Kh550预处理制备高强度竹塑复合材料生产工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及竹塑复合材料制造技术领域，特别涉及一种KH550偶联剂预处理增强胶合程度的制备方法。
【背景技术】
[0002]我国是竹资源大国，年产量高达1.5亿t，约占世界竹材总产量的1/3。但我国竹资源利用率程度还很低，仅用于生产地板、简易家具和一些手工工艺品，没有被运用到工程中来，竹纤维的功用也没有被充分开发。
[0003]竹材是一种天然的粘弹性复合材料，竹纤维长度大、长宽比大、交织性能好，因而具有较强的抗张强度和伸长率(Michaud，2005 ;NenkoVa S，2006)。当把竹纤维作为增强材料加入到树脂基体的复合材料后，力学性能会发生很大的变化，不但与增强材料和基体有关，而且受两相界面结合程序的影响。因此，在研究竹塑复合材料时，要充分认识到各组分材料的固有属性和复合材料的微观构造，以制备出力学性能优良的复合材料(张建辉，2008 ;陈钦慧，2009)。
[0004]通过化学反应改性植物纤维表面的方法有很多，主要有以下三种方法。(I)偶联剂法，偶联剂分散到有机纤维、无机填料、无机纤维和基体树脂之间，可以起到改善相容性的作用。同时，对植物纤维表面进行预处理后，还可以提升与基体间的界面结合能力。目前应用最多的偶联剂为硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂。(2)接枝法，对纤维进行接枝改性的过程比较复杂，但纤维接枝后与聚合物的相容性会明显提高。常用的接枝方法主要有光引发、游离基引发和辐射引发这三种方法。常见的引发剂有三价锰、四价铈、五价钒、过硫酸盐和高锰酸钾等。虽然接枝处理可以提高界面相容性，但用量不当反而会降低纤维的强度。(3)相容剂法，相容剂中含有大量的羧基或酐基，可以通过酯化反应降低纤维素中的羟基数量，进而降低纤维的吸湿性与极性，与基体树脂表现出良好的相容性。常用的相容剂有马来酸酐接枝聚丙烯(MAPP)、马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE)和马来酸酐接枝聚苯乙烯(MAPS)等。
[0005]接枝改性是诸多化学处理方法中最常用的一种。如用乙烯基类单体对纤维进行接枝共聚改性，接枝物会获得更多的性能，与基体树脂复合后的材料具有更广泛的机械加工性能。许多国外学者在这方面做了大量的试验研究:
[0006]Kazayawoko (Kazayawoko, 1999)用MAPP对杨木纤维进行预处理，通过酯化反应使其接枝上纤维上，借助SEM和DSC研究了 MAPP对界面结合的影响。Joly (Joly，1996)等用烷基异氰酸酯对棉纤维进行预处理，研究纤维增强聚丙烯复合材料的吸湿性能，得出烷基长链可以提高复合体系的分散系数，并降低吸湿性。Rana(Rana，1998)等用相容剂处理过的黄麻纤维与聚丙烯树脂复合，结果表明在相容剂适量的前提下，麻烦纤维可起到增强复合材料性能的作用。Avella(Avella，1998)等用MAPP对竹纤维进行表面改性处理后与PP进行复合，结果表明竹纤维/PP复合材料的力学性能达到较优水平，可以得到推广应用。
[0007]目前在竹塑复合材料复合过程中存在如下主要问题:竹纤维与热塑性塑料的界面相容性问题，竹纤维在复合过程中的降解问题，竹纤维在共混复合体系中的分散性问题，偶联剂在复合过程中的用量问题。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是针对偶联剂在复合材料制备过程中用量问题，以及竹纤维与热塑性塑料的界面相容性问题而形成的竹塑复合材料制备生产工艺，并提供详细的竹塑复合材料制备方法。
[0009]KH550偶联剂预处理制备竹塑复合材料生产工艺参数具体如下:
[0010]9mm厚的竹塑复合板材的最优工艺参数为竹塑配比7: 3、偶联剂用量4%、热压温度190°C、热压时间12min。
[0011]为实现以上目的，本发明采用如下技术方案，见图1KH550偶联剂预处理制备竹塑复合材料生产流程图。
[0012]本发明有益效果
[0013]目前，国内外对木塑复合材料技术的研究已趋于成熟，而关于竹塑复合材料的研究报道却很少见。本发明综合木塑复合材料与人造板生产工艺的特点，设计出在保证复合材料力学性能的前提下，能高效利用竹材的竹塑复合材料生产工艺。
[0014]本发明成功制备出9_厚度的竹塑复合产品，可根据不同的需要应用于不同的场合。复合材料在制备过程中，未添加任何其他助剂，不仅减少了助剂对设备的损耗，而且消除了其他干扰因素对竹塑复合材料界面结合机理的影响。
[0015]从力学性能检测结果可知，经KH550偶联剂预处理的9mm竹塑复合板材各项性能优良，均达到了 GB/T11718-2009中密度纤维板的优等水平。这种新型板材附加值高、无污染、无毒害、可回收再利用、强度比纤维板高、耐水性比酚醛树脂人造板优良，可代替人造板应用于家具制造业和建筑行业。
[0016]KH550硅烷偶联剂作用于胶粘剂中，能提高它们的粘接强度、耐水、耐气候等性能。硅烷偶联剂往往可以解决某些材料长期以来无法粘接的难题。硅烷偶联剂作为增粘剂的作用原理在于它本身有两种基团；一种基团可以和被粘的骨架材料结合；而另一种基团则可以与高分子材料或粘接剂结合，从而在粘接界面形成强力较高的化学键，大大改善了粘接强度。硅烷偶联剂的应用一般有三种方法:一是作为骨架材料的表面处理剂；二是加入到粘接剂中，三是直接加入到高分子材料中。
[0017]在本项发明中，KH550偶联剂显著改善复合材料的力学性能。KH550含有多功能官能团，一端经过水解、缩合、成键而结合到纤维表面，另一端有机长链与聚合物作用，在纤维和聚合物间形成较强的界面作用力。
[0018]分析X射线衍射仪、扫描电子显微镜和差示扫描量热仪的检测结果可知，改性剂通过与无定形区的纤维素反应产生新的结晶区，降低了竹粉纤维的极性，提高了竹粉与塑料两相的界面相容性和界面结合强度，从而增强了竹塑复合材料的物理力学性能。
【具体实施方式】
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[0019](I)原料预处理
[0020]干燥:竹粉和塑料在挤出造粒之前，需经干燥处理。这是因为在造粒过程中，如果竹粉内部含有较多的水分和抽提物，会在竹粉表面产生水蒸气和挥发性气体，不仅会降低竹粉与塑料界面的粘结性，而且会在塑料基体内产生孔隙。
[0021]将竹粉放入电热鼓风干燥箱中，在105°C条件下干燥8h，除去水分和抽提物，调节含水率至3%以下。
[0022]KH550处理竹粉:称取一定量的硅烷偶联剂，用无水乙醇进行稀释，质量分数为
I%。将其与烘干后的竹粉在高速混合机中共混20min，后烘至绝干。
[0023](2)混料
[0024]高速混合机适用于固固和固液物料混合，也常用于配制粉料。物料在高速搅拌时，受到离心力的作用，沿混合室内壁上升，至一定高度后又回到落到叶轮中心。在叶轮高速作用下，物料粒子间相互交叉混合，发生碰撞、摩擦作用，促进物料各组分的均匀分布，同时加强对液态添加剂的吸附。
[0025]将经过预处理的竹粉与高密度聚乙烯(HDPE)按照一定比例在高速混合机中共混1min,待物料混合均匀后卸出，准备造粒。
[0026](3)造粒
[0027]造粒是在高于塑料流动温度和较强剪切力作用下，使混合物料塑化，并进一步除去其中的水分和挥发物，使各组分更趋于均匀分散。由于挤出机具有连续、塑化效果好，且易于切粒得到竹塑复合粒子，故将混合物料在双螺杆挤出机进行共混造粒。
[0028]考虑到HDPE的熔融温度和竹粉纤维的热降解温度，将造粒机五区温度分别设为800C、120°C、135°C、135°C、130°C。造粒机参数设为:主机转速 20r/min，加料速度 12r/min。造粒机加热区设计有多个排气孔，便于竹粉中残留水分和挥发物排出。
[0029](4)破碎
[0030]当混合物料中HDPE含量偏高时，造粒机挤出的物料冷却后会凝固成块。经塑胶粉碎机破碎处理后，粒料呈I?3mm的颗粒状或片状。
[0031](5)铺装
[0032]使用北京林业大学工学院制备的模具，将破碎处理后的颗粒状粒料均匀铺洒在模具当中，压制尺寸为:300mmX300mmX9mm,密度1.0g/cm3的板材。
[0033](6)热压
[0034]根据发明中的试验设计，压制厚度为9mm的板材，进行3因素3水平的正交试验，对竹塑配比、偶联剂用量及热压温度进行讨论。竹塑配比分7: 3，6: 4和5: 5三个水平，偶联剂用量分2%，4%，6%三个水平，热压温度分150°C，17(TC，19(rC三个水平。(7)制样及测试
[0035]测试试样按照相关标准制备，弯曲强度和弯曲模量按照GB/T 1449-2005纤维增强塑料弯曲性能试验方法；拉伸强度按照GB/T 1447-2005纤维增强塑料拉伸性能试验方法；冲击强度按照GB/T 1451-2005纤维增强塑料简支梁式冲击韧性试验方法；24h吸水厚度膨胀率按照GB/T 17657-1999人造板及饰面人造板理化性能试验方法进行测试。
【主权项】
1.基于KH550偶联剂预处理增强胶合程度的竹塑复合材料制造技术，它包括竹塑复合材料制备过程中的预处理，板材制备工艺过程，其特征在于:它还包括对预处理后材料的混料、造粒和破碎的工艺过程。
2.根据权利要求1所述对预处理后材料的混料、造粒和破碎的工艺过程，其特征在于:分别在高速混合机、造粒机及粉碎机中，控制混合时间，造粒机设置温度。
3.根据权利要求1所述竹塑复合材料制备过程中的预处理，其特征在于:控制偶联剂和无水乙醇的配比，以及与干燥后竹粉的混合时间，实现对原材料预处理程度的控制。
4.根据权利要求1所述的板材制备工艺，其特征在于:制备工艺包含竹塑配比、偶联剂用量、热压温度和热压时间四项参数。
5.根据权利要求1和4所述板材制备工艺，其特征在于:竹塑配比、偶联剂用量、热压温度和热压时间具有特定数值，该数值具有相对确定性。
【专利摘要】摘要：本发明涉及一种竹塑复合材料制造技术，其中特别涉及一种KH550偶联剂预处理增强胶合程度的制备方法。包括原料预处理，混料，造粒，破碎，铺装和热压。通过对竹塑配比，偶联剂用量，热压温度和热压时间的控制，实现对9mm厚的竹塑复合板材最优性能生产工艺的效果。为增强竹塑板材性能，使用偶联剂分散到有机纤维、无机填料、无机纤维和基体树脂之间，起到改善相容性的作用。同时，对竹纤维表面进行预处理后，还可以提升与基体间的界面结合能力的。板材成品各项力学性能经GB/T？1449-2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》，GB/T1451-2005《纤维增强塑料简支梁式冲击韧性试验方法》以及GB/T17657-1999《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》测定，均达到较高水平。
【IPC分类】C08L23-06, B29C43-00, B29B9-00, C08K5-544, C08L97-02, B29L7-00
【公开号】CN104552716
【申请号】CN201310501361
【发明人】张双保, 于雪斐, 赵方, 王翠翠, 王丹丹, 宋伟, 侯国君
【申请人】张双保, 于雪斐, 赵方, 王翠翠, 王丹丹, 宋伟, 侯国君
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2013年10月23日