專利名稱：兩步法增強植物纖維/高分子復合材料界面相容性的表面改性方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及木塑復合材料領(lǐng)域中植物纖維的表面改性的處理方法，具體說是一種先后采用有機多異氰酸酯、含活潑氫的有機長鏈化合物對植物纖維進行改性，使其表面由親水性變?yōu)橛H油性的改性方法，從而改善植物纖維與高分子材料的界面相容性。
背景技術(shù)：
當代社會，人口的膨脹和人們對物質(zhì)生活的更高追求，造成對森林資源和化石資源的過度開發(fā)，使得這兩類資源存儲量急劇減少。如何提高這兩類資源的利用率和尋找替代品成為國際社會廣泛關(guān)注的課題。木塑復合材料主要由植物纖維和聚合物樹脂組成。植物纖維可以是木、竹、藤、農(nóng)作物秸稈、稻殼、麻、蘆葦、椰殼、花生殼等可再生資源；聚合物樹脂可以使用新料也可以使用回收料。這極大地拓寬了木塑復合材料的原料來源，實現(xiàn)了可再生資源的有效利用與石油產(chǎn)品的循環(huán)利用，對緩解當前木材與石油資源緊缺，廢棄物回收利用困難，環(huán)境污染嚴重等亟待解決問題，具有十分重要的意義。此外，由于木塑復合材料兼具木材制品和塑料制品的優(yōu)點，已廣泛用于傳統(tǒng)塑料和木材使用的領(lǐng)域。然而，盡管發(fā)展木塑復合材料的意義重大，但它的開發(fā)與應(yīng)用也面臨著許多問題。 由于植物纖維表面含有大量的醇羥基和酚羥基，這些羥基易形成分子間或分子內(nèi)氫鍵，具有強極性和吸水性；而熱塑性聚合物表面一般為非極性或弱極性，當兩者復合時植物纖維在聚合物基體中的分散性不佳，易發(fā)生團聚，兩者相容性差，界面咬合力較弱。當材料受到外力作用時，應(yīng)力在界面處不能得到有效傳遞，容易發(fā)生界面脫粘使得材料發(fā)生破壞。因此，提高植物纖維與聚合物間的界面相容性，是制備木塑復合材料要解決的關(guān)鍵問題。國內(nèi)許多學者對如何提高植物纖維與聚合物基體的相容性進行了大量的研究，一般采取通過物理或化學的手段處理植物纖維或添加相容劑來改善纖維與基體之間的相容性，如采取堿處理、?；?、醚化植物纖維或添加硅烷偶聯(lián)劑、異氰酸酯偶聯(lián)劑、馬來酸酐接枝聚合物等作為相容劑，以期改善植物纖維與聚合物基體的相容性，但這些方法均有一些不足之處。如用堿處理植物纖維主要是通過溶解植物纖維中的果膠、木質(zhì)素等，增加植物纖維與聚合物基體的接觸面來提高界面咬合力，屬于物理機械咬合作用，對制品性能的提高有限；而且堿處理方法過程繁瑣，處理的廢液會對環(huán)境造成嚴重的污染，一般較少采用。接枝聚合物是目前研究最多的一類相容劑，其中以馬來酸酐接枝聚合物最為普遍。雖然使用馬來酸酐接枝聚合物作為相容劑的原理是基于馬來酸酐可與植物纖維上醇羥基和酚羥基發(fā)生酯化反應(yīng)，但是由于馬來酸酐接枝聚合物與植物纖維之間的酯化反應(yīng)是大分子間反應(yīng)， 反應(yīng)較為困難，現(xiàn)有資料并沒有明確充分的實驗事實證明酸酐基團與植物纖維發(fā)生了化學作用，因此它們之間的作用是物理的氫鍵作用還是化學結(jié)合還有待進一步的科學探索；而且由于馬來酸酐接枝聚合物接枝率較低，一般僅為0. 49Tl%，因此要達到處理目的，需要的馬來酸酐接枝聚合物用量較大。因此接枝聚合物作為相容劑使用首先要解決相容劑接枝率低的問題，但目前尚無好的解決方法。偶聯(lián)劑是一類處理效果較好的相容劑，但由于偶聯(lián)劑價格比較昂貴，限制了它在工業(yè)上的應(yīng)用。雖然有學者對以有機異氰酸酯作為相容劑做了一些研究，但由于多數(shù)多官能團的有機異氰酸酯與植物纖維反應(yīng)時，異氰酸酯官能團并未完全參與反應(yīng)，使得異氰酸酯的利用率不高；同時未參與反應(yīng)的異氰酸酯官能團會與空氣中的水發(fā)生反應(yīng)，又生成極性的脲基，這樣實際上對降低植物纖維的極性改性效果甚微。此外，多數(shù)學者研究的異氰酸酯偶聯(lián)劑的分子鏈比較短，與基體的相互作用較弱，對提高基體與植物纖維的相容性有限。

發(fā)明內(nèi)容
針對單一異氰酸酯處理植物纖維存在的問題，本發(fā)明采用兩步法處理植物纖維， 具體方案是先后使用有機多異氰酸酯化合物和含活潑氫的有機長鏈化合物，共同處理植物纖維。一方面，該方法利用有機多異氰酸酯可以與植物纖維快速發(fā)生反應(yīng)的高活性，有效減少植物纖維表面的極性基團，降低植物纖維親水性；另一方面，為防止未反應(yīng)的異氰酸酯吸潮而造成對降低極性的反動，同時為增加異氰酸酯鏈的長度以提高改性后的植物纖維與高分子基體的纏繞作用，在反應(yīng)的第二步加入含活潑氫的有機長鏈化合物，在異氰酸酯基團上進一步接上有機長鏈。通過兩步反應(yīng)，以有機多異氰酸酯和含活潑氫的有機長鏈化合物的復合處理，有效地降低了植物纖維的極性，提高了植物纖維與聚合物基團的相容性。這種處理方法目前尚無相關(guān)文獻和專利報道。本發(fā)明的目的是針對其它處理劑的不足，提供一種以有機多異氰酸酯和含活潑氫的有機長鏈化合物為改性劑，共同改性植物纖維的方法。為實現(xiàn)本發(fā)明的目的采用的技術(shù)方案如下 1、按重量份計的原料配方為
權(quán)利要求
1.一種兩步法增強植物纖維/高分子復合材料界面相容性的表面改性方法，其特征是1)按重量份計的原料配方樹脂100植物纖維原料5 60有機多異氰酸酯0. 05 3含活潑氫的有機長鏈化合物 0. 07 3. 75 ；2)改性方法將植物纖維原料進行粉碎制成粉體并加入到高速混合機中攪拌，2 3 min后常溫下緩慢加入經(jīng)稀釋劑稀釋的有機多異氰酸酯攪拌，15 40 min出料并移至另一溫度為 95 105 ！的高速混合機中；加入含活潑氫的有機長鏈化合物，混合15 40 min，得到復合改性的植物纖維；3)混合制備復合材料將樹脂和復合改性的植物纖維混合，雙螺桿擠出機中擠出、切粒，最后用注射成型機制得復合材料板材；或?qū)渲蛷秃细男缘闹参锢w維在雙輥開煉機上混煉，在壓力成型機上制備成所需的復合材料或復合板材。
2.根據(jù)權(quán)利要求1一種兩步法增強植物纖維/高分子復合材料界面相容性的表面改性方法，其特征是所述的植物纖維原料是指木材、竹子、藤、秸稈、稻殼、麻、蘆葦、椰殼、花生tJXi O
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種兩步法增強植物纖維/高分子復合材料界面相容性的表面改性方法，其特征是所述的植物纖維原料改性前，先進行粉碎，過20 400目篩，而后進行干燥。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩步法增強植物纖維/高分子復合材料界面相容性的表面改性方法，其特征是所述的有機多異氰酸酯是指含有異氰酸酯官能團(一NC0)數(shù)量2個或 3個的脂肪族或芳香族的有機多異氰酸酯。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種兩步法增強植物纖維/高分子復合材料界面相容性的表面改性方法，其特征是所述的脂肪族有機多異氰酸酯是指乙撐二異氰酸酯、丙撐二異氰酸酯、丁撐二異氰酸酯、硫醚二乙基二異氰酸酯、戊撐二異氰酸酯、己撐二異氰酸酯、六甲撐二異氰酸酯、β-甲基丁撐二異氰酸酯、ω，ω’-二丙基醚二異氰酸酯、ω，ω’-二丙基硫醚二異氰酸酯、庚撐二異氰酸酯、2，2_ 二甲基庚撐二異氰酸酯、3-甲氧基己撐二異氰酸酯、 辛烷撐二異氰酸酯、2，2，4-三甲基戊烷撐二異氰酸酯、2，2，4-三甲基己烷撐二異氰酸酯、 壬烷撐二異氰酸酯、癸烷撐二異氰酸酯、3- 丁氧基己撐二異氰酸酯、1，4- 丁二醇二丙基醚 ω, ω’-二異氰酸酯、十一烷撐二異氰酸酯、十二烷撐二異氰酸酯、十三烷撐二異氰酸酯、二己基硫醚ω，ω’-二異氰酸酯、鄰苯二甲撐二異氰酸酯、1，2-二甲基環(huán)己烷ω，ω’-二異氰酸酯、1，4-二甲基環(huán)己烷ω，ω’-二異氰酸酯、正丙基聯(lián)苯ω，ω ’ - 二異氰酸酯、1-ω -甲基異氰酸酯-2-ω -正丙基異氰酸酯-3-5- 二甲基環(huán)己烷、2，6- 二異氰酸酯甲基己酸酯、甲苯環(huán)己撐二異氰酸酯、4，4’ -雙(異氰酸酯環(huán)己基)甲烷、3-異氰酸酯甲基_3，5，5-三甲基環(huán)己基異氰酸酯或三苯基甲烷三異氰酸酯的一種或上述2 5種任意比例的混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種兩步法增強植物纖維/高分子復合材料界面相容性的表面改性方法，其特征是所述的芳香族有機多異氰酸酯是指對-苯二異氰酸酯、 間-苯二異氰酸酯、間苯二甲撐二異氰酸酯、1-氯_2，4-苯二異氰酸酯、2，4-甲苯二異氰酸酯、2，5-甲苯二異氰酸酯、2，6-甲苯二異氰酸酯、3，5-甲苯二異氰酸酯、1，3_ 二甲苯基-2，4- 二異氰酸酯、1，3- 二甲苯基-4，6- 二異氰酸酯、1，4- 二甲苯基-2，5- 二異氰酸酯、 1-乙基苯_2，4- 二異氰酸酯、1-異丙基苯_2，4- 二異氰酸酯、二乙基苯二異氰酸酯、二異丙基苯二異氰酸酯、1，4-萘二異氰酸酯、1，5-萘二異氰酸酯、2，6-萘二異氰酸酯、2，7-萘二異氰酸酯、1，1’ -聯(lián)苯_2，2’ 二異氰酸酯、聯(lián)苯_2，4’ 二異氰酸酯、聯(lián)苯_4，4’ 二異氰酸酯、 3，3’ - 二甲基聯(lián)苯-4，4’ 二異氰酸酯、3，3’ - 二甲氧基聯(lián)苯-4，4’ 二異氰酸酯、2-硝基聯(lián)苯-4，4’ 二異氰酸酯、二苯基二甲基甲烷_4，4’ 二異氰酸酯、二苯基甲烷_4，4’ - 二異氰酸酯、2，5，2’，5’-四甲基二苯基甲烷-4，4’ 二異氰酸酯、3，3’-二甲氧基二苯基甲烷-4，4’ 二異氰酸酯、3，3’- 二甲基二苯基甲烷-4，4’- 二異氰酸酯、4，4’- 二甲氧基二苯基甲烷-3，3’ 二異氰酸酯、2，2，-二甲基二苯基甲烷-4，4，二異氰酸酯或1-甲基苯_2，4，6-三異氰酸酯的一種或上述2 5種任意比例的混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兩步法增強植物纖維/高分子復合材料界面相容性的表面改性方法，其特征是所述的含活潑氫的有機長鏈化合物是指碳原子數(shù)目大于等于8小于 40的脂肪族一元羧酸、脂肪族一元醇、脂肪族一元伯胺或脂肪族一元仲胺。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的一種兩步法增強植物纖維/高分子復合材料界面相容性的表面改性方法，其特征是所述的脂肪族一元羧酸是指肉豆蔻酸、花生酸、山崳酸、月桂酸、 棕櫚酸、硬脂酸、油酸、亞油酸、月桂烯酸、肉豆蔻腦酸、巖芹酸、鰲肝油酸、介酸、亞麻酸、桐酸、花生四烯酸或花生五烯酸的一種或上述2 5種任意比例的混合物。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的一種兩步法增強植物纖維/高分子復合材料界面相容性的表面改性方法，其特征是所述脂肪族一元醇，是指正辛醇、正壬醇、正癸醇、正十一烷醇、 正十二烷醇、正十三烷醇、正十四烷醇、正十五烷醇、正十六烷醇、馬尬醇、正十八烷醇、正十九烷醇、正二十烷醇、正二十六烷醇、蜂花醇，棕櫚油醇，油醇，10- 二十烯-1-醇，二十三烷醇，二十四烷醇，二十五烷醇，二十六烷醇，二十八烷醇，三十烷醇，三十二烷醇，三十四烷醇，三十五烷醇，三十八烷醇的一種或上述2 5種任意比例的混合物。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的一種兩步法增強植物纖維/高分子復合材料界面相容性的表面改性方法，其特征是所述的脂肪族一元伯胺或脂肪族一元仲胺，是指辛烷基伯胺、 癸烷基伯胺、十二烷基伯胺、椰油烷基伯胺、十四烷基伯胺、十六烷基伯胺、棕櫚胺、十八烷基伯胺、牛脂胺、油胺、氫化牛脂基伯胺或9-十八烯胺的一種或上述2 5種任意比例的混合物。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兩步法增強植物纖維/高分子復合材料界面相容性的表面改性方法，其特征是所述的稀釋劑為丙酮、甲苯、二甲苯、環(huán)己酮、氯仿、四氯化碳或乙酸乙酯，稀釋倍數(shù)為15 20體積倍。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兩步法增強植物纖維/高分子復合材料界面相容性的表面改性方法，其特征是所述的混合制備復合材料，包括了制備木塑復合材料、木塑多層復合板材。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種增強植物纖維與高分子材料相容性的表面改性方法。其特征在于以100重量份樹脂計，將5～60重量份植物纖維原料，0.05～3重量份有機多異氰酸酯，0.07～3.75重量份含活潑氫的有機長鏈化合物先后經(jīng)過植物纖維原料的預(yù)處理，植物纖維的改性，混合和復合材料的制備等。本發(fā)明采用的處理植物纖維的方法是依次使用有機多異氰酸酯化合物和含活潑氫的有機長鏈化合物，共同處理植物纖維。一方面，可以快速發(fā)生反應(yīng)，減少植物纖維表面的極性基團，降低親水性；另一方面，為防止未反應(yīng)的異氰酸酯吸潮而造成對降低極性的反動，同時為增加異氰酸酯鏈的長度以提高改性后的植物纖維與高分子基體的纏繞作用。
文檔編號B32B27/18GK102417740SQ2011102969
公開日2012年4月18日 申請日期2011年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月8日
發(fā)明者朱德欽, 生瑜, 蘇曉芬, 鄒寅將 申請人:福建師范大學