CN101724190A - 石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑材料领域，特别涉及一种木塑复合材料及其制备方法与应用。本发明的石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料，其各原料组分按质量百分比为：塑料，含量为20％～45％；木粉，含量为30％～60％；石棉纤维，含量为5％～30％；偶联剂，含量为0.5％～3％；增塑剂，含量为0～2％；稳定剂，含量为0～2％；润滑剂，含量为0～4％。本发明加工出来的木塑材料，机械性能明显高于单纯使用偶联剂的木塑材料，与同时使用偶联剂和玻璃纤维增强的木塑材料相比各项机械性能指标达到了持平甚至超出的水平，价格比目前所使用的偶联剂和玻璃纤维低很多，可广泛应用于建筑、汽车、运输、航空以及军工领域，特别是利用本发明石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料型材加工出的产品，在报废后经过清除表面污物和破碎，可以做为原料再重新加工成型材，反复回收利用，具有广阔的推广应用前景。

Description

石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料领域，涉及一种纳米复合材料，特别是一种木塑复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

由于世界林业资源和石油资源的日益减少，一种新型的建筑装饰材料-木塑复合材料，在20世纪90年代开始得到了快速的发展。木塑复合材料是一种主要由木纤维和塑料经过挤出、热压或注射等工艺复合加工而成的新型建材，其具有防水、防蛀、可锯、可刨等特点，并且具有可多次回收利用的优势，被作为实木材料或纯塑料材料的替代品广泛应用于室内家具、公园连椅、海边木栈道及别墅栅栏等场所，并逐步推广应用于建筑业以外的领域，如汽车业、运输业、航空业以及军工等领域。木塑复合材料的出现，不但大大缓解了资源危机，还减少了由于农村秸秆、麦秆等燃烧和废弃塑料胡乱丢弃掩埋造成的环境污染。但是，由于木纤维和塑料之间相容性较差，造成木塑复合材料的机械性能指标略显不足。作为室内装饰材料使用时，普通木塑材料的性能基本能满足使用要求，但对于室外建筑用模板、航空、军工等应用是远远达不到要求的。为了提高相容性及机械性能，已知的可行技术方案是在木塑复合材料加工过程中混入偶联剂，或同时再混入玻璃纤维增强材料。根据资料记载，在木粉质量百分比含量同为35％的情况下，混入15％的玻璃纤维后所得木塑复合材料与不添加玻璃纤维的木塑复合材料相比：弯曲强度提高21％；弯曲模量提高40％；冲击强度提高41％。利用添加偶联剂和玻璃纤维增强材料，虽然在一定程度上改善了木纤维和塑料之间的相容性，提高了木塑复合材料的机械性能，但同时也带来了一些新问题，例如：(1)偶联剂价格比较昂贵，虽然偶联剂在木塑体系中的质量百分数仅占1％～3％，但却占了总成本的30％左右；(2)实验表明，单纯使用偶联剂的增强效果有限，只有20％左右；(3)使用偶联剂的同时，采用玻璃纤维作为增强材料，增强效果比单独使用偶联剂增强的效果要好，但玻璃纤维的价格也比较贵；(4)随着国内、外各种工业原料价格的不断上涨，玻璃纤维和偶联剂的价格还会不断提高。

发明内容

本发明的目的之一在于克服上述缺陷，提供一种低成本、高性能的石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料。

本发明石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料中各原料组分按质量百分比含量为：

1)塑料：含量为20％～45％，可以是PE、PP、PVC、PS、ABS和PET中的至少一种(包括原生料和再生料)；

2)木粉：含量为30％～60％，为木、竹、棉、麻纤维粉末中的至少一种；

3)石棉纤维：含量为5％～30％，为温石棉纤维、角闪石石棉纤维或水镁石石棉纤维中的至少一种；

4)偶联剂：含量为0.5％～3％，为钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、铝钛复合偶联剂或硅烷偶联剂中的任一种；

5)增塑剂：含量为0～2％，为邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯或癸二酸二辛酯中的任一种；

6)稳定剂：含量为0～2％，为受阻胺类光稳定剂或紫外线吸收剂中的任一种；

7)润滑剂：含量为0～4％，为硬脂酸锌、乙撑双脂肪酸酰胺、聚酯蜡、硬脂酸、硬脂酸铅、聚乙烯蜡、石蜡或氧化聚乙烯蜡中的任一种。

我国是世界第三大石棉生产国，其中大约99％是温石棉。温石棉由于具有耐摩擦、耐热、抗腐蚀、隔音和质轻并且抗张强度大等特点，广泛用于建筑、机械、石油、化工、冶金、电力、交通及军工等现代工业中。但是应当看到，我国加入WTO后对385种产品采取了非关税管理措施，其中包括石棉，致使俄罗斯及中亚地区石棉大量涌入我国，已占据将近三分之一的市场份额。我国80％的石棉矿山集中在西部边远地区，生活条件艰苦，技术设备比较落后，转产和人员分流困难，在进口产品的冲击下许多企业举步维艰。因此有必要立足我国国情，理清政策思路，给予石棉行业全方位的支持，帮助它们尽快改革、改制，加快技术进步，焕发竞争活力，继续为国民经济做出应有的贡献。本发明石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料在实验阶段采用了产于四川的温石棉纤维，规格为内径6～8nm，外径20～50nm，抗张强度大于300MPa，取得了非常好的增强效果，同时也为国产石棉产品的应用开拓出一条新途径。

本发明的另一个目的在于提供这种石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料的制备方法与应用，包括如下三种形式：

(一)挤出成型：包括如下步骤

1)烘干：将木粉材料加热烘干；

2)混料：按配方要求在烘干后的木粉中投入石棉纤维、偶联剂、塑料及其他加工助剂材料(根据实际需要分别加入增塑剂、润滑剂及稳定剂，或仅加入三者中的一种或两种)，并混合均匀，必要时将混匀后的混合材料再次烘干；

3)成型：将混均后的材料加入挤出机后一次性挤出成型得到本发明石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料板材或异型材；或者，将混均后材料加入挤出机，进行挤出造粒，得到本发明石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料的混杂型料粒，再将得到的料粒加入到挤出机中，挤出板材或者异型材，在上述挤出过程中利用冷却水对板材或异型材进行冷却。

(二)模压成型：包括如下步骤

1)烘干：将木粉材料加热烘干；

2)混料：按配方要求在烘干后的木粉中加入石棉纤维、偶联剂、塑料及其他加工助剂材料(根据实际需要分别加入增塑剂、润滑剂及稳定剂，或仅加入三者中的一种或两种)，并混合均匀，必要时将混匀后的混合材料再次烘干；

3)混炼：将烘干后的混合材料在双辊开炼机中进行混炼，混炼好的材料下片冷却，得到本发明石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料的料片；

4)成型：将混炼好的石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料料片加入到平板硫化机的模具中，进行热压成型，达到预定时间后，再进行加压冷却处理，开模后得到最终型材。

(三)注射成型：包括如下步骤

1)烘干：将木粉材料加热烘干；

2)混料：按配方要求在烘干后的木粉中投入石棉纤维、偶联剂、塑料及其他加工助剂材料(根据实际需要分别加入增塑剂、润滑剂及稳定剂，或仅加入三者中的一种或两种)，并混合均匀，必要时将混匀后的混合材料再次烘干；

3)成型：将混合好的物料加入注射机中进行注射成型；或者，将混均后材料加入挤出机，进行挤出造粒，得到本发明石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料的混杂型料粒，再将得到的料粒加入到注射机中，注出板材或者异型材。

需要指出的是，在挤出成型的造粒过程中，挤出机的螺杆转速设为9～50rpm，造粒温度应保证始终高于塑料原料的熔点。

模压成型过程中，根据选择的塑料原料的性能参数来具体确定成型压力及成型温度。双辊开炼机上进行混炼处理过程中，混炼温度应保证始终高于塑料原料的熔点，混炼的时间以7～10分钟为宜。并且混炼过程中，要不断用割刀进行翻剪打三角包，以使混炼均匀。

此外，生产过程中利用高速混合机进行混料时，为保证混合充分，通常混料时间不低于3min，混料温度不低于80℃。本发明石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料的制备过程中，偶联剂掺入时可先按规定的比例溶解在无水乙醇溶液或丙酮等溶剂中后再投入使用。值得一提的是在一些成型过程中，也可以省略单独烘干木粉的工序，采用将所有材料按配方混合均匀后再一起烘干的方法，也可以实现同样的效果。

下面以聚丙烯、木粉加石棉纤维为例，对本发明石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料及其制备方法与应用进行一下具体说明。实验中，石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料各组分质量百分数如下：

聚丙烯：30％

木粉：45％

石棉纤维：15％

偶联剂：2％

增塑剂：2％

稳定剂：2％

润滑剂：4％

其中，聚丙烯可采用原生料，也可以采用再生料，再生料需要将废塑料收集后先清洗、去油，然后用塑料破碎机进行破碎造粒，再与木粉、石棉纤维及其他助剂进行混合。偶联剂采用硅烷系列，掺入时按1∶1的比例溶解在无水乙醇溶液中使用。木粉可采用纤维状、粒状及锯末等，均可顺利成型。增塑剂、稳定剂、润滑剂采用常规用料即可。所采用的石棉纤维规格为内径6～8nm，外径20～50nm，抗张强度大于300MPa，产地为四川。

为了使木粉和聚丙烯塑料混合的更均匀，需要将木塑和塑料在高速混合机中混合约5min，同时温度不低于80℃，这是为了使木粉和其他助剂及温石棉纤维得到更好的混合。在挤出成型中，为了保证分散的均匀性，需要将在高速混合机中混好的料在单螺杆挤出机中进行造粒处理，然后在双螺杆挤出机中进行板材或异型材挤出，双螺杆挤出的螺杆转速设为9rpm，这是为了冷却充分和排气充分，同时也避免板材内部产生较大的应力影响外观和降低机械性能。造粒温度可以低于挤出板材时的温度约2～4℃，但整体温度不得低于聚丙烯塑料的熔点170℃；在模压成型中，为了保证分散的均匀性，需要将在高速混合机中混好的料在双辊开炼机上进行混炼处理，热辊温度同样不得低于170℃。混炼过程中，要不断用割刀进行翻剪打三角包，以使混炼均匀，混炼时间约为9～10min。在模压过程中，成型压力和温度至关重要。温度设为180℃，压力设为10MPa，这是为了使塑料在高压下正常渗透，能更充分的填充在木粉颗粒之间，使粘结效果更理想。值得一提的是，在上述制备石棉纤维增强的木塑复合材料的过程中所产生的废料，可以收集分类，用于下一次的挤出或模压，从而达到节省资源，进一步降低生产成本的目的。

按这个配方制成的本发明石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料板材最终测得的各项性能指标分别为：拉伸强度28.34MPa，弯曲强度42.31MPa，弯曲模量6134MPa，冲击强度0.425J/cm。而只采用偶联剂、不添加石棉纤维增强的木塑复合材料板材，对应性能指标值分别为：拉伸强度为16.012MPa，弯曲强度34.08MPa，弯曲模量3482MPa，冲击强度0.24J/cm。若在采用偶联剂的同时添入15％玻璃纤维，则所获得木塑复合材料板材的对应性能指标分别为：拉伸强度26.5MPa，弯曲强度40.35MPa，弯曲模量5896MPa，冲击强度0.41J/cm。

试验结果证明，加入石棉纤维后，木塑复合材料体系的机械性能明显提高。例如，加入石棉纤维的质量百分含量为15％时，所得到的木塑复合材料比同等条件下不添加石棉纤维增强材料的木塑复合材料的弯曲强度提高24.3％，冲击强度提高40％，拉伸强度提高42.3％；当石棉纤维的质量百分含量为20％时，所得到的木塑复合材料比同等条件下不添加石棉纤维增强材料的木塑复合材料的弯曲强度提高40.4％，拉伸强度提高130％，冲击强度提高80.1％。

综上可知，利用本发明石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料制备方法加工出来的木塑材料，其机械性能明显高于单纯使用偶联剂的木塑材料，与同时使用偶联剂和玻璃纤维增强的木塑材料相比各项机械性能指标也达到了持平甚至超出的水平。由于本发明制备方法所使用的石棉纤维在我国储量大，价格比目前所使用的偶联剂和玻璃纤维低很多，因此，利用石棉纤维作为增强材料来部分代替偶联剂和全部替代玻璃纤维，所制得的木塑复合材料在获得同等机械性能的前提下成本有了大幅下降，经济效益显著。

本发明石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料，具有机械性能好，使用寿命长，成本低的特点，比玻璃纤维增强的木塑复合材料具有更高的使用价值和推广意义。本发明石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料的制备方法，工序合理，简便易行，按照这种方法加工出的板材或异型材，可广泛应用于建筑业、汽车业、运输业、航空业以及军工领域，特别是利用本发明石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料型材加工出的产品，在报废后经过清除表面污物和破碎，可以做为原料再重新加工成型材，其具有可反复回收利用的特点，可以大量节省原材料，这是本发明的又一巨大贡献，因此具有广阔的推广应用前景。

具体实施方式

实施例一

以木塑复合材料中塑料质量百分比含量为30％为例，若采用以下配方，各组分质量百分比含量如下：

聚丙烯：30％

木粉：45％

石棉纤维：15％

偶联剂：2％

增塑剂：2％

稳定剂：2％

润滑剂：4％

本发明石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料的制备方法与挤出成型流程，包括如下具体步骤：

(1)将40～60目的木粉置于烘箱中，在105℃下烘干2h；

(2)将硅烷偶联剂与无水乙醇按1∶1的比例混合均匀，加入到木粉中，在高速混合机中混合2min，温度定为80℃。将温石棉纤维加入到高速混合机中混合2min。将润滑剂、增塑剂、稳定剂及聚丙烯料粒加入到高速混合机中混合4min，出料，在105℃下烘干2h，待用；

(3)将步骤(2)中烘干的混合材料在单螺杆挤出机中进行挤出造粒，模头温度为175℃，螺杆加热区温度依次为192℃、197℃、192℃，螺杆转速为40r/min，得到本发明石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料的混杂型粒料，然后置于105℃的烘箱中干燥24h；

(4)将步骤(3)所制得的混杂型粒料在双螺杆挤出机中挤出板材或者异型材，即得到本发明石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料的产品。挤出成型过程中，模头温度为175℃，挤出压力为1.3×10⁷Pa，螺杆加热区温度依次为192℃、197℃、192℃，螺杆转速为40r/min，并通冷却水进行冷却。

在上述过程中，由于木粉和石棉纤维的存在，使得混合料的体积膨胀，结构疏松，为了保证下料的连续性，可采用饥饿进料的方法，避免挤出过程下料中断，造成挤出的板材或者异型材内部结构疏松、不致密，影响使用。在双螺杆挤出过程中，要严格控制模具温度，并通冷却水环绕板材界面进行冷却，从而使板材各个面温度一致，避免出现收缩率不一样的情况，使得板材或者异型材翘曲等情况，影响美观和使用。

实施例二

以木塑复合材料中塑料质量百分比含量为30％为例，若采用以下配方，各组分质量百分比含量如下：

聚丙烯：30％

木粉：45％

石棉纤维：15％

偶联剂：2％

增塑剂：2％

稳定剂：2％

润滑剂：4％

本发明石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料的制备方法与模压成型流程，包括如下具体步骤：

(1)将40～60目的木粉置于烘箱中，在105℃下烘干2h；

(2)将硅烷偶联剂与无水乙醇按1∶1的比例混合均匀，加入到木粉中，在高速混合机中混合2min，温度定为80℃。将温石棉纤维加入到高速混合机中混合2min。将润滑剂、增塑剂、稳定剂及聚丙烯料粒加入到高速混合机中混合4min，出料，在105℃下烘干2h，待用；

(3)将双辊开炼机的辊筒加热到预定温度，当达到规定温度后，将辊距调至0.5mm，然后把步骤(2)所得到的烘干后的混合材料投放到两辊筒之间，塑化后的物料割下，待全部塑化后调至适当辊距，使两辊间有合适的堆积料，左右割刀翻炼，塑炼5-7min后，薄通两次，辊距在0.5mm以下打三角包，待物料色泽均匀并表面有光泽时，即可将辊距放开至1.5～1.8mm，下片冷却，即得到本发明石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料的料片。

(4)拟定成型工艺参数，加热上下模板，并对模具进行预热；放入步骤(3)中得到的混炼好的料片(请注意按压延方向交叉放置)在模具内预热；模具要放在热板的中央，根据试片厚度和配方需要设定预热时间，试片预热充分后，合模并排气1-3次，加热到规定压力，保压5min取出模具放入冷板中加压冷却20min至80℃以下，开模即得到本发明石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料的最终成型产品。

在上述过程中，保压时间要严格控制在5min，如若时间过短，则聚丙烯不能完全渗透到木粉和纤维中，造成局部塑料集中，另外一些部分则缺少塑料，使得板材内部不均匀，直接影响到使用效果；如若时间过长，则木粉和塑料则会由于过热而分解烧焦，影响美观甚至无法使用。

实施例三

以木塑复合材料中塑料质量百分比含量为30％为例，若采用以下配方，各组分质量百分比含量如下：

聚丙烯：30％

木粉：45％

石棉纤维：15％

偶联剂：2％

增塑剂：2％

稳定剂：2％

润滑剂：4％

本发明石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料的制备方法与注射成型流程，包括如下具体步骤：

(1)将40～60目的木粉置于烘箱中，在105℃下烘干2h；

(2)将硅烷偶联剂与无水乙醇按1∶1的比例混合均匀，加入到木粉中，在高速混合机中混合2min，温度定为80℃。将温石棉纤维加入到高速混合机中混合2min。将润滑剂、增塑剂、稳定剂及聚丙烯料粒加入到高速混合机中混合4min，出料，在105℃下烘干2h，待用；

(3)将步骤(2)得到的烘干后的混合材料加入已完成预热的注射机中，将注射机螺杆转速设定为40rpm，螺杆温度设定为149℃、171℃、210℃和229℃，模具温度分别设定为40℃、60℃和80℃，注射形成板材或者异型材，即得到本发明石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料的产品。

本发明利用石棉纤维可以显著增强木塑复合材料的机械性能，延长了木塑复合材料的使用寿命，其机械性能明显高于不加石棉纤维增强的普通木塑复合材料，且与玻璃纤维增强的木塑复合材料性能相差无几甚至更好，但由于石棉纤维储量大，因此其价格远远低于玻璃纤维，比玻璃纤维具有更高的使用价值和推广意义。

需要指出的是，在此通过上述实例来阐述本发明的内容，是为了更好的理解本发明，但本发明的内容不仅仅局限于上述实例，实例不应视作对本发明的限定。例如，木粉的种类(杨木，松木，竹粉，麻等)，塑料的种类可以是PP、PE、PVC、PS、ABS、PET中的任一种或几种，只要是基于本发明之精神的技术方案及应用，都在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料，其特征在于其各原料组分和按质量百分比含量为：

1)塑料：含量为20％～45％，可以是PE、PP、PVC、PS、ABS和PET中的至少一种；

2)木粉：含量为30％～60％，为木、竹、棉、麻纤维粉末中的至少一种；

3)石棉纤维：含量为5％～30％，为温石棉纤维、角闪石石棉纤维或水镁石石棉纤维中的至少一种；

4)偶联剂：含量为0.5％～3％，为钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、铝钛复合偶联剂或硅烷偶联剂中的任一种；

5)增塑剂：含量为0～2％，为邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯或癸二酸二辛酯中的任一种；

6)稳定剂：含量为0～2％，为受阻胺类光稳定剂或紫外线吸收剂中的任一种；

7)润滑剂：含量为0～4％，为硬脂酸锌、乙撑双脂肪酸酰胺、聚酯蜡、硬脂酸、硬脂酸铅、聚乙烯蜡、石蜡或氧化聚乙烯蜡中的任一种。

2.根据权利要求1所述的石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料，其特征在于石棉纤维规格为内径6～8nm，外径20～50nm。

3.一种根据权利要求1所述的石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料的制备方法，其特征在于木塑复合材料的制备及利用挤出成型的方式将木塑复合材料加工成型材的过程包含如下步骤：

1)烘干：将木粉材料加热烘干；

2)混料：按配方要求在烘干后的木粉中投入石棉纤维、偶联剂、塑料及其他加工助剂材料，并混合均匀，必要时将混匀后的混合材料再次烘干；

3)成型：将混均后的材料加入挤出机后一次性挤出成型得到本发明石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料板材或异型材；或者，将烘干后的混合材料加入挤出机，进行挤出造粒，得到本发明石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料的混杂型料粒，再将得到的料粒加入到挤出机中，挤出板材或者异型材，在上述挤出过程中利用冷却水对板材或异型材进行冷却。

4.根据权利要求3所述的石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料的制备方法，其特征在于挤出过程中，挤出机的螺杆转速设为9～50rpm，造粒温度应保证始终高于塑料原料的熔点。

5.一种根据权利要求1所述的石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料的制备方法，其特征在于木塑复合材料料片的制备及利用模压成型的方式将木塑复合材料料片加工成型材的过程包含如下步骤：

1)烘干：将木粉材料加热烘干；

2)混料：按配方要求在烘干后的木粉中投入石棉纤维、偶联剂、塑料及其他加工助剂材料，并混合均匀，必要时将混匀后的混合材料再次烘干；

3)混炼：将烘干后的混合材料在双辊开炼机中进行混炼，混炼好的材料下片冷却，得到本发明石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料的料片；

4)成型：将混炼好的石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料料片加入到平板硫化机的模具中，进行热压成型，达到预定时间后，再进行加压冷却处理，开模后得到最终型材。

6.根据权利要求5所述的石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料的制备方法，其特征在于在双辊开炼机上进行混炼处理过程中，混炼温度应保证始终高于塑料原料的熔点，混炼时间以7～10min为宜。

7.一种根据权利要求1所述的石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料的制备方法，其特征在于利用注射成型的方式获得木塑复合材料型材的过程包含如下步骤：

1)烘干：将木粉材料加热烘干；

2)混料：按配方要求在烘干后的木粉中投入石棉纤维、偶联剂、塑料及其他加工助剂材料，并混合均匀，必要时将混匀后的混合材料再次烘干；

3)成型：将混合好的物料加入注射机中进行注射成型；或者，将混均后的材料加入挤出机，进行挤出造粒，得到本发明石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料的混杂型料粒，再将得到的料粒加入到注射机中，注出板材或者异型材。

8.根据权利要求3、5或7所述的石棉纤维增强的热塑基木塑复合材料的制备方法，其特征在于利用高速混合机进行混料时，混料时间不低于3min，混料温度不低于80℃。