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CN111363239A - 一种高韧性高强度的木塑复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种高韧性高强度的木塑复合材料及其制备方法 Download PDF

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CN111363239A CN202010228663.4A CN202010228663A CN111363239A CN 111363239 A CN111363239 A CN 111363239A CN 202010228663 A CN202010228663 A CN 202010228663A CN 111363239 A CN111363239 A CN 111363239A
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袁子鑫
孙航
殷小春
瞿金平
邹新良
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South China University of Technology SCUT
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Abstract

本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种高韧性高强度的木塑复合材料及其制备方法。该木塑复合材料，包括以下质量份的制备原料：木粉30～50份，高分子量聚乙烯11～20份，聚丙烯30～52份，界面改性剂2～10份。本发明以聚丙烯作为塑料基体的主要成分；以高分子量聚乙烯作为塑料基体的次要成分，具有增韧作用；以木粉作为填充物，可以提高木塑复合材料的强度；界面改性剂能够改善木粉和塑料基体间的界面结合，各组分协同作用，得到的木塑复合材料具有高韧性和高强度。本发明采用能够产生拉伸流场的挤出机制备木塑复合材料，在拉伸流场的作用下，高分子量聚乙烯和聚丙烯分子链沿流场方向取向，有利于提高木塑复合材料的韧性和强度。

Description

一种高韧性高强度的木塑复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种高韧性高强度的木塑复合材料及其制备方法。
背景技术
木塑复合材料由木粉等生物质、塑料和相应加工助剂复合而成，有着低成本、绿色可回收的优势，可替代塑料和原木，目前在包装、建筑家装、园林景观和车辆船舶领域应用颇多。
由于高强度的极性生物质原料和非极性塑料基体的不相容性，导致木塑复合材料的韧性不佳，限制了木塑复合材料的应用范围。加入橡胶等弹性体材料，能够有效提高木塑复合材料的韧性，但同时会导致木塑复合材料的强度下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高韧性高强度的木塑复合材料及其制备方法，本发明的木塑复合材料同时具备高韧性和高强度。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种高韧性高强度的木塑复合材料，包括以下质量份的制备原料：木粉30～50份，高分子量聚乙烯11～20份，聚丙烯30～52份，界面改性剂2～10份。
优选的，所述高分子量聚乙烯的粘均分子量为40～300万。
优选的，所述界面改性剂包括马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚丙烯和马来酸酐接枝三元乙丙橡胶中的一种或多种。
优选的，所述木粉的粒径为40～100目。
优选的，还包括抗氧剂，所述抗氧剂的质量为高分子量聚乙烯质量的0.1～0.3％。
优选的，所述抗氧剂为抗氧剂1010、1076、168、264、1098、B215、B225、DLTP、DSTP或TNPP。
本发明提供了上述方案所述木塑复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将各制备原料进行混合，得到混合料；
采用挤出机对所述混合料进行挤出，得到木塑复合材料；所述挤出机为能够产生拉伸流场的挤出机。
优选的，所述混合的转速为500～1000rpm，时间为10～20min。
优选的，所述挤出机为偏心转子挤出机或双螺杆挤出机。
优选的，所述挤出后，还包括对挤出料进行成型。
本发明提供了一种高韧性高强度的木塑复合材料，包括以下质量份的制备原料：木粉30～50份，高分子量聚乙烯11～20份，聚丙烯30～52份，界面改性剂2～10份。本发明以聚丙烯作为塑料基体的主要成分；以高分子量聚乙烯作为塑料基体的次要成分，具有增韧作用；以木粉作为填充物，可以提高木塑复合材料的强度；界面改性剂能够改善木粉和塑料基体之间的界面结合，各组分协同作用，得到的木塑复合材料具有高韧性和高强度。
本发明提供了所述木塑复合材料的制备方法，包括以下步骤：将各制备原料进行混合，得到混合料；采用挤出机对所述混合料进行挤出，得到木塑复合材料；所述挤出机为能够产生拉伸流场的挤出机。
本发明采用能够产生拉伸流场的挤出机对混合料进行挤出，在拉伸流场的作用下，高分子量聚乙烯和聚丙烯分子链沿流场方向取向，结晶度随之增大，塑料基体(指高分子量聚乙烯和聚丙烯)的分子链取向和高结晶度有利于提高木塑复合材料的强度；在拉伸流场的作用下，高分子量聚乙烯在聚丙烯中均匀分散，有着更小的粒径尺寸，高分子量聚乙烯和聚丙烯分子链间的相互扩散增强，两者之间的界面面积增大，界面厚度加厚，界面结合加强，有利于高韧性的高分子量聚乙烯在木塑复合材料中发挥增韧作用。同时，拉伸流场还促进了聚丙烯分子链对于木粉的包裹，木粉和聚丙烯的界面粘附加强，有利于提高木塑复合材料的韧性和强度。
此外，相比现有技术通过碱处理、乙酰化等化学处理改善生物质原料和塑料基体的相容性，达到提高木塑复合材料韧性的目的(化学处理有着步骤繁琐的弊端)，本发明的制备方法更加简单高效。
附图说明
图1为实施例1制备的木塑复合材料中塑料基体取向的二维广角X射线衍射图片；
图2为实施例1制备的木塑复合材料的液氮淬断面扫描电镜图片；
图3为实施例1制备的木塑复合材料的冲击断面扫描电镜图片。
具体实施方式
本发明提供了一种高韧性高强度的木塑复合材料，包括以下质量份的制备原料：木粉30～50份，高分子量聚乙烯11～20份，聚丙烯30～52份，界面改性剂2～10份。
在本发明中，未经特殊说明，所用原料均为本领域熟知的市售商品。
以质量份数计，本发明提供的高韧性高强度的木塑复合材料的制备原料包括木粉30～50份，优选为35～40份，更优选为40份。在本发明中，所述木粉的粒径优选为40～100目，更优选为50～90目，进一步优选为60～80目。本发明对所述木粉的种类没有特殊要求，在本发明的实施例中，具体采用桉木粉。在本发明中，所述木粉作为填充物可以提高木塑复合材料的强度。
以所述木粉的质量份数为基准，本发明提供的高韧性高强度的木塑复合材料的制备原料包括高分子量聚乙烯11～20份，优选为11～18份，更优选为13～17份。在本发明中，所述高分子量聚乙烯的粘均分子量优选为40～300万，更优选为80～200万，进一步优选为80～150万，最优选为80万。在本发明中，所述高分子量聚乙烯作为塑料基体的组成部分，具有增韧作用。本发明采用上述粘均分子量的聚乙烯有利于提高木塑复合材料的韧性。
以所述木粉的质量份数为基准，本发明提供的高韧性高强度的木塑复合材料的制备原料包括聚丙烯30～52份，优选为33～50份，更优选为35～48份。在本发明中，所述聚丙烯作为塑料基体的主要成分。
以所述木粉的质量份数为基准，本发明提供的高韧性高强度的木塑复合材料的制备原料包括界面改性剂2～10份，优选为4～8份，更优选为5～6份。在本发明中，所述界面改性剂优选包括马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚丙烯和马来酸酐接枝三元乙丙橡胶中的一种或多种。当包括上述物质中的多种时，本发明对各物质的配比没有特殊要求，任意配比均可。本发明所述界面改性剂能够改善木粉和塑料基体之间的界面结合。
优选的，本发明提供的高韧性高强度的木塑复合材料的制备原料还包括抗氧剂，所述抗氧剂的质量优选为高分子量聚乙烯质量的0.1～0.3％。在本发明中，所述抗氧剂优选为抗氧剂1010、1076、168、264、1098、B215、B225、DLTP、DSTP或TNPP。
本发明提供了上述方案所述木塑复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将各制备原料进行混合，得到混合料；
采用挤出机对所述混合料进行挤出，得到木塑复合材料；所述挤出机为能够产生拉伸流场的挤出机。
本发明将各制备原料进行混合，得到混合料。在本发明中，所述混合的转速优选为500～1000rpm，更优选为600～900rpm；混合的时间优选为10～20min，更优选为15～20min。在本发明中，所述混合优选在高速混合机中进行。
得到混合料后，本发明采用挤出机对所述混合料进行挤出，得到木塑复合材料。在本发明中，所述挤出机为能够产生拉伸流场的挤出机，优选为偏心转子挤出机或双螺杆挤出机，更优选为偏心转子挤出机。当采用偏心转子挤出机时，从加料到模头加热段各段温度依次优选为130～150℃、190～210℃、190～210℃；加工转速优选为15～30rpm。当采用双螺杆挤出机时，从加料到模头加热段各段温度依次优选为80～130℃、100～160℃、120～190℃、180～210℃、180～210℃、180～210℃。
本发明采用能够产生拉伸流场的挤出机对混合料进行挤出，在拉伸流场的作用下，高分子量聚乙烯和聚丙烯分子链沿流场方向取向，结晶度随之增大，塑料基体(指高分子量聚乙烯和聚丙烯)的分子链取向和高结晶度有利于提高木塑复合材料的强度；在拉伸流场的作用下，高分子量聚乙烯在聚丙烯中均匀分散，有着更小的粒径尺寸，高分子量聚乙烯和聚丙烯分子链间的相互扩散增强，两者之间的界面面积增大，界面厚度加厚，界面结合加强，有利于高韧性的高分子量聚乙烯在木塑复合材料中发挥增韧作用。同时，拉伸流场还促进了聚丙烯分子链对于木粉的包裹，木粉和聚丙烯的界面粘附加强，有利于提高木塑复合材料的韧性和强度。
所述挤出后，本发明优选将挤出得到的材料进行成型，得到木塑复合材料制品。本发明对所述成型的方式没有特殊要求，采用本领域熟知的成型方式即可，具体的可以为但不局限于模压成型、挤出成型、注射成型。
下面结合实施例对本发明提供的高韧性高强度的木塑复合材料及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
下列实施例采用的木粉为市售桉木粉，粒径尺寸80目；采用的高分子量聚乙烯购自上海联乐化工科技有限公司，型号2080和2020，其中型号2080粘均分子量为80万，型号2020粘均分子量为200万；采用的聚丙烯购自台湾化学纤维股份有限公司，型号为K7005AG；采用的马来酸酐接枝聚丙烯购自美国陶氏杜邦有限责任公司，型号Fusabond P353；采用的三元乙丙橡胶购自美国陶氏杜邦有限责任公司，型号NORDEL IP 3720P；采用的马来酸酐接枝三元乙丙橡胶购自美国陶氏杜邦有限责任公司，型号FusabondN416；采用的抗氧剂1010购自德国巴斯夫股份公司。
实施例1
制备原料：以质量份数计，桉木粉40份、高分子量聚乙烯11份(型号2080)、聚丙烯44份、马来酸酐接枝聚丙烯5份、抗氧剂1010用量是高分子量聚乙烯质量的0.1％；
将桉木粉、高分子量聚乙烯、聚丙烯、马来酸酐接枝聚丙烯和抗氧剂1010使用高速混合机混合，高速混合机转速500rpm，室温下混合时间15分钟；
将混合后的原料使用偏心转子挤出机挤出，偏心转子挤出机的从加料到模头加热段各段温度依次为150℃、200℃、200℃，偏心转子挤出机的转速设置为30rpm，得到块状料；
将上述块状料用热压机模压成型，得到木塑复合材料。
图1为实施例1制备的木塑复合材料中塑料基体取向的二维广角X射线衍射图片；图1显示，木塑复合材料中的塑料基体存在明显取向，有利于提高木塑复合材料的强度。
图2为实施例1制备的木塑复合材料的液氮淬断面扫描电镜图片；由图2可知，木粉和塑料基体的界面结合良好。
图3为实施例1制备的木塑复合材料的冲击断面扫描电镜图片，由图3可知，木塑复合材料断裂时塑料发生了韧性变形，有利于木塑复合材料韧性的提高。
实施例2
制备原料：以质量份数计，桉木粉40份、高分子量聚乙烯16.5份(型号2080)、聚丙烯38.5份、马来酸酐接枝聚丙烯5份、抗氧剂1010用量是高分子量聚乙烯质量的0.1％；
将桉木粉、高分子量聚乙烯、聚丙烯、马来酸酐接枝聚丙烯和抗氧剂1010使用高速混合机混合，高速混合机转速500rpm，室温下混合时间15分钟；
将混合后的原料使用偏心转子挤出机挤出，偏心转子挤出机的从加料到模头加热段各段温度依次为150℃、200℃、200℃，偏心转子挤出机的转速设置为30rpm，得到块状料；
将上述块状料用热压机模压成型，得到木塑复合材料。
实施例3
制备原料：以质量份数计，桉木粉30份、高分子量聚乙烯13份(型号2080)、聚丙烯52份、马来酸酐接枝聚丙烯5份、抗氧剂1010用量是高分子量聚乙烯质量的0.1％；
将桉木粉、高分子量聚乙烯、聚丙烯、马来酸酐接枝聚丙烯和抗氧剂1010使用高速混合机混合，高速混合机转速500rpm，室温下混合时间15分钟；
将混合后的原料使用偏心转子挤出机挤出，偏心转子挤出机的从加料到模头加热段各段温度依次为150℃、200℃、200℃，偏心转子体积脉动形变塑化输运加工装置的转速设置为30rpm，得到块状料；
将上述块状料用热压机模压成型，得到木塑复合材料。
实施例4
制备原料：以质量份数计，桉木粉40份、高分子量聚乙烯11份(型号2020)、聚丙烯44份、马来酸酐接枝聚丙烯5份、抗氧剂1010用量是高分子量聚乙烯质量的0.1％；
将桉木粉、高分子量聚乙烯、聚丙烯、马来酸酐接枝聚丙烯和抗氧剂1010使用高速混合机混合，高速混合机转速500rpm，室温下混合时间15分钟；
将混合后的原料使用偏心转子挤出机挤出，偏心转子挤出机的从加料到模头加热段各段温度依次为150℃、200℃、200℃，偏心转子挤出机的转速设置为30rpm，得到块状料；
将上述块状料用热压机模压成型，得到木塑复合材料。
实施例5
制备原料：以质量份数计，桉木粉40份、高分子量聚乙烯11份(型号2080)、聚丙烯44份、马来酸酐接枝聚丙烯5份、抗氧剂1010用量是高分子量聚乙烯质量的0.1％；
将桉木粉、高分子量聚乙烯、聚丙烯、马来酸酐接枝聚丙烯和抗氧剂1010等使用高速混合机混合，高速混合机转速500rpm，室温下混合时间15分钟；
将混合后的原料使用双螺杆挤出机加工，从加料到模头加热段各段温度依次为120℃、135℃、160℃、190℃、190℃、185℃，转速80rpm，得到粒状料；
将上述粒状料用热压机模压成型，得到木塑复合材料。
实施例6
制备原料：以质量份数计，桉木粉40份、高分子量聚乙烯11份(型号2020)、聚丙烯44份、马来酸酐接枝聚丙烯5份、抗氧剂1010用量是高分子量聚乙烯质量的0.1％份；
将桉木粉、高分子量聚乙烯、聚丙烯、马来酸酐接枝聚丙烯和抗氧剂1010等使用高速混合机混合，高速混合机转速500rpm，室温下混合时间15分钟；
将混合后的原料使用双螺杆挤出机加工，从加料到模头加热段各段温度依次为120℃、135℃、160℃、190℃、190℃、185℃，转速80rpm，得到粒状料；
将上述粒状料用热压机模压成型，得到木塑复合材料。
对比例1
本对比例提供的木塑复合材料由以下方法制备而得：
制备原料：以质量份数计，桉木粉40份、高分子量聚乙烯11份(型号2080)、聚丙烯44份、马来酸酐接枝聚丙烯5份、抗氧剂1010用量是高分子量聚乙烯质量的0.1％；
将桉木粉、高分子量聚乙烯、聚丙烯、马来酸酐接枝聚丙烯和抗氧剂1010使用高速混合机混合，高速混合机转速500rpm，室温下混合时间15分钟；
将混合后的原料使用密炼机混练，密炼机温度设置为190℃，密炼机转速60rpm，密炼时间8min，得到块状料；
将上述块状料用热压机模压成型，得到木塑复合材料。
对比例2
本对比例提供的常规的木塑复合材料由以下方法制备而得：
制备原料：以质量份数计，桉木粉40份、聚丙烯40份、三元乙丙橡胶15份、马来酸酐接枝聚丙烯5份；
将桉木粉、聚丙烯、三元乙丙橡胶和马来酸酐接枝聚丙烯使用高速混合机混合，高速混合机转速500rpm，室温下混合时间15分钟；
将混合后的原料使用双螺杆挤出机加工，从加料到模头加热段各段温度依次为120℃、135℃、160℃、190℃、190℃、185℃，转速80rpm，得到粒状料；
将上述粒状料用热压机模压成型，得到木塑复合材料。
对比例3
本对比例提供的常规的木塑复合材料由以下方法制备而得：
制备原料：以质量份数计，桉木粉40份、聚丙烯45份、马来酸酐接枝三元乙丙橡胶15份；
将桉木粉、聚丙烯和马来酸酐接枝三元乙丙橡胶使用高速混合机混合，高速混合机转速500rpm，室温下混合时间15分钟；
将混合后的原料使用双螺杆挤出机加工，从加料到模头加热段各段温度依次为120℃、135℃、160℃、190℃、190℃、185℃，转速80rpm，得到粒状料；
将上述粒状料用热压机模压成型，得到木塑复合材料。
性能测试
对实施例1～6和对比例1～3制备的木塑复合材料进行测试，其中，拉伸强度参照《GB/T 1040.2塑料拉伸性能的测定第2部分：模塑和挤塑塑料的试验条件》测定，弯曲强度和弯曲模量参照《GB/T 9341-2008塑料弯曲性能的测定》，冲击强度参照《GB/T1843塑料悬臂梁冲击强度的测定》进行测定，具体的测试结果见表1。
表1实施例和对比例制备的木塑复合材料的性能测试结果
Figure BDA0002428532170000091
由表1可知，相比于其他加工方式加工的木塑复合材料(对比例1)以及其他弹性体增韧木塑复合材料(对比例2～3)，本发明提供的方法获得木塑复合材料有着更好的强度，且兼具良好的韧性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高韧性高强度的木塑复合材料，其特征在于，包括以下质量份的制备原料：木粉30～50份，高分子量聚乙烯11～20份，聚丙烯30～52份，界面改性剂2～10份。
2.根据权利要求1所述的木塑复合材料，其特征在于，所述高分子量聚乙烯的粘均分子量为40～300万。
3.根据权利要求1所述的木塑复合材料，其特征在于，所述界面改性剂包括马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚丙烯和马来酸酐接枝三元乙丙橡胶中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的木塑复合材料，其特征在于，所述木粉的粒径为40～100目。
5.根据权利要求1～4任一项所述的木塑复合材料，其特征在于，还包括抗氧剂，所述抗氧剂的质量为高分子量聚乙烯质量的0.1～0.3％。
6.根据权利要求5所述的木塑复合材料，其特征在于，所述抗氧剂为抗氧剂1010、1076、168、264、1098、B215、B225、DLTP、DSTP或TNPP。
7.权利要求1～6任一项所述木塑复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将各制备原料进行混合，得到混合料；
采用挤出机对所述混合料进行挤出，得到木塑复合材料；所述挤出机为能够产生拉伸流场的挤出机。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述混合的转速为500～1000rpm，时间为10～20min。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述挤出机为偏心转子挤出机或双螺杆挤出机。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述挤出后，还包括对挤出料进行成型。
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