本发明涉及复合材料领域，尤其涉及一种木塑复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
木塑复合材料是一种绿色环保材料，其成本低、性能高、原料来源广泛，受到国内外相关企业、研究者广泛关注。木塑复合材料的原料包括木纤维和塑料，其中木纤维为极性材料，塑料为非极性材料，木纤维和塑料的界面相容性较差，导致木塑复合材料的力学性能较低。因此在制备木塑复合材料前，需对木塑复合材料的原料木纤维进行改性，常见的改性方法包括酰化、接枝共聚、醚化、烘干、酸碱处理等，但是由上述方法改性后的木纤维制备得到的木塑复合材料仍然存在力学性能低的问题。
技术实现要素：
本发明提供了一种木塑复合材料及其制备方法和应用。本发明提供的木塑复合材料力学性能较好，由实施例可知，本发明木塑复合材料的弯曲强度达77.21mpa，弯曲模量达3817.64mpa，拉伸强度达55.98mpa，断裂伸长率达8.67％，冲击强度达15.19mpa。
本发明提供了一种木塑复合材料，以质量份计，包括以下组分：
所述改性纤维的制备方法包括以下步骤：
对木纤维依次进行高温高压蒸汽处理和烘干处理，得到改性纤维。
优选的，所述高温高压蒸汽处理的温度为120～170℃，压力为0.2～0.8mpa。
优选的，所述高温高压蒸汽处理的时间为5～20min。
优选的，所述烘干处理的温度为103～108℃。
优选的，所述改性纤维的含水率为3％～5％。
本发明提供了上述技术方案所述木塑复合材料的制备方法，包括以下步骤：将所述改性纤维、热塑性塑料、马来酸酐接枝聚乙烯和润滑剂混合后，依次进行造粒、混炼和挤出成型，得到木塑复合材料。
优选的，所述造粒的温度为160～185℃。
优选的，所述挤出成型的温度为145～165℃。
本发明还提供了上述技术方案所述木塑复合材料或者上述技术方案所述制备方法制备得到的木塑复合材料在包装或船舶领域中的应用。
本发明提供了一种木塑复合材料，以质量份计，包括45～55质量份改性纤维、40～50份热塑性塑料、2～4份马来酸酐接枝聚乙烯和1～3份石蜡；所述改性纤维的制备方法包括以下步骤：对纤维依次进行高温高压蒸汽处理和烘干处理，得到改性纤维。本发明提供的木塑复合材料以改性纤维为原料，经高温高压蒸汽处理后的改性纤维能够显著降低木纤维的极性，使改性纤维与热塑性塑料的界面相容性提高，进而提高了木塑复合材料的力学性能。由实施例测试结果可知，本发明提供的木塑复合材料的弯曲强度达77.21mpa，弯曲模量达3817.64mpa，拉伸强度达55.98mpa，断裂伸长率达8.67％，冲击强度达15.19mpa。
附图说明
图1为本发明木塑复合材料的制备流程图；
图2为实施例3和对比例1得到的木塑复合材料的红外光谱图；
图3为实施例3和对比例1得到的木塑复合材料的xrd图；
图4为实施例3和对比例1得到的木塑复合材料的tga图；
图5为对比例1木塑复合材料的扫描电镜图；
图6为实施例3木塑复合材料的扫描电镜图。
具体实施方式
本发明提供了一种木塑复合材料，以质量份计，包括以下原料：
所述改性纤维的制备方法包括以下步骤：
对木纤维依次进行高温高压蒸汽处理和烘干处理，得到改性纤维。
在本发明中，以质量份计，所述木塑复合材料包括45～55质量份改性纤维，优选为48～52份，进一步优选为50份。
在本发明中，所述改性纤维的制备方法包括以下步骤：对木纤维依次进行高温高压蒸汽处理和烘干处理，得到改性纤维。
本发明对木纤维进行高温高压蒸汽处理，得到改性湿料木纤维。
本发明对所述木纤维的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的即可。
本发明优选在高温高压蒸汽处理前，对高温高压蒸汽处理的装置进行预热处理。在本发明中，所述预热处理的压力优选为0.1～0.3mpa，进一步优选为0.15～0.25mpa；所述预热处理的温度优选为120～170℃，进一步优选为130～170℃，更优选为150～170℃；预热的时间优选为60～90min，进一步优选为70～80min。本发明优选通过预热处理，使木纤维中的半纤维素充分降解，从而使木纤维的极性降低，改善其和塑料的界面结合强度。
在本发明中，所述高温高压蒸汽处理的温度优选为120～170℃，进一步优选为130～160℃，更优选为140～150℃；所述高温高压蒸汽处理的压力优选为0.2～0.8mpa，进一步优选为0.3～0.7mpa，更优选为0.4～0.6mpa，最优选为0.45～0.55mpa。在本发明中，所述高温高压蒸汽处理的时间优选为5～20min，进一步优选为8～18min，更优选为10～15min。在本发明中，所述木纤维内含有纤维素和半纤维素，纤维素和半纤维素中含有大量羟基，使木纤维极性较高。本发明通过高温高压蒸汽处理，使木纤维中耐热性差的半纤维素发生降解，减少了木纤维中羟基的数量，降低了木纤维的极性，使改性纤维能够与非极性的热塑性塑料很好地结合，进而提高了木塑复合材料的力学性能。
完成高温高压蒸汽处理后，本发明对改性湿料木纤维进行烘干处理，得到改性纤维。
在本发明中，所述烘干的温度优选为103～108℃，进一步优选为105～107℃。在本发明中，所述烘干的时间优选通过改性纤维的含水率进行控制，当所述改性纤维的含水率优选为3％～5％时，停止烘干处理。在本发明中，所述改性纤维的含水率进一步优选为3.5％～4.5％。本发明优选将改性纤维的含水率控制在上述范围内，有利于避免制备得到的木塑复合材料发生表面鼓泡现象或者焦糊现象。
在本发明中，以改性纤维的质量份为基准，所述木塑复合材料包括40～50质量份热塑性塑料，进一步优选为42～48质量份，进一优选为45质量份。
在本发明中，以改性纤维的质量份为基准，所述木塑复合材料包括2～4质量份马来酸酐接枝聚乙烯，进一步优选为2.5～3.5质量份，更优选为3质量份。在本发明中，所述马来酸酐接枝聚乙烯的作用是将马来酸酐接枝聚乙烯中的乙烯基接枝到改性纤维上，从而降低改性纤维表面极性，提高其与热塑性塑料的界面相容性。
在本发明中，以改性纤维的质量份为基准，所述木塑复合材料包括1～3质量份润滑剂，进一步优选为1.5～2.5质量份，更优选为2质量份。在本发明中，所述润滑剂优选包括石蜡。
本发明还提供了上述技术方案所述木塑复合材料的制备方法，包括以下步骤：将所述改性纤维、热塑性塑料、马来酸酐接枝聚乙烯和石蜡混合后，依次进行造粒、混炼和挤出成型，得到木塑复合材料。
本发明将所述改性纤维、热塑性塑料、马来酸酐接枝聚乙烯和石蜡混合后，得到混合物。
本发明优选在高速混合机中将改性纤维、热塑性塑料、马来酸酐接枝聚乙烯和石蜡混合。在本发明中，所述混合的方式优选为：先低速搅拌混合，再高速搅拌混合，所述低速搅拌混合的时间优选为5～8min，进一步优选为6～7min，所述高速搅拌混合的时间优选为30～40min，进一步优选为32～38min。本发明对低速搅拌和高速搅拌的转速没有特别要求，采用本领域技术人员所常用的转速即可。
得到混合物后，本发明对所述混合物依次进行造粒、混炼和挤出成型，得到木塑复合材料。
本发明优选采用双螺杆机挤出造粒，得到粒子。在本发明中，所述造粒的温度优选为160～185℃。在本发明中，所述双螺杆机挤出温度优选分为7个区，具体为1区、2区、3区、4区、5区、6区和7区，所述1区的温度优选为155～165℃，进一步优选为160℃；所述2区的温度优选为160～170℃，进一步优选为165℃；所述3区的温度优选为165～175℃，进一步优选为170℃；所述4区的温度优选为165～175℃，进一步优选为170℃；所述5区的温度优选为180～190℃，进一步优选为185℃；所述6区的温度优选为165～175℃，进一步优选为170℃；所述7区的温度优选为160～170℃，进一步优选为165℃。本发明优选将挤出造粒的分区和温度控制在上述范围内，有利于挤出得到粒子，避免了因温度过高发生的焦糊现象，同时也避免了因温度过低导致塑料不会快速熔化的问题。
得到粒子后，本发明优选将粒子进行冷却处理，得到冷却后的粒子。
本发明对冷却处理的方式没有特别限定，采用本领域技术人员所熟知的冷却方式即可。
本发明将所述冷却后的粒子进行混炼，得到熔融物。在本发明中，所述混炼优选在单螺杆机内进行。在本发明中，所述混炼的温度优选为145～165℃。在本发明中，所述单螺杆机的温度优选分为4个区，具体为1区、2区、3区和4区，所述1区的温度优选为140～150℃，进一步优选为145℃；所述2区的温度优选为150～160℃，进一步优选为155℃；所述3区的温度优选为160～170℃，进一步优选为165℃；所述4区的温度优选为160～170℃，进一步优选为165℃。在本发明中，所述单螺杆机的转速优选为20～60r/min，进一步优选为30～50r/min，更优选为35～45r/min。本发明优选将混炼的温度和分区控制在上述范围内，有利于使原料更好地熔融共混，提高最终制备得到的木塑复合材料的质量。
得到熔融物后，本发明优选将所述熔融物进行挤出成型，得到木塑复合材料。
在本发明中，所述挤出成型的温度优选为160～170℃，进一步优选为165℃。在本发明中，所述木塑复合材料的形状优选为长方形材，所述长方形材的宽优选为35～55mm，进一步优选为40mm；所述长方形材的高优选为3～5mm，进一步优选为4mm。本发明对挤出成型的具体实施方式没有特别限定，采用本领域技术人员所熟知的操作方式即可。
本发明还提供了上述技术方案所述木塑复合材料或者上述技术方案所述制备方法制备得到的木塑复合材料在包装或船舶领域中的应用。
在本发明中，所述木塑复合材料优选作为包装材料应用于包装领域中。
在本发明中，所述木塑复合材料优选作为制备船舶的原料应用于船舶领域中。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
以下实施例均按照图1所示制备流程图进行。
实施例1
在0.1mpa下将水蒸汽输入高温高压蒸汽处理用装置中，并对装置进行预热，预热温度为170℃，预热时间为60min。然后在120℃、水蒸汽压力0.2mpa条件下，采用水蒸汽对木纤维进行高温高压蒸汽处理，处理时间为5min。处理后，将木纤维置于干燥箱中在103℃条件下进行干燥，使其含水率干燥至3％，得到改性纤维。
将改性纤维、热塑性塑料、马来酸酐接枝聚乙烯和石蜡按50：45：3：2的质量比例放入高速混合机中，先低速搅拌5分钟，然后高速搅拌30min，物料混合均匀后进行造粒、混炼、挤出成型，得到木塑复合材料，其中造粒采用双螺杆机进行造粒，双螺杆机挤出温度分为7个区，每个区的温度依次为160℃、165℃、170℃、170℃、185℃、170℃、165℃；混炼采用单螺杆机，单螺杆机混炼温度分为4个区，每个区的温度依次为145℃、155℃、165℃、165℃；单螺杆机的转速为20r/min，单螺杆机机头的温度为165℃。
实施例2
在0.2mpa下将水蒸汽输入高温高压蒸汽处理用装置中，并对装置进行预热，预热温度为120℃，预热时间为80min。然后在140℃、水蒸汽压力0.4mpa条件下，采用水蒸汽对木纤维进行高温高压蒸汽处理，处理时间为15min。处理后，将木纤维置于干燥箱中在105℃条件下进行干燥，使其含水率干燥至2％，得到改性纤维。
将改性纤维、热塑性塑料、马来酸酐接枝聚乙烯和石蜡按50：45：3：2的比例放入高速混合机中，先低速搅拌7分钟，然后高速搅拌35min，物料混合均匀后进行造粒、混炼、挤出成型，得到木塑复合材料，其中造粒采用双螺杆机进行造粒，双螺杆机挤出温度分为7个区，每个区的温度依次为155℃、160℃、165℃、165℃、180℃、165℃、160℃；混炼采用单螺杆机，单螺杆机混炼温度分为4个区，每个区的温度依次为140℃、150℃、160℃、160℃；单螺杆机的转速为40r/min，单螺杆机机头的温度为165℃。
实施例3
在0.3mpa下将水蒸汽输入高温高压蒸汽处理用装置中，并对装置进行预热，预热温度为130℃，预热时间为90min。然后在170℃、水蒸汽压力0.8mpa条件下，采用水蒸汽对木纤维进行高温高压蒸汽处理，处理时间为20min。处理后，将木纤维置于干燥箱中在108℃条件下进行干燥，使其含水率干燥至1％，得到改性纤维。
将改性纤维、热塑性塑料、马来酸酐接枝聚乙烯和石蜡按50：45：3：2的比例放入高速混合机中，先低速搅拌8分钟，然后高速搅拌40min，物料混合均匀后进行造粒、混炼、挤出成型，得到木塑复合材料，其中造粒采用双螺杆机进行造粒，双螺杆机挤出温度分为7个区，每个区的温度依次为165℃、170℃、175℃、175℃、190℃、175℃、170℃；混炼采用单螺杆机，单螺杆机混炼温度分为4个区，每个区的温度依次为150℃、160℃、170℃、170℃；单螺杆机的转速为60r/min，单螺杆机机头的温度为165℃。
对比例1
按照实施例3的方法进行实验，区别在于以未经高温高压蒸汽处理的木纤维替换实施例3中的改性纤维。
对实施例3和对比例1得到的木塑复合材料进行红外光谱表征，测试结果如图2所示。由图2可知，实施例3制备得到的木塑复合材料中波数为3430cm-1的oh-吸收峰和波数1738cm-1的c＝o吸收峰强度下降幅度较大，其中羟基吸收峰强度变化较为明显。由此说明，本发明通过高温高压蒸汽处理，使木纤维中的羟基和羰基数量大幅下降，从而降低了木纤维的极性。
对实施例3和对比例1得到的木塑复合材料进行xrd表征，测试结果如图3所示。由图3可知，实施例3和对比例1所述木塑复合材料的002晶面角度分别为21.67°和22.88°，进而能够计算得出实施例3和对比例1的结晶度分别为68.94％和46.68％。
对实施例3和对比例1得到的木塑复合材料进行热失重测试，测试结果如图4所示。由图4可知，实施例3和对比例1的热稳定性如表1所示。
表1实施例3和对比例1的热稳定性
由表1测试结果可知，本发明实施例3提供的木塑复合材料具有更高的稳定性。本发明通过高温高压蒸汽处理使纤维中的半纤维素发生部分降解，部分降解产物会发生重组形成少量的木质素，提高木纤维的热稳定性；另外在高温作用下，纤维素中的部分羟基会氧化成热稳定性比较好的醛基、酮基或羧基，进一步提高其热稳定性。
对实施例3和对比例1得到的木塑复合材料的力学性能进行测试，其弯曲、拉伸及冲击性能分别参照《塑料弯曲性能试验方法》gb/t9341-2000、《塑料拉伸性能试验方法》gb/t1040-1992、《硬质塑料简支梁冲击试验方法》gb/t1043-1993测试，测试结果为5个试件的算术平均值。测试结果如表2所示。
表2实施例3和对比例1的力学性能
由表2测试结果可知，本发明实施例3提供的木塑复合材料的拉伸、弯曲和冲击强度均高于对比例1提供的木塑复合材料的拉伸、弯曲和冲击强度。本发明提供的木塑复合材料的弯曲强度达77.21mpa，弯曲模量达3817.64mpa，拉伸强度达55.98mpa，断裂伸长率达8.67％，冲击强度达15.19mpa。
对实施例3和对比例1得到的木塑复合材料进行扫描电镜测试，测试结果如图5和图6所示，其中图5为对比例1木塑复合材料的扫描电镜图，图6为实施例3木塑复合材料的扫描电镜图。由图5和图6可知，对比例1得到的木塑复合材料的断面不平整，出现大量因木纤维拔出形成的孔洞，木纤维有明显的聚集、团聚现象；实施例3得到的木塑复合材料断面拔断的木纤维表面有丝状物体出现，与树脂基体二者之间的界面比较模糊，说明纤维与塑料二者界面相容性较好。由此说明，本发明提供的木塑复合材料中纤维和塑料的界面相容性较好。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。