木塑复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及木塑复合材料生产技术领域，特别是涉及一种木塑复合材料及其制备方法。

背景技术：

木塑复合材料是将木粉、秸秆粉等植物纤维及聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等塑料混合，添加适当的助剂，经挤出、注塑、模压生产的成型制品，能够在一定程度上代替木材和塑料的新型绿色复合材料。木塑复合材料具有成本较低、无甲醛释放、塑化加工性能好、制品形式种类多样、强度高、模量大、耐腐蚀磨损等优点。近年来，木塑制品在物流运输和室外景观建造方面使用颇广，如物流托盘、公园湖边地板和栏杆、长廊亭榭、长凳桌椅等。随着表面装饰技术的发展，木塑制品也被应用到室内装修中，如木塑地板、木塑门板、木塑柜体和木塑踢脚线等。

禾本科植物秸秆和木材相比，除同样具有三大组分(纤维素、半纤维素、木质素)在空间中复杂纠缠的结构特点外，还具有纤维形态差、杂细胞多、表皮蜡质层和二氧化硅类物质含量大的特点。这些特点导致秸秆资源在人造板胶合、制浆造纸、生物质炼制、沼气发酵、木塑复合材料等领域的应用存在诸多问题。例如，生产秸秆类木塑复合材料时，秸秆原料松密度小，与塑料混炼时易出现分层；秸秆纤维形态差，加工处理后纤维长径比较小；秸秆表皮蜡质层和大量二氧化硅类物质会降低其与塑料的相容性，这些因素对复合材料产品的成分均匀性、性能稳定性和力学强度有不利影响。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种能够提高复合材料产品的成分均匀性、性能稳定性和力学强度的木塑复合材料及其制备方法。

一种木塑复合材料的制备方法，包括以下步骤：

预处理：将植物纤维采用连续式蒸汽爆破设备进行蒸汽爆破预处理；

造粒：对经过预处理的植物纤维进行造粒得到植物纤维颗粒；

混炼：将所述植物纤维颗粒、塑料颗粒及助剂加入偏心转子体积脉动形变塑化输运装备中进行混炼，所述植物纤维颗粒、所述塑料颗粒和所述助剂的重量比为(10～80):(20～90):(0～10)。

在其中一个实施例中，所述连续式蒸汽爆破设备包括机筒、口模、环模、螺杆和驱动机构；所述机筒设有输送压缩内腔以及与所述输送压缩内腔连通的机筒进料口和机筒出料口，所述口模设有挤出通道以及和与所述挤出通道连通的口模进料口和口模出料口，所述口模设置在所述机筒的出料端且所述口模进料口与所述机筒出料口连通，所述环模具有环模模孔，所述环模设置在所述口模的出料端且所述环模模孔与所述口模出料口连通，所述螺杆具有螺棱，所述螺杆贯穿于所述输送压缩内腔、所述挤出通道和所述环模模孔中，所述环模环绕所述环模模孔的孔壁设有朝向于所述螺杆的齿状结构，所述驱动机构与所述螺杆连接以驱动所述螺杆转动。

在其中一个实施例中，所述齿状结构为多头螺旋齿，所述齿状结构的延伸方向与所述环模模孔的轴向的夹角为20°～35°。

在其中一个实施例中，在所述预处理步骤中，所述植物纤维的含水率为30％～60％。

在其中一个实施例中，所述植物纤维颗粒为直径为3mm～5mm，长度为3mm～5mm的圆柱状颗粒。

在其中一个实施例中，所述植物纤维颗粒的密度与所述塑料颗粒的密度的比值为0.8～1.5。

在其中一个实施例中，在所述造粒的步骤中，采用平模颗粒机、环模颗粒机、冲压式颗粒机或螺杆挤压式颗粒机对植物纤维进行造粒。

在其中一个实施例中，所述植物纤维选自木质碎料、秸秆中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述塑料颗粒选自聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯中的至少一种。

一种木塑复合材料，由上述任一实施例所述的木塑复合材料的制备方法制备得到。

与现有方案相比，本发明具有以下有益效果：

上述木塑复合材料的制备方法，先将植物纤维采用连续式蒸汽爆破设备进行预处理，部分脱除植物纤维表面的蜡质层和二氧化硅类物质，改善植物纤维与塑料之间的相容性，同时使得植物纤维具有较大的长径比，发挥长纤维的增强效果，而不仅仅是作为降低成本的填充材料。然后，对经预处理的植物纤维进行造粒，使之与塑料颗粒的形态相近，避免混炼过程中出现分层现象，可提高混炼过程中的混合均匀性，从而进一步提高复合材料成分均匀性。再将植物纤维颗粒按配方与塑料颗粒及助剂混合后加入偏心转子体积脉动形变塑化输运装备中，通过体积拉伸力场对物料进行混炼，替代传统工艺中采用的螺杆挤出机，可降低植物纤维受剪切力和剪切热断裂降解的几率，有效保留了植物纤维较大的长径比，有利于提高复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度等力学性能。

本发明方法制备得到的木塑复合材料，材料组分均匀，产品质量稳定，并且具有优异的力学性能，拉伸强度可达20.3mpa～29.0mpa，弯曲强度可达32.5mpa～46.4mpa，冲击强度可达5.3kj/m²～10.6kj/m²。

附图说明

图1为本发明一实施例的木塑复合材料的制备方法所采用的连续式蒸汽爆破设备的结构示意图；

图2为图1所示的连续式蒸汽爆破设备的环模的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将通过实施例对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本发明一实施例的木塑复合材料的制备方法，包括以下步骤：

预处理：将植物纤维采用连续式蒸汽爆破设备进行蒸汽爆破预处理；

造粒：对经过预处理的植物纤维进行造粒得到植物纤维颗粒；

混炼：将植物纤维颗粒、塑料颗粒及助剂加入偏心转子体积脉动形变塑化输运装备中进行混炼，植物纤维颗粒、塑料颗粒和助剂的重量比为(10～80):(20～90):(0～10)。

其中，偏心转子体积脉动形变塑化输运装备可选择但不限于申请号cn200810026054.x、cn201410206552.8、cn201610150876.3、cn201710788943.9公开的设备。

在一个示例中，在预处理步骤前，先将植物纤维过2mm～15mm筛网。

如图1～2所示，在一个示例中，连续式蒸汽爆破设备100，包括机筒110、口模120、环模130、螺杆140和驱动机构150。机筒110设有输送压缩内腔以及与输送压缩内腔连通的机筒进料口和机筒出料口。口模120设有挤出通道和与挤出通道连通的口模进料口和口模出料口。口模120设置在机筒110的出料端且口模进料口与机筒出料口连通。环模130设置在口模120的出料端且环模130的模孔与口模出料口连通。环模130具有环模模孔132，环模130设置在口模120的出料端且环模模孔132与口模出料口连通。螺杆140具有螺棱，螺杆140贯穿于输送压缩内腔、挤出通道和环模模孔132中。

在其中一个示例中，环模130环绕环模模孔132的孔壁设有朝向螺杆140的齿状结构134。

本实例的连续式蒸汽爆破设备100，通过螺杆140高速旋转，输送并逐渐压实秸秆碎料，该过程中由于秸秆碎料之间、秸秆碎料和螺杆、秸秆碎料和机筒110之间的摩擦，秸秆碎料温度升高，当秸秆碎料到达口模出料口和环模模孔132形成泄压出料口时，处于高温高压状态，由于秸秆碎料本身含有一定量水分，当秸秆碎料从出料口中连续泄出时，秸秆碎料内部高温高压的水分瞬时释出，产生巨大的爆破力，从而破坏植物纤维的束状组织结构，实现植物纤维细胞的离解；与此同时，随着螺杆140高速旋转，环模模孔132的孔壁上的齿状结构134对秸秆具有较大的揉搓作用，秸秆外表皮蜡质层和二氧化硅类物质进一步脱落，顽抗结构被进一步打开，长径比进一步增大，材料均质化程度提高，降低后续加工处理成本，提高资源利用效率。

进一步，在其中一个示例中，环模130上的齿状结构134为沿环模模孔132的孔壁延伸的条状凸起，且齿状结构134环绕环模模孔132的孔壁紧密排布，条状的齿状结构134可以与模孔的轴向平行设置，也可以倾斜于环模模孔132的轴向设置。较优地，齿状结构为多头螺旋齿，齿状结构134的延伸方向与环模模孔132的轴向的夹角为20°～35°。在其中一个示例中，齿状结构134的延伸方向与螺杆140的螺棱的延伸方向垂直，可起到协助输送物料的作用，使物料在周向运动和轴向运动中泄压释放，避免物料堵塞口模出料口和环模模孔132形成的泄压口。在另一个示例中，齿状结构134的延伸方向与螺杆140的螺棱的延伸方向相同，可对物料起到阻隔作用，增大出料的压力，增强摩擦揉搓作用。

在一个示例中，采用三螺杆式蒸汽爆破设备，三螺杆结构混合输送能力强，可产生局部压力变化，可强化蒸汽爆破效果。

以下是通过对麦秸原料的蒸汽爆破处理过程及结果。

麦秸经破捆、粉碎过筛，调湿静置12h后，分别采用本发明的连续式蒸汽爆破设备以及设置无齿状结构环模的连续式蒸汽爆破设备进行蒸汽爆破处理。收集蒸汽爆破处理后物料，进行苯醇抽提、长径比统计以及表面si原子百分比测试表征，结果如下：

其中，苯醇抽提物含量可近似代替麦秸中蜡质、脂质含量，纤维长径比表明纤维形态的变化。数据分析可得，本发明的连续式蒸汽爆破处理设备，针对秸秆资源的特点优化了设备结构，蒸汽爆破处理效果显著提升，尤其是在脱除表皮蜡质层、二氧化硅类物质及改善纤维形态方面，具有显著的技术效果。

在一个示例中，在预处理步骤中，植物纤维的含水率为30％～60％，能够在有效脱除植物纤维表面的蜡质层和二氧化硅类物质的同时，保留较大的长径比。

在一个示例中，控制植物纤维颗粒与塑料颗粒的密度比为0.8～1.5，可进一步防止混炼过程中植物纤维和塑料出现分层而导致制品成分不均匀的情况，进一步，在一个示例中，控制植物纤维颗粒与塑料颗粒的密度比为0.9～1.1。

在一个示例中，造粒设备为平模颗粒机或环模颗粒机。可以通过造粒设备料筒体积、颗粒机模盘(孔的数量、孔的直径、模盘的厚度)的设计，控制植物纤维颗粒的密度。

在一个示例中，塑料颗粒选自聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯中的至少一种。

在一个示例中，助剂可以是相容剂、抗老化剂、防水剂等，具体根据原料、工艺即用途而定。其中，相容剂可选自马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚丙烯等等。

经蒸汽爆破设备的植物纤维可以直接进行造粒，也可以晾晒或烘干，以便于贮存，需要时，重新调湿再进行造粒。

偏心转子体积脉动形变塑化输运装备可以直接通过成型模具挤出或注塑成型得到制品，也可以只进行混炼造粒，为后续复合材料的成型提供木塑颗粒原料。

其中一个示例的木塑复合材料的制备方法还包括对混炼成型产品的后处理步骤。具体地，该后处理步骤包括但不限于机械加工(车、铣、刨、磨等)、热处理(退火、回火等)、调湿处理、表面抗静电处理、贴面、涂覆、油漆、滚花、抛光等。

本发明针对秸秆纤维形态差、杂细胞多、表皮蜡质层和二氧化硅类物质含量大等特点提供了一种木塑复合材料的制备方法，但不限于应用于秸秆原料，其他的植物纤维如木质碎料等等也可以通过本发明的制备方法制备木塑复合材料。

本实施例还提供一种由上述任一示例所述的木塑复合材料的制备方法制备得到的木塑复合材料。

上述木塑复合材料的制备方法，先将植物纤维采用连续式蒸汽爆破设备进行预处理，部分脱除植物纤维表面的蜡质层和二氧化硅类物质，改善植物纤维与塑料之间的相容性，同时使得植物纤维具有较大的长径比，发挥长纤维的增强效果，而不仅仅是作为降低成本的填充材料。然后，对经预处理的植物纤维进行造粒，使之与塑料颗粒的形态相近，避免混炼过程中出现分层现象，可提高混炼过程中的混合均匀性，从而进一步提高复合材料成分均匀性。再将植物纤维颗粒按配方与塑料颗粒及助剂混合后加入偏心转子体积脉动形变塑化输运装备中，通过体积拉伸力场对物料进行混炼，替代传统工艺中采用的螺杆挤出机，可降低植物纤维受剪切力和剪切热断裂降解的几率，有效保留了植物纤维较大的长径比，有利于提高复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度等力学性能。

以下结合具体实施例对本发明的木塑复合材料的制备方法作进一步详细的说明。

实施例1

本实施例提供的木塑复合材料由以下方法制备而得：

(1)将捆装麦秸粉碎后过5mm筛，调湿使麦秸粉的含水率为50％，利用连续式蒸汽爆破设备进行预处理；

(2)自然晾晒，调湿后，利用平模颗粒机制得直径3mm，长度4mm的圆柱状颗粒，麦秸纤维颗粒与聚丙烯粒料的密度比为1.1；

(3)将麦秸纤维颗粒、聚丙烯粒料、马来酸酐接枝聚丙烯按照10％、88％、2％的质量比例利用低速混合机混合均匀；

(4)将上述混合料加入到基于拉伸流变的偏心转子体积脉动挤出机的计量喂料料斗中，挤出机转速60r/min，从加料到模头加热段各段温度依次为150℃、160℃、175℃、190℃、185℃，混炼制得直径为3mm的颗粒；

(5)将上述颗粒利用热压机模压成型。

实施例2

本实施例提供的木塑复合材料由以下方法制备而得：

(1)将捆装麦秸粉碎后过5mm筛，调湿使麦秸粉的含水率为50％，利用连续式蒸汽爆破设备进行预处理；

(2)自然晾晒，调湿后，利用平模颗粒机制得直径3mm，长度4mm的圆柱状颗粒，麦秸纤维颗粒与聚丙烯粒料的密度比为0.5；

(3)将麦秸纤维颗粒、聚丙烯粒料、马来酸酐接枝聚丙烯按照10％、88％、2％的质量比例利用低速混合机混合均匀；

(4)将上述混合料加入到基于拉伸流变的偏心转子体积脉动挤出机的计量喂料料斗中，挤出机转速60r/min，从加料到模头加热段各段温度依次为150℃、160℃、175℃、190℃、185℃，混炼制得直径为3mm的颗粒；

(5)将上述颗粒利用热压机模压成型。

实施例3

(1)将捆装麦秸粉碎过后5mm筛，调湿使麦秸粉的含水率为40％，利用连续式蒸汽爆破设备进行预处理；

(2)自然晾晒，调湿后，利用平模颗粒机制得直径3mm，长度4mm的颗粒，麦秸纤维颗粒与聚丙烯粒料的密度比为1.1；

(3)将麦秸纤维颗粒、聚丙烯粒料、马来酸酐接枝聚丙烯按照15％、83％、2％的质量比例利用低速混合机混合均匀；

(4)将上述混合料加入到基于拉伸流变的偏心转子体积脉动挤出机的计量喂料料斗中，挤出机转速60r/min，从加料到模头加热段各段温度依次为150℃、160℃、175℃、190℃、185℃，混炼制得直径为3mm的颗粒；

(5)将上述颗粒利用热压机模压成型。

实施例4

(1)将捆装稻草粉碎后过8mm筛，调湿使稻草粉的含水率为60％，利用连续式蒸汽爆破设备进行预处理；

(2)自然晾晒，调湿后，利用平模颗粒机制得直径4mm，长度4mm的颗粒，稻草纤维颗粒与聚丙烯粒料的密度比为0.8；

(3)将稻秸纤维颗粒、聚丙烯粒料、马来酸酐接枝聚丙烯按照40％、50％、10％的质量比例利用低速混合机混合均匀；

(4)将上述混合料加入到基于拉伸流变的偏心转子体积脉动挤出机的计量喂料料斗中，挤出机转速60r/min，从加料到模头加热段各段温度依次为150℃、160℃、175℃、190℃、185℃，混炼制得直径为3mm的颗粒；

(5)将上述颗粒利用热压机模压成型。

实施例5

(1)将桉木片粉碎后过3mm筛，调湿使麦秸粉的含水率为30％，利用连续式蒸汽爆破设备进行预处理；

(2)自然晾晒，调湿后，利用环模颗粒机制得直径5mm，长度5mm的桉木纤维颗粒，桉木纤维颗粒与高密度聚乙烯粒料的密度比为1.5；

(3)将桉木纤维颗粒和高密度聚乙烯粒料按照80％和20％的质量比例利用低速混合机混合均匀；

(4)将上述混合料加入到基于拉伸流变的偏心转子体积脉动挤出机的计量喂料料斗中，挤出机转速60r/min，从加料到模头加热段各段温度依次为120℃、135℃、150℃、165℃、160℃，混炼制得直径为3mm的颗粒；

(5)将上述颗粒利用热压机模压成型。

对比例1

本对比例提供的木塑复合材料由以下方法制备而得：

(1)将捆装麦秸粉碎后过5mm筛，调湿后，利用平模颗粒机制得直径3mm，长度4mm的圆柱状颗粒，麦秸纤维颗粒与聚丙烯粒料的密度比为1.1；

(2)将麦秸纤维颗粒、聚丙烯粒料、马来酸酐接枝聚丙烯按照10％、88％、2％的质量比例利用低速混合机混合均匀；

(3)将上述混合料加入到基于拉伸流变的偏心转子体积脉动挤出机的计量喂料料斗中，挤出机转速60r/min，从加料到模头加热段各段温度依次为150℃、160℃、175℃、190℃、185℃，混炼制得直径为3mm的颗粒；

(4)将上述颗粒利用热压机模压成型。

对比例2

本对比例提供的木塑复合材料由以下方法制备而得：

(1)将捆装麦秸粉碎后过5mm筛，调湿使麦秸粉的含水率为50％，利用连续式蒸汽爆破设备进行预处理；

(2)将经过预处理后的麦秸粉料、聚丙烯粒料、马来酸酐接枝聚丙烯按照10％、88％、2％的质量比例利用低速混合机混合均匀；

(3)将上述混合料加入到基于拉伸流变的偏心转子体积脉动挤出机的计量喂料料斗中，挤出机转速60r/min，从加料到模头加热段各段温度依次为150℃、160℃、175℃、190℃、185℃，混炼制得直径为3mm的颗粒；

(4)将上述颗粒利用热压机模压成型。

对比例3

本对比例提供的木塑复合材料由以下方法制备而得：

(1)将捆装麦秸粉碎后过5mm筛，调湿使麦秸粉的含水率为50％，利用连续式蒸汽爆破设备进行预处理；

(2)自然晾晒，调湿后，利用平模颗粒机制得直径3mm，长度4mm的圆柱状颗粒，麦秸纤维颗粒与聚丙烯粒料的密度比为1.1；

(3)将麦秸纤维颗粒、聚丙烯粒料、马来酸酐接枝聚丙烯按照10％、88％、2％的质量比例利用低速混合机混合均匀；

(4)将上述混合料加入到平行锥形双螺杆挤出机中，挤出机转速35r/min，从加料到模头加热段各段温度依次为150℃、160℃、175℃、190℃、185℃，混炼制得直径为3mm的颗粒；

(5)将上述颗粒利用热压机模压成型。

对比例4

本对比例提供的木塑复合材料由以下方法制备而得：

(1)将捆装麦秸粉碎过5mm筛后，和聚丙烯粒料、马来酸酐接枝聚丙烯按照10％、88％、2％的质量比例利用低速混合机混合均匀；

(2)将上述混合料加入到平行锥形双螺杆挤出机中，挤出机转速35r/min，从加料到模头加热段各段温度依次为150℃、160℃、175℃、190℃、185℃，混炼制得直径为3mm的颗粒；

(3)将上述颗粒利用热压机模压成型。

下表为上述实施例提供的木塑复合材料的性能测试结果。

上述木塑复合材料，材料组分均匀，产品质量稳定，并且具有优异的力学性能，拉伸强度可达20.3mpa～29.0mpa，弯曲强度可达32.5mpa～46.4mpa，冲击强度可达5.3kj/m²～10.6kj/m²。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。