专利名称：一种适用于塑料填充的木粉的预处理方法
技术领域：
本发明涉及一种木粉的预处理方法，具体涉及一种木粉填充聚丙烯(PP)塑料的高分子复合材料的生产所使用的木粉的预处理方法。
背景技术：
现如今塑料行业发展迅速，在各领域都有广泛的应用，为了适应不同的使用要求， 各种塑料合金、以无机颗粒、纤维等刚性粒子填充的高分子复合材料相继问世，而用木粉、 秸秆、稻谷壳等植物纤维填充热塑性树脂，通过挤出、注塑等塑料的成型方式进行加工的木塑复合材料(Wood-Plastic Composites,WPC)也以其优异的性能和便捷的加工方式成为了研究的热点之一。木塑复合材料复合了木材及塑料两种材料的特点，能集两者的优点于一身又规避了两者的一些缺点，对于普通的木材和塑料制品，木塑复合材料取材广，成本低， 又环保，生产木塑产品多采用了废弃的木制品边角料，以及木粉、稻糠粉、秸秆、竹纤维、纸浆等回收料，一方面大大降低了成本，另一方面可以节约我国的森林资源；优势互补，可以综合塑料和木材两方面的优点，既可以像木材一样切割、粘结、打孔，又可利用塑料成型的方式加工，得到的制品表面光滑平整，可制成各种形状。同时在性能上又兼具两者的优越性，既有塑料的强度、耐水性和防虫作用，又有木材的高模量、低蠕变和高尺寸稳定性。木塑复合材料有着许多优点，但也存在缺陷，当前制约木塑复合材料发展的一个最大问题是如何使亲水的极性植物纤维表面与疏水的非极性塑料基材界面之间具有良好的相容性。由于相容性差导致木塑复合材料在力学性能上特别是韧性上不能达到一些使用要求较高的条件，从而限制了木塑产品的应用。因此要获得性能良好的木塑复合材料必须进行界面改性。改善木塑复合材料界面相容性的方法有很多，常用的界面改性方法主要是植物纤维的预处理、树脂表面处理、加入偶联剂或相容剂等方式。其中在木塑产品的生产中已经大规模的使用了偶联剂，硅烷系、钛酸酯系、铝酸酯系、钛酸酯系以及异氰酸酯系等偶联剂都有一定范围的使用；另一种被广泛使用的方式是加入相容剂，包括马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-mah)、马来酸酐接枝聚乙烯(PE-g-mah)、马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物 (POE-g-mah)等，也有加入乙丙三元橡胶(EPDM)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物(SBS)、聚乙烯-辛烯共聚物(POE)等弹性体作为增韧改性剂。相容剂和偶联剂增容木塑复合材料的的机理较为相似，都是使添加剂的一端与树脂有良好的相容性另一端能与木粉表面基团反应或产生缠结，也就是在树脂与木粉间建立交联体系。对木粉的预处理更多的是改善木粉的表面基团或是内部组成，最常见的木粉预处理方式是碱处理和表面接枝处理。碱处理主要是去除木粉中的低分子物质，表面接枝处理是在木粉表面引入极性更低的基团，两种方式的本质都是改变木粉的特性来提高其与树脂的相容性。木粉的预处理可在生产中不使用价格昂贵的偶联剂或相容剂，但从材料性能角度来说，木粉的预处理的效果不如直接加入偶联剂或相容剂的效果好，并且碱处理和表面接枝处理会产生污染废液，不利于保护环境。
发明内容
本发明提出一种新型的木粉预处理方法，通过该预处理后的木粉化学组成没有发生变化，在结构上变得纤维化，使用本发明的方法处理过的木粉，用于PP基木塑复合材料的制备可使复合材料获得更好的力学性能。本发明是通过如下技术方案实现的一种用于塑料填充的木粉的预处理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤1)煮沸按质量比木粉水=1 5 1 20的比例，将木粉和水加入容器中， 水量的体积小于或等于容器体积的2/3 ；搅拌木粉和水的混合物直到木粉完全沉于容器的底部，加热至水沸腾，水沸腾5min 60min后结束加热，将木粉过滤得到煮沸的木粉；2)高温处理将煮沸的木粉放在真空烘箱中于100 110°C进行真空高温处理，烘箱的真空度保持在0. 09 0. lMPa(在真空过程中不必持续开启真空泵，只需达到要求真空度即可)，此时烘箱内充满水蒸气；在6 50小时后排除烘箱内的水蒸气，将木粉在100 110°C下干燥至恒重，得到处理好的木粉(在高温处理过程中木粉易出现降解，此过程不易过长)。在本发明的木粉处理方式中，先将木粉在容器中用水煮沸，经过滤去除大部分的水分后转移至真空烘箱中在高于100°c的高温处理，由于在真空状态下烘箱处于密闭的状态，整个烘箱内部充满水蒸气，相当于对木粉进行了桑拿处理。煮沸过程中所产生的废水含有木粉中的水溶性物质，并非有害废水，因此可以排放或者重复利用。在煮沸过程中木粉中的水溶性物质会被析出，而一些低分子物质如果胶、半纤维、淀粉等会与纤维素分离，在桑拿处理过程中这些低分子物质逐渐成为凝胶状态，有利于木粉中纤维素骨架结构的粘结和与树脂的界面粘结，木粉在高温处理后的偏光显微镜(POM)照片如附图1所示，照片中显示未处理的木粉不透明，而经过处理后木粉变得透明且明显呈纤维状。并且桑拿处理后的木粉对PP有异相成核作用，能提高PP的结晶度。所使用的PP要求分子量在50000 1000000 之间，熔融指数(MFI)在 0. 5 10g/10min(230°C /2. 16kg)。使用经本发明的方法处理的木粉，用于木塑复合材料的制备将煮沸处理后的木粉与PP加入HAAKE流变仪中制备木塑复合材料，通过平板硫化仪制备木塑片材。将PP和木粉的质量份之和确定为100份(Phr)，其中木粉的加入量在 30 70phr，PP的加入量在30 70phr，并可适量加入相容剂，加入量在0 IOphr为宜。 对制备的木塑复合材料按国标测试力学性能，通过结晶性能和表面形态等分析证明煮沸处理提高了木粉与PP的相容性，并且能提高PP的结晶度，对提高木塑复合材料的力学性能起到了双重效果。有益效果与现有木粉预处理技术相比，本发明的木粉处理方式具有成本低、工艺设备简单、 绿色环保无污染等特点，使用经本发明的方法处理的木粉制得的复合材料，与使用其他方式处理的木粉制备的复合材料相比，力学性能更为优越。与加入相容剂、偶联剂的复合材料力学性能相当，适合工业化生产。
附图1为未经处理的木粉的POM图片。附图2为经过处理后的木粉POM图片。
具体实施例方式以下结合实施例对本发明作进一步说明，其目的仅在于更好理解本发明目的，而非限制本发明的保护范围。实施例1采用80目的杨木粉，由浙江临安明珠竹木粉有限公司提供；PP，中国石化上海化工股份有限公司提供，牌号T300，MFI = 3g/10min(2. 16KG/230°C )，该PP的拉伸强度为 31MPa，弯曲强度31MPa，冲击强度9KJ/m2。直接用电热水壶对木粉煮沸处理，按木粉和水质量比1 8加入木粉和水，搅拌至木粉沉入壶底后开始加热。在水沸腾后煮沸lOmin，停止加热并趁热抽滤，将木粉滤饼用真空烘箱进行处理12h，烘箱的真空度在0. 09-0. IMPa0处理结束后，打开烘箱门干燥木粉至恒重，然后80目过筛处理。将处理后的木粉30phr和PP 70phr以及加工助剂加入HAAKE流变仪中熔融共混 15min，转速60rpm，共混温度180°C ；用25吨平板硫化仪制备复合材料片材，其中加工温度在180°C，预热时间12min、热压时间IOmiru冷压时间8min。按国家标准测试力学性能，拉伸性能测试按照GB/T 1040. 2-2006标准，弯曲性能测试按照GB/T9341-2000标准，简支梁缺口冲击性能测试按照GB/T1043-1993标准。根据力学性能结果并对比加入未处理木粉的 PP基木塑复合材料，其拉伸强度32MI^提高了 40 %，弯曲强度41MI^提高了 35 %，弯曲模量 2300ΜΙ^提高了 20%，冲击强度^(J/m2提高了 10%，拉伸强度和弯曲强度均超过了纯PP的强度。由结果可以看出木粉的煮沸处理提高了木塑材料的力学性能。实施例2采用80目的杨木粉，由浙江临安明珠竹木粉有限公司提供；PP，中国石化上海化工股份有限公司提供，牌号T300 ；PP-g-mah，南京德巴化工有限公司提供，接枝率约1%。用电热水壶对木粉煮沸处理，按木粉和水质量比1 10加入木粉和水，搅拌至木粉沉入壶底后开始加热。在水沸腾后煮沸lOmin，停止加热并趁热抽滤，将木粉滤饼用真空烘箱进行桑拿处理12h，烘箱的真空度在0. 09-0. IMPa0处理结束后，打开烘箱门干燥木粉至恒重，然后 80目过筛处理。将处理后的木粉30phr和PP 70phr以及5phr的PP-g-mah加入HAAKE流变仪中熔融共混15min，转速60rpm，共混温度180°C ；用25吨平板硫化仪制备复合材料片材，其中加工温度在180°C，预热时间12min、热压时间lOmin、冷压时间8min。根据力学性能结果并对比加入未处理木粉的PP基木塑复合材料，拉伸强度53MPa提高了 140%，弯曲强度54MPa 提高了 75%，弯曲模量2300MPa提高了 20%，冲击强度7KJ/m2提高了 55%。由结果可以看出木粉的煮沸处理和相容剂存在明显的协同效应，大幅度的提高了材料的力学性能。实施例3采用80目的杨木粉，由浙江临安明珠竹木粉有限公司提供；PP，中国石化上海化工股份有限公司提供，牌号T300 ；PP-g-mah，南京德巴化工有限公司提供，接枝率约1 %。 用电热水壶对木粉煮沸处理，按木粉和水质量比1 10加入木粉和水，在水沸腾后煮沸 15min,停止加热并趁热抽滤，将木粉滤饼用真空烘箱进行桑拿处理12h，烘箱的真空度在0. 09-0. IMPa0处理结束后，打开烘箱门干燥木粉至恒重，然后80目过筛处理。
将处理后的木粉60phr和PP 40phr以及5phr的PP-g-mah加入HAAKE流变仪中熔融共混15min，转速60rpm，共混温度180°C ；用25吨平板硫化仪制备复合材料片材，其中加工温度在180°C，预热时间12min、热压时间IOmiru冷压时间8min。按国家标准测试力学性能，拉伸强度在20 30MPa，弯曲强度在25 35MPa，弯曲模量在四00 3500MPa，冲击强度在2. 5 4KJ/m2，热变形温度可达到120°C以上。
权利要求
1.一种用于塑料填充的木粉的预处理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤1)煮沸按质量比木粉水=1 5 1 20的比例，将木粉和水加入容器中，水量的体积小于或等于容器体积的2/3 ；搅拌木粉和水的混合物直到木粉完全沉于容器的底部， 加热至水沸腾，水沸腾5min 60min后结束加热，将木粉过滤得到煮沸的木粉；2)高温处理将煮沸的木粉放在真空烘箱中于100 110°C进行真空高温处理，烘箱的真空度保持在0. 09 0. IMPa, 6 50小时后排除烘箱内的水蒸气，将木粉在100 110°C 下干燥至恒重，得到处理好的木粉。
2.如权利要求1所述的用于木塑复合材料的木粉的处理方法，其特征在于，所述的木粉目数为40目 200目。
全文摘要
本发明公开了一种木粉的高温处理方法。其特征在于，按质量比木粉∶水＝1∶5～1∶20的比例将木粉和水加入容器中煮沸，煮沸的木粉放在真空烘箱中于100～110℃进行真空高温处理6～50小时后，于100～110℃下干燥至恒重，得到处理好的木粉。利用该方法处理得到的木粉制备的PP基木塑复合材料，其力学性能与加入相容剂PP-g-mah的PP基木塑复合材料相当，将该木粉与PP-g-mah并用大大提高了PP基木塑复合材料的力学性能。本方法使用的用具简单，操作流程简便，所制备材料的性能优异，并且生产过程不产生污染物，煮沸后的废水可重复利用，是一种环保高效的木粉处理方式。
文档编号C08L97/02GK102226006SQ201110074600
公开日2011年10月26日 申请日期2011年3月25日 优先权日2011年3月25日
发明者张桂新, 杨俊 , 汪济奎, 王伟, 王纪斌, 郭卫红, 陈程 申请人:华东理工大学