CN1990599A - 一种木塑复合材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种木塑复合材料及其制造方法。该木塑复合材料，是将包括下述重量份数的原料进行混合、共聚反应，并在螺杆挤出机中反应挤出制成的，木粉或植物纤维100、高熔融指数聚烯烃10－30、常规聚烯烃30－50、马来酸酐0.1－1、过氧化物0.015－0.15，其中，高熔融指数MI为20～50。利用塑料接枝技术，塑料合金技术及共混材料互穿网络结构概念，制造出适合建筑模板使用的木塑复合材料，利用该制造技术制备木塑复合材料，可以用不同品种，不同牌号的混杂回收塑料作基材，降低了木塑复合材料对塑料原料较严格的要求，同时，使本木塑复合材料的机械性能得以提高。该方法的特别之处在于将不利于加工制造木塑复合材料的不利因素通过有效加工技术和方法，变为有利于木塑复合材料机械性能的因素。

Description

一种木塑复合材料及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种建筑模板用木塑复合材料及其制造方法。具体地说，是利用塑料接枝技术、塑料合金技术、塑料共混改性技术制造木塑复合材料及其制造方法。该种方法特别指对混杂的热塑性塑料回收原料用马来酸酐接枝，使其与木粉含有的羟基发生脂化反应，引入架桥剂并以过氧化物作为反应型相容剂，使不同品种的塑料分子之间发生接枝交联。形成互穿网络结构的木塑材料。

背景技术

目前市面的各种木塑制品，其制备工艺一般可分为两种：其一是通过黏合剂，采用模压成型工艺制得产品。如CN1066382C，US4883719，FR2355627A，JP62152802A中所涉及的。其二是采用与普通塑料填充改性相同的制作工艺，将植物纤维粉末作为填料，在增容剂(包括接枝)和其他加工助剂的作用下与树脂互混，通过挤出成型得到产品，如US5,981,631，US4820749，CN1470540A。这些方法的应用，提高了木粉与塑料的相容性，对改善木塑材料的性能起到了很大的作用。但是，上述方法存在两个问题：1，使用的塑料基材是单一的，无法使用混杂有多种塑料的回收料，直接影响木塑制品的成本。2，为了提高木塑复合材料的机械性能，所用树脂的MI较低，借助树脂较长的分子链来确保制得的木塑材料的机械强度，但是，由于聚合物共混物熔体黏度大，聚合物大分子自由基运动能力比较弱，难于形成聚合物互穿网络结构，材料的性能得不到进一步的提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有的高弹性摸量，高机械强度且成本低的木塑复合材料。

本发明的另一个目的是提供一种木塑复合材料的制造方法。

为实现上述目的，本发明采取下述的技术方案：

一种木塑复合材料，是将包括下述重量份数的原料进行混合、共聚反应，并在螺杆挤出机中反应挤出制成的，

原料                 重量份数

木粉或植物纤维       100

高熔融指数聚烯烃     10-30

常规聚烯烃      30-50

马来酸酐        0.1-1

过氧化物        0.015-0.15

其中，所述的高熔融指数聚烯烃为聚乙烯和/或聚丙烯，高熔融指数MI为20～50；所述的常规聚烯烃为聚乙烯和/或聚丙烯，其熔融指数MI为0.2～5；所述的过氧化物为过氧化苯甲酰、过氧化二异丙苯、叔丁基过氧化氢或过氧化苯甲酸叔丁脂。

其中，所述的过氧化物是溶于丙酮中，其浓度未作限定，一般使用工业纯。所使用的过氧化物的重量份数以其净重计算。

本发明是采用高熔融指数(MI为20～50)聚烯烃，如PE，PP，在引发剂过氧化二异丙苯(DCP)、过氧化苯甲酰、叔丁基过氧化氢或过氧化苯甲酸叔丁脂等的引发下接枝马来酸酐(MAH)，接枝工艺在木粉或植物纤维存在的条件下在高速混合器中完成。

在本发明中，所述的高熔融指数聚烯烃可以用回收的编织袋料，使用过并回收的编织袋经分解断链，分子量小，熔融指数一般大于或等于20，而小于或等于50。

在本发明中，对常规聚烯烃(即PE与PP)的品种并没有限定，可以是两种或两种以上不同品种，不同牌号的树脂，也可以是不同品种的回收塑料，一般来说，这种木塑复合材料含有PE，PP，并以接枝、嵌段的状态存在于木塑复合材料中。所述的常规聚烯烃可以是单一的PE或PP；也可以是PE和PP的混合物，其混合比例由木塑材料刚性和韧性来确定，制得的木塑制品的刚性与混合物中PP含量成正比。常规聚烯烃可以是回收废旧塑料，MI应小于或等于5，大于或等于0.2。

在本发明中，所述的原料中还包括有0.5-2重量份数的铝酸脂。铝酸脂为偶联剂，起偶联、润滑作用。

在本发明中，所述的植物纤维为谷物壳和植物秸杆粉。

在本发明中，所述的木粉或植物纤维的细度为40-200目，木粉或植物纤维的含水量小于3％。

在本发明中，所述的原料中还包括有添加0-7重量份数其他加工助剂。其他加工助剂包括抗氧剂1010、润滑剂、石蜡、硬脂酸等。为了进一步增强木塑复合材料性能，也可以适量添加UHMWPE及PPR。其中，PPR是以无规聚丙烯为基料，经改性处理后制成；UHMWPE为超高分子量聚乙烯，是指粘均分子量在150万以上的线形聚乙烯。

在本发明中，所述的木塑复合材料的分子结构形态为聚烯烃形成的网状结构，所述网状结构是高熔融指数聚烯烃在过氧化物引发下，与常规的聚烯烃接枝形成接枝、嵌段、交联的共聚物；木粉或植物纤维依赖它们中的羟基与羧基反应被接枝，黏结、缠绕、填充于网状结构内，其中，所述的羧基为高熔融指数聚烯烃、常规的聚烯烃与马来酸酐接枝反应形成的。

在本发明中，用于接枝的聚合物中有20％～60％重量百分比含量的低分子量聚合物即高熔融指数聚烯烃，这种低分子量聚合物(高熔融指数聚烯烃)不仅与马来酸酐接枝形成含有羧基的，还能与木粉含有的羟基起脂化反应，更为关键的是起“架桥”作用，是形成木塑复合材料的架桥剂。这种架桥剂是MI为20～50的PP，PE。这种架桥剂在过氧化物引发下，在螺杆挤出机中与常规的聚合物接枝。引发剂过氧化物作为反应性相容剂，使PP，PE在热-机械共混中形成接枝或嵌段共聚物而相容。

一种制造木塑复合材料的方法，其制备方法是混合接枝、反应挤出，是在高速混合机和反应螺杆挤出机中完成的，该方包括下述步骤：

(1)、按上述重量份数的原料进行备料；

(2)、将上述配方原料加入高速混合器中进行混合，混合温度为135℃～145℃，混合时间为10分钟～30分钟，混合后放入冷混机降温备用；

(3)、将上述的混合后料放入反应螺杆挤出机进行反应挤出，挤出温度为120-170℃，物料在反应螺杆挤出机中的停留时间为3分钟～12分钟，挤出后即制成木塑复合材料。

在上述步骤(2)中，上述配方原料加入高速混合器中高速混合，混合温度为135℃～145℃，混合温度优选为140℃，混合时间大于等于10分钟，混合时间优选为10分钟～30分钟。

在上述步骤(3)中，反应螺杆挤出机的转速控制为8～20转/分钟。用反应螺杆挤出机的转速以控制物料在反应螺杆挤出机中的停留时间。

制造本发明的木塑复合材料的工艺采用混合接枝，反应挤出，是在高速混合机和反应螺杆挤出机中完成。过氧化物(过氧化苯甲酰、过氧化二异丙苯、叔丁基过氧化氢或过氧化苯甲酸叔丁脂)作为反应性相容剂，高熔融指数低分子量聚烯烃在过氧化物存在的条件下发挥“架桥剂”的作用，在挤出过程中使PP，PE在热-机械共混中形成接枝或嵌段共聚物而相容，该合金概念的引入，不仅增强了木塑材料的机械性能，同时有效解决废旧塑料混杂无法分离的难题。

在所述的步骤(3)中，挤出后的木塑复合材料再经模面热切，进行造粒。然而经风冷输送。

在所述的步骤(3)中，挤出后的木塑复合材料再经成型、真空定型、水冷、定长切割工艺制成模板。

在上述步骤(3)中，挤出设备可以采用单螺杆排气挤出机，螺杆的长度与螺杆的直径比即L/D：30；压缩比小于或等于3。单螺杆排气挤出机的转速可控制为8～20转/分钟。用单螺杆排气挤出机的转速以控制物料在反应螺杆挤出机中的停留时间，并控制单螺杆排气挤出机的吐出量为20～220公斤/小时。

关于模板及支撑系统成型工艺，是采用挤出-成型-真空定型-水冷-定长切割工艺。模板为中空结构，采用双衣架结构机头。支撑系统材料有“工”字型，“口”字型，“日”字型等。

本发明的木塑复合材料所采用的机理是：

(1)、本发明是采用高熔融指数(MI为20～50)聚烯烃，如PE，PP，CPE等，在引发剂如过氧化二异丙苯(DCP)引发下接枝马来酸酐(MAH)，接枝工艺在木粉存或植物纤维在的条件下在高速混合器中完成。引入该高熔融指数聚烯烃的作用，一方面提供了更多聚烯烃接枝马来酸酐的机会，使其与木粉或植物纤维含有的羟基发生脂化反应，增加接枝率，同时，为聚合物在反应型接枝交联起架桥剂的作用，便于形成聚合物网络结构。

(2)、本发明是采用塑料合金机理。塑料基材PP，PE很难相容，所有公开的木塑复合材料发明专利申请的文献中，均要求塑料基材特定，由于本发明引入过氧化物(过氧化苯甲酰或过氧化二异丙苯等)作为反应性相容剂，低分子量聚烯烃作为架桥剂，使PP，PE在热-机械共混中形成接枝或嵌段共聚物而相容，交联。该塑料合金概念的引入，不仅增强了木塑材料的机械性能，同时有效解决废旧塑料混杂无法分离的难题。

(3)、本发明是采用木塑材料结构的互穿网络机理。由于引入了低分子量的聚合物(即高熔融指数聚烯烃)作为“架桥剂”，在使用接枝技术，合金技术的木塑材料中形成了聚合物互穿网络结构，提高了木塑材料的机械性能。

本发明的木塑复合材料主要性能可以达到下述指标：

弹性模量  ≥  3.5×10³N/MM²

静屈强度  ≥  60Mpa

冲击强度  ≥  10KJ/MM²

密度      1.15

吸水率    0.2％

本发明的木塑复合材料是将废旧塑料和废弃植物纤维，包括锯末、稻壳、农作物秸秆等的粉末，在过氧化物引发下接枝马来酸酐(MAH)，其工艺采用混合接枝，反应挤出，是在高速混合机和反应螺杆挤出机中完成，制成结构型材。这种新型木塑复合材料具有机械性能好，可锯、可刨、可钉；不怕虫蛀、抗酸碱、不吸水、不霉变等特点。产品可回收再利用。由于这种材料具有木材和塑料的双重特性，迅速发展该种材料，对于保护森林资源，减少树木砍伐，保护生态环境具有重大意义。本发明的木塑材料具有高弹性摸量、高机械强度，可以作为建筑模板及其支撑结构，为建筑市场增添一种新材料制作的适用模板。

具体实施方式

实施例1

(1)、按下述重量份数的原料进行备料；

原料                 重量份数

稻壳粉末             100

高熔融指数聚烯烃     30

常规聚烯烃           50

马来酸酐             1

过氧化苯甲酰         0.15

铝酸脂               2

其中，所述的高熔融指数聚烯烃为聚乙烯和聚丙烯，聚乙烯和聚丙烯重量比为1∶1，其熔融指数MI为20；所述的常规聚烯烃为聚乙烯和聚丙烯，聚乙烯和聚丙烯重量比为1∶1，其熔融指数MI为4.8；稻壳粉末的细度为180目，含水量小于3％；所使用的过氧化苯甲酰溶于丙酮中，为工业纯，过氧化苯甲酰的重量份数为过氧化苯甲酰的净重。所采用的聚乙烯和聚丙烯均为回收废旧塑料，其中高熔融指数的聚乙烯和聚丙烯是采用回收废旧塑料经高温降解得到的。

(2)、将上述配方原料加入高速混合器中进行混合，混合温度为140℃，混合时间为25分钟，混合后放入冷混机降温备用；

(3)、将上述的混合后料放入单螺杆排气挤出机进行反应挤出，挤出温度为170℃，物料在单螺杆排气挤出机中的停留时间为10分钟。再经模面热切，进行造粒，然而经风冷输送，即制成颗粒状的木塑复合材料。所使用的单螺杆排气挤出机，其长度与螺杆的直径比即L/D：30；压缩比等于3。

实施例2

(1)、按下述重量份数的原料进行备料；

原料                    重量份数

木粉                    100

高熔融指数聚烯烃        10

常规聚烯烃              30

马来酸酐                0.1

过氧化二异丙苯          0.015

铝酸脂                  0.5

其他加工助剂            4

其中，所述的高熔融指数聚烯烃为聚乙烯和聚丙烯，聚乙烯和聚丙烯重量比为2∶1，其熔融指数MI为40；所述的常规聚烯烃为聚乙烯和聚丙烯，聚乙烯和聚丙烯重量比为1∶2，其熔融指数MI为0.5；木粉即锯末粉，细度为120目，含水量小于3％；所使用的过氧化二异丙苯溶于丙酮中，为工业纯，过氧化二异丙苯的重量份数为过氧化二异丙苯的净重。所采用的聚乙烯和聚丙烯均为回收废旧塑料，其中高熔融指数的聚乙烯和聚丙烯是采用回收废旧塑料经高温降解得到的。所采用的其他加工助剂中有：抗氧剂1010为2重量份、润滑剂为1重量份、石蜡为0.5重量份、硬脂酸0.5重量份。

(2)、将上述配方原料加入高速混合器中进行混合，混合温度为140℃，混合时间为15分钟，混合后放入冷混机降温备用；

(3)、将上述的混合后料放入单螺杆排气挤出机进行反应挤出，挤出温度为130℃，物料在单螺杆排气挤出机中的停留时间为5分钟。再经成型、真空定型、水冷、定长切割工艺制成本发明的木塑复合材料的模板。所使用的单螺杆排气挤出机，其长度与螺杆的直径比即L/D：30；压缩比等于3。

实施例1所制成的颗粒状的木塑复合材料及实施例2制成的木塑复合材料的模板均达到下述指标：

弹性模量   ≥   3.5×10³N/MM²

静屈强度   ≥   60Mpa

冲击强度   ≥   10KJ/MM²

密度       1.15

吸水率     0.2％。

Claims (9)

1、一种木塑复合材料，其特征在于：是将包括下述重量份数的原料进行混合、共聚反应，并在螺杆挤出机中反应挤出制成的，

原料                        重量份数

木粉或植物纤维              100

高熔融指数聚烯烃            10-30

常规聚烯烃                  30-50

马来酸酐                    0.1-1

过氧化物                    0.015-0.15

其中，所述的高熔融指数聚烯烃为聚乙烯和/或聚丙烯，高熔融指数MI为20～50；所述的常规聚烯烃为聚乙烯和/或聚丙烯，其熔融指数MI为0.2～5；所述的过氧化物为过氧化苯甲酰、过氧化二异丙苯、叔丁基过氧化氢或过氧化苯甲酸叔丁脂。

2、根据权利要求1所述的木塑复合材料，其特征在于：所述的原料中还包括有0.5-2重量份数的铝酸脂。

3、根据权利要求1所述的木塑复合材料，其特征在于：所述的植物纤维为谷物壳和植物秸杆粉。

4、根据权利要求1所述的木塑复合材料，其特征在于：所述的木粉或植物纤维的细度为40-200目，木粉或植物纤维的含水量小于3％。

5、根据权利要求1所述的木塑复合材料，其特征在于：所述的原料中还包括有添加0-7重量份数其他加工助剂。

6、根据权利要求1所述的木塑复合材料，其特征在于：所述的木塑复合材料的分子结构形态为聚烯烃形成的网状结构，所述网状结构是高熔融指数聚烯烃在过氧化物引发下，与常规的聚烯烃接枝形成接枝、嵌段、交联的共聚物；木粉或植物纤维依赖它们中的羟基与羧基反应被接枝，黏结、缠绕、填充于网状结构内，其中，所述的羧基为高熔融指数聚烯烃、常规的聚烯烃与马来酸酐接枝反应形成的。

7、一种制造权利要求1～6中任意一项所述的木塑复合材料的方法，其特征在于：该方包括下述步骤：

(1)、按上述重量份数的原料进行备料；

(2)、将上述配方原料加入高速混合器中进行混合，混合温度为135℃～145℃，混合时间为10分钟～30分钟，混合后放入冷混机降温备用；

(3)、将上述的混合后料放入反应螺杆挤出机进行反应挤出，挤出温度为120-170℃，物料在反应螺杆挤出机中的停留时间为3分钟～12分钟，挤出后即制成木塑复合材料。

8、根据权利要求7所述的制造木塑复合材料的方法，其特征在于：在所述的步骤(3)中，挤出后的木塑复合材料再经模面热切，进行造粒。

9、根据权利要求7所述的制造木塑复合材料的方法，其特征在于：在所述的步骤(3)中，挤出后的木塑复合材料再经成型、真空定型、水冷、定长切割工艺制成模板。