CN102352117A - 天然纤维增强树脂基复合材料界面增容方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然纤维增强树脂基复合材料界面增容方法，包括以下步骤：1)将天然纤维和树脂分别粉碎成纤维颗粒和树脂颗粒；2)将纤维颗粒先进行水热处理，再烘干；3)将步骤2)所得的处理后纤维颗粒与步骤1)所得的树脂颗粒按照10～90∶90～10的重量比混合，作为原料；在原料中加入阻燃剂进行混炼和造粒；4)将步骤3)所得的粒子于150～210℃进行成型，得界面增容的天然纤维增强树脂基复合材料。采用该方法制备的天然纤维增强树脂基复合材料力学性能佳，加工过程环保，真正实现零排放。

Description

天然纤维增强树脂基复合材料界面增容方法

技术领域

本发明属于复合材料表界面增容处理领域，特别涉及一种天然纤维增强树脂基复合材料表界面的水热增容方法。

背景技术

由于天然纤维表面的极性基团——羟基，表现为亲水性；而树脂表面是非极性的，表现为憎水性，树脂基体与天然纤维之间的界面相容性差，影响了复合材料的力学性能；此外，氢键的作用也导致木纤维之间的作用力增强，从而影响木纤维在树脂基体中的分散。因此，如何改善疏水性树脂基体与亲水性天然木纤维之间的界面相容性是制备性能优良的木塑复合材料的关键。

增容方式可分为物理增容和化学增容。专利CN1934183A公开了美国纳幕尔杜邦公司采用化学增容的纤维素和聚合物组分复合材料组合物，由于加入马来酸酐偶联剂，提高了天然纤维与树脂的相容性，该方法采用化工原料，价格昂贵，加工过程易产生污染。专利CN101629022A公开了一种纤维增强木塑复合材料制备方法，该方法采用硅烷偶联剂进行界面增容，制备的复合材料性能较佳，但增容剂价格较高，不适于规模化生产应用。专利CN 1876724A公开了一种农业秸秆与塑料复合的工艺，该工艺采用丙烯酸-苯乙烯-马来酸酐交替共聚物进行增容，同样存在价格高的问题。专利CN101358037A公开了一种木素纤维材料与塑料复合的方法，其增容方式为混合物质量5-20％的增容剂。专利CN1594409A公开了一种天然植物纤维增强聚丙烯烃塑料板材制备方法，其增容剂用量为3～20％。专利CN201189739Y和CN101229700A公开了一种麻纤维增强塑料复合材料的制备方法，该材料由改性塑料粒子、麻纤维、界面增容剂混合压延而成。专利CN1827701A公开了一种木塑材质的生物质填料制作方法，包括质量百分数为2～6％的增容剂。专利CN 101173079A公开了一种木质纤维-聚氯乙烯复合材料的制备方法，其增容剂为马来酸酐接枝聚丙烯等物质。专利CN 101608027A公开了一种由植物纤维或粉末、高分子聚合物和增容增塑剂等原料制备复合材料的方法，其增容增塑剂为马来酸酐等物质。专利CN 101955638A公开了一种植物纤维增强聚乳酸发泡材料的制备方法，其增容剂为马来酸酐等。以上方法均为添加化学增容剂对复合材料不同组分进行增容，试剂消耗量大，加工过程有污染。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种环保清洁、工艺简洁、生产效率高的以天然纤维和树脂为原料的复合材料界面增容方法，采用该方法制备的天然纤维增强树脂基复合材料力学性能佳，加工过程环保，真正实现零排放。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种天然纤维增强树脂基复合材料界面增容方法，包括以下步骤：

1)、天然纤维预处理：

将天然纤维粉碎成长度0.5～2mm的纤维颗粒，将树脂粉碎成粒度0.5～2mm的树脂颗粒；

2)、天然纤维水热处理：

将纤维颗粒放入水热处理反应釜中，并添加作为反应介质的水，然后加热至100～160℃保温5～60min；所述纤维颗粒的干重(即干基纤维的重量)与水的重量比为1∶3～10；

保温结束后，依次进行冷却和固液分离，分离所得的固体烘干至恒重；得处理后纤维颗粒；

3)、混炼复合：

将步骤2)所得的处理后纤维颗粒与步骤1)所得的树脂颗粒按照10～90∶90～10(优选60～90∶10～40)的重量比混合，作为原料；

在原料中加入占原料总重3～10％的阻燃剂后，进行混炼和造粒；得粒子；

4)、成型：

将步骤3)所得的粒子于150～210℃进行成型，得界面增容的天然纤维增强树脂基复合材料。

作为本发明的天然纤维增强树脂基复合材料界面增容方法的改进：阻燃剂为无机阻燃剂、卤系阻燃剂和磷系阻燃剂中的至少一种。无机阻燃剂为尾矿砂或石粉、三氧化二锑、氢氧化镁、氢氧化铝、膨胀性石墨等；卤系阻燃剂为氯化石蜡、氯化铵、十溴二苯乙烷、十溴二苯醚等；磷系阻燃剂为聚磷酸胺、磷酸酯、磷酸一铵、磷酸二铵等。

作为本发明的天然纤维增强树脂基复合材料界面增容方法的进一步改进：步骤2)中先按照20～40℃/min的速率进行升温，然后于100～160℃保温5～60min。

作为本发明的天然纤维增强树脂基复合材料界面增容方法的进一步改进：步骤2)的冷却速率为15～30℃/min；固液分离所得的废液经过滤及净化处理可作为步骤2)的反应介质重新利用。

作为本发明的天然纤维增强树脂基复合材料界面增容方法的进一步改进：步骤4)的成型方式为注塑、挤出或热模压。

作为本发明的天然纤维增强树脂基复合材料界面增容方法的进一步改进：步骤3)通过高速混炼机混炼复合并进行造粒。

在本发明中，天然纤维是指：毛竹纤维、木纤维、秸秆纤维、***纤维、油棕榈纤维等；树脂是指：聚氯乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚乙烯树脂、聚乳酸树脂、聚碳酸酯、尼龙等。在本发明中，室温是指20±5℃。

本发明的天然纤维增强树脂基复合材料界面增容方法，在不使用增容剂的前提下，利用对天然纤维的水热处理来实现水热增容。

在本发明中，发明人在大量实验的前提下确定了特定的天然纤维水热处理的升温速率、热保温的温度和时间以及冷却速率，从而能真正实现水热增容。

本发明的天然纤维增强树脂基复合材料增容方法，充分利用了农林生物质中的天然纤维为原料，采用环保清洁方式对其进行处理，避免由于竹原料体型差异所导致的工艺不稳定性，提高了天然纤维和树脂基体的相容性，因此，最终能提高产品性能，且降低了生产成本。

本发明的天然纤维增强树脂基复合材料增容方法，具有以下有益效果：

(1)天然纤维增容方式快速高效，制备过程无污染。

(2)采用水作为反应介质，天然纤维表面处理均匀，使天然纤维增强树脂基复合材料的性能、质量更加稳定可靠。

(3)制备工艺简单，工序明确；设备使用维护方便、成本较低，适宜大批量的规模生产。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1、一种天然纤维增强树脂基复合材料界面增容方法，依次进行以下步骤：

1)、天然纤维预处理：

将毛竹纤维粉碎成长度0.5mm的纤维颗粒，将聚氯乙烯树脂粉碎成粒度0.5mm的树脂颗粒；

2)、天然纤维水热处理：

将上述纤维颗粒放入水热处理反应釜中，并添加作为反应介质的水，按照20℃/min的速率升温至120℃，然后于120℃保温15min。纤维颗粒的干重(即干基纤维的重量)与水的重量比为1∶5。

保温结束后，先利用冷水机依照30℃/min的冷却速率冷却至室温；然后采用固液分离设备进行固液分离。分离所得的固体烘干(于75℃)至恒重，得处理后纤维颗粒。分离所得的废液经过滤(120目以上的筛)及净化处理(沉淀、澄清)后可作为步骤2)的反应介质重新利用。

3)、混炼复合：

将步骤2)所得的处理后纤维颗粒与步骤1)所得的树脂颗粒按照90∶10的重量比混合，作为原料；

在原料中加入占原料总重3％的粒度为40目的铝土矿浮选尾矿砂，通过高速混炼机混炼复合并进行造粒；得粒径大小为1.5mm的粒子；

4)、成型：

将步骤3)所得的粒子在180℃预热5min，然后铺装板坯；接着在175℃的温度、8MPa的压力下热模压成型7min，得界面增容的天然纤维增强树脂基复合材料。

上述天然纤维增强树脂基复合材料可作为室外复合地板，物理力学性能优异，可以替代进口板材，填补了国内外的空白。

其主要物理力学性能按照实木复合地板国家标准(GB/T 18103-2000)进行测定，测试结果如表1所示，静曲强度、内结合强度和吸水厚度膨胀率等指标符合产品要求。

表1、本发明的性能测试结果

为了证明本发明的优点所在，发明人设置了如下对比例：

对比例1-1、取消步骤2)的天然纤维水热处理，即在步骤3)中：将步骤1)所得的纤维颗粒与步骤1)所得的树脂颗粒按照90∶10的重量比(注：90代表的是纤维颗粒的干重)混合，作为原料；其余同实施例1。

对比例1-2、将步骤2)中的升温速率改成5℃/min，其余同实施例1。

对比例1-3、将步骤2)中的升温速率改成60℃/min，其余同实施例1。

对比例1-4、将步骤2)中的保温温度改成80℃，其余同实施例1。

对比例1-5、将步骤2)中的保温温度改成180℃，其余同实施例1。

对比例1-6、将步骤2)中的降温速率改成5℃/min，其余同实施例1。

对比例1-7、将步骤2)中的降温速率改成60℃/min，其余同实施例1。

将上述对比例1-1～对比例1-7，按照实施例1的方式进行检测，结果如表2所示。

表2、对比例的性能测试结果

实施例2、一种天然纤维增强树脂基复合材料界面增容方法，依次进行以下步骤：

1)、天然纤维预处理：

将木纤维经过机械手段粉碎成长度1.5mm的纤维颗粒，将聚丙烯树脂粉碎成粒度1mm的树脂颗粒；

2)、天然纤维水热处理：

将上述纤维颗粒放入水热处理反应釜中，并添加作为反应介质的水，按照30℃/min的速率升温至160℃，然后于160℃保温20min。纤维颗粒的干重(即干基纤维的重量)与水的重量比为1∶6。

保温结束后，先利用冷水机依照30℃/min的冷却速率冷却至室温；然后采用固液分离设备进行固液分离。分离所得的固体烘干(于75℃)至恒重，得处理后纤维颗粒。分离所得的废液经过滤及净化处理后可于步骤2)中作为反应介质重新利用。

3)、混炼复合：

将步骤2)所得的处理后纤维颗粒与步骤1)所得的树脂颗粒按照60∶40的重量比混合，作为原料；

在原料中加入占原料总重2％的氯化石蜡和占原料总重3％的三氧化二锑，通过高速混炼机混炼复合并进行造粒；得粒径大小为1.6mm的粒子；

4)、成型：

将步骤3)所得的粒子于220℃注塑成型，得天然纤维增强树脂基复合材料制成的环保可降解木纤维聚丙烯椅子。

参照GB/T1447-2005纤维增强塑料拉伸性能试验方法和GB-T1451-2005纤维增强塑料简支梁冲击韧性试验方法对可降解木纤维聚丙烯椅子进行性能测试，结果如表3所示。

表3、可降解木纤维聚丙烯椅子性能测试结果

上述环保可降解木纤维聚丙烯椅子可替代目前的塑料椅子或木质椅子，成本低廉，质量轻，可作为传统家具的替代品。

实施例3、一种天然纤维增强树脂基复合材料界面增容方法，依次进行以下步骤：

1)、天然纤维预处理：

将秸秆纤维经过机械等手段粉碎成长度1mm的纤维颗粒，将聚丙烯树脂粉碎成粒度0.8mm的树脂颗粒；

2)、天然纤维水热处理：

将上述纤维颗粒放入水热处理反应釜中，并添加作为反应介质的水，按照20℃/min的速率升温至140℃，然后于140℃保温40min。纤维颗粒的干重(即干基纤维的重量)与水的重量比为1∶7。

保温结束后，先利用冷水机依照15℃/min的冷却速率冷却至室温；然后采用固液分离设备进行固液分离。分离所得的固体烘干(于75℃)至恒重，得处理后纤维颗粒。分离所得的废液经过滤及净化处理后可于步骤2)中作为反应介质重新利用。

3)、混炼复合：

将步骤2)所得的处理后纤维颗粒与步骤1)所得的树脂颗粒按照70∶30的重量比混合，作为原料；

在原料中加入占原料总重2％的氯化石蜡和占原料总重3％的三氧化二锑，通过高速混炼机混炼复合并进行造粒；得粒径大小为1.8mm的粒子；

4)、成型：

将步骤3)所得的粒子于210℃通过挤出成型，制备出新型环保的天然纤维增强树脂基复合材料--秸秆纤维聚丙烯型材。

上述天然纤维增强树脂基复合材料(即秸秆纤维聚丙烯型材)可作为复合板材或室外型材使用，质量轻，可作为传统木材的替代品。

对实施例3所得的秸秆纤维聚丙烯型材的主要物理力学性能按照GB T 17657-1999人造板及饰面人造板理化性能表征方法进行测定，测试结果如表4所示，剪切强度、弯曲弹性模量等指标均优于GB/T 17748-1999铝复合型材标准。

表4、本发明的秸秆纤维聚丙烯型材性能测试结果

为了证明本发明的优点所在，发明人设置了如下对比例：

对比例3-1、取消步骤2)的天然纤维水热处理，即在步骤3)中：将步骤1)所得的纤维颗粒与步骤1)所得的树脂颗粒按照70∶30的重量比(注：70代表的是纤维颗粒的干重)混合，作为原料；其余同实施例3。

对比例3-2、将步骤2)中的升温速率改成3℃/min，其余同实施例3。

对比例3-3、将步骤2)中的升温速率改成80℃/min，其余同实施例3。

对比例3-4、将步骤2)中的保温温度改成60℃，其余同实施例3。

对比例3-5、将步骤2)中的保温温度改成240℃，其余同实施例3。

对比例3-6、将步骤2)中的降温速率改成6℃/min，其余同实施例3。

对比例3-7、将步骤2)中的降温速率改成50℃/min，其余同实施例3。

将上述对比例3-1～对比例3-7，按照实施例3的方式进行检测，结果如表5所示。

表5、对比例的性能测试结果

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.天然纤维增强树脂基复合材料界面增容方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、天然纤维预处理：

将天然纤维粉碎成长度0.5～2mm的纤维颗粒，将树脂粉碎成粒度0.5～2mm的树脂颗粒；

2)、天然纤维水热处理：

将所述纤维颗粒放入水热处理反应釜中，并添加作为反应介质的水，然后加热至100～160℃保温5～60min；所述纤维颗粒的干重与水的重量比为1∶3～10；

保温结束后，依次进行冷却和固液分离，分离所得的固体烘干至恒重；得处理后纤维颗粒；

3)、混炼复合：

将步骤2)所得的处理后纤维颗粒与步骤1)所得的树脂颗粒按照10～90∶90～10的重量比混合，作为原料；

在原料中加入占原料总重3～10％的阻燃剂后，进行混炼和造粒；得粒子；

4)、成型：

将步骤3)所得的粒子于150～210℃进行成型，得界面增容的天然纤维增强树脂基复合材料。

2.根据权利要求1所述的天然纤维增强树脂基复合材料界面增容方法，其特征在于：所述阻燃剂为无机阻燃剂、卤系阻燃剂和磷系阻燃剂中的至少一种。

3.根据权利要求2所述的天然纤维增强树脂基复合材料界面增容方法，其特征在于：

所述无机阻燃剂为尾矿砂或石粉、三氧化二锑、氢氧化镁、氢氧化铝或膨胀性石墨；

所述卤系阻燃剂为氯化石蜡、氯化铵、十溴二苯乙烷或十溴二苯醚；

所述磷系阻燃剂为聚磷酸胺、磷酸酯、磷酸一铵或磷酸二铵。

4.根据权利要求2或3所述的天然纤维增强树脂基复合材料界面增容方法，其特征在于：所述步骤2)中先按照20～40℃/min的速率进行升温，然后于100～160℃保温5～60min。

5.根据权利要求4所述的天然纤维增强树脂基复合材料界面增容方法，其特征在于：所述步骤2)的冷却速率为15～30℃/min；固液分离所得的废液经过滤及净化处理可作为步骤2)的反应介质重新利用。

6.根据权利要求5所述的天然纤维增强树脂基复合材料界面增容方法，其特征在于：所述步骤4)的成型方式为注塑、挤出或热模压。

7.根据权利要求6所述的天然纤维增强树脂基复合材料界面增容方法，其特征在于：所述步骤3)通过高速混炼机混炼复合并进行造粒。