专利名称：一种聚丙烯基木塑复合材料的制造配方的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种聚丙烯基木塑复合材料的制造配方。
背景技术：
塑料/木粉复合材料是利用热塑性塑料和木粉、竹粉、果壳粉或农作物秸秆粉等为主要原料，经混合和成型加工而制得的一种新型复合材料。它综合了塑料制品和木材的优点，具有不怕风雨侵蚀、在不同环境条件下收缩或膨胀变形小、不受霉菌或白蚁的损害、可加工成不同形状和颜色的各种型材、容易机械加工和粘接、天然质感好、不污染土壤或地下水等特点。另外，木塑复合材料可回收再利用，使用过程中无须维修保养。
木塑复合材料可以用于以下方面建筑上的活动房屋、混凝土模板、墙壁、地板、楼梯扶手等各种异型材；工业上的化工及公共场所的工棚、模型、机器罩、水泵壳、电器用材；家庭、办公室或车辆船舶上的装饰板材；各种运输周转箱以及家具材料等，应用领域十分广泛。
研究和开发木塑复合材料的生产和应用，不仅将为国民经济建设增添一种价廉而有广泛应用前景的新材料，而且能为减少废旧塑料制品的危害和提高木材的综合利用率开辟一条新途径；反过来，大量的木屑和废旧塑料又为生产木塑复合材料提供充足的原料来源，对发展循环经济和节约能源具有重要意义。
木塑复合材料所用的热塑性塑料，目前主要是聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)和聚乙烯(PE)。不同的热塑性塑料为基体的木塑复合材料的性能有较大差别。
木粉(包括竹粉、果壳粉或农作物秸秆粉)的主要成分是木素纤维素，表面含有大量的羟基官能团，使其表面表现出很强的化学极性和自聚作用，与疏水性的聚丙烯的相容性差和相互作用力较小，加工温度过高容易时受热分解；同时由于木粉是轻质的硬质颗粒，大量填充时容易造成木塑复合材料在熔融温度下流动困难，加工性能明显下降。聚丙烯的分子链的疏水性大、容易结晶、刚性小、脆性大，熔体处于弹性状态的温度范围窄。以上种种原因容易造成木粉在聚丙烯中不容易分散均匀，聚丙烯基木塑复合材料的加工温度范围窄、熔体流动困难，产品的综合性能差。
在进行聚丙烯基木塑复合材料的研究中，如何使亲水的木粉表面与疏水性的聚丙烯界面之间具有良好的相容性，前人做了许多工作。目前，国内生产聚丙烯基木塑复合材料的厂家和文献报道几乎全部采用偶联剂处理木粉或者加入相容剂的方法，如采用硅烷、异氰酸酯、钛酸酯、铝酸酯、铝钛复合等偶联剂处理木粉或者加入CPE(氯化聚乙烯)、EVA(乙烯/醋酸乙烯二元共聚物)、MES(甲基丙烯酸甲酯/丙烯酸丁酯/苯乙烯三元共聚物)或ABS(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯三元共聚物)等相容剂，以改善木粉与聚丙烯树脂的结合，木粉填充量小的情况下，其效果也很明显，但忽略了木塑复合材料成型加工过程中木粉在聚丙烯中分散等问题，存在着木粉填充量小、木粉在聚丙烯中分散不良、熔体流动困难、制品外观粗糙、刚性小、抗冲击强度和热变形温度低、耐磨性和耐候性差等缺点，聚丙烯基木塑复合材料还不能在户外大批量应用。
由于聚丙烯和木粉结构上的原因以及聚丙烯基木塑复合材料加工和综合性能的要求，必须使用纳米刚性增强剂来提高复合材料的热变形温度、刚性和抗冲击强度，并增大木粉的填充量，这需要从技术上解决木粉和纳米刚性增强剂在聚丙烯中的分散问题，从而提高复合材料的综合性能，拓展聚丙烯基木塑复合材料的应用领域。
发明内容
本专利的目的是提供一种聚丙烯基木塑复合材料的制造配方。本专利发明人认为，聚丙烯基木塑复合材料要具有较好的综合物理机械性能和加工性能，除了必须解决如何使亲水性的木粉表面与疏水性的聚丙烯界面之间具有良好的相容性的问题外，主要的技术关键是如何解决高填充量的木粉和纳米刚性增强剂在聚丙烯中达到良好分散，以致木粉被聚丙烯完全包覆以及纳米刚性增强剂在聚丙烯中真正起到增强和增韧作用，从而提高聚丙烯基木塑复合材料的综合性能。
木粉的化学组成使其表面表现出很强的化学极性和自聚作用，如果木粉在聚丙烯中不能较好分散，木粉不能被聚丙烯完全包覆，就会造成复合材料加工时熔体流动性差，物理机械性能不均，制品表面粗糙，木粉填充量小和耐候性差等缺陷；同样，纳米刚性增强剂由于粒径小而非常容易团聚，如果在聚丙烯中不能达到良好分散，复合材料的拉伸强度、热变形温度、刚性和冲击强度不可能提高。
本专利的主要内容之一是在聚丙烯基木塑复合材料中加入了纳米刚性增强剂；本专利的主要内容之二是在聚丙烯基木塑复合材料中加入了一类分散剂，增强了木粉和纳米刚性增强剂与聚丙烯的界面相容性以及木粉和纳米刚性增强剂在聚丙烯中的分散性。与偶联剂处理木粉的方法相比，纳米刚性增强剂和分散剂的加入，大大增加了木粉的填充量，改善了聚丙烯基木塑复合材料的加工性能，提高了聚丙烯基木塑复合材料的刚性、拉伸强度、抗冲击强度、热变形温度、耐候性和外观质量。
纳米刚性增强剂和分散剂的加入，在大大增加了木粉填充量的同时，整体上提高了聚丙烯基木塑复合材料的加工性能和制品的物理机械性能。究其原因，主要在以下几个方面(1)在熔融状态的聚丙烯和木粉混合过程中，由于分散剂的熔点比聚丙烯小，分散剂在混合开始阶段对木粉粒子和纳米刚性增强剂起到润滑、阻隔和分散作用，降低木粉和纳米刚性增强剂的自聚作用，从而提高了木粉和纳米刚性增强剂在聚丙烯熔体中的分散性，从而促进纳米刚性增强剂起到了增强和增韧作用，促进了木粉能够被聚丙烯完全包覆；(2)木粉和纳米刚性增强剂在聚丙烯中的分散效果，决定于聚丙烯熔体是否在有限的加工温度范围内处于最佳粘度状态，具有最佳粘度的聚丙烯熔体在加工过程中因变形而传递给木粉和纳米刚性增强剂(分散前为团聚体)的剪切力要大于其附聚力，对木粉和纳米刚性增强剂的分散有利。如果聚丙烯熔体粘度过小，其变形过程中传递给填料团聚体的剪切力较小，则填料团聚体混入容易，但不能破碎而无法达到良好分散。在正常加工工艺条件下，分散剂的加入，提高了聚丙烯处于弹性状态的温度范围，从而使木粉和纳米刚性增强剂的团聚体在有限的加工温度范围内，受到很大的剪切力，促进了其在聚丙烯熔体中的分散；(3)由于分散剂分子呈一定的极性，使木粉和纳米刚性增强剂与聚丙烯界面的相互作用加强，增大了界面层厚度；(4)这类新型分散剂常温范围内呈固态，本身的强度较高，减少了聚丙烯与木粉和纳米刚性增强剂之间界面层的应力集中，整体上提高了复合材料的综合物理机械性能；(5)由于木粉和纳米刚性增强剂在聚丙烯熔体中达到了良好分散，在有限的加工温度范围内，整体上降低了聚丙烯基木塑复合材料熔体的粘度，提高了其流动性，为增加木粉填充量提供了可能性；(6)由于纳米刚性增强剂在聚丙烯基木塑复合材料中起到成核剂的作用，使聚丙烯在加工成型后结晶均匀，避免了大球晶的产生，从而提高了复合材料的抗冲击强度、热变形温度和产品的尺寸稳定性。
本发明提供的聚丙烯基木塑复合材料的制造配方，所述的聚丙烯基木塑复合材料由下列原料按质量份数混合而成聚丙烯/木粉的用量为100/25～100/170质量份；纳米刚性增强剂的用量为1～40质量份；氯化聚乙烯的用量为0～10质量份；抗氧剂的用量为1.0～3.0质量份；聚乙烯蜡的用量为0.5～3.0质量份；硬脂酸的用量为0.5～3.0质量份；分散剂用量为木粉和纳米刚性增强剂的2.0％～10％。
上述聚丙烯/木粉的用量为100/50～100/150，纳米刚性增强剂是纳米级无机活性增强剂用量为10～30质量份。
上述分散剂是分子量在4000～300000的含羟基或羧基的合成树脂及其界面活性剂的混合物。
上述氯化聚乙烯的用量为10质量份；抗氧剂是酚类稳定剂用量为2.0质量份；聚乙烯蜡的用量为1.0质量份；硬脂酸的用量为1.0质量份。
上述纳米刚性增强剂为浅色纳米级无机活性增强剂。
上述纳米刚性增强剂为白炭黑或纳米碳酸钙或纳米氢氧化镁。
上述木粉为普通木粉、竹粉、果壳粉、农作物秸秆粉中的任何一种或其混合物。
以上配方所制得的聚丙烯木塑复合材料具有优良的加工性能和物理机械性能、制品表面光滑、木粉填充量大而且容易分散均匀、制造成本低廉等优点。本发明的组合物可用于生产高档的聚丙烯基木塑复合材料，可替代天然木材在室内外装修、建筑业、包装运输业等领域广泛使用。总的来说，在聚丙烯基木塑复合材料中加入适量的分散剂和纳米刚性增强剂，与偶联剂处理木粉的方法相比，增强了木粉和纳米刚性增强剂与聚丙烯界面的结合，促进木粉在聚丙烯中的分散和被聚丙烯完全包覆，从而可大大增加木粉的填充量，明显改善了聚丙烯基本塑复合材料的物理机械性能、成型加工性能和制品的外观，制造成本低廉。
具体实施例方式
具体例子见下列表1和表2所示的基本配方和试验结果。
表1聚丙烯基木塑复合材料基本配方
注表1中基本配方其余组分如下(质量份)聚丙烯，100；抗氧剂，2.0；聚乙烯蜡，1.0；硬脂酸，1.0；氯化聚乙烯，10。增强剂为纳米级无机活性增强剂本实施例使用白炭黑，还可以使用纳米碳酸钙或纳米氢氧化镁；偶联剂为钛酸酯偶联剂；分散剂为分子量在4000～300000的含羟基或羧基的合成树脂及其界面活性剂的混合物，用量为木粉和纳米刚性增强剂的1.0％～12％。(此为试验用量)表2聚丙烯基木塑复合材料性能
将实验室试验的具体例子，按基本配方比例配料各50kg，混合后在双螺杆挤出机上挤出造粒，再用排气式单螺杆挤出成型聚丙烯基木塑复合材料型材。试验得到下列结果(1)例子1、3、5、6、10、11的物料挤出造粒容易；挤出成型时熔体表面有光泽，流动平稳，成品表面光滑而且有光泽，呈木粉的浅黄色状。但例子3没用纳米刚性增强剂，热变形温度较小；例子6的增强剂用量太大，流动性差；例子1的成品因木粉用量少，无木材的质感；(2)例子2、4、9、12、13、14的物料挤出造粒较困难，粒料有粉状物；例子2、4、9、12挤出成型时熔体表面局部有光泽，成品表面比较粗糙，内部有少量空洞；例子13、14挤出成型时熔体表面没光泽，成品表面粗糙，内部有空洞。这是因为例子2、4用钛酸酯偶联剂；例子9的分散剂用量太少，而且没用增强剂，热变形温度较小；例子12的增强剂用量较大，流动性差；例子13、14的木粉用量较大；(3)例子7、8、15的物料挤出造粒困难，粒料呈大量粉状；挤出成型时熔体表面呈深黄色，有黑色的斑点，流动不平稳；成品表面粗糙，表面和内部有很多空洞。这是因为例子7、8用钛酸酯偶联剂和例子15的木粉用量太大。
从以上试验结果可看出，本发明专利在聚丙烯基木塑复合材料中加入一类分散剂，解决了高填充量的木粉和纳米刚性增强剂在聚丙烯中达到良好分散的关键技术问题；加入纳米刚性增强剂，明显提高了木塑复合材料的热变形温度、拉伸强度和冲击强度。但加入纳米刚性增强剂的用量太大，木塑复合材料的流动性明显变差，木粉/纳米刚性增强剂为50～150/30～10合适。
总之，与偶联剂处理木粉的方法相比，分散剂的应用大大促进了木粉和纳米刚性增强剂在聚丙烯中的分散性以及木粉被聚丙烯完全包覆，同时增强了木粉和聚丙烯的相容性，从而可大大增加木粉的填充量，降低了聚丙烯木塑复合材料的原材料成本，同时改善了聚丙烯基木塑复合材料的物理机械性能、成型加工性能和制品的外观，具有明显的性价比优势；加入纳米刚性增强剂，明显提高了木塑复合材料的物理机械性能。
实验室试验方法先将木粉在80℃×2小时烘箱干燥，常温下将木粉、聚丙烯及其它配合剂在高速搅拌机中混合5分钟后取出，得到混合料。将混合料在190℃的炼塑机上塑化3分钟，出片，正常光线下目测片材外观，在平板机上热压180℃×10MPa×3分钟，在常温下冷压5分钟，在塑料制样机上制样，参照相关国家标准测定复合材料的拉伸强度、冲击强度，热变形温度和吸水率。其中，热变形温度在小负荷条件下测定，吸水率是在80℃的水中保持48小时前后的质量变化率。
挤出型材方法将上述混合料在螺杆直径为35mm的双螺杆挤出机上挤出造粒后，在单螺杆挤出机挤出成型50×10mm的片材，挤出机各段温度为120℃～200℃。成型条件亦可根据型材规格和挤出机型号而定。
原材料规格如下聚丙烯粒料，T30S，广东茂名石化乙烯工业公司；木粉，120目，临安市明珠竹木粉有限公司产品；钛酸酯偶联剂KR-238S，广州市君叶偶联剂有限公司产品；白炭黑(255N)，江西南吉化工有限公司产品；纳米碳酸钙，上海耀华纳米科技有限公司产品；纳米氢氧化镁，大连亚泰科技新材料有限公司产品；氯化聚乙烯(135A型)、硬脂酸、聚乙烯蜡、抗氧剂、分散剂广州市东山化工原料有限公司经销产品。
权利要求
1.一种聚丙烯基木塑复合材料的制造配方，其特征在于所述的聚丙烯基木塑复合材料由下列原料按质量份数混合而成聚丙烯/木粉的用量为100/25～100/170质量份；纳米刚性增强剂的用量为1～40质量份；氯化聚乙烯的用量为0～10质量份；抗氧剂的用量为1.0～3.0质量份；聚乙烯蜡的用量为0.5～3.0质量份；硬脂酸的用量为0.5～3.0质量份；分散剂用量为木粉和纳米刚性增强剂的2.0％～10％。
2.根据权利要求1所述的一种聚丙烯基木塑复合材料的制造配方，其特征在于上述聚丙烯/木粉的用量为100/50～100/150，纳米刚性增强剂是纳米级无机活性增强剂用量为10～30质量份。
3.根据权利要求1或2所述的一种聚丙烯基木塑复合材料的制造配方，其特征在于上述分散剂是分子量在4000～300000的含羟基或羧基的合成树脂及其界面活性剂的混合物。
4.根据权利要求1或2所述的一种聚丙烯基木塑复合材料的制造配方，其特征在于上述氯化聚乙烯的用量为10质量份；抗氧剂是酚类稳定剂用量为2.0质量份；聚乙烯蜡的用量为1.0质量份；硬脂酸的用量为1.0质量份。
5.根据权利要求1或2所述的一种聚丙烯基木塑复合材料的制造配方，其特征在于上述纳米刚性增强剂为浅色纳米级无机活性增强剂。
6.根据权利要求1或2所述的一种聚丙烯基木塑复合材料的制造配方，其特征在于上述纳米刚性增强剂为白炭黑或纳米碳酸钙或纳米氢氧化镁。
7.根据权利要求1或2所述的一种PP基木塑复合材料的制造配方，其特征在于上述木粉为普通木粉、竹粉、果壳粉、农作物秸秆粉中的任何一种或其混合物。
全文摘要
本发明公开了一种聚丙烯基木塑复合材料的制造配方，所述的聚丙烯基木塑复合材料由下列原料按质量份数混合而成聚丙烯/木粉的用量为100/25～100/170质量份；纳米刚性增强剂的用量为1～40质量份；氯化聚乙烯的用量为0～10质量份；抗氧剂的用量为1.0～3.0质量份；聚乙烯蜡的用量为0.5～3.0质量份；硬脂酸的用量为0.5～3.0质量份；分散剂用量为木粉和纳米刚性增强剂的2.0％～10％；与偶联剂处理木粉的方法相比，所制得的聚丙烯基木塑复合材料具有加工性能、综合物理机械性能和制品的外观优良、木粉填充量大而且容易分散均匀、性价比优势明显。
文档编号C08K3/36GK1850900SQ200610035580
公开日2006年10月25日 申请日期2006年5月23日 优先权日2006年5月23日
发明者陈福林, 岑兰, 雷彩红, 陈广汉 申请人:广东工业大学