二乙二醇、1,4-丁二醇其中的任意一种或任意两种以上以任意比例混合的混合物。
作为优选，上述步骤(2)中的增塑调节剂为氧化聚乙烯蜡、邻苯二甲酸酯类以及己二酸其中的任意一种或任意两种以上以任意比例混合的混合物。
作为优选，上述步骤(2)中的环保稳定剂为工业级钙锌稳定剂。
作为优选，上述步骤(2)中的硅烷偶联剂为A151(乙烯基三乙氧基硅烷)、A171(乙烯基三甲氧基硅烷)、A172(乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷)其中的任意一种或任意两种以上以任意比例混合的混合物。
作为优选，上述步骤(2)中的润滑剂为聚乙烯蜡和硬脂酸其中的一种或两种以任意比例混合的混合物。
作为优选，上述步骤(3)中塑料基体与木质原料的质量比为1：D，其中D的取值范围为1-2。
作为优选，上述步骤(3)中冷压压力为0.5MPa-1.0MPa，冷压时间为30min-60min。
具体实施案例
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
称取杨木刨花200g，放入烘箱进行干燥直至含水率小于5％。称取40gNaOH和2000ml去离子水配制浓度为2g/100ml的强碱溶液2000ml，将干燥好的杨木刨花充分浸没在NaOH溶液中，并持续缓慢搅拌30min；搅拌后将杨木刨花取出，放在室内阴凉处进行自然干燥直至杨木刨花表面无明显水分。将聚磷酸铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵按2：1：1的质量比和20g的总质量加入到去离子水中，缓慢搅拌直至混合均匀无沉淀。之后将混合溶液与杨木刨花按3：2的质量比放入真空压力浸渍罐中，在80℃的温度和1.0MPa的压力下浸渍3.0h，然后将杨木刨花取出后进行自然晾晒至含水率小于12％，得到阻燃预处理杨木刨花。将甲苯二异氰酸酯、聚丙二醇按顺序和7：10的质量比共混制备聚氨酯预聚体，然后将活性碳酸钙、氧化聚乙烯蜡、工业级钙锌稳定剂、A151(乙烯基三乙氧基硅烷)、聚乙烯蜡按照重量份数为甲苯二异氰酸酯7份、聚丙二醇10份、活性碳酸钙20份、氧化聚乙烯蜡7份、工业级钙锌稳定剂5份、A151(乙烯基三乙氧基硅烷)1份、聚乙烯蜡1份的比例共混制备塑料基体。将上述制备的塑料基体与杨木刨花按1：1.5的质量比例进行共混，之后将混好的原料加入特制模具内进行冷压，在1.0MPa压力下冷压40min后即可得到阻燃木塑复合材料。
按照上述得到了聚氨酯基阻燃木塑复合材料的极限氧指数可达32％，内结合强度高达为2.34MPa、弹性模量为10.7GPa、静曲强度为10.5MPa、7天后的厚度膨胀仅为5.2％、7天后的质量增加为60.2％。经过锥形量热测试，结果显示与未添加任何阻燃剂的聚氨酯木塑复合材料比较上述步骤制备的阻燃木塑复合材料的点燃时间延长20s，可达57s，总放热量为41.33MJ/㎡，总产烟量为200.56㎡/㎡，此外残炭量也从7.1％上升到14.7％。上述性能满足了阻燃木塑复合材料在家具、建筑和物流等领域的应用需求。
最后应说明的是：以上描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受实施例限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (1)
1.一种聚氨酯基阻燃木塑复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)木质材料的阻燃预处理：将木质材料进行干燥直至含水率小于5％，之后对其先进行碱处理：首先采用无机强碱配制一定量的溶液，将木质材料充分浸没于碱溶液中并开始搅拌直至溶液表面无大块木质材料漂浮物。之后将木质材料从碱溶液中取出并干燥至木质材料表面无明显水分，将无机氮磷系阻燃剂、木质材料以及去离子水放入真空压力浸渍罐中，然后加压浸渍，最后将木质材料取出后干燥，即得阻燃预处理木质材料；
(2)塑料基体的制备：将多聚异氰酸酯、多元醇按照顺序和一定比例共混制备聚氨酯预聚体，然后将活性碳酸钙、增塑调节剂、环保稳定剂、硅烷偶联剂、润滑剂依次加入至上述预聚体中，充分搅拌共混得到塑料基体；
(3)冷压成型：将上述制备的塑料基体加入到阻燃预处理木质原料中共混，快速充分搅拌得到木塑复合材料的原料。将混合原料加入特制模具内进行冷压，加压一段时间后取出即可得到阻燃木塑复合材料；
为保证制备样品的优异性能，作为优选，上述步骤(1)木质材料的阻燃预处理中木质材料可以为木刨花、木粉、竹刨花、竹粉、麻纤维、秸秆、稻秆、玉米秆、花生壳、甘蔗渣等木质纤维材料；
作为优选，上述步骤(1)木质材料的阻燃预处理中用于浸泡木质材料的强碱溶液的溶质为NaOH、KOH或两者任意比例混合，保证强碱浓度为0.4g/100ml-10g/100ml；
作为优选，上述步骤(1)木质材料的阻燃预处理中木质材料在无机强碱溶液浓度中添加量为每2000ml无机强碱溶液添加150g～250g木粉，搅拌时长为20min-40min；
作为优选，上述步骤(1)木质材料的预处理中无机氮磷系阻燃剂为聚磷酸铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸铵其中的任意一种或任意两种以上以任意比例混合的混合物；
作为优选，上述步骤(1)木质材料的预处理中加入真空压力浸渍罐中的无机氮磷系阻燃剂、木质材料与去离子水的质量比为1：A：B，其中A的取值范围为10-15、B的取值范围为15-20；
作为优选，上述步骤(1)木质材料的预处理中真空压力浸渍罐设定的温度范围为70℃-90℃，压力范围为0.5MPa-1.5MPa，浸渍时间为2h-4h；
作为优选，上述步骤(1)木质材料的预处理中最后将木质材料从真空压力浸渍罐中取出后干燥至含水率为3％-5％；
作为优选，上述步骤(2)中各添加物质的重量份数为：多聚异氰酸酯7-13份；多元醇10-18份；活性碳酸钙20-30份；增塑调节剂5-10份；环保稳定剂4-8份；硅烷偶联剂0.5-1份；润滑剂1-3份；
作为优选，上述步骤(2)中的多聚异氰酸酯与多元醇的质量比为7：C，其中C的取值范围为10-13；
作为优选，上述步骤(2)中的多聚异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯其中的任意一种或任意两种以上以任意比例混合的混合物；
作为优选，上述步骤(2)中的多元醇为乙二醇、丙二醇、丙三醇、一缩二乙二醇、1,4-丁二醇其中的任意一种或任意两种以上以任意比例混合的混合物；
作为优选，上述步骤(2)中的增塑调节剂为氧化聚乙烯蜡、邻苯二甲酸酯类以及己二酸其中的任意一种或任意两种以上以任意比例混合的混合物；
作为优选，上述步骤(2)中的环保稳定剂为工业级钙锌稳定剂；
作为优选，上述步骤(2)中的硅烷偶联剂为A151(乙烯基三乙氧基硅烷)、A171(乙烯基三甲氧基硅烷)、A172(乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷)其中的任意一种或任意两种以上以任意比例混合的混合物；
作为优选，上述步骤(2)中的润滑剂为聚乙烯蜡和硬脂酸其中的一种或两种以任意比例混合的混合物；
作为优选，上述步骤(3)中塑料基体与木质原料的质量比为1：D，其中D的取值范围为1-2；
作为优选，上述步骤(3)中冷压压力为0.5MPa-1.0MPa，冷压时间为30min-60min。
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