CN101704969B - 一种注射用塑木复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种注射用塑木复合材料及其制备方法与应用，该材料是将30～70重量份注射用热塑性塑料、30～70重量份生物质纤维、5～10重量份聚烯烃与多单体固相接枝共聚物和0.5～4重量份加工助剂在高速混合机中预混合，加入到双螺杆挤出机中进行挤出，经冷却、造粒，即得注射用塑木复合材料。本发明的注射用塑木复合材料直接或与塑料配混即可在通用的注射机上进行成型加工，得到形状复杂的制品，且生产速度快、效率高、易实现自动化生产，同时能显著改进疏水性塑料与亲水性生物质纤维之间的相容性和界面结合，使复合材料的模量、强度、尺寸稳定性、耐水性、加工性能等性能获得显著提高。

Description

一种注射用塑木复合材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于材料制备技术，特别涉及一种注射用塑木复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
近年来，随着高分子材料应用领域的进一步扩大，环保意识的日益增强，将木粉、稻糠、竹粉和秸秆等生物质纤维与热塑性塑料特别是废旧热塑性塑料(聚乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯，ABS等)经塑料成型加工工艺制成的塑木复合材料(WPC)已引起人们极大的重视。WPC具有类似木材的外观和二次加工性，比原木有更好的尺寸稳定性、防腐蚀性，防虫、防潮，甲醛释放量低，硬度、刚性比塑料高，因此在建筑材料、市政设施、包装材料、家具制品、汽车材料等许多领域具有广泛的用途。目前塑木复合材料主要的成型方法有：挤出成型、注射成型和热压成型。申请号为200410077610.8、名称为“一种木塑复合材料及其制备方法”的国家发明专利申请公开了一种用于挤出型材用木塑复合材料及其制备方法，但并没有涉及到注射成型用塑木复合材料。注射成型的优点是生产速度快、效率高、易实现自动化生产，且能成型形状复杂的制品。但是，塑木复合材料由于加入了大量纤维，不仅造成复合材料的力学性能特别是韧性大幅降低，材料的流动性能也相应变差，很难满足注射加工的要求。
发明内容
本发明的首要目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种注射用塑木复合材料的制备方法。该制备方法制得的注射用塑木复合材料具有良好的力学性能、优良的加工流动性能和低甲醛释放量等特点，是一种新型环保高性能塑木复合材料。
本发明的另一目的在于提供通过所述制备方法制得的注射用塑木复合材料。
本发明的再一目的在于提供所述注射用塑木复合材料的应用。
本发明的目的通过下述方案实现：一种注射用塑木复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将30～70重量份注射用热塑性塑料、30～70重量份生物质纤维、5～10重量份聚烯烃与多单体固相接枝共聚物和0.5～4重量份加工助剂在高速混合机中预混合，温度为30～60℃，时间为20～30min，转速为50～500rpm；
(2)将步骤(1)制得的预混料加入到双螺杆或三螺杆挤出机中进行挤出，挤出机主螺杆转速60～150rpm，螺杆温度140～200℃；
(3)挤出产物经冷却、造粒，得到注射用塑木复合材料。
为了更好地实现本发明，步骤(1)优选为混合时添加0～10重量份其它改性剂；所述其它改性剂为乙烯-醋酸乙酯共聚物(EVA)、乙烯-丙烯酸共聚物(EAA)、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物(EEA)、乙烯-甲基丙烯酸酯共聚物(EMA)、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)中的至少一种。
所述注射用热塑性塑料包括新的或废旧的注射级热塑性塑料，熔融指数为2～45g/10min(190℃和2160g条件下)，优选为高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、线型低密度聚乙烯(LLDPE)、聚丙烯(PP)、高抗冲聚苯乙烯(HIPS)或丙烯腈-苯乙烯-丁二烯(ABS)共聚物中的至少一种；
所述生物质纤维优选木粉、稻糠、竹粉、桔杆、茶叶渣或蔗渣中的至少一种；
所述聚烯烃与多单体固相接枝共聚物依据专利号为ZL00117390.1、名称为“聚烯烃与三单体固相接枝共聚物的制备方法及其应用”提供的方法进行制备，得到的聚烯烃与多单体固相接枝共聚物接枝率高、支链长、支链组成和极性可调，可用作疏水性塑料与亲水性生物质纤维的改性剂；
所述加工助剂优选聚乙烯蜡、聚丙烯蜡、硅油、硬脂酸及其皂盐或邻苯二甲酸二辛酯(DOP)中的至少一种。
一种注射用塑木复合材料，通过上述的制备方法制得。
所述注射用塑木复合材料直接或与塑料混配即可在通用的注射机上进行成型加工，应用于日用品、家具用品或汽车用品领域。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)该塑木复合材料能成型形状复杂的制品，且生产速度快、效率高、易实现自动化生产。
(2)聚烯烃与多单体固相接枝共聚物具有接枝率高、支链长、支链组成及极性可调等一系列优点，特别适合做各种复合材料的界面改性剂和聚合物共混物的相容剂。将该接枝物用作注射用废旧塑木复合材料的改性剂，用于聚合物/无机填料复合体系中，能显著改进疏水性塑料与亲水性木粉或生物质纤维之间的相容性和界面结合，从而使复合材料的模量、强度、尺寸稳定性、耐水性等性能获得显著提高。
(3)本发明扩大了塑木复合材料的应用领域，通过注射成型可制备形状复杂的制品，从而为家居用品、汽车内饰、日用品、玩具用品、园林设施等提供新材料。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)聚丙烯三单体固相接枝共聚物的制备：在不锈钢反应釜中加入聚丙烯(粉料)60重量份、单体混合物40重量份(马来酸酐、甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸丁酯按质量比6∶4∶1混合)、引发剂过氧化苯二甲酰(BPO)1重量份，同时加入二甲苯做为界面活性剂；在氮气保护下加热搅拌反应，温度为120℃，反应2小时后，将产物用70℃蒸馏水洗涤，抽滤，在烘箱中于80℃干燥24小时，得到聚丙烯三单体固相接枝共聚物；
(2)将40重量份废旧热塑性塑料聚丙烯(PP)粒料(在190℃和2160g条件下熔融指数为6g/10min)，60重量份生物质纤维稻糠，5重量份步骤(1)制备的聚丙烯三单体固相接枝共聚物、5重量份其它改性剂EVA、3重量份硅油在通用高速混合机中预混合，温度60℃，时间20min，转速100rpm；
(3)将混合好的预混料加入到直径30mm的通用双螺杆挤出机中进行挤出，挤出机主螺杆转速80～100转，螺杆温度170～200℃；
(4)挤出产物经冷却、造粒，即得PP/稻糠的注射用塑木复合材料；
(5)将所得的注射用塑木复合材料与废PP(在190℃和2160g条件下熔融指数为6g/10min)塑料按重量比1∶1比例配混，在通用的注射机上成型，螺杆温度为170～190℃，可得到多种注射产品，该注射产品具有良好的力学性能和加工性能。其物理机械性能的测试方法参照国标GB/T 1039-92，熔融指数测试方法参照国标GB/T 3682-2000，测试结果如表1所示：
表1
原料及配方   拉伸强度(MPa)   弯曲模量(MPa)   弯曲强度(MPa)   无缺口冲击强度(kJ/m2)   熔融指数(190℃和2160g条件下)(g/10min)
  PP/稻糠塑木复合材料 28.1 2630 58.9 7.1 4.3
实施例2
(1)聚乙烯三单体固相接枝共聚物的制备：在不锈钢反应釜中加入高密度聚乙烯(粉料)60重量份、单体混合物40重量份(马来酸酐、苯乙烯和丙烯酸丁酯按质量比5∶5∶1混合)、引发剂过氧化苯二甲酰2重量份，同时加入二甲苯做为界面活性剂；在氮气保护下加热搅拌反应，温度为100℃，反应3小时后，将产物用60℃蒸馏水洗涤，抽滤，在烘箱中于70℃干燥40小时，得到聚乙烯三单体固相接枝共聚物；
(2)将60重量份高密度聚乙烯(HDPE)(在190℃和2160g条件下熔融指数为10g/10min)，40重量份木粉，10重量份聚乙烯三单体固相接枝共聚物、0.5重量份聚乙烯蜡在通用高速混合机中预混合，温度30℃，时间30min，转速300rpm；
(3)将混合好的预混料加入到直径35mm的通用双螺杆挤出机中进行挤出，挤出机主螺杆转速80～100转，螺杆温度140～180℃；
(4)挤出产物经冷却、造粒，即得PP/稻糠的注射用塑木复合材料；
(5)将上述挤出所得得到注射用塑木复合材料在通用的注射机成型，螺杆温度160～180℃，可得到多种注射产品。该注射产品具有良好的力学性能和加工性能，其物理机械性能的测试方法参照国标GB/T 1039-92，熔融指数测试方法参照国标GB/T 3682-2000，测试结果如表2所示：
表2
原料及配方   拉伸强度(MPa)   弯曲模量(MPa)   弯曲强度(MPa)   无缺口冲击强度(kJ/m2)   熔融指数(190℃和2160g条件下)(g/10min)
  HDPE/木粉塑木复合材料 22.3 1760 38.8 4.5 5.6
实施例3
(1)聚乙烯三单体固相接枝共聚物的制备：在不锈钢反应釜中加入低密度聚乙烯(粉料)60重量份、单体混合物40重量份(AA、St和BA按质量比5∶5∶1混合)、引发剂偶氮二异丁睛(AIBN)1重量份，同时加入二甲苯做为界面活性剂；在氮气保护下加热搅拌反应，温度为100℃，反应2小时后，将产物用60℃蒸馏水洗涤，抽滤，在烘箱中于70℃干燥40小时，得到聚乙烯三单体固相接枝共聚物；
(2)将70重量份丙烯腈-苯乙烯-丁二烯(ABS)粒料(在190℃和2160g条件下熔融指数为21g/10min)，30重量份桔杆粉和稻糠的混合物(配比为50/50)，7重量份聚乙烯三单体固相接枝共聚物，10重量份改性剂(SEBS/SIS＝6/4)、1重量份硅油在通用高速混合机中预混合，温度40℃，时间25min，转速250rpm；
(3)将混合好的预混料加入到直径30mm的通用双螺杆挤出机中进行挤出，挤出机主螺杆转速100～120转，螺杆温度180～200℃；
(4)挤出产物经冷却、造粒，即得ABS的注射用塑木复合材料。
(5)将上述挤出所得的注射用塑木复合材料在通用的注射机上成型，螺杆温度160～200℃，可得到多种注射产品。该注射产品具有良好的力学性能和加工性能。
实施例4
(1)聚乙烯三单体固相接枝共聚物的制备：在不锈钢反应釜中加入低密度聚乙烯(粉料)60重量份、单体混合物40重量份(AA、St和BA按质量比5∶5∶1混合)、引发剂过氧化苯二甲酰1重量份，同时加入二甲苯做为界面活性剂；在氮气保护下加热搅拌反应，温度为100℃，反应3小时后，将产物用60℃蒸馏水洗涤，抽滤，在烘箱中于70℃干燥40小时，得到聚乙烯三单体固相接枝共聚物；
(2)将30重量份废旧LDPE粒料(在190℃和2160g条件下熔融指数为15g/10min)，70重量份竹粉和稻糠的混合物(配比为50/50)，6重量份聚乙烯三单体固相接枝共聚物，6重量份改性剂SBS、1重量份硬脂酸在通用高速混合机中预混合，温度50℃，时间20分钟，转速200转/分钟；
(3)将混合好的预混料加入到直径30mm的通用双螺杆挤出机中进行挤出，挤出机主螺杆转速80～100转，螺杆温度170～190℃；
(4)挤出产物经冷却、造粒，即得LDPE塑木复合材料。
(5)将上述挤出所得塑木复合材料与HDPE塑料(熔融指数为5g/10min)按重量比1∶1比例配混，在通用的注射机上即可成型，可得到多种注射产品，螺杆温度为140～190℃。该注射产品具有良好的力学性能和加工性能。
实施例5
(1)聚乙烯三单体固相接枝共聚物的制备：在不锈钢反应釜中加入低密度聚乙烯(粉料)60重量份、单体混合物40重量份(AA、St和BA按质量比5∶5∶1混合)、引发剂偶氮二异丁睛3重量份，同时加入二甲苯做为界面活性剂；在氮气保护下加热搅拌反应，温度为100℃，反应3小时后，将产物用60℃蒸馏水洗涤，抽滤，在烘箱中于70℃干燥40小时，得到聚乙烯三单体固相接枝共聚物；
(2)将70重量份废旧LLDPE粒料(在190℃和2160g条件下熔融指数为10g/10min)，30重量份废茶叶渣和稻糠的混合物(配比为50/50)，9重量份聚乙烯三单体固相接枝共聚物，3重量份改性剂(EAA/EEA/EMA＝1/1/1)、2重量份加工助剂(聚乙烯蜡/硅油＝1/1)在通用高速混合机中预混合，温度40℃，时间25分钟，转速400转/分钟；
(3)将混合好的预混料加入到直径30mm的通用双螺杆挤出机中进行挤出，挤出机主螺杆转速130～150转，螺杆温度150～190℃；
(4)挤出产物经冷却、造粒，即得LDPE塑木复合材料。
(5)将上述挤出所得塑木复合材料在通用的注射机上即可成型，可得到多种注射产品，螺杆温度160～180℃。该注射产品具有良好的力学性能和加工性能。
实施例6
(1)聚乙烯三单体固相接枝共聚物的制备：在不锈钢反应釜中加入高密度聚乙烯(粉料)60重量份、单体混合物40重量份(马来酸酐和甲基丙烯酸缩水甘油酯按质量比4∶6混合)、引发剂过氧化苯二甲酰3重量份，同时加入二甲苯做为界面活性剂；在氮气保护下加热搅拌反应，温度为100℃，反应3小时后，将产物用60℃蒸馏水洗涤，抽滤，在烘箱中于70℃干燥40小时，得到聚乙烯三单体固相接枝共聚物；
(2)将60重量份HDPE(在190℃和2160g条件下熔融指数为8g/10min)与HIPS(在190℃和2160g条件下熔融指数为10g/10min)的混合料(HDPE/HIPS＝50/50)，40重量份经过干燥处理的80目的蔗渣，8重量份聚乙烯三单体固相接枝共聚物，4重量份聚烯烃弹性体POE、2重量份邻苯二甲酸二辛酯(DOP)在通用高速混合机中预混合，温度60℃，时间20分钟，转速250转/分钟；
(2)将混合好的预混料加入到直径30mm的通用双螺杆挤出机中进行挤出，挤出机主螺杆转速80～100转，螺杆温度170～190℃；
(3)挤出产物经冷却、造粒，即得HIPS/蔗渣塑木复合材料。
(4)将上述挤出所得塑木复合材料在通用的注射机上成型，可得到多种注射产品，螺杆温度150～200℃。该注射产品具有良好的力学性能和加工性能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，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。

Claims (6)

1.一种注射用塑木复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）将30～70重量份注射用热塑性塑料、30～70重量份生物质纤维、5～10重量份聚烯烃与多单体固相接枝共聚物和0.5～4重量份加工助剂在高速混合机中预混合，温度为30～60℃，时间为20～30min，转速为50～500rpm；
（2）将步骤（1）制得的预混料加入到双螺杆或三螺杆挤出机中进行挤出，挤出机主螺杆转速60～150rpm，螺杆温度140～200℃；
（3）挤出产物经冷却、造粒，得到注射用塑木复合材料；
所述的注射用热塑性塑料在190℃和2160g条件下熔融指数为2～45 g/10min，为高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线型低密度聚乙烯、聚丙烯、高抗冲聚苯乙烯或丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物中的至少一种；
所述的聚烯烃与多单体固相接枝共聚物按照包含如下步骤的方法制备得到：在自由基引发剂的作用及氮气的保护下，以二甲苯作为界面活性剂，用第一单体与第二单体及第三单体对粉末状聚烯烃进行固相接枝改性，其各成分重量百分比为：聚烯烃40～95%、第一单体2.2～25%、第二单体2.2～25%、第三单体0. 5～10%和引发剂0.1～5.0%；其中：聚烯烃包括聚丙烯、聚乙烯以及聚烯烃的衍生物；第一单体包括马来酸酐及其酯、富马酸酐及其酯；第二单体包括苯乙烯及其衍生物，甲基丙烯酸酯类：第三单体包括丙烯酸和丙烯酸酯，甲基丙烯酸和甲基丙烯酸酯，丙烯睛及其衍生物，长链不饱和羧酸及其酯；引发剂包括过氧化物类引发剂及其氧化还原体系和偶氮类引发剂的各种自由基聚合引发剂：
  其制备工艺步骤：（1）在不锈钢反应釜中按上述重量百分比投入粉状聚烯烃、第一单体、第二单体、第三单体和引发剂，同时加入二甲苯作为界面活性剂；（2）在氮气保护下加热搅拌反应，温度控制在20～140℃，反应0 5～5小时后，结束反应；（3）产物经60～90℃蒸馏水或适当溶剂反复洗涤、抽滤，在烘箱中于70～90℃温度下干燥24～48小时，即得可供各种应用的聚烯烃接枝产物；（4）用溶剂抽提产物样品可得到供分析表征用的纯的聚烯烃三单体接枝共聚物。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述预混合时添加0～10重量份其它改性剂；所述其它改性剂为乙烯—醋酸乙酯共聚物、乙烯－丙烯酸共聚物、乙烯－丙烯酸乙酯共聚物、乙烯－甲基丙烯酸酯共聚物、聚烯烃弹性体、三元乙丙橡胶、苯乙烯—丁二烯共聚物、氢化SBS共聚物或苯乙烯—异戊二烯嵌段共聚物中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述生物质纤维为木粉、稻糠、竹粉、桔杆、茶叶渣或蔗渣中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述加工助剂为聚乙烯蜡、聚丙烯蜡、硅油、硬脂酸及其皂盐或邻苯二甲酸二辛酯中的至少一种。
5.一种注射用塑木复合材料，是通过权利要求1～4任一项所述的制备方法制得。
6.权利要求5所述的注射用塑木复合材料在家居用品、日用品、汽车用品、玩具用品或园林装饰中的应用。
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