一种植物纤维的大气压冷等离子体改性方法及其在木塑复合材料中的应用的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种植物纤维的大气压冷等离子体改性方法及其在木塑复合材料中的应用，本发明通过等离子体改性植物纤维，所述的等离子体为大气压辉光放电冷等离子体,方法简单方便、常压、无需真空设备，对环境友好无污染、处理过程短时高效，等离子体改性植物纤维的表面粗糙度和表面自由能增大、表面自由基增多，与非极性塑料的界面相容性得到明显改善，可用于制备植物纤维含量高、综合性能优良的木塑复合材料，该复合材料的制备具有良好的社会效益、经济效益和生态效益，具有较好的市场空间和应用前景。
【专利说明】一种植物纤维的大气压冷等离子体改性方法及其在木塑复合材料中的应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种植物纤维的大气压冷等离子体改性方法及其在木塑复合材料中的应用，属于植物纤维领域，也属于复合材料领域。
【背景技术】
[0002]木塑复合材料(Wood-Plastic Composite,简称WPC)是以各种木质纤维素纤维材料为增强相、各种塑料为基体，经过挤出、热压或注塑等方法复合而成的一类新型绿色环保复合材料，具有广阔的市场空间和应用领域。其研制和广泛应用不仅可以缓解木材的资源紧张，提高植物资源的利用率，减少农业废弃物焚烧给环境带来的污染；而且可以减少塑料废弃物的公害污染，缓解石化资源紧张。
[0003]但是，由于植物纤维是亲水性的、极性材料，而塑料是憎水性的、非极性材料，二者的界面相容性问题一直是木塑复合材料的制备关键之处。目前，主要是通过添加硅烷、钛酸酯、铝酸酯、异氰酸酯等偶联剂或丙烯酸化合物类接枝聚合物等界面相容剂，或者采用植物纤维碱化、酯化、醚化、接枝改性、微波处理等方法，改善WPC的界面相容性。但这些预处理方式存在过程复杂、对环境会产生污染等缺陷；而且，通常采用等离子体处理方法时，需要较贵的真空设备，因此，一种新的植物改性方法仍是各国研究的热点。同时，当植物纤维含量较高，超过40%时，植物纤维明显发生团聚，影响材料的界面结合力，继而导致材料的力学性能下降；而且，当植物纤维含量较高时，材料的吸水性也随之增大，影响材料的尺寸稳定性和耐久性。
【发明内容】
[0004]针对上述问题，本发明的目的在于提供一种简单易操作、短时高效、对环境无污染的植物纤维改性方法。
[0005]本发明的另一目的在于提供上述改性植物纤维作为木塑复合材料的增强相，应用于复合材料领域。而且该法保证高植物纤维含量时，植物纤维的分散性、与塑料的界面相容性依旧良好，复合材料综合性能优良。
[0006]为实现上述目的，本发明的技术方案为:本发明所述的一种植物纤维的大气压冷等离子体改性方法，其特征是通过等离子体改性植物纤维。
[0007]所述的等离子体为大气压辉光放电冷等离子体。
[0008]所述的等离子体反应气体为氩气、氖气、氦气、氧气、氮气、乙炔等气体中的一种或两种以上以任意比例混合的气体。
[0009]所述等离子体反应气体的流速为0.5~20 L/min、处理功率为200~900 W、处理电压为100(T6000V、处理距离为10~50 mm、处理时间为I~10 min。
[0010]所述的植物纤维至少有一种选自木粉、竹粉、稻壳粉、麦秸杆粉、玉米杆粉、甘蔗渣等植物纤维，植物纤维含水率为1%~5%、平均粒径为20目~120目。[0011]本发明所述的一种木塑复合材料，由塑料为基体和植物纤维为增强相或填充相制成，其特征在于所述塑料至少有一种选自聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、丙烯腈/ 丁二烯/苯乙烯三元共聚物(ABS)、聚酰胺(PA)、不饱和聚酯(UP)或聚苯乙烯(PS)，所述的植物纤维选自上述的制备方法制得的利用大气压冷等离子体改性的植物纤维。
[0012]所述润滑剂优选硬脂酸和/或硬脂酸钙。
[0013]所述的塑料基体为本领域常规技术，木塑复合材料的制备方法为本领域常规技术。
[0014]上述改性的植物纤维的质量占所要制得的木塑复合材料总质量的10%~70%。
[0015]将平均粒径为20目^200目的常规植物纤维放置在烘箱中干燥，获得含水率为1%~5%、平均粒径为20目^200目的植物纤维，采用大气压冷等离子体处理植物纤维，所述的等离子体反应气体为氩气、氖气、氦气、氧气、氮气、乙炔等气体中的一种或两种以上以任意比例混合的气体；所述等离子体反应气体的流速为0.5^20 L/min、处理功率为200-900 W、处理电压为100(T6000V、处理距离为10~50 mm、处理时间为1~10 min，处理后获得改性植物纤维，按质量配比将至少有一种选自聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯三元共聚物(ABS)、聚酰胺(PA)、不饱和聚酯(UP)或聚苯乙烯(PS)的塑料100份、润滑剂1-5份、占所要制得的木塑复合材料质量10%~70%的上述改性植物纤维放入高速混合机中，混合后，冷却卸料，制成预混料后挤出造粒得到木塑粒子；将木塑粒子放入挤出机中，经熔融、共混、挤出、冷却定型制得木塑复合材料。
[0016]将平均粒径为20目~200目的植物纤维放置在烘箱中干燥，获得含水率为1%~5%、平均粒径为20目^200目的植物纤维，采用大气压冷等离子体处理植物纤维，所述的等离子体反应气体至少有一种选自氩气、氖气、氦气、氧气、氮气或乙炔；所述等离子体反应气体的流速为0.5~20 L/min、处理功率为200~900 W、处理电压为100(T6000V、处理距离为10~50mm、处理时间为flO min，处理后获得改性植物纤维，按质量配比将至少有一种选自聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、丙烯腈/ 丁二烯/苯乙烯三元共聚物(ABS)、聚酰胺(PA)、不饱和聚酯(UP)或聚苯乙烯(PS)的塑料100份、润滑剂1-5份、占所要制得的木塑复合材料质量10%~70%的上述改性植物纤维放入高速混合机中，混合后，冷却卸料，制成预混料后挤出造粒得到木塑粒子；将木塑粒子放入挤出机中，经熔融、共混、挤出、冷却定型制得木塑复合材料。
[0017]具体地说，本发明采用大气压辉光放电冷等离子体处理植物纤维。
[0018]所述的等离子体反应气体为氩气、氖气、氦气、氧气、氮气、乙炔等气体中的一种或两种以上以任意比例混合的气体。
[0019]所述等离子体反应气体的流速为0.5~20 L/min、处理功率为200~900 W、处理电压为100(T6000V、处理距离为10~50 mm、处理时间为I~10 min。
[0020]所述的植物纤维为木粉、竹粉、稻壳粉、麦秸杆粉、玉米杆粉、甘蔗渣、麻纤维中的一种或两种以上以任意比例混合的混合物，含水率为1%~5%、平均粒径为20目~200目。
[0021]所述的利用大气压冷等离子体改性的植物纤维，可作为聚乙烯(PE)基、聚丙烯(PP)基、聚氯乙烯(PVC)基、丙烯腈/ 丁二烯/苯乙烯三元共聚物(ABS)基、聚酰胺(PA)、不饱和聚酯(UP)基、聚苯乙烯(PS)基木塑复合材料的增强相。
[0022]所述的塑料基体为本领域常规技术。[0023]所述的植物纤维的质量占木塑复合材料总质量的10%~70%。
[0024]所述的木塑复合材料的制备方法为本领域常规技术。
[0025]本发明的特点是:采用大气压冷等离子体改性植物纤维，该方法简单易操作、常压、无需真空设备、短时高效、适用范围广、对环境友好无污染，改性植物纤维的表面粗糙度和自由能明显增大、表面自由基增多，与非极性塑料的界面相容性显著改善。而且当植物纤维含量高达70%时，植物纤维的分散性以及复合材料的界面相容性仍旧较好，制得的木塑复合材料综合性能优良，耐水性强。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为等离子体的反应系统示意图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0028]如图1所示，为等离子体的反应系统，其包括进电通道、圆柱体反应容器、进气通道和排气通道，其结构特点为在圆柱体反应容器的外表面上方覆盖有上极板，在圆柱体反应容器的下方有下极板，植物纤维放置于上极板和下极板之间，上极板和下极板分别连接电源控制系统的两端，在圆柱体反应容器的上面设置有进气通道和进电通道，在圆柱体反应容器的下面设置有排气通道，通过气体调节系统和进气系统，将等离子体反应气体从进气通道通入圆柱体反应容器，等离子体反应气体的流速为0.5^20 L/min,电源控制系统的正负极经进电通道将正负极接入圆柱体反应容器的上极板和下极板，使上极板和下极板之间对本发明下面实施例所述的植物纤维的处理功率为200~900 W、处理电压为1000~6000V、处理距离为10~50 mm、处理时间为I~8 min。
[0029]实施例1:
将(平均粒径为50目)的木粉放置在100°C的烘箱中干燥8小时，获得含水率为3%、平均粒径为50目的木粉。采用大气压冷等离子体处理木粉，反应气体为氩气、气体流速为15L/min、处理功率为600 W、处理电压为5000 V、处理距离为15 mm、处理时间为5 min，获得改性木粉。按质量比将市售高密度聚乙烯(型号为010^-8008，密度为0.95 g/cm3，熔点为135°C，熔体指数为6.5 g/10min) 100份、润滑剂(硬脂酸和硬脂酸钙以1:1比例混合)I份、上述改性木粉50份放入高速混合机中，混合20 min后,冷却卸料,制成预混料后挤出造粒，造粒温度为165°C、造粒时间为20 min，得到木塑粒子；将木塑粒子放入挤出机中，经熔融、共混、挤出、冷却定型，成型聚乙烯基木塑复合材料，挤出机料筒温度175°C、机头温度165°C、模具温度160°C。与木粉和聚乙烯在同样条件下制成的未改性复合材料相比，本发明的等离子体改性木粉/聚乙烯复合材料的弯曲强度提高了 15%_40%，冲击强度提高了10%-35%，浸水240h后的吸水率和厚度膨胀率分别约低2.8%和0.6%。
[0030]实施例2:
将(平均粒径为50目)的竹粉放置在105°C的烘箱中干燥8小时，获得含水率为3%、平均粒径为50目的竹粉。采用大气压冷等离子体处理竹粉，反应气体为氩气和氮气为体积比1:1的混合气体、氩气和氮气的气体流速分别为10 L/min和I L/min、处理功率为600 W、处理电压为5500 V、处理距离为15 mm、处理时间为6 min，获得改性竹粉。按质量比将市售聚丙烯(型号为K8303，密度为0.90 g/cm3,熔点为168°C、熔体指数为3.2 g/10min)100份、润滑剂(硬脂酸和硬脂酸钙以1:1比例混合)1.5份、改性竹粉80份放入高速混合机中，混合25 min后，冷却卸料，制成预混料后挤出造粒，造粒温度为165°C、造粒时间为20 min，得到木塑粒子；将木塑粒子放入挤出机中，经熔融共混、挤出、冷却定型，成型聚丙烯基木塑复合材料板材，挤出机料筒温度180°C、机头温度170°C、模具温度165°C。与竹粉和聚丙烯在同样条件下制成的未改性复合材料相比，本发明的等离子体改性竹粉/聚丙烯复合材料的弯曲强度提高了 10%_35%，冲击强度提高了 10%-25%，浸水240h后的吸水率和厚度膨胀率分别约低2.5%和0.6%.[0031] 实施例3:
将(平均粒径为80目)的稻壳粉放置在105°C的烘箱中干燥9小时，获得含水率为2%、平均粒径为80目的稻壳粉。采用大气压冷等离子体处理木粉，反应气体为氩气和乙炔(体积比1:5)的混合气体、氩气和乙炔的气体流速分别为12 L/min和I L/min、处理功率为600 W、处理电压为6000 V、处理距离为15 mm、处理时间为8 min，获得改性稻壳粉。按重量比将市售高密度聚乙烯(型号为DMDA-8008，密度为0.95g/cm3,熔点为135°C，熔体指数为6.5 g/10min) 100份、润滑剂3份(硬脂酸和硬脂酸钙以1:1比例混合)、改性稻壳粉120份、放入高速混合机中，混合30 min后,冷却卸料,制成预混料后挤出造粒，造粒温度为165°C、造粒时间为20 min，得到木塑粒子；将木塑粒子放入挤出机中，经熔融、共混、挤出、冷却定型，成型聚乙烯基木塑复合材料板材，挤出机料筒温度180°C、机头温度165°C、模具温度160°C。与稻壳粉和聚乙烯在同样条件下制成的未改性复合材料相比，本发明的等离子体改性稻壳粉/聚乙烯复合材料的弯曲强度提高了 10%-30%，冲击强度提高了 10%-25%，浸水240h后的吸水率和厚度膨胀率分别约降低2.1%和0.5%。
【权利要求】
1.一种植物纤维的大气压冷等离子体改性方法，其特征在于:通过等离子体改性植物纤维。
2.根据权利要求1所述的一种植物纤维的大气压冷等离子体改性方法，其特征在于:所述的等离子体为大气压辉光放电冷等离子体。
3.根据权利要求1所述的一种植物纤维的大气压冷等离子体改性方法，其特征在于:所述的等离子体反应气体为氩气、氖气、氦气、氧气、氮气、乙炔等气体中的一种或两种以上以任意比例混合的气体。
4.根据权利要求1所述的一种植物纤维的大气压冷等离子体改性方法，其特征在于:所述等离子体反应气体的流速为0.5^20 L/min、处理功率为200-900 W、处理电压为100(T6000V、处理距离为10~50 mm、处理时间为I~10 min。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种植物纤维的大气压冷等离子体改性方法，其特征在于:所述的植物纤维至少有一种选自木粉、竹粉、稻壳粉、麦秸杆粉、玉米杆粉、甘蔗渣等植物纤维,植物纤维含水率为1%~5%、平均粒径为20目"120目。
6.一种木塑复合材料，由塑料为基体和植物纤维为增强相或填充相制成，其特征在于所述塑料至少有一种选自聚乙烯(ΡΕ)、聚丙烯(ΡΡ)、聚氯乙烯(PVC)、丙烯腈/ 丁二烯/苯乙烯三元共聚物(ABS)、聚酰胺(PA)、不饱和聚酯(UP)或聚苯乙烯(PS)，所述的植物纤维选自权利要求1-5任一所述的制备方法制得的利用大气压冷等离子体改性的植物纤维。
7.根据权利要求6所述的木塑复合材料，其特征在于:塑料基体为本领域常规技术，木塑复合材料的制备方法为本领域常规技术。
8.根据权利要求6所述的木塑复合材料，其特征在于:植物纤维的质量占所要制得的木塑复合材料总质量的10%~70%。
9.根据权利要求6或8所述的木塑复合材料，其特征在于:将平均粒径为20目^200目的植物纤维放置在烘箱中干燥，获得含水率为1%~5%、平均粒径为20目^200目的植物纤维，采用大气压冷等离子体处理植物纤维，所述的等离子体反应气体为氩气、氖气、氦气、氧气、氮气、乙炔等气体中的一种或两种以上以任意比例混合的气体；所述等离子体反应气体的流速为0.5~20 L/min、处理功率为200~900 W、处理电压为100(T6000V、处理距离为10~50mm、处理时间为flO min，处理后获得改性植物纤维，按质量配比将至少有一种选自聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、丙烯腈/ 丁二烯/苯乙烯三元共聚物(ABS)、聚酰胺(PA)、不饱和聚酯(UP)或聚苯乙烯(PS)的塑料100份、润滑剂1-5份、占所要制得的木塑复合材料质量10%~70%的上述改性植物纤维放入高速混合机中，混合后，冷却卸料，制成预混料后挤出造粒得到木塑粒子；将木塑粒子放入挤出机中，经熔融、共混、挤出、冷却定型制得木塑复合材料。
10.根据权利要求6或8所述的木塑复合材料，其特征在于:将平均粒径为20目^200目的植物纤维放置在烘箱中干燥，获得含水率为1%~5%、平均粒径为20目^200目的植物纤维，采用大气压冷等离子体处理植物纤维，所述的等离子体反应气体至少有一种选自氩气、氖气、氦气、氧气、氮气或乙炔；所述等离子体反应气体的流速为0.5^20 L/min、处理功率为200~900 W、处理电压为100(T6000V、处理距离为10~50 mm、处理时间为1~10 min，处理后获得改性植物纤维，按质量配比将至少有一种选自聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、丙烯腈/ 丁二烯/苯乙烯三元共聚物(ABS )、聚酰胺(PA)、不饱和聚酯(UP )或聚苯乙烯(PS)的塑料100份、润滑剂1-5份、占所要制得的木塑复合材料质量10%~70%的上述改性植物纤维放入高速混合机中，混合后，冷却卸料，制成预混料后挤出造粒得到木塑粒子；将木塑粒子 放入挤出机中，经熔融、共混、挤出、冷却定型制得木塑复合材料。
【文档编号】C08L23/12GK103804940SQ201410059906
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年2月21日 优先权日:2014年2月21日
【发明者】周吓星, 陈礼辉, 黄六莲, 苏国基 申请人:福建农林大学