專利名稱：一種木塑復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種塑料復(fù)合材料，進一步的說，是涉及一種由木質(zhì)纖維和回收塑料共混而成的復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
木塑復(fù)合材料，可以廣泛應(yīng)用在包裝、建筑等行業(yè)，與木材相比，還具有容易加工、強度高、防腐、防蟲、防濕、使用壽命長、可以重復(fù)使用等優(yōu)點。
利用木質(zhì)纖維填充改性塑料，國外有所研究，如日本有名的“愛因木”就是該類產(chǎn)品，加拿大的協(xié)德公司也開發(fā)了類似的塑木制品(采用擠出或壓制工藝成型)；奧地利辛辛那提公司及PPT模具公司也開發(fā)出各種板材塑木制品。國內(nèi)有關(guān)此的研究也已經(jīng)展開，唐山塑料研究所、國防科技大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)、北京化工大學(xué)、北汽福田以及無錫、杭州、蒙城的企業(yè)進行了木塑復(fù)合材料以及加工設(shè)備的研究。
雖然現(xiàn)有技術(shù)中對木塑復(fù)合材料有一些前期的研究，但是木塑復(fù)合材料的瓶頸問題例如木塑復(fù)合材料的性能、木塑復(fù)合材料的擠出速度以及木塑復(fù)合材料擠出工藝的適應(yīng)性等很難解決。木塑復(fù)合材料特別是高份額填充的材料，由于木質(zhì)與塑料之間的相容性不好，一般都導(dǎo)致復(fù)合材料性能低的缺點；而且由于木塑復(fù)合材料獨特的流變特性以及傳熱難的特點，致使木塑制品的擠出速度很慢，容易產(chǎn)生加工問題。
隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，一方面，各種塑料制品大量的使用，廢舊塑料垃圾遍布全球，對人類居住的環(huán)境造成了極大的污染；另一方面，大量的森林被砍伐，造成了水土流失以及生態(tài)環(huán)境的破壞。如何解決白色污染、節(jié)約森林資源是擺在人們面前的一大課題。將木質(zhì)纖維或植物纖維填充回收的塑料，經(jīng)專用機器擠出、壓制或注塑成型，制成的制品可以替代木材制品，既解決了白色污染問題，又節(jié)約了森林資源，有利于生態(tài)環(huán)境的保護。
因此從環(huán)保以及經(jīng)濟的角度，使用木質(zhì)纖維填充廢舊塑料的意義和前景更可觀，但是由于廢舊塑料的混雜特點，致使該種木塑復(fù)合材料的生產(chǎn)過程以及產(chǎn)品質(zhì)量更容易發(fā)生波動。
專利號為JP 57187392的日本專利，提供了一種由交聯(lián)聚烯烴碎屑和木屑以及黏合劑共混而得到的木質(zhì)纖維填充塑料燃料。其目的是為了使聚烯烴回收料及廢木屑可以作為燃料再利用。所使用的黏合劑可選自氧茚樹脂、萜烯樹脂及低分子量丁基橡膠等，該發(fā)明可制成有一定形狀的便于運輸和使用的燃料。此種塑料燃料無需對材料的物機性能及擠出成型的加工性有要求。
公開號為CN 1255427A的中國專利申請?zhí)峁┝艘环N由木粉增強的塑料復(fù)合板材。是將聚丙烯、少量聚乙烯與木粉、紙屑以及熱熔粘合劑熔融共混擠出或壓延而得。所謂熱熔粘合劑是聚丙烯與極性單體(如順丁烯二酸酐等)的接枝物。該專利申請并不使用回收塑料，在塑料中加入木粉是為了提高塑料板材的強度。其中熱熔粘合劑的獲得還需要預(yù)先的接枝工藝，制備方法及操作工藝較復(fù)雜，成本高。公開號為CN 1257890A的中國專利申請也提供了類似的一種由木粉增強聚丙烯的復(fù)合材料。也使用聚丙烯的接枝物作為木粉和聚丙烯的偶聯(lián)劑。此外還加入常規(guī)的加工助劑，選自聚乙烯蠟、氯化聚乙烯、氧化聚乙烯、氧化聚丙烯、氯化石蠟中的一種或幾種，以提高木粉的流動性。
公開號為CN 1204656A的中國專利申請?zhí)峁┝艘环N木質(zhì)纖維和廢舊塑料的共混物。該發(fā)明使用低聚體聚合物包覆木粉，提高木粉與廢舊塑料的親和力。低聚體聚合物選自乙烯石蠟或無規(guī)聚丙烯或氯化聚乙烯。該專利未提供有關(guān)復(fù)合材料的物機性能和加工性能的數(shù)據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明人考慮到環(huán)保及經(jīng)濟等因素，利用木質(zhì)纖維和廢舊的回收塑料制備復(fù)合材料。為了充分回收利用廢舊塑料，本發(fā)明所使用的塑料為回收塑料或其混合物，因此制備該種復(fù)合材料不僅面臨上述現(xiàn)有技術(shù)中遇到的問題，還存在著廢舊塑料之間相容性差的問題。為了解決這些問題，發(fā)明人對木塑復(fù)合材料的配方作大量的研究和改進，通過加入改善塑料與塑料、塑料與木質(zhì)纖維之間相容性的助劑，不僅能提高材料的力學(xué)性能，還能提高加工性能以及加工的適應(yīng)性。使得本發(fā)明的木塑復(fù)合材料不僅在強度及韌性方面大大提高，在成型加工過程中，擠出速率至少提高50％以上。大大提高了木塑復(fù)合材料的生產(chǎn)效率及應(yīng)用前景。
本發(fā)明提供了一種由木質(zhì)纖維填充改型廢舊塑料的木塑復(fù)合材料；本發(fā)明還提供了該木塑復(fù)合材料的制備方法；此外，本發(fā)明更進一步提供了該種木塑復(fù)合材料的用途。
本發(fā)明的一種木塑復(fù)合材料，包含有以下組分a.塑料；b.木質(zhì)纖維；c.樹脂相容劑。
以上所述組分中木質(zhì)纖維與塑料的重量份數(shù)比為100∶100～250∶100；其中塑料為熱塑性塑料的回收料，該回收料一般為多種塑料的混合物。本發(fā)明所述的回收塑料主要包括以下物質(zhì)的一種或一種以上聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、丙稀腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS)。這些物質(zhì)占回收塑料總重量的80％以上。
在本發(fā)明的木塑復(fù)合材料的組分中加入樹脂相容劑可提高回收塑料多組分之間的相容性，以利于改善力學(xué)性能和加工性能。樹脂相容劑與塑料總重量的重量份數(shù)比為2∶100～15∶100，優(yōu)選為5∶100～10∶100。樹脂相容劑由乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)、丙烯酸或丙烯酸酯的聚合物和氯化聚乙烯三者的混合物組成，其中EVA用量為三者總重量的20～80％，丙烯酸或丙烯酸酯的聚合物與氯化聚乙烯的重量比為1∶3～3∶1。丙烯酸或丙烯酸酯的聚合物可選自乙烯-丙烯酸共聚物(EAA)、聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯酸丁酯(PBA)、聚丙烯酸乙酯(PEA)、聚甲基丙烯酸(PMAA)、聚丙烯酸甲酯(PMA)，優(yōu)選為乙烯-丙烯酸共聚物(EAA)。
本發(fā)明所述的木質(zhì)纖維包括鋸末、木粉及其它木質(zhì)植物的莖葉、桿、種殼等粉碎后的纖維。其纖維的平均粒徑優(yōu)選為20目以上，含水量優(yōu)選在5％以下。
本發(fā)明的木塑復(fù)合材料，其組分中還包括加入增強填充劑。在此，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、滑石粉等，還包括粉煤灰和/或工業(yè)礦渣等，優(yōu)選粉煤灰和/或工業(yè)礦渣。粉煤灰及工業(yè)礦渣的平均粒徑應(yīng)為2～120μm，優(yōu)選為2～30μm。粉煤灰和/或工業(yè)礦渣作為增強填充劑時，與木塑復(fù)合材料中塑料的重量份數(shù)比為5∶100～20∶100，優(yōu)選為10∶100～15∶100。利用粉煤灰和或工業(yè)礦渣作為木塑復(fù)合材料的增強填充劑，可大大提高木塑復(fù)合材料的硬度、抗彎強度。而且對粉煤灰及工業(yè)礦渣的廢物利用，不僅有利于環(huán)保，還能大大降低木塑復(fù)合材料的成本，是很可取的變廢為寶的一個措施。
此外，本發(fā)明的木塑復(fù)合材料中還可以加入通常的一些加工助劑，如萜烯樹脂、脂肪酸及其鹽類、白油等，作為木質(zhì)纖維增粘劑，可提高木質(zhì)纖維的粘著性，有利于加工性的改善，利于材料致密，木質(zhì)纖維均勻分布。
木塑復(fù)合材料中除了可以加入木質(zhì)纖維增粘劑外，還可以通常用量加入塑料加工改性中通常用到的增濕劑、表面活性劑等改善木質(zhì)纖維表面活性及加工性的助劑。其中增濕劑包括對苯二甲酸乙二辛酯(DOP)及液體石蠟等。表面活性劑包括硬脂酸類化合物、鈦酸酯偶聯(lián)劑及硅烷偶聯(lián)劑等。
除上所述，根據(jù)加工需要，在本發(fā)明的木塑復(fù)合材料的組分中還可以適量加入塑料加工的常規(guī)助劑，如抗氧劑、增韌劑、阻燃劑和發(fā)泡劑等。
本發(fā)明所述的木塑復(fù)合材料的制備方法，是將以上所述的組分包括塑料、木質(zhì)纖維、樹脂相容劑及木質(zhì)纖維增粘劑等通過塑料加工中通用的熔融共混方法而制得所述的木塑復(fù)合材料。
具體方法是將上述組分按配比先進行預(yù)混，使用的設(shè)備為通常塑料加工中所用的混料設(shè)備，如高速混合機、捏合機等。預(yù)混時可以視物料情況適當(dāng)加溫，此混合溫度一般應(yīng)低于100℃。將預(yù)混后的物料使用通用的橡塑共混設(shè)備進行熔融共混，再經(jīng)過擠出造粒等步驟而得到本發(fā)明所述的木塑復(fù)合材料。物料的共混溫度即為配方中所用塑料的通用的加工溫度，在既保證基體熱塑性塑料完全熔融又不會使其分解的范圍內(nèi)選擇，一般在140～220℃之間。大部分回收塑料以聚烯烴為主，如果聚乙烯含量高，共混溫度要偏低一些，在140～160℃之間；如果聚丙烯含量高，共混溫度要偏高些，在160～220℃之間。共混設(shè)備為橡塑加工業(yè)中的通用共混設(shè)備，可以是雙螺桿擠出機、單螺桿擠出機、開煉機及密煉機等。
本發(fā)明所述的木塑復(fù)合材料，及通過本發(fā)明所述的方法而得到的木塑復(fù)合材料，可以通過如熱壓成型、注塑成型及擠出成型等通常的塑料制品成型方法，而制備木塑復(fù)合材料的制品。這些制品可包括建材、裝飾材料、發(fā)泡材料、板材、包裝材料、玩具、汽車零件等。此外還可以用來制造木塑井蓋、枕木、地板、路標(biāo)、花池等。也可以應(yīng)用于制鞋業(yè)。
本發(fā)明的木塑復(fù)合材料的優(yōu)點為具有較高的抗彎強度、硬度、耐磨及耐老化性能。兼負木材及熱塑性塑料的一些性能。如該種木塑復(fù)合材料可釘可刨可鋸，易于安裝，在許多場合可代替木材；同時又具有熱塑性，易于加工成型。在成型加工過程中，本發(fā)明的木塑復(fù)合材料的擠出速率比普通木塑材料至少提高50％以上。大大提高了木塑復(fù)合材料的生產(chǎn)效率及應(yīng)用前景。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例進一步描述本發(fā)明，本發(fā)明的范圍不受這些實施例的限制。本發(fā)明的范圍在權(quán)利要求書中提出。
在以下實施例中，木質(zhì)纖維為粒徑為50目，水分含量1.5％的木粉，由北京市天壇家具廠提供；EAA由美國道化學(xué)公司(Dow Chemical)生產(chǎn)，牌號3310；氯化聚乙烯牌號CPE-36，山東濰坊化工廠生產(chǎn)；EVA牌號5-0.3，北京有機化工廠生產(chǎn)；粉煤灰由首鋼電廠提供；其余原料均為市售產(chǎn)品。
實施例1將木粉、廢舊塑料(PP含量達80％重量以上的回收料)、加工助劑、相容劑按照比例，在高速攪拌器中混合均勻，混合溫度為100℃，高速攪拌5分鐘。將一部分混合料采用德國WP公司的ZSK-25雙螺桿擠出機共混造粒，擠出機各段溫度分別為170℃、180℃、180℃、180℃、180℃和180℃(機頭溫度)。粒料經(jīng)壓制法制成標(biāo)準(zhǔn)樣條，進行各項力學(xué)性能測試。將另一部分混合料，在國產(chǎn)雙螺桿擠出機上擠出型材，使用通用模具，用以測試擠出速度。螺桿各段溫度是185/190/195/195℃，機頭各段溫度185/185/1858/185℃。電流16.3A，轉(zhuǎn)矩66％，擠出速度1700mm/min。如果不添加加工助劑，速度只有1000mm/min左右，添加了加工助劑，速度提高了70％。配方、測試標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果如表1所示，各組分均以重量份數(shù)計。
實施例2～3除加入粉煤灰(平均粒徑為100μm)作為填充劑外，其余組分及條件同實施例1。經(jīng)擠出造粒，粒料經(jīng)壓制法制成標(biāo)準(zhǔn)樣條，進行各項力學(xué)性能測試；同時也通過擠出成型以測試擠出速度。配方、測試標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果如表1所示，各組分均以重量份數(shù)計。
可以看到，加入了粉煤灰，材料的懸臂梁缺口沖擊強度略有下降，彎曲強度、彎曲彈性模量及熱變形溫度都得到提高。
實施例4將木粉、廢舊塑料(PE含量達80％重量以上的回收料)、加工助劑、相容劑按照比例，在高速攪拌器中混合均勻，混合溫度為90℃，高速攪拌5分鐘。將一部分混合料采用德國WP公司的ZSK-25雙螺桿擠出機共混造粒，擠出機各段溫度分別為115℃、130℃、135℃、135℃、140℃和140℃(機頭溫度)。粒料經(jīng)壓制法制成標(biāo)準(zhǔn)樣條，進行各項力學(xué)性能測試。將另一部分混合料在國產(chǎn)雙螺桿擠出機上擠出型材，使用通用模具，用以測試擠出速度。螺桿各段溫度是135/140/145/148℃，機頭各段溫度148/148/148/148℃。電流15.2A，轉(zhuǎn)矩63％，擠出速度1320mm/min。如果不添加相容劑，速度只有800mm/min左右，添加了加工助劑，速度提高了60％。配方、測試標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果如表1所示，各組分均以重量份數(shù)計。
實施例5將木粉、廢舊塑料(聚丙烯、聚乙烯及聚氯乙稀混合含量達80％以上的回收料)、加工助劑、樹脂相容劑按照比例，在高速攪拌器中混合均勻，混合溫度為90℃，高速攪拌5分鐘。將一部分混合料采用德國WP公司的ZSK-25雙螺桿擠出機共混造粒，擠出機各段溫度分別為130℃、150℃、160℃、160℃、160℃和160℃(機頭溫度)。粒料經(jīng)注塑法制成標(biāo)準(zhǔn)樣條，進行各項力學(xué)性能測試。將另一部分混合料在國產(chǎn)雙螺桿擠出機上擠出型材，使用通用模具，用以測試擠出速度。螺桿各段溫度是165/170/175/175℃，機頭各段溫度170/170/170/170℃，電流16.6A，轉(zhuǎn)矩61％，擠出速度1510mm/min。如果不添加相容劑，速度只有900mm/min左右，添加了加工助劑，速度提高了70％。配方、測試標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果如表1所示，各組分均以重量份數(shù)計。
實施例6將廢舊塑料(同實施例5)、木粉、加工助劑、相容劑按照比例，在高速攪拌器中混合均勻，混合溫度為90℃，高速攪拌5分鐘。將一部分混合料采用德國WP公司的ZSK-25雙螺桿擠出機共混造粒，擠出機各段溫度分別為130℃、150℃、160℃、160℃、160℃和160℃(機頭溫度)。粒料經(jīng)注塑法制成標(biāo)準(zhǔn)樣條，進行各項力學(xué)性能測試。將另一部分混合料在國產(chǎn)雙螺桿擠出機上擠出型材，使用通用模具，用以測試擠出速度。螺桿各段溫度是165/170/175/175℃，機頭各段溫度170/170/170/170℃，電流16.6A，轉(zhuǎn)矩61％，擠出速度1590mm/min。如果不添加相容劑，速度只有900mm/min左右，添加了加工助劑，速度提高了75％。配方、測試標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果如表1所示，各組分均以重量份數(shù)計。
實施例7將廢舊塑料(同實施例5)、木粉、加工助劑、相容劑按照比例，在高速攪拌器中混合均勻，混合溫度為90℃，高速攪拌5分鐘。將一部分混合料采用德國WP公司的ZSK-25雙螺桿擠出機共混造粒，擠出機各段溫度分別為130℃、150℃、160℃、160℃、160℃和160℃(機頭溫度)。粒料經(jīng)注塑法制成標(biāo)準(zhǔn)樣條，進行各項力學(xué)性能測試。將另一部分混合料在國產(chǎn)雙螺桿擠出機上擠出型材，使用通用模具，用以測試擠出速度。螺桿各段溫度是165/170/175/175℃，機頭各段溫度170/170/170/170℃，電流16.6A，轉(zhuǎn)矩61％，擠出速度1010mm/min。配方、測試標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果如表1所示，各組分均以重量份數(shù)計。
對比例1除了不加入樹脂相容劑外，其余組分及條件同實施例5。經(jīng)擠出造粒，粒料經(jīng)壓制法制成標(biāo)準(zhǔn)樣條，進行各項力學(xué)性能測試；同時也通過擠出成型以測試擠出速度。配方、測試標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果如表1所示，各組分均以重量份數(shù)計。
表1

權(quán)利要求
1.一種木塑復(fù)合材料，包含有以下組分a.塑料；b.木質(zhì)纖維；c.樹脂相容劑；以上所述組分中木質(zhì)纖維與塑料的重量份數(shù)比為100∶100～250∶100，樹脂相容劑與塑料的重量份數(shù)比為2∶100～15∶100；所述的樹脂相容劑由乙烯-乙酸乙烯共聚物、丙烯酸或丙烯酸酯的聚合物和氯化聚乙烯三者的混合物組成，其中乙烯-乙酸乙烯共聚物用量為三者總重量的20～80％，丙烯酸或丙烯酸酯的聚合物與氯化聚乙烯的重量比為1∶3～3∶1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種木塑復(fù)合材料，其特征在于所述的木質(zhì)纖維其顆粒的平均粒徑為20目以上，含水量在5％以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種木塑復(fù)合材料，其特征在于所述的塑料包括以下熱塑性塑料的一種或一種以上聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、丙稀腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種木塑復(fù)合材料，其特征在于所述樹脂相容劑與塑料的重量份數(shù)比為5∶100～10∶100。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種木塑復(fù)合材料，其特征在于所述樹脂相容劑中丙烯酸或丙烯酸酯的聚合物選自乙烯-丙烯酸共聚物、聚丙烯酸、聚丙烯酸丁酯、聚丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸、聚丙烯酸甲酯。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種木塑復(fù)合材料，其特征在于所述木塑復(fù)合材料的組分中包含有增強填充劑，增強填充劑由粉煤灰和/或工業(yè)礦渣組成，其與塑料的重量份數(shù)比為5∶100～20∶100。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種木塑復(fù)合材料，其特征在于所述增強填充劑與塑料的重量份數(shù)比為10∶100～15∶100。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種木塑復(fù)合材料，其特征在于所述粉煤灰或工業(yè)礦渣的平均粒徑為2～120μm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1～8之任一項所述的一種木塑復(fù)合材料的制備方法，其特征在于將包含所述塑料、木質(zhì)纖維及樹脂相容劑在內(nèi)的組分通過熔融共混而制得所述的木塑復(fù)合材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求1～8之任一項所述的一種木塑復(fù)合材料及根據(jù)權(quán)利要求9所制備的木塑復(fù)合材料在成型制品上的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明提供一種木塑復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，涉及由木質(zhì)纖維改性塑料而得的復(fù)合材料。該復(fù)合材料包含有回收塑料、木質(zhì)纖維以及樹脂相容劑等組分。其中樹脂相容劑由EVA、丙烯酸或丙烯酸酯的聚合物和氯化聚乙烯混合組成，可提高塑料與木質(zhì)纖維的相容性，而改善力學(xué)性能；樹脂相容劑與塑料的重量份數(shù)比為2∶100～15∶100，木質(zhì)纖維與回收塑料的重量份數(shù)比為100∶100～250∶100。本發(fā)明的木塑復(fù)合材料通過所述組分通過塑料加工中通用的熔融共混方法而制備。該木塑復(fù)合材料不僅在強度及韌性方面大大提高，其成型加工性也得到很大改善，大大提高了木塑復(fù)合材料的生產(chǎn)效率及應(yīng)用前景。本發(fā)明的木塑復(fù)合材料可應(yīng)用于如建材、裝飾材料、發(fā)泡材料、板材、包裝材料、玩具、汽車零件等領(lǐng)域。
文檔編號C08L23/08GK1513918SQ0216012
公開日2004年7月21日 申請日期2002年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月31日
發(fā)明者張國立, 胡孝義, 陳志達 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司北京化工研究院