專利名稱：一種聚丙烯基木塑復(fù)合材料的制造配方的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聚丙烯基木塑復(fù)合材料的制造配方。
背景技術(shù)：
塑料/木粉復(fù)合材料是利用熱塑性塑料和木粉、竹粉、果殼粉或農(nóng)作物秸稈粉等為主要原料，經(jīng)混合和成型加工而制得的一種新型復(fù)合材料。它綜合了塑料制品和木材的優(yōu)點(diǎn)，具有不怕風(fēng)雨侵蝕、在不同環(huán)境條件下收縮或膨脹變形小、不受霉菌或白蟻的損害、可加工成不同形狀和顏色的各種型材、容易機(jī)械加工和粘接、天然質(zhì)感好、不污染土壤或地下水等特點(diǎn)。另外，木塑復(fù)合材料可回收再利用，使用過(guò)程中無(wú)須維修保養(yǎng)。
木塑復(fù)合材料可以用于以下方面建筑上的活動(dòng)房屋、混凝土模板、墻壁、地板、樓梯扶手等各種異型材；工業(yè)上的化工及公共場(chǎng)所的工棚、模型、機(jī)器罩、水泵殼、電器用材；家庭、辦公室或車(chē)輛船舶上的裝飾板材；各種運(yùn)輸周轉(zhuǎn)箱以及家具材料等，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。
研究和開(kāi)發(fā)木塑復(fù)合材料的生產(chǎn)和應(yīng)用，不僅將為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)增添一種價(jià)廉而有廣泛應(yīng)用前景的新材料，而且能為減少?gòu)U舊塑料制品的危害和提高木材的綜合利用率開(kāi)辟一條新途徑；反過(guò)來(lái)，大量的木屑和廢舊塑料又為生產(chǎn)木塑復(fù)合材料提供充足的原料來(lái)源，對(duì)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和節(jié)約能源具有重要意義。
木塑復(fù)合材料所用的熱塑性塑料，目前主要是聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)和聚乙烯(PE)。不同的熱塑性塑料為基體的木塑復(fù)合材料的性能有較大差別。
木粉(包括竹粉、果殼粉或農(nóng)作物秸稈粉)的主要成分是木素纖維素，表面含有大量的羥基官能團(tuán)，使其表面表現(xiàn)出很強(qiáng)的化學(xué)極性和自聚作用，與疏水性的聚丙烯的相容性差和相互作用力較小，加工溫度過(guò)高容易時(shí)受熱分解；同時(shí)由于木粉是輕質(zhì)的硬質(zhì)顆粒，大量填充時(shí)容易造成木塑復(fù)合材料在熔融溫度下流動(dòng)困難，加工性能明顯下降。聚丙烯的分子鏈的疏水性大、容易結(jié)晶、剛性小、脆性大，熔體處于彈性狀態(tài)的溫度范圍窄。以上種種原因容易造成木粉在聚丙烯中不容易分散均勻，聚丙烯基木塑復(fù)合材料的加工溫度范圍窄、熔體流動(dòng)困難，產(chǎn)品的綜合性能差。
在進(jìn)行聚丙烯基木塑復(fù)合材料的研究中，如何使親水的木粉表面與疏水性的聚丙烯界面之間具有良好的相容性，前人做了許多工作。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)聚丙烯基木塑復(fù)合材料的廠家和文獻(xiàn)報(bào)道幾乎全部采用偶聯(lián)劑處理木粉或者加入相容劑的方法，如采用硅烷、異氰酸酯、鈦酸酯、鋁酸酯、鋁鈦復(fù)合等偶聯(lián)劑處理木粉或者加入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)等相容劑，以改善木粉與聚丙烯樹(shù)脂的結(jié)合，木粉填充量小的情況下，其效果也很明顯，但忽略了木塑復(fù)合材料成型加工過(guò)程中木粉在聚丙烯中分散等問(wèn)題，存在著木粉填充量小、木粉在聚丙烯中分散不良、熔體流動(dòng)困難、制品外觀粗糙、剛性小、抗沖擊強(qiáng)度和熱變形溫度低、耐磨性和耐候性差等缺點(diǎn)，聚丙烯基木塑復(fù)合材料還不能在戶外大批量應(yīng)用。
由于聚丙烯和木粉結(jié)構(gòu)上的原因以及聚丙烯基木塑復(fù)合材料加工和綜合性能的要求，必須使用納米剛性增強(qiáng)劑來(lái)提高復(fù)合材料的熱變形溫度、剛性和抗沖擊強(qiáng)度，并增大木粉的填充量，這需要從技術(shù)上解決木粉和納米剛性增強(qiáng)劑在聚丙烯中的分散問(wèn)題，從而提高復(fù)合材料的綜合性能，拓展聚丙烯基木塑復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本專利的目的是提供一種聚丙烯基木塑復(fù)合材料的制造配方。本專利發(fā)明人認(rèn)為，聚丙烯基木塑復(fù)合材料要具有較好的綜合物理機(jī)械性能和加工性能，除了必須解決如何使親水性的木粉表面與疏水性的聚丙烯界面之間具有良好的相容性的問(wèn)題外，主要的技術(shù)關(guān)鍵是如何解決高填充量的木粉和納米剛性增強(qiáng)劑在聚丙烯中達(dá)到良好分散，以致木粉被聚丙烯完全包覆以及納米剛性增強(qiáng)劑在聚丙烯中真正起到增強(qiáng)和增韌作用，從而提高聚丙烯基木塑復(fù)合材料的綜合性能。
木粉的化學(xué)組成使其表面表現(xiàn)出很強(qiáng)的化學(xué)極性和自聚作用，如果木粉在聚丙烯中不能較好分散，木粉不能被聚丙烯完全包覆，就會(huì)造成復(fù)合材料加工時(shí)熔體流動(dòng)性差，物理機(jī)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；同樣，納米剛性增強(qiáng)劑由于粒徑小而非常容易團(tuán)聚，如果在聚丙烯中不能達(dá)到良好分散，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、熱變形溫度、剛性和沖擊強(qiáng)度不可能提高。
本專利的主要內(nèi)容之一是在聚丙烯基木塑復(fù)合材料中加入了納米剛性增強(qiáng)劑；本專利的主要內(nèi)容之二是在聚丙烯基木塑復(fù)合材料中加入了一類分散劑，增強(qiáng)了木粉和納米剛性增強(qiáng)劑與聚丙烯的界面相容性以及木粉和納米剛性增強(qiáng)劑在聚丙烯中的分散性。與偶聯(lián)劑處理木粉的方法相比，納米剛性增強(qiáng)劑和分散劑的加入，大大增加了木粉的填充量，改善了聚丙烯基木塑復(fù)合材料的加工性能，提高了聚丙烯基木塑復(fù)合材料的剛性、拉伸強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度、熱變形溫度、耐候性和外觀質(zhì)量。
納米剛性增強(qiáng)劑和分散劑的加入，在大大增加了木粉填充量的同時(shí)，整體上提高了聚丙烯基木塑復(fù)合材料的加工性能和制品的物理機(jī)械性能。究其原因，主要在以下幾個(gè)方面(1)在熔融狀態(tài)的聚丙烯和木粉混合過(guò)程中，由于分散劑的熔點(diǎn)比聚丙烯小，分散劑在混合開(kāi)始階段對(duì)木粉粒子和納米剛性增強(qiáng)劑起到潤(rùn)滑、阻隔和分散作用，降低木粉和納米剛性增強(qiáng)劑的自聚作用，從而提高了木粉和納米剛性增強(qiáng)劑在聚丙烯熔體中的分散性，從而促進(jìn)納米剛性增強(qiáng)劑起到了增強(qiáng)和增韌作用，促進(jìn)了木粉能夠被聚丙烯完全包覆；(2)木粉和納米剛性增強(qiáng)劑在聚丙烯中的分散效果，決定于聚丙烯熔體是否在有限的加工溫度范圍內(nèi)處于最佳粘度狀態(tài)，具有最佳粘度的聚丙烯熔體在加工過(guò)程中因變形而傳遞給木粉和納米剛性增強(qiáng)劑(分散前為團(tuán)聚體)的剪切力要大于其附聚力，對(duì)木粉和納米剛性增強(qiáng)劑的分散有利。如果聚丙烯熔體粘度過(guò)小，其變形過(guò)程中傳遞給填料團(tuán)聚體的剪切力較小，則填料團(tuán)聚體混入容易，但不能破碎而無(wú)法達(dá)到良好分散。在正常加工工藝條件下，分散劑的加入，提高了聚丙烯處于彈性狀態(tài)的溫度范圍，從而使木粉和納米剛性增強(qiáng)劑的團(tuán)聚體在有限的加工溫度范圍內(nèi)，受到很大的剪切力，促進(jìn)了其在聚丙烯熔體中的分散；(3)由于分散劑分子呈一定的極性，使木粉和納米剛性增強(qiáng)劑與聚丙烯界面的相互作用加強(qiáng)，增大了界面層厚度；(4)這類新型分散劑常溫范圍內(nèi)呈固態(tài)，本身的強(qiáng)度較高，減少了聚丙烯與木粉和納米剛性增強(qiáng)劑之間界面層的應(yīng)力集中，整體上提高了復(fù)合材料的綜合物理機(jī)械性能；(5)由于木粉和納米剛性增強(qiáng)劑在聚丙烯熔體中達(dá)到了良好分散，在有限的加工溫度范圍內(nèi)，整體上降低了聚丙烯基木塑復(fù)合材料熔體的粘度，提高了其流動(dòng)性，為增加木粉填充量提供了可能性；(6)由于納米剛性增強(qiáng)劑在聚丙烯基木塑復(fù)合材料中起到成核劑的作用，使聚丙烯在加工成型后結(jié)晶均勻，避免了大球晶的產(chǎn)生，從而提高了復(fù)合材料的抗沖擊強(qiáng)度、熱變形溫度和產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性。
本發(fā)明提供的聚丙烯基木塑復(fù)合材料的制造配方，所述的聚丙烯基木塑復(fù)合材料由下列原料按質(zhì)量份數(shù)混合而成聚丙烯/木粉的用量為100/25～100/170質(zhì)量份；納米剛性增強(qiáng)劑的用量為1～40質(zhì)量份；氯化聚乙烯的用量為0～10質(zhì)量份；抗氧劑的用量為1.0～3.0質(zhì)量份；聚乙烯蠟的用量為0.5～3.0質(zhì)量份；硬脂酸的用量為0.5～3.0質(zhì)量份；分散劑用量為木粉和納米剛性增強(qiáng)劑的2.0％～10％。
上述聚丙烯/木粉的用量為100/50～100/150，納米剛性增強(qiáng)劑是納米級(jí)無(wú)機(jī)活性增強(qiáng)劑用量為10～30質(zhì)量份。
上述分散劑是分子量在4000～300000的含羥基或羧基的合成樹(shù)脂及其界面活性劑的混合物。
上述氯化聚乙烯的用量為10質(zhì)量份；抗氧劑是酚類穩(wěn)定劑用量為2.0質(zhì)量份；聚乙烯蠟的用量為1.0質(zhì)量份；硬脂酸的用量為1.0質(zhì)量份。
上述納米剛性增強(qiáng)劑為淺色納米級(jí)無(wú)機(jī)活性增強(qiáng)劑。
上述納米剛性增強(qiáng)劑為白炭黑或納米碳酸鈣或納米氫氧化鎂。
上述木粉為普通木粉、竹粉、果殼粉、農(nóng)作物秸稈粉中的任何一種或其混合物。
以上配方所制得的聚丙烯木塑復(fù)合材料具有優(yōu)良的加工性能和物理機(jī)械性能、制品表面光滑、木粉填充量大而且容易分散均勻、制造成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的組合物可用于生產(chǎn)高檔的聚丙烯基木塑復(fù)合材料，可替代天然木材在室內(nèi)外裝修、建筑業(yè)、包裝運(yùn)輸業(yè)等領(lǐng)域廣泛使用?？偟膩?lái)說(shuō)，在聚丙烯基木塑復(fù)合材料中加入適量的分散劑和納米剛性增強(qiáng)劑，與偶聯(lián)劑處理木粉的方法相比，增強(qiáng)了木粉和納米剛性增強(qiáng)劑與聚丙烯界面的結(jié)合，促進(jìn)木粉在聚丙烯中的分散和被聚丙烯完全包覆，從而可大大增加木粉的填充量，明顯改善了聚丙烯基本塑復(fù)合材料的物理機(jī)械性能、成型加工性能和制品的外觀，制造成本低廉。
具體實(shí)施例方式
具體例子見(jiàn)下列表1和表2所示的基本配方和試驗(yàn)結(jié)果。
表1聚丙烯基木塑復(fù)合材料基本配方

注表1中基本配方其余組分如下(質(zhì)量份)聚丙烯，100；抗氧劑，2.0；聚乙烯蠟，1.0；硬脂酸，1.0；氯化聚乙烯，10。增強(qiáng)劑為納米級(jí)無(wú)機(jī)活性增強(qiáng)劑本實(shí)施例使用白炭黑，還可以使用納米碳酸鈣或納米氫氧化鎂；偶聯(lián)劑為鈦酸酯偶聯(lián)劑；分散劑為分子量在4000～300000的含羥基或羧基的合成樹(shù)脂及其界面活性劑的混合物，用量為木粉和納米剛性增強(qiáng)劑的1.0％～12％。(此為試驗(yàn)用量)表2聚丙烯基木塑復(fù)合材料性能


將實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的具體例子，按基本配方比例配料各50kg，混合后在雙螺桿擠出機(jī)上擠出造粒，再用排氣式單螺桿擠出成型聚丙烯基木塑復(fù)合材料型材。試驗(yàn)得到下列結(jié)果(1)例子1、3、5、6、10、11的物料擠出造粒容易；擠出成型時(shí)熔體表面有光澤，流動(dòng)平穩(wěn)，成品表面光滑而且有光澤，呈木粉的淺黃色狀。但例子3沒(méi)用納米剛性增強(qiáng)劑，熱變形溫度較??；例子6的增強(qiáng)劑用量太大，流動(dòng)性差；例子1的成品因木粉用量少，無(wú)木材的質(zhì)感；(2)例子2、4、9、12、13、14的物料擠出造粒較困難，粒料有粉狀物；例子2、4、9、12擠出成型時(shí)熔體表面局部有光澤，成品表面比較粗糙，內(nèi)部有少量空洞；例子13、14擠出成型時(shí)熔體表面沒(méi)光澤，成品表面粗糙，內(nèi)部有空洞。這是因?yàn)槔?、4用鈦酸酯偶聯(lián)劑；例子9的分散劑用量太少，而且沒(méi)用增強(qiáng)劑，熱變形溫度較?。焕?2的增強(qiáng)劑用量較大，流動(dòng)性差；例子13、14的木粉用量較大；(3)例子7、8、15的物料擠出造粒困難，粒料呈大量粉狀；擠出成型時(shí)熔體表面呈深黃色，有黑色的斑點(diǎn)，流動(dòng)不平穩(wěn)；成品表面粗糙，表面和內(nèi)部有很多空洞。這是因?yàn)槔?、8用鈦酸酯偶聯(lián)劑和例子15的木粉用量太大。
從以上試驗(yàn)結(jié)果可看出，本發(fā)明專利在聚丙烯基木塑復(fù)合材料中加入一類分散劑，解決了高填充量的木粉和納米剛性增強(qiáng)劑在聚丙烯中達(dá)到良好分散的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題；加入納米剛性增強(qiáng)劑，明顯提高了木塑復(fù)合材料的熱變形溫度、拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度。但加入納米剛性增強(qiáng)劑的用量太大，木塑復(fù)合材料的流動(dòng)性明顯變差，木粉/納米剛性增強(qiáng)劑為50～150/30～10合適。
總之，與偶聯(lián)劑處理木粉的方法相比，分散劑的應(yīng)用大大促進(jìn)了木粉和納米剛性增強(qiáng)劑在聚丙烯中的分散性以及木粉被聚丙烯完全包覆，同時(shí)增強(qiáng)了木粉和聚丙烯的相容性，從而可大大增加木粉的填充量，降低了聚丙烯木塑復(fù)合材料的原材料成本，同時(shí)改善了聚丙烯基木塑復(fù)合材料的物理機(jī)械性能、成型加工性能和制品的外觀，具有明顯的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)；加入納米剛性增強(qiáng)劑，明顯提高了木塑復(fù)合材料的物理機(jī)械性能。
實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法先將木粉在80℃×2小時(shí)烘箱干燥，常溫下將木粉、聚丙烯及其它配合劑在高速攪拌機(jī)中混合5分鐘后取出，得到混合料。將混合料在190℃的煉塑機(jī)上塑化3分鐘，出片，正常光線下目測(cè)片材外觀，在平板機(jī)上熱壓180℃×10MPa×3分鐘，在常溫下冷壓5分鐘，在塑料制樣機(jī)上制樣，參照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度，熱變形溫度和吸水率。其中，熱變形溫度在小負(fù)荷條件下測(cè)定，吸水率是在80℃的水中保持48小時(shí)前后的質(zhì)量變化率。
擠出型材方法將上述混合料在螺桿直徑為35mm的雙螺桿擠出機(jī)上擠出造粒后，在單螺桿擠出機(jī)擠出成型50×10mm的片材，擠出機(jī)各段溫度為120℃～200℃。成型條件亦可根據(jù)型材規(guī)格和擠出機(jī)型號(hào)而定。
原材料規(guī)格如下聚丙烯粒料，T30S，廣東茂名石化乙烯工業(yè)公司；木粉，120目，臨安市明珠竹木粉有限公司產(chǎn)品；鈦酸酯偶聯(lián)劑KR-238S，廣州市君葉偶聯(lián)劑有限公司產(chǎn)品；白炭黑(255N)，江西南吉化工有限公司產(chǎn)品；納米碳酸鈣，上海耀華納米科技有限公司產(chǎn)品；納米氫氧化鎂，大連亞泰科技新材料有限公司產(chǎn)品；氯化聚乙烯(135A型)、硬脂酸、聚乙烯蠟、抗氧劑、分散劑廣州市東山化工原料有限公司經(jīng)銷產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.一種聚丙烯基木塑復(fù)合材料的制造配方，其特征在于所述的聚丙烯基木塑復(fù)合材料由下列原料按質(zhì)量份數(shù)混合而成聚丙烯/木粉的用量為100/25～100/170質(zhì)量份；納米剛性增強(qiáng)劑的用量為1～40質(zhì)量份；氯化聚乙烯的用量為0～10質(zhì)量份；抗氧劑的用量為1.0～3.0質(zhì)量份；聚乙烯蠟的用量為0.5～3.0質(zhì)量份；硬脂酸的用量為0.5～3.0質(zhì)量份；分散劑用量為木粉和納米剛性增強(qiáng)劑的2.0％～10％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚丙烯基木塑復(fù)合材料的制造配方，其特征在于上述聚丙烯/木粉的用量為100/50～100/150，納米剛性增強(qiáng)劑是納米級(jí)無(wú)機(jī)活性增強(qiáng)劑用量為10～30質(zhì)量份。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種聚丙烯基木塑復(fù)合材料的制造配方，其特征在于上述分散劑是分子量在4000～300000的含羥基或羧基的合成樹(shù)脂及其界面活性劑的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種聚丙烯基木塑復(fù)合材料的制造配方，其特征在于上述氯化聚乙烯的用量為10質(zhì)量份；抗氧劑是酚類穩(wěn)定劑用量為2.0質(zhì)量份；聚乙烯蠟的用量為1.0質(zhì)量份；硬脂酸的用量為1.0質(zhì)量份。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種聚丙烯基木塑復(fù)合材料的制造配方，其特征在于上述納米剛性增強(qiáng)劑為淺色納米級(jí)無(wú)機(jī)活性增強(qiáng)劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種聚丙烯基木塑復(fù)合材料的制造配方，其特征在于上述納米剛性增強(qiáng)劑為白炭黑或納米碳酸鈣或納米氫氧化鎂。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種PP基木塑復(fù)合材料的制造配方，其特征在于上述木粉為普通木粉、竹粉、果殼粉、農(nóng)作物秸稈粉中的任何一種或其混合物。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種聚丙烯基木塑復(fù)合材料的制造配方，所述的聚丙烯基木塑復(fù)合材料由下列原料按質(zhì)量份數(shù)混合而成聚丙烯/木粉的用量為100/25～100/170質(zhì)量份；納米剛性增強(qiáng)劑的用量為1～40質(zhì)量份；氯化聚乙烯的用量為0～10質(zhì)量份；抗氧劑的用量為1.0～3.0質(zhì)量份；聚乙烯蠟的用量為0.5～3.0質(zhì)量份；硬脂酸的用量為0.5～3.0質(zhì)量份；分散劑用量為木粉和納米剛性增強(qiáng)劑的2.0％～10％；與偶聯(lián)劑處理木粉的方法相比，所制得的聚丙烯基木塑復(fù)合材料具有加工性能、綜合物理機(jī)械性能和制品的外觀優(yōu)良、木粉填充量大而且容易分散均勻、性價(jià)比優(yōu)勢(shì)明顯。
文檔編號(hào)C08K3/36GK1850900SQ200610035580
公開(kāi)日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2006年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月23日
發(fā)明者陳福林, 岑蘭, 雷彩紅, 陳廣漢 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)