一种炭塑纤维复合材料的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种炭塑纤维复合材料的制备方法，步骤组成⑴选择炭粉在混合前进行烘干处理并存放在干燥处，塑料可以是高密度聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯PET、ABS和超高分子量聚乙烯其中的一种；⑵工艺配方为：取炭粉、热塑性塑料、助剂、玄武岩纤维的配料比为80:16:3:1、70:26:3:1、60:36:3:1或50:46:3:1；将步骤⑵的混合物投入挤出机中，挤出生成的热坯板由转动的传送机输送，在输送中被冷却裁切。本发明原料来源广泛、制造工艺简单、设备简单成本低、尺寸稳定、阻燃性能佳、防霉耐腐、抗虫性好、制品可循环再利用。
【专利说明】一种炭塑纤维复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及复合材料技术，尤其涉及一种炭塑纤维复合材料的制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着近年来实木复合地板大量的使用，其甲醛释放造成的室内环境问题逐渐被人 们重视，室内环境污染主要是由甲醛、苯、氨、和放射性物质这四种污染物所引起的，其中以 甲醛为首，各类板材中大量使用粘合剂，总会有甲醛释放，甲醛能引起人体慢性中毒，植物 神经紊乱等病症，其对于室内环境中工作的人员职业卫生状况构成了很大的威胁。经研究 发现，竹炭板对甲醛有着很强的吸附作用，利用竹炭高吸附甲醛的特性，可将其应用到地板 或其它板材的复合材料的加工中，以减少地板中甲醛对人体的危害。当今的住宅为了提高 保暖、隔热性，越来越往高密闭、高隔音、高隔热的方向发展，且内部的建材和装修材料如地 板、天棚和家具等使用着很多化学制品，而所有的墙体又是钢筋混凝土结构。另外，传统的 实木地板还有易受温湿度变化的影响，造价较高，容易受虫蛀、生长细菌等缺陷。传统木塑 复合材料是近年来复合材料研究开发及废旧塑料再生利用的一项重要科研成果，可制成板 材、型材、管材等，广泛应用于包装、建筑、装饰等行业；木塑产品在建筑领域的应用形式有 地板、护墙板、天花板、楼梯板、装饰板、防潮板、建筑模板、门窗型材、扶手、围栏、百叶窗、屋 面盖板等。
[0003] 由于木塑复合材料是以塑料为增强相，由锯末、碎木片、刨花或含木质纤维的农作 物秸杆等为原料，经过简单的干燥粉碎处理得到的颗粒状的纤维为填充相，使塑料包裹纤 维，形成一个岛屿结构，由于容易产生应力集中，无法起到好的增强效果，导致木塑复合材 料常常容易脆断，应用效果大打折扣。
[0004] 炭塑复合材料具有原料来源广泛、制造工艺简单、设备简单成本低等特点，可用之 代木、代塑、代陶而制成多种产品，炭塑复合材料吸附性能好、热膨胀系数低、热稳定性好、 耐久性好、吸水性小、抗腐性好，有着广阔的前景，是一种很有发展前途的新型复合材料，炭 塑制品应用非常广泛，遍及各行各业和生活中的方方面面，在建筑结构材料方面，在室内装 璜方面，还可以应用在汽车上的门内装饰板、底板、仪表板等；还有物流方面应用的各种规 格的运输托盘和出口包装托盘、仓库铺垫板、各类包装箱等均可采用炭塑复合板材。
[0005] 由于炭粉材料是极性的，具有较强的亲水性，而热塑性树脂多数为非极性的高分 子化合物，具有疏水性，所以两者之间的相容性较差，界面的粘结力很小难以结合，还会影 响炭塑制品的机械性能；由于两相复合界面往往成为应力集中区，因此提高复合材料力学 性能的关键是提高界面的相容性；目前国内的木塑企业大多采用的加工工艺产生于塑料改 性，是把木质材料作为塑料的填充物，靠外力加压或胶接强行将木质材料和塑料结合在一 起，这种技术的缺陷一是未塑化的极性木质材料和非极性的塑料相容性差，塑料和木质材 料结合不紧，导致材料品质下降；二是以木质材料为填充物的材料挤出成型困难，制品质量 不高，废品率很高，界面改性剂能使树脂与炭粉表面之间产生强的界面结合，同时能降低炭 粉的吸水性，提高炭粉与树脂的相容性及分散性，所以能明显提高复合材料的力学性能。
【发明内容】
[0006] 针对以上缺陷，本发明提供一种原料来源广泛、制造工艺简单、设备简单成本低、 尺寸稳定、阻燃性能佳、防霉耐腐、抗虫性好、制品可循环再利用的炭塑纤维复合材料的制 备方法，以解决现有技术的诸多不足。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案： 一种炭塑纤维复合材料的制备方法，主要由以下步骤组成： ⑴选择炭粉在混合前进行烘干处理并存放在干燥处，选择用作基材的塑料，可以是高 密度聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯PET、ABS和超高分子量聚乙烯其中的一种； ⑵在加工前按照配方比例，把炭粉、塑料及助剂放入高速混合机中进行混合，使几种原 料和助剂均匀混合，在炭塑复合过程中加入玄武岩纤维、炭纤维或玻璃纤维，该过程的工艺 配方为： 根据重量份数配比，取炭粉、热塑性塑料、助剂、玄武岩纤维的配料比为80:16:3:1、 70:26:3:1、60:36:3 :1 或 50:46:3:1，螺杆控制温度1651：-2501：，螺杆转速为50?1001·/ min ； ⑶将步骤⑵的混合物，经料斗投入挤出机中，在挤出机中加热使聚烯烃树脂熔融并和 助剂、炭粉混炼，混炼好的熔体从口模中挤出，挤出生成的热坯板由转动的传送机输送，在 输送中被冷却，冷却后的板材经后续的裁切机裁切成所需尺寸的制品，混合好的料也在一 定温度下经热压机热压成型，或注塑机注塑成型。
[0008] 作为可选，以上步骤（2)过程的工艺配方，根据重量份数配比，取炭粉、聚乙烯、助 剂的配料比为80 :17:3、70:27:3、60:37 :3或50:47:3，螺杆控制温度为1651：。
[0009] 以上步骤（2)过程的工艺配方，根据重量份数配比，取炭粉、聚丙烯、助剂的配料比 为80 :17:3、70:27:3、60:37 :3 或 50:47:3，螺杆控制温度为1901：。
[0010] 以上步骤（2)过程的工艺配方，根据重量份数配比，取炭粉、聚对苯二甲酸乙二酯、 助剂的配料比为80:17:3、70:27:3、60 :37:3或50:47:3，螺杆控制温度为2501：。
[0011] 以上步骤（2)过程的工艺配方，根据重量份数配比，取炭粉、聚乙烯、聚丙烯、超高 分子量聚乙烯三元塑料合金、助剂的配料比为70:10:10:7:3或60:13:13:11:3,螺杆控制 温度为210°C。
[0012] 与现有技术相比，本发明所述的炭塑纤维复合材料的制备方法的有益效果为： ⑴木炭通过高温煅烧后有着独特的多孔性能，与塑料复合时，熔融流动状态下的塑料 穿过炭粉的多孔结构，两相界面形成多孔穿插网状结构，大大增加了增强相(炭粉）的比表 面积，且两相界面结合牢固；本方法根据炭塑复合材料内部结构与分子间的不同键合机制 及其空间各向异性，通过扩大界面化学键合和物理吸附，特别是建立大规模的界面多孔穿 插效应，极大地提高炭塑复合材料在关键结构层次的界面结合力和稳定性，建立相应的界 面/表面连接强化材料学模型和力学模型，确立了生物质复合材料界面强化的新技术和新 方法；由于炭粉比木粉的比表面积大，与传统的木塑复合材料相比，本材料可实现炭粉在塑 料中高分散、高填充，在添加剂相同、工艺相同的情况下，炭粉填充量高，由于炭粉的比表面 积大，与塑料基体形成多孔穿插结构，仍可实现炭粉和塑料分散均匀，混炼塑化好的优点； 用炭塑复合材料制备的样品抗弯强度大于50Mpa，是木塑复合材料制备的样品强度的2?3 倍，同时，炭塑制品的强度随着炭粉添加量的升高而提高，炭粉填充量可达70-80%，可大大 节约成本；而一般传统的木塑复合材料在木粉高填充量的情况下，与塑料的混炼效果不佳， 难以达到高强度。
[0013] ⑵可使炭塑材料加工性能好转，从而在很大程度上克服和解决了竹材和非竹材之 间存在的相容性差，复合板材造粒难、成本高，所得粒子加工困难等一系列问题，又解决了 "极性强"、"与热塑性材料结合难"的问题，同时，炭塑复合材料体系中引入玄武岩长纤维， 玄武岩长纤维网状增强结构，在两相结合基础上实现"材料内部网状增刚"和复合材料截面 结构的均质化；建立多尺度、多层次的力学模型，最大限度地发挥和利用复合材料的潜质， 以低值型基础材料通过工艺优化达到复合材料高性能化的目的。
[0014] ⑶利用木炭、热塑性塑料等原料，经特殊的工艺路线生产炭塑复合型材，包括炭 粉、塑料的处理技术和炭塑复合材料挤出技术、模压技术及注塑技术，有效地解决炭粉与塑 料树脂的界面结合问题，可以使炭塑制品的综合性能大幅度提高：①与木塑复合材料相比， 由于炭粉比木粉的比表面积大，可实现炭粉在塑料中高分散、高填充，用炭塑复合材料制备 的样品抗弯强度大于50Mpa，是木塑复合材料制备的样品强度的2?3倍；②炭素复合材料 有尺寸稳定，阻燃性能佳；且防霉性、耐腐性、抗虫性好：由于炭粉经高温处理，同时被高分 子材料包裹，霉菌缺少滋生的环境，比传统木塑复合材料的防霉性、耐腐性更优；③炭塑材 料是绿色环保型材料，制品可循环再利用，炭原料可来自于大量木材、竹材等多种植物纤维 加工废弃物，在高温下将废料变成炭材料，变废为宝，木材、竹材加工废弃物在高温下其有 害物质烧掉，用木炭、竹炭和塑料复合的炭塑复合地板用于家装领域可改良人们的居住环 境，净化空气，由于原料中的塑料为热塑性聚合物，废弃的炭塑制品可重新回收再利用，制 成新的产品。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 下面根据附图对本发明作进一步详细说明。
[0016] 图1是本发明实施例所述炭塑纤维复合材料的制备方法的生产工艺流程示意图； 图2是本发明实施例所述炭塑纤维复合材料的制备方法的挤出成型工艺流程示意图； 图3是传统复合材料的制备方法的挤出成型工艺流程示意图； 图4是本发明实施例所述炭塑纤维复合材料的塑料基体网状结构示意图； 图5是传统木塑纤维复合材料的塑料基体颗粒状结构示意图。
【具体实施方式】
[0017] 实施例1 如图1-5所示，本发明实施例所述的炭塑纤维复合材料的制备方法，其步骤主要包括： ⑴选择并且处理炭粉与塑料：炭粉在混合前进行烘干处理并存放在干燥处，选择用作 基材的塑料，可以高密度聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯PET、ABS和超高分子量聚乙烯其中的一 种，根据成本、原料来源和性价比的要求，回收塑料和新塑料都在复合材料制备中用到； ⑵配方和混料：在加工前按照配方比例，把炭粉、塑料及助剂放入高速混合机中进行 混合，使几种原料和助剂均匀混合，为挤出生产或压制注射作前期准备工作，为提高制品 的强度，还在炭塑复合过程中加入玄武岩纤维、炭纤维与玻璃纤维。该过程的具体工艺配 方为：根据重量份数配比，取炭粉、热塑性塑料、助剂、玄武岩纤维的配料比为80:16:3:1、 70:26:3:1、60:36:3:1或50:46:3:1，螺杆控制温度根据热塑性塑料熔融温度来调整，螺杆 转速为50?100r/min ; ⑶复合材料成型：步骤⑵的混合物，经料斗投入挤出机中，在挤出机中加热使聚烯烃树 脂熔融并和助剂、炭粉混炼，混炼好的熔体从口模中挤出，挤出生成的热坯板由转动的传送 机输送，在输送中被冷却，冷却后的板材经后续的裁切机裁切成所需尺寸的制品，混合好的 料也可在一定温度下经热压机热压成型，或注塑机注塑成型。
[0018] 实施例2 如图1-5所示，本发明实施例所述的炭塑纤维复合材料的制备方法，其步骤主要包括： ⑴选择并且处理炭粉与塑料：炭粉在混合前进行烘干处理并存放在干燥处，选择用作 基材的塑料，可以高密度聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯PET、ABS和超高分子量聚乙烯其中的一 种，根据成本、原料来源和性价比的要求，回收塑料和新塑料都在复合材料制备中用到； ⑵配方和混料：在加工前按照配方比例，把炭粉、塑料及助剂放入高速混合机中进行 混合，使几种原料和助剂均匀混合，为挤出生产或压制注射作前期准备工作，为提高制品 的强度，还在炭塑复合过程中加入玄武岩纤维、炭纤维与玻璃纤维。该过程的具体工艺配 方为：根据重量份数配比，取炭粉、聚乙烯、助剂的配料比为80 :17:3、70:27:3、60:37:3或 50:47:3，螺杆控制温度为1651：，螺杆转速为50?1001'/1^11 ; ⑶复合材料成型：步骤⑵的混合物，经料斗投入挤出机中，在挤出机中加热使聚烯烃树 脂熔融并和助剂、炭粉混炼，混炼好的熔体从口模中挤出，挤出生成的热坯板由转动的传送 机输送，在输送中被冷却，冷却后的板材经后续的裁切机裁切成所需尺寸的制品，混合好的 料也可在一定温度下经热压机热压成型，或注塑机注塑成型。
[0019] 实施例3 如图1-5所示，本发明实施例所述的炭塑纤维复合材料的制备方法，其步骤主要包括： ⑴选择并且处理炭粉与塑料：炭粉在混合前进行烘干处理并存放在干燥处，选择用作 基材的塑料，可以高密度聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯PET、ABS和超高分子量聚乙烯其中的一 种，根据成本、原料来源和性价比的要求，回收塑料和新塑料都在复合材料制备中用到； ⑵配方和混料：在加工前按照配方比例，把炭粉、塑料及助剂放入高速混合机中进行 混合，使几种原料和助剂均匀混合，为挤出生产或压制注射作前期准备工作，为提高制品 的强度，还在炭塑复合过程中加入玄武岩纤维、炭纤维与玻璃纤维。该过程的具体工艺配 方为：根据重量份数配比，取炭粉、聚丙烯、助剂的配料比为80 :17:3、70:27:3、60:37:3或 50:47:3，螺杆控制温度为1901：，螺杆转速为50?1001'/1^11 ; ⑶复合材料成型：步骤⑵的混合物，经料斗投入挤出机中，在挤出机中加热使聚烯烃树 脂熔融并和助剂、炭粉混炼，混炼好的熔体从口模中挤出，挤出生成的热坯板由转动的传送 机输送，在输送中被冷却，冷却后的板材经后续的裁切机裁切成所需尺寸的制品，混合好的 料也可在一定温度下经热压机热压成型，或注塑机注塑成型。
[0020] 实施例4 如图1-5所示，本发明实施例所述的炭塑纤维复合材料的制备方法，其步骤主要包括： ⑴选择并且处理炭粉与塑料：炭粉在混合前进行烘干处理并存放在干燥处，选择用作 基材的塑料，可以高密度聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯PET、ABS和超高分子量聚乙烯其中的一 种，根据成本、原料来源和性价比的要求，回收塑料和新塑料都在复合材料制备中用到； ⑵配方和混料：在加工前按照配方比例，把炭粉、塑料及助剂放入高速混合机中进行 混合，使几种原料和助剂均匀混合，为挤出生产或压制注射作前期准备工作，为提高制品的 强度，还在炭塑复合过程中加入玄武岩纤维、炭纤维与玻璃纤维。该过程的具体工艺配方 为：根据重量份数配比，取炭粉、聚对苯二甲酸乙二酯、助剂的配料比为80:17 :3、70:27:3、 60:37:3或50:47:3,螺杆控制温度为250°C，螺杆转速为50?80r/min ; ⑶复合材料成型：步骤⑵的混合物，经料斗投入挤出机中，在挤出机中加热使聚烯烃树 脂熔融并和助剂、炭粉混炼，混炼好的熔体从口模中挤出，挤出生成的热坯板由转动的传送 机输送，在输送中被冷却，冷却后的板材经后续的裁切机裁切成所需尺寸的制品，混合好的 料也可在一定温度下经热压机热压成型，或注塑机注塑成型。
[0021] 实施例5 如图1-5所示，本发明实施例所述的炭塑纤维复合材料的制备方法，其步骤主要包括： ⑴选择并且处理炭粉与塑料：炭粉在混合前进行烘干处理并存放在干燥处，选择用作 基材的塑料，可以高密度聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯PET、ABS和超高分子量聚乙烯其中的一 种，根据成本、原料来源和性价比的要求，回收塑料和新塑料都在复合材料制备中用到； ⑵配方和混料：在加工前按照配方比例，把炭粉、塑料及助剂放入高速混合机中进行混 合，使几种原料和助剂均匀混合，为挤出生产或压制注射作前期准备工作，为提高制品的强 度，还在炭塑复合过程中加入玄武岩纤维、炭纤维与玻璃纤维。该过程的具体工艺配方为： 根据重量份数配比，取炭粉、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、助剂的配料比为80:17:3、 70:27: 3、60:37:3或50:47:3,螺杆控制温度为240°C，螺杆转速为50?80r/min ; ⑶复合材料成型：步骤⑵的混合物，经料斗投入挤出机中，在挤出机中加热使聚烯烃树 脂熔融并和助剂、炭粉混炼，混炼好的熔体从口模中挤出，挤出生成的热坯板由转动的传送 机输送，在输送中被冷却，冷却后的板材经后续的裁切机裁切成所需尺寸的制品，混合好的 料也可在一定温度下经热压机热压成型，或注塑机注塑成型。
[0022] 实施例6 如图1-5所示，本发明实施例所述的炭塑纤维复合材料的制备方法，其步骤主要包括： ⑴选择并且处理炭粉与塑料：炭粉在混合前进行烘干处理并存放在干燥处，选择用作 基材的塑料，可以高密度聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯PET、ABS和超高分子量聚乙烯其中的一 种，根据成本、原料来源和性价比的要求，回收塑料和新塑料都在复合材料制备中用到； ⑵配方和混料：在加工前按照配方比例，把炭粉、塑料及助剂放入高速混合机中进行混 合，使几种原料和助剂均匀混合，为挤出生产或压制注射作前期准备工作，为提高制品的强 度，还在炭塑复合过程中加入玄武岩纤维、炭纤维与玻璃纤维。该过程的具体工艺配方为： 根据重量份数配比，取炭粉、聚乙烯、聚丙烯、超高分子量聚乙烯三元塑料合金、助剂的配料 比为70:10:10:7:3或60:13:13:11:3,螺杆控制温度为210°C，螺杆转速为30?60r/min ; ⑶复合材料成型：步骤⑵的混合物，经料斗投入挤出机中，在挤出机中加热使聚烯烃树 脂熔融并和助剂、炭粉混炼，混炼好的熔体从口模中挤出，挤出生成的热坯板由转动的传送 机输送，在输送中被冷却，冷却后的板材经后续的裁切机裁切成所需尺寸的制品，混合好的 料也可在一定温度下经热压机热压成型，或注塑机注塑成型。
【权利要求】
1. 一种炭塑纤维复合材料的制备方法，其特征在于，主要由以下步骤组成： ⑴选择炭粉在混合前进行烘干处理并存放在干燥处，选择用作基材的塑料，可以是高 密度聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯PET、ABS和超高分子量聚乙烯其中的一种； ⑵在加工前按照配方比例，把炭粉、塑料及助剂放入高速混合机中进行混合，使几种原 料和助剂均匀混合，在炭塑复合过程中加入玄武岩纤维、炭纤维或玻璃纤维，该过程的工艺 配方为： 根据重量份数配比，取炭粉、热塑性塑料、助剂、玄武岩纤维的配料比为80:16:3:1、 70:26:3:1、60:36:3 :1 或 50:46:3:1，螺杆控制温度1651：-2501：，螺杆转速为50?1001·/ min ； ⑶将步骤⑵的混合物，经料斗投入挤出机中，在挤出机中加热使聚烯烃树脂熔融并和 助剂、炭粉混炼，混炼好的熔体从口模中挤出，挤出生成的热坯板由转动的传送机输送，在 输送中被冷却，冷却后的板材经后续的裁切机裁切成所需尺寸的制品，混合好的料也在一 定温度下经热压机热压成型，或注塑机注塑成型。
2. 根据权利要求1所述的炭塑纤维复合材料的制备方法，其特征在于：以上步骤（2) 过程的工艺配方，根据重量份数配比，取炭粉、聚乙烯、助剂的配料比为80:17 :3、70:27:3、 60:37:3或50:47:3,螺杆控制温度为165°C。
3. 根据权利要求1所述的炭塑纤维复合材料的制备方法，其特征在于：以上步骤（2) 过程的工艺配方，根据重量份数配比，取炭粉、聚丙烯、助剂的配料比为80:17 :3、70:27:3、 60:37:3或50:47:3,螺杆控制温度为190°C。
4. 根据权利要求1所述的炭塑纤维复合材料的制备方法，其特征在于：以上步骤 (2)过程的工艺配方，根据重量份数配比，取炭粉、聚对苯二甲酸乙二酯、助剂的配料比为 80:17:3、70:27:3、60:37 :3 或 50:47:3，螺杆控制温度为 2501：。
【文档编号】B29C47/92GK104119589SQ201310142382
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2013年4月23日 优先权日:2013年4月23日
【发明者】沈建康 申请人:浙江康辉木业有限公司