本发明涉及新型复合材料技术领域，尤其涉及一种稻壳塑木型材及其制备方法。
背景技术：
我国每年生产的稻壳量大约为500万吨，其中有相当大的一部分直接被抛弃或者焚烧，由于其燃料值极低，燃烧后被用于发电的很低，而且发电量也非常少。这些抛弃或燃烧的稻壳资源化程度非常低，几乎没有被合理利用。随着技术的发展，产生了以稻壳制造成环保塑木型材新技术，这种环保塑木型材技术为稻壳的合理利用提供了良好的方案，是将稻壳资源化利用中最具市场前景的技术，同时还能避免焚烧导致的大气污染。
与此同时，废旧塑料已经成为目前世界上对环境造成重大污染的污染源之一。我国每年有成千上万吨的废旧塑料直接扔掉和焚烧，直接扔掉的塑料由于其难以降解，而对环境造成长久的污染，直接被焚烧会产生有毒有害气体二噁英。而二噁英具有致癌、致畸形等特点，容易危害人类的身体健康。
基于目前存在的大量稻壳资源和废旧塑料资源，我公司提出以稻壳粉和废旧塑料为原料，制造稻壳塑木型材，以实现稻壳资源与废旧塑料资源的充分合理化利用。
技术实现要素：
针对上述现有稻壳资源储量大、资源化利用程度低以及废旧塑料对环境破坏严重等问题，本发明实施例提供了一种稻壳塑木型材及其制备方法。
为了达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：
本发明包括重量份的如下组分：
稻壳粉 50~60
高密度聚乙烯 32~42
阻燃剂 3-7
增溶剂 1-3
润滑剂 0.05-0.2
增塑剂 0.3-0.7
抗氧剂 0.03-0.07
所述稻壳粉的粒径≤0.6mm。
所述阻燃剂为磷酸三苯酯、四苯基(双酚-A)二磷酸酯、间苯二酚双(二苯基)磷酸酯、聚磷酸铵中的至少一种。
所述增溶剂为聚丙烯接枝马来酸酐、聚乙烯接枝马来酸酐、ABS接枝马来酸酐、聚苯乙烯接枝马来酸酐、钛酸酯、铝酸酯、异氰酸酯、硅烷偶联剂中的至少一种。
所述润滑剂为硬脂酸、硬脂酸金属盐、乙撑双硬脂酰胺、脂肪烃蜡、氧化聚乙烯中的至少一种。
所述增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯或邻苯二甲酸二丁酯；
所述抗氧剂为2,2′-亚甲基-双(4-甲基-6-叔丁基苯酚)、抗氧剂168、抗氧剂264、抗氧剂DLTP中的至少一种。
所述硬脂酸金属盐为硬脂酸钠、硬脂酸钙或硬脂酸锌。
所述硬脂酸金属盐为硬脂酸钠、硬脂酸钙或硬脂酸锌。所述硅烷偶联剂为六甲基二硅氮烷、六甲基二硅氧烷或乙烯基三甲氧基硅烷。
一种稻壳塑木型材的制备方法，包括以下步骤：
步骤1再生处理：对废旧塑料进行再生处理，获得高密度聚乙烯；
步骤2称取各组分：按照权利要求1所述组分比例称取各组分；
步骤3混料：将称取的所述各组分进行混料，混料时间为8-18min，混料温度为125℃-135℃;
步骤4造粒：将混料后的原料加工造粒，加工造粒的加工熔融温度为160℃-220℃，转速为150-180r/min;
步骤5挤出成型: 将造粒原料通过挤出机挤出成型,挤出温度为145-155℃。
本发明上述实施例提供的稻壳塑木型材，以农作物废弃物稻壳和废旧塑料为主要原料来生产塑木型材，达到农作物稻壳和废旧塑料的无害化资源化利用的目的；更为重要的是，在该组分配比下获得的塑木型材在抗弯强度、吸水厚度膨胀率、抗弯弹性模量、含水率、邵氏硬度、加热后尺寸变化率、高低温反复尺寸变化率均表现出良好的性能，同时型材表面均不没有龟裂或者鼓泡现象。
本发明上述实施例提供的稻壳塑木型材的制备方法，原料来源丰富，无需对原料进行预处理，能显著的减少定型工艺时间，整个生产工艺具有简单、可操作性强等特点，制造的塑木型材外观与木粉塑木型材相一致，但性能优于木粉塑木型材，呈现出了结构紧凑、密实性良好等特性。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种稻壳塑木型材，包括重量份的如下组分：
稻壳粉 50~60；
高密度聚乙烯 32~42；
阻燃剂 5；
增溶剂 2；
润滑剂 0.1；
增塑剂 0.5；
抗氧剂 0.05；
其中，所述高密度聚乙烯由废旧塑料再生处理得到。
在各个组分中，如果稻壳粉的过筛粒径小于30目时，在该配比下获得的塑木型材在结构紧凑度、密实度均不如木粉塑木型材，达不到本发明所需要的效果。在取用稻壳粉进行混料前，需先过30目~200目的筛网，筛掉过筛粒径大于30目的稻壳粉，也称筛下物。
作为一种优选的方案，在配方中，稻壳粉应当满足如下3中规格中的任一一种：30目~80目，其中，30目粒径以内的数量达到100，80目粒径以内的数目不低于20；60目~160目，其中，60目粒径以内的数量达到100，160目粒径以内的数目不低于20；120目~200目，其中，120目粒径以内的数量达到100，200目粒径以内的数目不低于20。在上述三种规格中任一一种配合，均能使得获得的稻壳粉塑木型材结构紧凑度、密实度优于木粉塑木型材。
更为优选地，所采用的稻壳粉的含水率≤8。通常稻壳中的水分在5~15，当含水率大于8的稻壳粉不利于与疏水性的聚乙烯混合，在加工的过程中很容易团聚，进而导致形成的型材不均匀，抗压效果差。
进一步优选地，采用稻壳粉的灰分大多在15~20，二氧化硅是稻壳的主要部分，占20左右，在燃烧的过程中燃烧时间、燃烧温度都会影响灰分的多少，而灰分的主要成分就是二氧化硅，塑木中二氧化硅含量越高越坚硬，耐磨性能愈强。
在任一实施例中，高密度聚乙烯来源于废旧塑料再生。具体地，将回收的废旧塑料进行分拣、破碎、清洗、干燥处理，并且加入到混合机中混匀，即可得到高密度聚乙烯，混合的时间控制在6min~10min。
进一步优选地，废旧塑料循环再生后，取熔融指数为2.0~2.5g/min的再生料作为高密度聚乙烯，此范围的再生料在高温下流动性好、易混合。
出于最大限度的利用稻壳粉和废旧塑料，在本发明实施例稻壳塑木型材的配比中，需要加入其他助剂，并且其他助剂的用量控制在8以内。在本发明中，其他助剂包括阻燃剂、增溶剂、润滑剂、增塑剂以及抗氧剂。
其中，
阻燃剂为磷酸三苯酯、四苯基(双酚-A)二磷酸酯、间苯二酚双(二苯基)磷酸酯、聚磷酸铵中的至少一种；
增溶剂为聚丙烯接枝马来酸酐、聚乙烯接枝马来酸酐、ABS接枝马来酸酐、聚苯乙烯接枝马来酸酐、钛酸酯、铝酸酯、异氰酸酯、硅烷偶联剂中的至少一种；润滑剂为硬脂酸、硬脂酸金属盐、乙撑双硬脂酰胺、脂肪烃蜡、氧化聚乙烯中的至少一种；这里涉及的硬脂酸金属盐为硬脂酸钠、硬脂酸钙或硬脂酸锌；硅烷偶联剂为六甲基二硅氮烷、六甲基二硅氧烷或乙烯基三甲氧基硅烷；
增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯或邻苯二甲酸二丁酯；
抗氧剂为2,2′-亚甲基-双(4-甲基-6-叔丁基苯酚)、抗氧剂168、抗氧剂264、抗氧剂DLTP中的至少一种。
在形成稻壳塑木型材时，为了使获得的型材呈现出多种多样的色泽，满足不同用户的需求，还可以根据实际情况，在配方中加入少量的着色剂。优选地，着色剂为二氧化钛、炭黑、铁红、铁黄、钛青绿、钛青蓝中的任一种。当然，还可以为未列举的其他着色剂。
本发明上述实施例提供的稻壳塑木型材，采用农作物废弃物稻壳和废旧塑料为主要原料，两者占总原料重量百分数的90以上，获得了新型的稻壳塑木型材。通过这种方式，实现了农作物稻壳和废旧塑料的无害化、资源化利用的目的；更为重要的是，在该组分配比下获得的塑木型材在抗弯强度、吸水厚度膨胀率、抗弯弹性模量、含水率、邵氏硬度、加热后尺寸变化率、高低温反复尺寸变化率等方面均表现出良好的性能，同时型材表面均不没有龟裂或者鼓泡现象。
本发明实施例在提供稻壳塑木型材配方的基础上，还进一步提供了该稻壳塑木型材的一种制备方法。
在一具体实施例中，稻壳塑木型材的一种制备方法，至少包括以下步骤：
步骤1再生处理：对废旧塑料进行再生处理，获得高密度聚乙烯；
步骤2称取各组分：按照权利要求1所述组分比例称取各组分；
步骤3混料：将称取的所述各组分进行混料，混料时间为8-18min，混料温度为125℃-135℃;
步骤4造粒：将混料后的原料加工造粒，加工造粒的加工熔融温度为160℃-220℃，转速为150-180r/min;
步骤5挤出成型: 将造粒原料通过挤出机挤出成型,挤出温度为145-155℃。
优选地，混合时间控制在6min~10min，该时间可以充分的让废旧塑料混合均匀，时间过长耗电量加大。
步骤S02中的稻壳粉可以采用现成的。也可以对粗稻壳进行处理。当对粗稻壳进行处理时，将粗稻壳依次进行干燥、破碎、研磨及30目~200目筛网筛分处理。
在配方中，稻壳粉应当满足如下3中规格中的任一一种：30目~80目，其中，30目粒径以内的数量达到100，80目粒径以内的数目不低于20；60目~160目，其中，60目粒径以内的数量达到100，160目粒径以内的数目不低于20；120目~200目，其中，120目粒径以内的数量达到100，200目粒径以内的数目不低于20。在上述三种规格中任一一种配合，均能使得获得的稻壳粉塑木型材结构紧凑度、密实度优于木粉塑木型材。
更为优选地，所采用的稻壳粉的含水率≤8，在本发明中，当含水率大于8的稻壳粉不利于与疏水性的聚乙烯混合，在加工的过程中很容易团聚，进而导致形成的型材不均匀，抗压效果差。
进一步优选地，采用稻壳粉的灰分大多在15~20。二氧化硅是稻壳的主要部分，占20左右，在燃烧的过程的过程中燃烧时间、燃烧温度都会影响灰分的多少，而灰分的主要成分就是二氧化硅，塑木中二氧化硅含量越高越坚硬，耐磨性能愈强。
上述步骤S03中，混料处理的时间为8-18min，混合温度为125℃-135℃；加工造粒的加工温度为160℃-220℃，造粒的转速为150-180r/min，挤出温度为145-155℃，该条件下处理得到的型材，不仅易于加工而且得到的型材均匀和密实，如果不按上述条件很容易造成型材分布不均匀，难以成型。
进一步优选加工造粒的加工温度为190℃-200℃，减少因温度波动范围过大而造成的产品次品率过高的问题。
进一步优选加工造粒的转速为160-170r/min，减少因转速范围过大而造成的产品次品率过高的问题。
作为优选地，本实施例中，涉及的混料设备为告诉混合机；加工造粒设备为双螺杆挤出机；而挤出成型设备则为成型挤出机。
本发明实施例提供的稻壳塑木型材的制备方法，原料来源丰富，无需对原料进行预处理，能显著的减少定型工艺时间，整个生产工艺具有简单、可操作性强等特点，制造的塑木型材外观与木粉塑木型材相一致，但力学性能等性能优于木粉塑木型材，并且呈现出了结构紧凑、密实性良好、抗弯曲强度高、耐腐蚀等特性。
为了更好的体现本发明实施例提供的稻壳塑木型材，下面通过多个实施例进一步说明。
实施例1
一种稻壳塑木型材，包括重量份的如下组分：
稻壳粉 50~60
高密度聚乙烯 32~42
阻燃剂 3-7
增溶剂 1-3
润滑剂 0.05-0.2
增塑剂 0.3-0.7
抗氧剂 0.03-0.07
余量为(适量的)二氧化钛；（二氧化钛为着色剂）
其中，所述高密度聚乙烯由废旧塑料再生处理得到。
如实施例1所述的稻壳塑木型材的制备方法，至少包括以下步骤：
称取如实施例1所述的各组分，将各组分分别加入到高速混合机中，125℃混合18min，然后将混合物料在双螺杆挤出机中，反应挤出制成粒料，螺杆熔融温度195℃，转速175 r/min，挤出物料冷却造粒。
将得到的粒料加入成型机中150℃挤出成型，即可得到稻壳塑木型材。
实施例2
一种稻壳塑木型材，包括重量份的如下组分：
稻壳粉 60；
高密度聚乙烯 32；
磷酸三苯酯 5；
六甲基二硅氮烷 0.75；
聚乙烯接枝马来酸酐 1.25 ；
硬脂酸钠 0.1；
邻苯二甲酸二辛酯 0.5；
抗氧剂168 0.05；
余量为二氧化钛；
其中，所述高密度聚乙烯由废旧塑料再生处理得到。
如实施例2所述的稻壳塑木型材的制备方法，至少包括以下步骤：
称取如实施例2所述的各组分，将各组分依次加入到高速混合机中，135℃混合8min，然后将混合物料在双螺杆挤出机中，反应挤出制成粒料，螺杆熔融温度195℃，转速175 r/min，挤出物料冷却造粒。
将得到的粒料加入成型机中155℃挤出成型，即可得到稻壳塑木型材。
实施例3
一种稻壳塑木型材，包括重量份的如下组分：
稻壳粉 55；
高密度聚乙烯 37；
磷酸三苯酯 5；
六甲基二硅氮烷 0.75；
聚乙烯接枝马来酸酐 1.25 ；
硬脂酸钠 0.1；
邻苯二甲酸二辛酯 0.5；
抗氧剂168 0.05；
余量为二氧化钛；
其中，所述高密度聚乙烯由废旧塑料再生处理得到。
如实施例3所述的稻壳塑木型材的制备方法，至少包括以下步骤：
称取如实施例3所述的各组分，将各组分分别加入到高速混合机中，135℃混合8min，然后将混合物料在双螺杆挤出机中，反应挤出制成粒料，螺杆熔融温度195℃，转速175 r/min，挤出物料冷却造粒。
将得到的粒料加入成型机中155℃挤出成型，即可得到稻壳塑木型材。
实施例4
一种稻壳塑木型材，包括重量份的如下组分：
稻壳粉 52；
高密度聚乙烯 40；
磷酸三苯酯 5；
六甲基二硅氮烷 0.75；
聚乙烯接枝马来酸酐 1.25 ；
硬脂酸钠 0.1；
邻苯二甲酸二辛酯 0.5；
抗氧剂168 0.05；
其中，所述高密度聚乙烯由废旧塑料再生处理得到。
如实施例4所述的稻壳塑木型材的制备方法，至少包括以下步骤：
称取如实施例4所述的各组分，将各组分分别加入到高速混合机中，135℃混合8min，然后将混合物料在双螺杆挤出机中，反应挤出制成粒料，螺杆熔融温度195℃，转速175 r/min，挤出物料冷却造粒。
将得到的粒料加入成型机中155℃挤出成型，即可得到稻壳塑木型材。
用ASTMD6109对上述实施例1~4得到的稻壳塑木型材进行弯曲性能的测试，测试结果如表1所示。
表1 实施例1~4中稻壳塑木型材弯曲强度测试结果
从表1可知，本发明实施例1~4获得的稻壳塑木型材弯曲强度均在18~23MPa之间。
以下为本发明实施例的辅助验证实验。
稻壳粉不同粒径对稻壳塑木型材性能的影响
为了验证稻壳粉粒径对塑木型材弯曲强度的影响程度，采用如表2所示的稻壳粉进行稻壳塑木型材的制备。其中，每组实验的稻壳塑木型材均按照如下配方进行制造：
稻壳粉 60；
高密度聚乙烯 32；
磷酸三苯酯 5；
六甲基二硅氮烷 0.75；
聚乙烯接枝马来酸酐 1.25 ；
硬脂酸钠 0.1；
邻苯二甲酸二辛酯 0.5；
抗氧剂168 0.05；
余量为二氧化钛；
其中，所述高密度聚乙烯由废旧塑料再生处理得到，所取得的稻壳粉过筛粒径主要有三种：30~80目、60~160目、100~200目。
然后采用高速混合机、瑞亚85造粒机、金纬65成型机、WPC140H23B、熔体流动速率试验机、微机控制电子万能试验机、哑铃型制样机、液晶控制摆锤冲击试验机、缺口型制样机、恒温恒湿试验机、UV灯光箱、洛氏硬度计等对制备的稻壳塑木型材进行检测。
由于这里主要验证不同稻壳粉粒径对稻壳塑木型材的影响，因此，主要检测抗弯强度。检测手段主要参照ASTM D6109测定塑木复合材料的弯曲性能，选用5000N传感器，实验速度为2 mm/min，跨距96 mm。
具体测试结果如表2所示。
表2 不同粒径的稻壳粉对稻壳塑木型材弯曲强度测试结果
根据常识可知，稻壳粉颗粒粒径越大，在组分混合时，越容易分散，在本发明实施例的实验过程中，为了达到相同的分散效果，100目~200目粒径分布超细稻壳粉一定程度上延长塑木型材的加工时间。
从实验可知，外观上看，超细稻壳粉过筛粒径分布为30目~80目，粒径大的塑木型材表面颗粒突出明显，不够美观，仿木感不够强烈。
从表2可知，在弯曲性能方面，中间粒径分布超细稻壳粉塑木型材抗压强度最高；30目过筛后，稻壳粉的最大粒径为0.6 mm，不是纤维状，呈现为不规则球体，交联程度有限，起不到纤维增强的效果；而200目过筛后，稻壳粉的最大粒径为0.0750mm，容易结团，分散不良，弯曲强度波动较大。稻壳粒径对塑木型材的力学性能有一定的影响，随着稻壳粒径的减小，该塑木的力学性能是先增大后减小的趋势，当稻壳粒径在60目~160目时，该材料的抗压强度最大。
稻壳粉不同含量对稻壳塑木型材性能的影响
为了验证本发明实施例提供的稻壳粉含量在50~60获得的稻壳塑木型材性能较为优异，采用如表3所示的不同稻壳粉含量进行稻壳塑木型材的制备。其中，每组实验的稻壳塑木型材除了稻壳粉和高密度聚乙烯均按照如下配方进行制造：
磷酸三苯酯 5；
六甲基二硅氮烷 0.75；
聚乙烯接枝马来酸酐 1.25 ；
硬脂酸钠 0.1；
邻苯二甲酸二辛酯 0.5；
抗氧剂168 0.05；
余量为二氧化钛；
其中，所述高密度聚乙烯由废旧塑料再生处理得到。
表3中，为了表格的设计方便，未列每个稻壳粉重量百分含量所对应的高密度聚乙烯的含量；同时，这里涉及的稻壳粉的粒径均小于等于0.6mm。
各个性能的测试方法如下：
抗弯强度：参照ASTM D6109测定塑木复合材料的弯曲性能，选用5000N传感器，实验速度为2 mm/min，跨距96 mm。
抗弯弹性模量：参照ASTM D6109测定塑木复合材料的弯曲性能，选用5000N传感器，实验速度为5 mm/min。
吸水厚度膨胀率、含水率、邵氏硬度、表面重量，均参照GB/T24137-2009测定相应的性能。
加热后尺寸变化率：参照GB/T24508-2009测定该尺寸变化率。
高低温反复尺寸变化：参照LY/T1613-2004测定，样品尺寸大小为10 mm×2mm×5mm，温度范围为-30～30℃。
表3 稻壳粉不同含量对稻壳塑木型材性能的影响测试结果
由表3可知所获得的稻壳塑木型材中，
(1)抗弯强度：随着超细稻壳粉含量的增加和相应高密度聚乙烯含量减少，相应的塑木型材抗弯强度呈现递减趋势，尤其当超细稻壳粉含量达到70时，聚乙烯含量降低到22，抗弯强度迅速下降；
(2)吸水厚度膨胀率、含水率、邵氏硬度：随着超细稻壳粉含量增加，吸水厚度膨胀率、含水率亦随之增加，当超细稻壳粉含量达到70时，两项指标均大幅超过其他两种型材，勉强达到标准值要求；尽管表面硬度达到最大，塑木型材吸水开裂的现象在实验中时有发生；
(3)加热后尺寸变化率、高低温反复尺寸变化率：高密度聚乙烯含量越高，热变形越明显，当超细稻壳粉末含量达到60时，变形量减少一半；达到70时，高填充状态下基本不发生变形；
综上分析，可知在不大幅度降低塑木型材抗弯性能前提下，为保障塑木型材后续安装和使用可靠性，超细稻壳粉填充量控制在60适宜。
比较稻壳粉含量为60及木粉含量为60对塑木型材性能的影响
按照稻壳粉填充量为60，木粉填充量为60，其余条件相同的情况下，制备的塑木型材的性能。具体地，本对比试验中，无论是稻壳粉还是木粉，粒径均小于等于0.6mm，具体测试结果如表4所示。
表4 填充量均为60的稻壳塑木型材和木粉塑木型材的性能对比
从表4中可知，抗弯强度：稻壳粉填充的塑木型材明显优于木粉塑木型材；
吸水厚度膨胀率、含水率：相同条件下，两种塑木型材含水率基本一致，稻壳粉中含有一定量的二氧化硅，吸水膨胀效应应被抑制同时邵氏硬度相对较高；加热后尺寸变化率、高低温反复尺寸变化率：稻壳粉纤维较木粉纤维短粗，热变形过程中变量小，一定程度上阻碍聚乙烯热收缩；
因此，总体上，当填充量为60时，稻壳塑木型材抗弯强度优异、吸水膨胀效应小、热变形小、邵氏硬度高，各方面均较木粉塑木型材优势突出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。