专利名称：一种经热处理的植物纤维和塑料共混制备木塑复合材料的方法
技术领域：
本发明涉及木塑复合材料制备方法，具体涉及一种由经过热处理的植物纤 维和塑料共混而成的木塑复合材料的制备方法。
背景技术：
木塑复合材料(Wood Plastic Composites,简称WPC )，是利用植物纤维材 料如木粉、竹粉、稻壳、秸杆等与高分子树脂基体如PE (聚乙烯)、PP (聚丙 烯)、PS (聚苯乙烯)、PVC (聚氯乙烯)、PET (聚对苯二甲酸乙二醇酯)、ABS (丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物)、PA (尼龙)等复合而成的新型材料。木塑复 合材料兼具木材和塑料的优点，它比传统木材有更好的耐吸水性、耐老化性和 耐翘曲性，且成本比纯木材或塑料低，可广泛用于军事工业(如枪托、枪架等)、 轻工业(如家具、工艺品等)、建筑工业(如地板、垫板、各种装修用线条等) 及木材工业等。木塑复合材料的出现，使得木材的废弃物和废旧塑料得到充分 的利用，既可有效地提高木材利用率，缓解我国森林资源贫乏、木材供应紧缺 的矛盾，又可降低由于使用塑料带来的环境污染。
但木塑复合材料还存在一些亟待解决的问题> 如木粉和塑料的界面相容性 不好，尤其是复合材料的耐水性不高，易翘曲，尺寸稳定性较差，不能满足某 些材料的使用需要，如作为浴室地板、包装材料、室外建筑装修材料等，使用 效果和寿命会受到显著影响。
对于木塑复合材料，改善植物纤维和塑料相容性的方法主要有植物纤维的 改性、塑料的预处理和添加界面改性剂三种方法。木质纤维的改性可采用改变 植物纤维表面的化学结构，从而提高纤维与基体树脂的界面粘接，如对纤维素 等进行接枝，在纤维素的表面接枝上某些烯类单体的均聚物，可改善材料的浸 润性、吸水性、粘接性等，从而改善纤维在基体中的分散性，提高纤维与疏水性聚合物的相容性，达到提高复合材料的力学性能的目的。对塑料的预处理是 通过在基体树脂上引入极性基团改变其极性，使塑料与木纤维的极性相近，从 而提高两者的相容性，常用的方法是用马来酸酐接枝处理聚合物。界面改性剂 可以降低异相材料间的界面张力，增强界面结合力，从而提高复合材料的性能， 用的较多的界面改性剂是有机偶联剂，其能够与植物纤维中的极性官能团(主
要是一OH)发生反应形成共价键或氢键，同时，有机偶联剂可以通过接枝共聚
改性聚合物基体，从而产生强的界面粘结或发生交联。改善植物纤维和塑料相
容性的方法都是针对木质纤维存在大量羟基这个问题而提出的。这些方法对羟
基问题的解决都有一定作用，但是由于植物纤维中羟基数量庞大，目前的技术
仍无法完全解决界面相容性不好，尤其是复合材料的耐水性不高、尺寸稳定性
较差、使用过程易产生霉变与翘曲等问题。况且对木质纤维的改性、对塑料的 预处理等方法中，都要用到化学试剂，无形中增加了复合材料加工中的对环境
的影响问题和复合材料成品本身在使用和废弃后的环保问题。因此，采用非化
学的处理方法，解决木质纤维存在大量羟基这个问题，将从根本上为解决木塑
复合材料的界面相容性和复合材料的耐水性提供一种新的途径。
就木材热处理技术而言，近年来欧洲的法国、芬兰、德国和荷兰这四个国家 采用高温缺氧方式对原料木材进行处理，以破坏或结合木材中的羟基，进而降 低木材的吸湿性，提高了木材的尺寸稳定性和耐用性，并达到耐腐的目的。然 而把木材热处理技术应用到木塑复合材料原料的处理尚未见到相关的报道。
发明内容
本发明的目的就是要克服木粉和塑料的界面相容性不好，尤其是复合材料 的耐水性不高，易翘曲，尺寸稳定性较差的问题，根据热处理能破坏植物纤维 中的部分羟基的原理，在缺氧条件下，将植物纤维在140-350 "C进行热处理一 定时间，再与热塑性塑料进行复合得到新型木塑复合材料，制备的复合材料具 有吸水率低、强度高、模量大、尺寸稳定性好等优点。
本发明的目的通过下述方案实现
1、将植物纤维粉碎，20~120目过筛制成植物纤维粉末。经粉碎的植物纤维粉末置于热解炉中，采用缺氧条件下进行热处理，制备成改性植物纤维粉料。
热处理时间为0.5 24h，温度为140-350 °C，优选温度范围为180 250 °C。
2、 改性植物纤维粉料与塑料、润滑剂、增塑剂、稳定剂、相容剂，在高速 搅拌下混合均匀制成混合物料。搅拌机的转速为180O~8OO0 r/min，混合时间 10~15min。所加入的原料按重量份计，各组分为改性植物纤维10-70份，塑 料20~70份，润滑剂0.5~10份，偶联剂0 10份，相容剂1~10份，增塑剂0.5 10 份，增强填充剂0 50份。
3、 将混合物料在双螺杆挤出机中反应挤出。螺杆熔融温度为150~200°C， 混合物料在螺杆中的停留时间为5 12min。
4、 挤出的物料冷却后，经切粒机切粒得到粒料或经口模直接挤成制品。 本发明所述的釆用缺氧条件是指隔绝空气条件、氮气保护气氛或高温水蒸
气气氛中的一种或者他们之间的任意组合。
本发明所述的塑料为PE (聚乙烯)、PP (聚丙烯)、PS (聚苯乙烯)、PVC (聚氯乙烯)、PET (聚对苯二甲酸乙二醇酯)或ABS (丙烯腈-苯乙烯-丁二烯 共聚物)、PA (尼龙)，以及包括上述塑料品种的塑料回收料的任意一种或其中 几种的任意比例的混合物。
本发明所述的植物纤维粉末为木粉、竹粉、果壳粉、秸秆粉、糠壳粉、花 生壳粉或甘蔗渣中的一种或其中几种的任意比例混合物。
本发明所述的润滑剂为聚乙烯蜡、液体石蜡、硅油、油酸、油酰胺、硬质 酰胺、乙二胺、双硬脂酰胺、硬脂酸丁酯、硬脂酸单甘油酯或N， N-双乙撑硬 脂酸酰胺中的一种或其中几种的任意比例混合物。
本发明所述的偶联剂是钛酸酯偶联剂或硅垸偶联剂。
本发明所述的相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚丙烯、乙烯-醋酸乙酯共聚物(EVA)、乙烯-丙烯酸共聚物(EAA)、聚烯烃弹性体(POE)、 三元乙丙橡胶(EPDM)、苯乙烯-丁二烯共聚物(SBS)、氢化SBS共聚物(SEBS) 或苯乙烯-异戊二烯嵌段共聚物(SIS)中的一种或其中几种的任意比例混合物。本发明所述的增塑剂为硬脂酸或者硬脂酸盐类，包插硬脂酸锌(ZnSt)、硬 脂酸钙(CaSt)、硬脂酸钡等、邻苯二甲酸二乙酯(DOP)、顺丁烯二酸二丁酯、 乙酰柠檬酸三丁酯(ATBC)、氧化聚乙烯、聚氨酯增塑剂或聚氨酯型增塑剂， 或是由他们组成的混合物。
本发明所述的增强填充剂包括塑料改性加工中通常所用的填充助剂，如碳 酸钙、滑石粉、粉煤灰、工业矿渣等，优选粒径为5~40 pm。
除上述所述，根据加工工艺和产品使用需要，上述制备的木塑复合材料在 加工时可加入一些其它助剂，如抗氧剂，稳定剂，发泡剂，阻燃剂等。
本发明木塑复合材料的制备方法中可先通过双螺杆挤出机制备木塑复合材 料粒料，然后采用注塑、模压等方式进行木塑复合材料的成型加工。
本发明所述的植物纤维粉末，经过热处理之后，减少了羟基数量，降低了 亲水性，尺寸稳定性得到提高。植物纤维粉末在热处理过程中，其中多糖的损 失主要是半纤维素，半纤维素是无定形的物质，由两种或多种糖基组成，主链 和侧链上含有亲水性基团，因而它是植物纤维中吸湿性最大的组分之一，是使 植物纤维产生吸湿膨胀、变形开裂的重要因素之一。植物纤维在高温热处理过 程中，半纤维素中的某些多糖容易裂解为糖醛和某些糖类的裂解产物，在热的 作用下，这些物质又能发生聚合作用生成不溶于水的聚合物，因而可降低植物 纤维的吸湿性，提高其尺寸稳定性和耐腐性。植物纤维中的纤维素组分在热处 理过程中也会发生降解等作用，降低植物纤维的亲水性。
本发明所述的经热处理改性后的植物纤维与聚烯烃的界面相容性大大提 高，制成的木塑复合材料抗弯强度比基体提高了 50%~150%，拉伸强度比基体 提高了 20%~100%，吸水性比未改性木质纤维-聚乙烯复合材料的吸水性可降低 50%~180%，而且复合材料的制作工艺简单，无污染，复合材料色泽古朴典雅， 抗生物腐蚀性强，可以制成不同形状、满足不同需求的产品，如家具、浴室地 板、室外座椅、儿童玩具、包装材料、室外装饰材料等，应用范围极其广泛。
具体实施例方式
下面实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。 实施例l
1、 将粉碎的木粉，用120目过筛后制成大小相对一致的木粉粉末。经粉碎 的植物纤维置于热解炉中，采用隔绝氧气的条件下进行热处理，热处理时间为 12 h，温度为25(TC。
2、 取改性木粉粉料60kg，加入LDPE32kg、油酸2kg、马来酸酐接枝聚丙 烯5份、白油1份，在高速搅拌下混合均匀制成混合物料。搅拌机的转速为1800 r/min，混合时间10min。
3、 将混合物料在双螺杆挤出机中反应挤出，混合物料在螺杆中的停留时间 为12 min。双螺杆挤出机釆用德国HAAKE公司的PTW-24，挤出机各段温度为 145 。C、 150 。C、 155 。C、 155 。C、 155 。C、 155 。C。
4、 挤出的物料冷却后，经切粒机切粒得到粒料。将型材压制成标准样条分 别按照国标GB/T1040-1992、 GB/T9340-2000、 GB/T1043-1993、 GB/T1034-1998 测试复合材料的拉伸强度、弯曲强度和简支梁冲击强度以及复合材料的吸水性。 复合材料的拉伸强度为35 MPa，弯曲强度为38 MPa，冲击强度为8 kJ/m2，吸 水率为0.17°/。。
实施例2
1、 将粉碎的竹子粉末，用20目过筛后制成大小相对一致的竹子粉末。取 竹子粉末70kg置于带有搅拌器、温度计的热解炉中，在转速为400 r/mhi的低速 搅拌下，持续通入高温水蒸气进行热处理，得到经过热处理的改性竹子粉料。 热处理时间为lh，高温水蒸气温度为340 °C 。
2、 取改性木粉粉料60kg，加入HDPE塑料50kg、油酸2 kg、聚乙烯蜡5 kg、 硅烷偶联剂K560 1.5 kg、硬脂酸锌1 kg，苯乙烯-丁二烯共聚物(SBS) 3 kg在 高速搅拌下混合均匀制成混合物料。搅拌机的转速为6000 r/min，混合时间15 min。3、 将混合物料在双螺杆挤出机中反应挤出，混合物料在螺杆中的停留时间
为5 min。双螺杆挤出机采用德国HAAKE公司的PTW-24，挤出机各段温度为 165 。C、 170 。C、 180 。C、 185 。C、 185 。C、 185 。C。
4、 挤出的物料冷却后，经切粒机切粒得到粒料。分别按照国标 GB/T1040-1992、 GB/T9340-2000、 GB/T1043-1993、 GB/T1034-1998测试复合材 料的拉伸强度、弯曲强度和简支梁冲击强度以及复合材料的吸水性。复合材料 的拉伸强度为45MPa，弯曲强度为50MPa，冲击强度为4.5 kJ/m2，吸水率为 0.37%。
实施例3
1、 将粉碎的麦秸粉末，用60目过筛后制成大小相对一致的麦秸粉末。取 麦秸粉末100kg置于带有搅拌器、温度计的热解炉中，在转速为400 r/min的低 速搅拌下，持续通入氮气进行热处理，得到经过热处理的改性麦秸粉料。热处 理时间为20h，温度为140 °C。
2、 取改性麦秸粉料60kg,加入PS (聚苯乙烯)塑料30kg、油酸5kg、聚 乙烯蜡4kg、钛酸酉旨偶联剂1.0kg、硬脂酸锌2kg，苯乙烯-丁二烯共聚物(SBS) 7kg在高速搅拌下混合均匀制成混合物料。搅拌机的转速为8000r/min，混合时 间15 min。
3、 将混合物料在双螺杆挤出机中反应挤出，混合物料在螺杆中的停留时间 为5min。双螺杆挤出机采用德国HAAKE公司的PTW-24，挤出机各段温度为 155 。C、 160 。C、 165 。C、 165 。C、 165 。C、 165 。C。
4、 挤出的物料冷却后，经切粒机切粒得到粒料。分别按照国标 GB/T1040-1992、 GB/T9340-2000、 GB/T1043-1993、 GB/T1034-1998测试复合材 料的拉伸强度、弯曲强度和简支梁冲击强度以及复合材料的吸水性。复合材料 的拉伸强度为48MPa，弯曲强度为55MPa，冲击强度为4.9 kJ/m2，吸水率为 0.32%。
权利要求
1、一种经热处理的植物纤维和塑料共混制备木塑复合材料的方法，首先是将植物纤维粉碎改性，再加入塑料、润滑剂、增塑剂、稳定剂、相容剂，在双螺杆挤出机中反应挤出，其特征是经粉碎的植物纤维采用缺氧条件下进行热处理，热处理时间为0.5～24h，温度为140～350℃。
2、 根据权利要求1所述的一种经热处理的植物纤维和塑料共混制备木塑复合 材料的方法，其特征是所述的缺氧条件是隔绝空气条件、氮气保护气氛或 高温水蒸气气氛中的一种或者他们之间的任意组合。
3、 根据权利要求1所述的一种经热处理的植物纤维和塑料共混制备木塑复合 材料的方法，其特征是所述的热处理的优选温度范围为1S0 25(TC。
全文摘要
本发明涉及木塑复合材料制备方法，具体涉及一种由经过热处理的植物纤维和塑料共混而成的木塑复合材料的制备方法。本发明通过下述方案实现将植物纤维粉碎，20～120目过筛制成植物纤维粉末。经粉碎的植物纤维采用缺氧条件下进行热处理，热处理时间为0.5～24h，温度为140～350℃，优选温度范围为180～250℃。经热处理改性后的植物纤维与塑料、润滑剂、增塑剂、稳定剂、相容剂，在转速为800～1000r/min的高速搅拌下混合均匀制成混合物料。将混合物料在双螺杆挤出机中反应挤出、切粒得到粒料或经口模直接挤成制品。本发明所述的植物纤维粉末，经过热处理之后，减少了羟基数量，降低了亲水性，降低了最终制品的吸水率，尺寸稳定性得到提高。
文档编号C08L97/02GK101580640SQ20091011203
公开日2009年11月18日 申请日期2009年6月23日 优先权日2009年6月23日
发明者丁富传, 周发青, 李晓燕, 赖寿莲, 陈清松 申请人:福建师范大学