一种秸秆增强再生塑料复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及复合材料领域，尤其涉及一种秸杆增强再生塑料复合材料及其制备方 法。
【背景技术】
[0002] 木塑复合材料是指以富含木质纤维素的生物质材料为主要原料，利用高分子界面 化学原理和塑料填充改性的特点，配混一定比例的塑料基料，经专业工艺处理后加工成型 的一种可循环利用的新型材料，具有不龟裂、不变形、耐腐蚀、无污染、无公害等优点，可循 环利用，是一种全新的绿色环保产品，也是一种生态洁净的复合材料。同时，该种材料的用 途非常广泛，可用作托盘、包装箱等包装材料，铺板、铺梁等仓储材料，房屋、地板、建筑模板 等装修与装饰材料，公共场所的露天铺板、桌椅、板凳、廊架等景观美化和休闲材料，汽车内 装饰材、管材等汽车内装饰材料。然而，目前生产木塑的植物纤维基本上采用木粉，木粉的 使用需要耗费大量的木材，造成木材资源紧缺。所以，利用其他植物纤维粉生产木塑复合材 料是世界各国研究的前沿，也是我国木塑行业发展的必要途径。
[0003] 秸杆作为一种生物质资源，其潜在利用价值已被政府部门、科研单位和企业重视， 从不同领域开展秸杆生物质综合利用的研发，并取得了系列成果。目前，研发和产业化重点 主要集中在秸杆能源化、秸杆肥料化、秸杆饲料化及利用秸杆造纸和生产建材。农林生物质 资源综合开发利用已经列入国家的中长期发展战略规划优先主题，然而从目前技术储备以 及成本方面考虑，尚不存在大规模工业化推广的基础和技术支持。秸杆造纸是我国目前秸 杆工业化利用的主体，但呈逐年下降的趋势，主要是由于中小型企业的污染问题。秸杆饲料 和肥料化是我国秸杆利用的传统领域，但目前也尚未达到大规模工业化利用。
[0004] 目前，我国秸杆和废旧塑料资源丰富，但是得不到有效地综合利用，秸杆与废旧塑 料的焚烧，造成环境污染，危害极大，已经成为社会的重大难题。将农作物秸杆用于生产生 态环保型秸塑复合材料，既能解决农作物秸杆的不当处理造成的环境污染，又能实现农业 资源的高效综合利用，提高了农作物产后附加值，增加农民收入，促进农业产业化。同时，又 能在一定程度上缓解我国森林保护法实施力度加大之后木材供需关系的矛盾和废旧塑料 造成的白色污染难题。因此，利用秸杆和再生塑料加工生产秸塑复合材料，具有广阔的市场 前景。
[0005] 研究发现，秸杆纤维的物理特性、化学特性以及机械性能均可替代木塑复合材料 中的木粉。但是，与木塑复合材料相比，秸塑复合材料的物理性能、力学性能和耐候性能等 还存在一定的缺陷，这是制约秸塑复合材料产业化发展的技术瓶颈。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提出一种秸杆增强再生塑料复合材料 及其制备方法。通过本发明的实施，能够明显提高秸塑复合材料的物理性能、力学性能和热 稳定性，满足市场需求。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0008] 一种秸杆增强再生塑料复合材料，包括以下质量百分比的组分：改性秸杆粉50~ 70 %、再生塑料颗粒20~40 %、相容剂2~5 %、润滑剂1~5 %、着色剂1~3 %、抗氧剂1~ 3%、光稳定剂1~3 %。
[0009] 进一步的技术方案，所述改性秸杆粉是由以下质量份数的组分组成:秸杆粉100~ 110份、石墨稀纳米片0.1~1份、阳离子表面活性剂1~4份、矿物填充物2~10份、偶联剂4~ 10份，所述石墨烯纳米片是粉末状固体，纯度为90%~99%，比表面积为2~17m2/g，厚度为 0.3~2nm，横向尺寸为1~5μπι;所述阳离子表面活性剂为季铵盐型阳离子表面活性;所述矿 物填充物为碳酸钙、硫酸钙、滑石粉、粉煤灰、硅酸钙中一种。
[0010] 进一步的技术方案，所述秸杆粉为小麦秸杆粉、水稻秸杆粉、玉米秸杆粉、油菜秸 杆粉、棉花秸杆粉中一种;所述再生塑料颗粒为再生聚乙烯颗粒、再生聚丙烯颗粒中至少一 种;所述相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚丙烯中至少一种;所述润滑剂为硬 脂酸、硬脂酸锌、硬脂酸钙、聚乙烯蜡、氧化聚乙烯蜡、乙撑双硬脂酰胺中至少一种;所述着 色剂为炭黑、氧化铁红、氧化铁黄、钛白粉、酞青蓝、酞青绿中至少一种;所述抗氧剂为抗氧 剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂264、抗氧剂ΒΗΤ、抗氧剂ΤΝΡ中一种;所述光稳定剂为光稳定剂 ΑΜ-101、光稳定剂GW-540、光稳定剂944、光稳定剂744、紫外线吸收剂UV-326、紫外线吸收剂 UV-531中一种。
[0011] -种秸杆增强再生塑料复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0012] (1)秸杆粉预处理:采用碱提法和干燥法联用技术对秸杆粉进行预处理；
[0013] (2)秸杆粉改性:将预处理后秸杆粉100~110份，置于预先升温至105~110°C的高 速混料机中，加入石墨烯纳米片0.1~1份、阳离子表面活性剂1~4份、矿物填充物2~10份、 偶联剂4~10份，充分混合；
[0014] (3)混料工艺:将改性秸杆粉50~70%、再生塑料颗粒20~40%、相容剂2~5%、润 滑剂1~5%、着色剂1~3份、抗氧剂1~3%、光稳定剂1~3%，倒入混料机中，充分混合；
[0015] (4)造粒工艺:将步骤(3)所得混合料加入造粒机中，按照预设的温度和工艺，挤成 熔融状态的块状物料，风送冷却，经破碎机破碎成柔软干燥的造粒料；
[0016] (5)挤出成型：将步骤(4)所得造粒料放入挤出机中，按照预设的温度和工艺，以 400~1000mm/min的线速度经模具挤出，冷却成型，得到秸杆增强再生塑料复合材料产品；
[0017] (6)表面后处理:将步骤(5)所得秸杆增强再生塑料复合材料产品的表面进行打 磨、拉丝、压花中至少一种后处理。
[0018] 进一步的技术方案，所述步骤（1)中碱提法和干燥法联用技术包括:首先，将秸杆 粉用0.5~5mol/L的氢氧化钠或氢氧化钾水溶液浸泡24h后洗涤至中性;然后，放入导热管 式干燥机的机筒内，使秸杆粉与干燥机夹套内部接触，并在干燥机的内、外导热管中往复式 的旋转并搅动，通过干燥机顶端带有负压的排气口排出，进入循环冷却箱中，充分冷凝后， 冷凝水流进带有液封槽的杂质储物罐中；最后，将干燥后的秸杆粉通过放料箱放出；干燥后 的秸杆粉含水量小于3 %。
[0019] 进一步的技术方案，所述步骤（2)中石墨烯纳米片是粉末状固体，纯度为90%~ 99%，比表面积为2~17m2/g，厚度为0.3~2nm，横向尺寸为1~5μπι;所述阳离子表面活性剂 为季铵盐型阳离子表面活性;所述矿物填充物为碳酸钙、硫酸钙、滑石粉、粉煤灰、硅酸钙中 一种;所述偶联剂为硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂中一种。
[0020] 进一步的技术方案，所述步骤（2)中高速混料机转速为300~500r/min，混料时间 为10~15min〇
[0021 ]进一步的技术方案，所述步骤(3)中混料机转速为80~150r/min，混合时间为10~ 20min〇
[0022]进一步的技术方案，所述步骤(4)中的造粒机为平行双螺杆造粒机;所述平行双螺 杆造粒机的温度:一区为80~100°C、二区为170~220°C、三区为150~200°C、四区为150~ 200°C、五区为120~180°C、六区为90~150°C，主机转速为350~450r/min，喂料转速为15~ 30r/min;所述造粒料直径为0.5~1.5cm，温度为40~60°C。
[0023]进一步的技术方案，所述步骤(5)中的挤出机为锥形双螺杆挤出机;所述锥形双螺 杆挤出机的机筒温度:一区为190~230°C、二区为190~220°C、三区为170~190°C、四区为 140~180°C、五区为120~170°C，合流芯温度为120~155°C，模头温度为130~170°C，主机 转速为5~30r/min，喂料转速为5~30r/min;所述冷却成型是采用循环冷却水槽进行喷淋 冷却定型。
[0024]有益效果
[0025]本发明相较于现有技术而言，具备如下优点：
[0026] 1、本发明中主采用石墨烯纳米片、阳离子表面活性剂、矿物填充物、偶联剂改性秸 杆。石墨烯纳米片具有高比表面积、低密度和高弹性模量等，能够很好的分散在秸杆中；阳 离子表面活性剂是很好的分散剂，能够将石墨烯纳米片有效的分散在秸杆粉中，同时阳离 子表面活性剂也是很好的杀菌剂，有效的防止秸塑复合材料产品霉变;偶联剂能够改善改 善秸杆与聚合物基体的相容性;矿物填充物能够够降低成本。因此，通过本发明的技术方案 能够显著提高秸塑复合材料物理性能、力学性能，能够满足市场需求。
[0027] 2、本发明使用碱提法和干燥法联用技术处理秸杆纤维。碱提法能够去除秸杆粉中 的半纤维素、小分子酯类等不稳定物质，增强秸杆中纤维素与聚烯烃基材的复合效果，得到 力学性能优良的秸塑复合材料。干燥法能够有效降低秸杆纤维的含水量和易挥发组分，使 制得的秸塑复合材料产品外观更加美观，力学性能更优越，且具有工艺简单、绿色环保等特 点。
[0028] 3、本发明限定石墨烯纳米片纯度90 %~99%，比表面为积2~17m2/g，厚度为0.3 ~2nm，横向尺寸为1~5μηι，能够确保质量，提高纳米粉体在猜杆中的分散性，从而能够提高 秸塑产品的性能。
[0029] 4、本发明采用风送冷却将造粒料的温度降低至40~60°C，能够防止造粒料的自 燃，便于造粒料的存储。