一种基于亚临界水微发泡的生物质复合材料制品成型方法与流程

本发明涉及高分子材料成型领域，特别涉及一种基于亚临界水微发泡的生物质复合材料制品成型方法。

背景技术：

生物质复合材料具有机械可加工性，耐水耐腐蚀，使用寿命长，原料来源广泛，成本低廉，同时具有优良的力学性能，是一种广泛应用于各领域的环保可回收材料。但是，生物质复合材料的力学性能，受限于生物质填充材料与聚合物基体的相容性，尤其是抗冲击性能。同时，其较高的密度也限制了生物质复合材料的应用。

目前连续挤出发泡生物质复合材料的成型方法，通常需要对经预处理，如蒸汽爆破的生物质材料进行干燥，与基体和其它加工助剂混合均匀后，再利用物理或化学发泡剂进行发泡。泡孔的分布、尺寸等极大受限于发泡剂在熔体中的混合均匀程度，且发泡剂的引入往往增加成本或对环境不友好。同时，对生物质材料的干燥处理也增加了工艺环节，无法连续生产。

针对目前微发泡生物质复合材料生产不连续、泡孔分布不均等问题提出一种基于亚临界水微发泡的生物质复合材料制品成型方法。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种基于亚临界水微发泡的生物质复合材料制品成型方法，该成型方法利用生物质材料本身的水分作为发泡剂，发泡性能优异。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于亚临界水微发泡的生物质复合材料制品成型方法，将聚合物基体、生物质材料预混后得到的复合体系加入偏心转子挤出机中熔融塑化为熔体，发泡并挤出至模头冷却成型；在偏心转子挤出机首段，生物质材料中的水作为发泡剂，生物质材料作为发泡剂的载体完成初步混合；在偏心转子挤出机中段，通过压缩比在熔体中建立压力使生物质材料中的水处于亚临界状态，亚临界水在拉伸流变作用下继续分散混合；在偏心转子挤出机尾段，降压引发亚临界水发泡形成致密的微泡孔；在模头处冷却成型。

优选地，挤出过程中的压力的建立是通过偏心转子挤出机的正位移输送特征和体积脉动，以及转子的大压缩比实现。

优选地，熔体中亚临界水在拉伸流变作用下得到均匀分散形成致密泡核，因压力降低而引发发泡形成泡孔，冷却时泡孔尺寸低于临界尺寸而不会因水蒸气冷凝而发生收缩，产生破孔现象。

优选地，利用亚临界水的溶胀效应在挤出过程中改善生物质材料与聚合物基体的相容性。

优选地，偏心转子挤出机沿复合体系的挤出方向依次分为固体输送段、熔融段、混合ⅰ段、增压段、混合ⅱ段、降压段和计量段，计量段末端与模头相连，固体输送段处设有进料口；在固体输送段，复合体系被压实并排出气体，生物质材料中的部分分子水受热蒸发从进料口排出；在熔融段，复合体系开始熔融塑化，成为均一熔体；在混合ⅰ段，以拉伸流变为主的流场作用下，复合体系中生物质材料作为发泡剂载体得到初次分散；在增压段，借助偏心转子体积脉动输送的特点建立挤出压力，使生物质材料中受热释放出的水处于亚临界状态，使亚临界水更好地溶解于熔体并通过溶胀效应改善生物质材料和发泡级聚合物基体的相容性；在混合ⅱ段，亚临界水在拉伸流变作用下进一步分散于熔体中，形成均匀的预发泡熔体；在降压段，熔体通过降压引发亚临界水转变为水蒸气，在成核处发泡形成致密泡孔，并经模头挤出发泡成型；亚临界水因压力降低首先在成核处变为水蒸气，由于泡孔低于临界尺寸而不会因水蒸气冷凝发生坍缩破裂。

优选地，水分子作为发泡剂经历两次分散过程，生物质材料作为水的载体使发泡剂得到初步分散，当发泡剂在混合过程中逐步从生物质材料中释放并处于亚临界状态时，在熔体中得到第二次分散，最终形成混合均匀的预发泡熔体。

优选地，通过优化工艺参数、调整偏心转子体积脉动塑化单元的结构参数，以适应各种非水溶性聚合物基体和不同生物质材料。

总的说来，本发明具有如下优点：

1.成型过程和工艺流程简单，生物质材料无需干燥处理，生物质材料与基体的相容性更好。

2.发泡剂为生物质材料中的分子水和结构水，成本低廉，生物质材料为发泡剂的载体，相比传统技术，发泡剂经过两次拉伸流变分散，混合更均匀，形成泡孔更均匀。

3.通过对生物质材料预处理，连续挤出微发泡在生物质复合材料中形成泡孔结构。不仅减少塑料的用量，更降低了复合材料的密度，实现轻量化。此外，微发泡复合材料还具有隔音保温等多种优良的性能，对建筑装饰领域的应用具有重要意义。

4.本发明的成型方法适用范围广，根据不同的非水溶性聚合物基体和不同的生物质材料，选择不同的工艺参数(如偏心转子挤出机各段的压力、温度、超临界气体注入量)和偏心转子体积脉动塑化单元的结构参数(偏心距与压缩比)。

附图说明

图1为本发明偏心转子挤出机的示意图。

图中的标号和对应的零部件名称为：1为驱动装置，2为固体输送段，3为熔融段，4为混合ⅰ段，5为增压段，6为混合ⅱ段，7为降压段，8为模头，9为加热器，10为进料口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来对本发明做进一步详细的说明。

本实施例中，复合体系包括：发泡级聚合物基体、生物质材料、成核剂、碳酸盐类保护助剂和其他助剂。其中发泡级聚合物基体不溶于水，生物质材料包括但不限于长天然纤维、木粉、稻壳；生物质材料无需干燥处理，可以选择经过蒸汽爆破等预处理方式进行预处理以提高相容性。成核剂包括但不限于纳米碳酸钙、纳米蒙脱土；成核剂用于帮助熔体粘度较大的复合材料体系异相成核，提高气核密度，改善气泡尺寸，减少泡孔合并的发生。碳酸盐类保护助剂用于中和生物质材料中半纤维素片段分解后由乙酰残余物所形成的乙酸，保护偏心转子挤出机和模头不被腐蚀。

偏心转子挤出机沿复合体系的挤出方向依次分为固体输送段、熔融段、混合ⅰ段、增压段、混合ⅱ段、降压段和计量段，计量段末端与模头相连，固体输送段处设有进料口；在增压段处设有进气口。

本实施例中的复合体系为生物质发泡复合体系，生物质发泡复合体系由以下材料按配方组成：

一种基于亚临界水微发泡的生物质复合材料制品成型方法，将聚苯乙烯粒料、桉木纤维、纳米碳酸钙、混合光稳定剂和阻燃剂在高速混合机中预混5分钟后加入偏心转子挤出机中熔融塑化为熔体，发泡并挤出至模头冷却成型一定形状的发泡制品。该制品是一种连续均匀发泡的生物质复合材料。冷却成型后通过干燥、牵引、切割等后处理可得到工业产品。其中偏心转子挤出机转速设为40转/分钟；在偏心转子挤出机中，增压段、混合ⅰ段的压力均大于23mpa，加工温度由进料口至模头分别为150℃、160℃、170℃、180℃、170℃、160℃、150℃。

在固体输送段，复合体系被压实并排出气体，生物质材料中的部分分子水受热蒸发从进料口排出。

在熔融段，复合体系开始熔融塑化，成为均一熔体。

在混合ⅰ段，以拉伸流变为主的流场作用下，生物质材料中的水作为发泡剂，无需二次添加发泡剂，生物质材料作为发泡剂的载体完成初步混合。

在增压段，通过偏心转子挤出机的正位移输送特征和体积脉动建立挤出压力，并通过大压缩比建立压力使生物质材料中受热释放出的水处于亚临界状态，使亚临界水更好地溶解于熔体并通过溶胀效应改善生物质材料和聚合物基体的相容性。在混合ⅱ段，亚临界水进一步分散于熔体中，形成均匀的预发泡熔体。

在计量段，计量注入模头的熔体的流量。

在降压段，熔体通过降压引发亚临界水转变为水蒸气，在成核处发泡形成致密泡孔，并经模头挤出发泡成型；亚临界水因压力降低首先在成核处变为水蒸气，超临界气体在水蒸气冷凝后释出防止泡孔因水蒸气冷凝而发生坍缩破裂。

在偏心转子挤出机中，水分子作为发泡剂经历两次分散过程，生物质材料作为水的载体使发泡剂得到初步分散，当发泡剂在混合过程中逐步从生物质材料中释放并处于亚临界状态时，在熔体中得到第二次分散，混合更均匀，形成泡孔更均匀，最终形成混合均匀的预发泡熔体，进而成型得到的制品的性能更优异。本方法利用亚临界水的溶胀效应在挤出过程中改善生物质材料与发泡级聚合物基体的相容性。

除了上述实施例提及的方式外，还可以根据不同的非水溶性聚合物基体和不同的生物质材料，选择不同的工艺参数(如偏心转子挤出机各段的压力、温度、超临界气体注入量)和偏心转子体积脉动塑化单元的结构参数(偏心距与压缩比)。这些变换方式均在本发明的保护范围内。

上述实施例为本发明的较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。