專利名稱：一種經(jīng)熱處理的植物纖維和塑料共混制備木塑復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及木塑復(fù)合材料制備方法，具體涉及一種由經(jīng)過熱處理的植物纖 維和塑料共混而成的木塑復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
木塑復(fù)合材料(Wood Plastic Composites,簡稱WPC )，是利用植物纖維材 料如木粉、竹粉、稻殼、秸桿等與高分子樹脂基體如PE (聚乙烯)、PP (聚丙 烯)、PS (聚苯乙烯)、PVC (聚氯乙烯)、PET (聚對苯二甲酸乙二醇酯)、ABS (丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物)、PA (尼龍)等復(fù)合而成的新型材料。木塑復(fù) 合材料兼具木材和塑料的優(yōu)點，它比傳統(tǒng)木材有更好的耐吸水性、耐老化性和 耐翹曲性，且成本比純木材或塑料低，可廣泛用于軍事工業(yè)(如槍托、槍架等)、 輕工業(yè)(如家具、工藝品等)、建筑工業(yè)(如地板、墊板、各種裝修用線條等) 及木材工業(yè)等。木塑復(fù)合材料的出現(xiàn)，使得木材的廢棄物和廢舊塑料得到充分 的利用，既可有效地提高木材利用率，緩解我國森林資源貧乏、木材供應(yīng)緊缺 的矛盾，又可降低由于使用塑料帶來的環(huán)境污染。
但木塑復(fù)合材料還存在一些亟待解決的問題> 如木粉和塑料的界面相容性 不好，尤其是復(fù)合材料的耐水性不高，易翹曲，尺寸穩(wěn)定性較差，不能滿足某 些材料的使用需要，如作為浴室地板、包裝材料、室外建筑裝修材料等，使用 效果和壽命會受到顯著影響。
對于木塑復(fù)合材料，改善植物纖維和塑料相容性的方法主要有植物纖維的 改性、塑料的預(yù)處理和添加界面改性劑三種方法。木質(zhì)纖維的改性可采用改變 植物纖維表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)，從而提高纖維與基體樹脂的界面粘接，如對纖維素 等進行接枝，在纖維素的表面接枝上某些烯類單體的均聚物，可改善材料的浸 潤性、吸水性、粘接性等，從而改善纖維在基體中的分散性，提高纖維與疏水性聚合物的相容性，達到提高復(fù)合材料的力學(xué)性能的目的。對塑料的預(yù)處理是 通過在基體樹脂上引入極性基團改變其極性，使塑料與木纖維的極性相近，從 而提高兩者的相容性，常用的方法是用馬來酸酐接枝處理聚合物。界面改性劑 可以降低異相材料間的界面張力，增強界面結(jié)合力，從而提高復(fù)合材料的性能， 用的較多的界面改性劑是有機偶聯(lián)劑，其能夠與植物纖維中的極性官能團(主
要是一OH)發(fā)生反應(yīng)形成共價鍵或氫鍵，同時，有機偶聯(lián)劑可以通過接枝共聚
改性聚合物基體，從而產(chǎn)生強的界面粘結(jié)或發(fā)生交聯(lián)。改善植物纖維和塑料相
容性的方法都是針對木質(zhì)纖維存在大量羥基這個問題而提出的。這些方法對羥
基問題的解決都有一定作用，但是由于植物纖維中羥基數(shù)量龐大，目前的技術(shù)
仍無法完全解決界面相容性不好，尤其是復(fù)合材料的耐水性不高、尺寸穩(wěn)定性
較差、使用過程易產(chǎn)生霉變與翹曲等問題。況且對木質(zhì)纖維的改性、對塑料的 預(yù)處理等方法中，都要用到化學(xué)試劑，無形中增加了復(fù)合材料加工中的對環(huán)境
的影響問題和復(fù)合材料成品本身在使用和廢棄后的環(huán)保問題。因此，采用非化
學(xué)的處理方法，解決木質(zhì)纖維存在大量羥基這個問題，將從根本上為解決木塑
復(fù)合材料的界面相容性和復(fù)合材料的耐水性提供一種新的途徑。
就木材熱處理技術(shù)而言，近年來歐洲的法國、芬蘭、德國和荷蘭這四個國家 采用高溫缺氧方式對原料木材進行處理，以破壞或結(jié)合木材中的羥基，進而降 低木材的吸濕性，提高了木材的尺寸穩(wěn)定性和耐用性，并達到耐腐的目的。然 而把木材熱處理技術(shù)應(yīng)用到木塑復(fù)合材料原料的處理尚未見到相關(guān)的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是要克服木粉和塑料的界面相容性不好，尤其是復(fù)合材料 的耐水性不高，易翹曲，尺寸穩(wěn)定性較差的問題，根據(jù)熱處理能破壞植物纖維 中的部分羥基的原理，在缺氧條件下，將植物纖維在140-350 "C進行熱處理一 定時間，再與熱塑性塑料進行復(fù)合得到新型木塑復(fù)合材料，制備的復(fù)合材料具 有吸水率低、強度高、模量大、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點。
本發(fā)明的目的通過下述方案實現(xiàn)
1、將植物纖維粉碎，20~120目過篩制成植物纖維粉末。經(jīng)粉碎的植物纖維粉末置于熱解爐中，采用缺氧條件下進行熱處理，制備成改性植物纖維粉料。
熱處理時間為0.5 24h，溫度為140-350 °C，優(yōu)選溫度范圍為180 250 °C。
2、 改性植物纖維粉料與塑料、潤滑劑、增塑劑、穩(wěn)定劑、相容劑，在高速 攪拌下混合均勻制成混合物料。攪拌機的轉(zhuǎn)速為180O~8OO0 r/min，混合時間 10~15min。所加入的原料按重量份計，各組分為改性植物纖維10-70份，塑 料20~70份，潤滑劑0.5~10份，偶聯(lián)劑0 10份，相容劑1~10份，增塑劑0.5 10 份，增強填充劑0 50份。
3、 將混合物料在雙螺桿擠出機中反應(yīng)擠出。螺桿熔融溫度為150~200°C， 混合物料在螺桿中的停留時間為5 12min。
4、 擠出的物料冷卻后，經(jīng)切粒機切粒得到粒料或經(jīng)口模直接擠成制品。 本發(fā)明所述的釆用缺氧條件是指隔絕空氣條件、氮氣保護氣氛或高溫水蒸
氣氣氛中的一種或者他們之間的任意組合。
本發(fā)明所述的塑料為PE (聚乙烯)、PP (聚丙烯)、PS (聚苯乙烯)、PVC (聚氯乙烯)、PET (聚對苯二甲酸乙二醇酯)或ABS (丙烯腈-苯乙烯-丁二烯 共聚物)、PA (尼龍)，以及包括上述塑料品種的塑料回收料的任意一種或其中 幾種的任意比例的混合物。
本發(fā)明所述的植物纖維粉末為木粉、竹粉、果殼粉、秸稈粉、糠殼粉、花 生殼粉或甘蔗渣中的一種或其中幾種的任意比例混合物。
本發(fā)明所述的潤滑劑為聚乙烯蠟、液體石蠟、硅油、油酸、油酰胺、硬質(zhì) 酰胺、乙二胺、雙硬脂酰胺、硬脂酸丁酯、硬脂酸單甘油酯或N， N-雙乙撐硬 脂酸酰胺中的一種或其中幾種的任意比例混合物。
本發(fā)明所述的偶聯(lián)劑是鈦酸酯偶聯(lián)劑或硅垸偶聯(lián)劑。
本發(fā)明所述的相容劑為馬來酸酐接枝聚乙烯、馬來酸酐接枝聚丙烯、乙烯-醋酸乙酯共聚物(EVA)、乙烯-丙烯酸共聚物(EAA)、聚烯烴彈性體(POE)、 三元乙丙橡膠(EPDM)、苯乙烯-丁二烯共聚物(SBS)、氫化SBS共聚物(SEBS) 或苯乙烯-異戊二烯嵌段共聚物(SIS)中的一種或其中幾種的任意比例混合物。本發(fā)明所述的增塑劑為硬脂酸或者硬脂酸鹽類，包插硬脂酸鋅(ZnSt)、硬 脂酸鈣(CaSt)、硬脂酸鋇等、鄰苯二甲酸二乙酯(DOP)、順丁烯二酸二丁酯、 乙酰檸檬酸三丁酯(ATBC)、氧化聚乙烯、聚氨酯增塑劑或聚氨酯型增塑劑， 或是由他們組成的混合物。
本發(fā)明所述的增強填充劑包括塑料改性加工中通常所用的填充助劑，如碳 酸鈣、滑石粉、粉煤灰、工業(yè)礦渣等，優(yōu)選粒徑為5~40 pm。
除上述所述，根據(jù)加工工藝和產(chǎn)品使用需要，上述制備的木塑復(fù)合材料在 加工時可加入一些其它助劑，如抗氧劑，穩(wěn)定劑，發(fā)泡劑，阻燃劑等。
本發(fā)明木塑復(fù)合材料的制備方法中可先通過雙螺桿擠出機制備木塑復(fù)合材 料粒料，然后采用注塑、模壓等方式進行木塑復(fù)合材料的成型加工。
本發(fā)明所述的植物纖維粉末，經(jīng)過熱處理之后，減少了羥基數(shù)量，降低了 親水性，尺寸穩(wěn)定性得到提高。植物纖維粉末在熱處理過程中，其中多糖的損 失主要是半纖維素，半纖維素是無定形的物質(zhì)，由兩種或多種糖基組成，主鏈 和側(cè)鏈上含有親水性基團，因而它是植物纖維中吸濕性最大的組分之一，是使 植物纖維產(chǎn)生吸濕膨脹、變形開裂的重要因素之一。植物纖維在高溫?zé)崽幚磉^ 程中，半纖維素中的某些多糖容易裂解為糖醛和某些糖類的裂解產(chǎn)物，在熱的 作用下，這些物質(zhì)又能發(fā)生聚合作用生成不溶于水的聚合物，因而可降低植物 纖維的吸濕性，提高其尺寸穩(wěn)定性和耐腐性。植物纖維中的纖維素組分在熱處 理過程中也會發(fā)生降解等作用，降低植物纖維的親水性。
本發(fā)明所述的經(jīng)熱處理改性后的植物纖維與聚烯烴的界面相容性大大提 高，制成的木塑復(fù)合材料抗彎強度比基體提高了 50%~150%，拉伸強度比基體 提高了 20%~100%，吸水性比未改性木質(zhì)纖維-聚乙烯復(fù)合材料的吸水性可降低 50%~180%，而且復(fù)合材料的制作工藝簡單，無污染，復(fù)合材料色澤古樸典雅， 抗生物腐蝕性強，可以制成不同形狀、滿足不同需求的產(chǎn)品，如家具、浴室地 板、室外座椅、兒童玩具、包裝材料、室外裝飾材料等，應(yīng)用范圍極其廣泛。
具體實施例方式
下面實施例是對本發(fā)明的進一步說明，而不是限制本發(fā)明的范圍。 實施例l
1、 將粉碎的木粉，用120目過篩后制成大小相對一致的木粉粉末。經(jīng)粉碎 的植物纖維置于熱解爐中，采用隔絕氧氣的條件下進行熱處理，熱處理時間為 12 h，溫度為25(TC。
2、 取改性木粉粉料60kg，加入LDPE32kg、油酸2kg、馬來酸酐接枝聚丙 烯5份、白油1份，在高速攪拌下混合均勻制成混合物料。攪拌機的轉(zhuǎn)速為1800 r/min，混合時間10min。
3、 將混合物料在雙螺桿擠出機中反應(yīng)擠出，混合物料在螺桿中的停留時間 為12 min。雙螺桿擠出機釆用德國HAAKE公司的PTW-24，擠出機各段溫度為 145 。C、 150 。C、 155 。C、 155 。C、 155 。C、 155 。C。
4、 擠出的物料冷卻后，經(jīng)切粒機切粒得到粒料。將型材壓制成標準樣條分 別按照國標GB/T1040-1992、 GB/T9340-2000、 GB/T1043-1993、 GB/T1034-1998 測試復(fù)合材料的拉伸強度、彎曲強度和簡支梁沖擊強度以及復(fù)合材料的吸水性。 復(fù)合材料的拉伸強度為35 MPa，彎曲強度為38 MPa，沖擊強度為8 kJ/m2，吸 水率為0.17°/。。
實施例2
1、 將粉碎的竹子粉末，用20目過篩后制成大小相對一致的竹子粉末。取 竹子粉末70kg置于帶有攪拌器、溫度計的熱解爐中，在轉(zhuǎn)速為400 r/mhi的低速 攪拌下，持續(xù)通入高溫水蒸氣進行熱處理，得到經(jīng)過熱處理的改性竹子粉料。 熱處理時間為lh，高溫水蒸氣溫度為340 °C 。
2、 取改性木粉粉料60kg，加入HDPE塑料50kg、油酸2 kg、聚乙烯蠟5 kg、 硅烷偶聯(lián)劑K560 1.5 kg、硬脂酸鋅1 kg，苯乙烯-丁二烯共聚物(SBS) 3 kg在 高速攪拌下混合均勻制成混合物料。攪拌機的轉(zhuǎn)速為6000 r/min，混合時間15 min。3、 將混合物料在雙螺桿擠出機中反應(yīng)擠出，混合物料在螺桿中的停留時間
為5 min。雙螺桿擠出機采用德國HAAKE公司的PTW-24，擠出機各段溫度為 165 。C、 170 。C、 180 。C、 185 。C、 185 。C、 185 。C。
4、 擠出的物料冷卻后，經(jīng)切粒機切粒得到粒料。分別按照國標 GB/T1040-1992、 GB/T9340-2000、 GB/T1043-1993、 GB/T1034-1998測試復(fù)合材 料的拉伸強度、彎曲強度和簡支梁沖擊強度以及復(fù)合材料的吸水性。復(fù)合材料 的拉伸強度為45MPa，彎曲強度為50MPa，沖擊強度為4.5 kJ/m2，吸水率為 0.37%。
實施例3
1、 將粉碎的麥秸粉末，用60目過篩后制成大小相對一致的麥秸粉末。取 麥秸粉末100kg置于帶有攪拌器、溫度計的熱解爐中，在轉(zhuǎn)速為400 r/min的低 速攪拌下，持續(xù)通入氮氣進行熱處理，得到經(jīng)過熱處理的改性麥秸粉料。熱處 理時間為20h，溫度為140 °C。
2、 取改性麥秸粉料60kg,加入PS (聚苯乙烯)塑料30kg、油酸5kg、聚 乙烯蠟4kg、鈦酸酉旨偶聯(lián)劑1.0kg、硬脂酸鋅2kg，苯乙烯-丁二烯共聚物(SBS) 7kg在高速攪拌下混合均勻制成混合物料。攪拌機的轉(zhuǎn)速為8000r/min，混合時 間15 min。
3、 將混合物料在雙螺桿擠出機中反應(yīng)擠出，混合物料在螺桿中的停留時間 為5min。雙螺桿擠出機采用德國HAAKE公司的PTW-24，擠出機各段溫度為 155 。C、 160 。C、 165 。C、 165 。C、 165 。C、 165 。C。
4、 擠出的物料冷卻后，經(jīng)切粒機切粒得到粒料。分別按照國標 GB/T1040-1992、 GB/T9340-2000、 GB/T1043-1993、 GB/T1034-1998測試復(fù)合材 料的拉伸強度、彎曲強度和簡支梁沖擊強度以及復(fù)合材料的吸水性。復(fù)合材料 的拉伸強度為48MPa，彎曲強度為55MPa，沖擊強度為4.9 kJ/m2，吸水率為 0.32%。
權(quán)利要求
1、一種經(jīng)熱處理的植物纖維和塑料共混制備木塑復(fù)合材料的方法，首先是將植物纖維粉碎改性，再加入塑料、潤滑劑、增塑劑、穩(wěn)定劑、相容劑，在雙螺桿擠出機中反應(yīng)擠出，其特征是經(jīng)粉碎的植物纖維采用缺氧條件下進行熱處理，熱處理時間為0.5～24h，溫度為140～350℃。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種經(jīng)熱處理的植物纖維和塑料共混制備木塑復(fù)合 材料的方法，其特征是所述的缺氧條件是隔絕空氣條件、氮氣保護氣氛或 高溫水蒸氣氣氛中的一種或者他們之間的任意組合。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種經(jīng)熱處理的植物纖維和塑料共混制備木塑復(fù)合 材料的方法，其特征是所述的熱處理的優(yōu)選溫度范圍為1S0 25(TC。
全文摘要
本發(fā)明涉及木塑復(fù)合材料制備方法，具體涉及一種由經(jīng)過熱處理的植物纖維和塑料共混而成的木塑復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明通過下述方案實現(xiàn)將植物纖維粉碎，20～120目過篩制成植物纖維粉末。經(jīng)粉碎的植物纖維采用缺氧條件下進行熱處理，熱處理時間為0.5～24h，溫度為140～350℃，優(yōu)選溫度范圍為180～250℃。經(jīng)熱處理改性后的植物纖維與塑料、潤滑劑、增塑劑、穩(wěn)定劑、相容劑，在轉(zhuǎn)速為800～1000r/min的高速攪拌下混合均勻制成混合物料。將混合物料在雙螺桿擠出機中反應(yīng)擠出、切粒得到粒料或經(jīng)口模直接擠成制品。本發(fā)明所述的植物纖維粉末，經(jīng)過熱處理之后，減少了羥基數(shù)量，降低了親水性，降低了最終制品的吸水率，尺寸穩(wěn)定性得到提高。
文檔編號C08L97/02GK101580640SQ20091011203
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月23日
發(fā)明者丁富傳, 周發(fā)青, 李曉燕, 賴壽蓮, 陳清松 申請人:福建師范大學(xué)