CN104292708A - 一种聚氯乙烯基木塑复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种聚氯乙烯基木塑复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种聚氯乙烯基木塑复合材料及其制备方法。本申请所述聚氯乙烯基木塑复合材料由聚氯乙烯、改性木质纤维、丙烯酸酯类加工助剂、热稳定剂与润滑剂制备得到，其中改性木质纤维由液态丁腈橡胶对木质纤维进行改性得到。本申请由于采用液态丁腈橡胶对木质纤维进行改性，使改性木质纤维具有亲油性，使其与聚氯乙烯基体具有良好的相容性，且增强了与聚氯乙烯基体的界面粘结性，在聚氯乙烯基体中的分散程度显著改善，因此本申请的聚氯乙烯基木塑复合材料具有良好的拉伸强度与冲击韧性。

Description

一种聚氯乙烯基木塑复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种聚氯乙烯基木塑复合材料及其制备方法。
背景技术
木塑复合材料是由经过预处理的植物纤维或粉末(如木、竹、秸秆、麻等)与高分子树脂基体复合而成的一种绿色环保新型材料。木塑复合材料的材质决定了其具有木材与塑料的双重特性，但是性能远优于天然木材，并且具有可回收再利用、低吸水性、高防腐蚀性和抗生物破坏稳定性等优点。木塑复合材料主要应用于建材、汽车工业、货物的包装运输、仓贮业、装饰材料及日常生活用具等方面。
木质纤维的主要成分是含有大量羟基、酚羟基的纤维素、半纤维素和木素等高分子化合物，与大量的单糖、果胶质、脂肪、蜡及不可皂化物等小分子化合物。由于木质纤维中的羟基和酚羟基使其具有很强的极性、亲水性与表面能，而高分子树脂基体大多是非极性、亲油性的表面能较低的物质，因此木质纤维与高分子树脂基体两者的界面间不能很好的粘合。由于上述问题，木塑复合材料承受外力时易发生始于界面的断裂和分层，致使复合材料的强度、抗断裂性和抗冲击性下降。此外，由于羟基和酚羟基的存在，木质纤维在进行加热混合时易于团聚，使其不能在塑料基材中均匀分散，从而影响复合材料的性能。因此，解决木质纤维与树脂基体的界面粘结性与木质纤维在树脂基体中的分散性是提高木塑复合材料性能的关键问题。
目前，工业中应用较多的是聚氯乙烯基木塑复合材料，由于木塑复合材料的上述问题没有得到有效解决，PVC基木塑复合材料同样也存在加工性能差，强度和韧性较低的问题，这些缺陷大大限制了其应用领域，使得其很难用于高档产品的生产。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种加工性能、强度与韧性较好的聚氯乙烯基木塑复合材料。
有鉴于此，本申请提供了一种聚氯乙烯基木塑复合材料，由以下原料制备得到：
所述改性木质纤维由液态丁腈橡胶与木质纤维制备得到。
优选的，所述木质纤维为秸秆纤维；所述秸秆纤维选自水稻秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆与棉花秸秆中的一种或多种。
优选的，所述热稳定剂为钙锌复合稳定剂，所述润滑剂为硬脂酸和聚乙烯蜡中的一种或两种。
本申请还提供了一种聚氯乙烯基木塑复合材料的制备方法，包括以下步骤：
a)将木质纤维与液态丁腈橡胶进行高速混合，得到改性木质纤维；
b)将100重量份的聚氯乙烯、20～40重量份的改性木质纤维、5～10重量份的丙烯酸酯类加工助剂、3～5重量份热稳定剂与3～8重量份的润滑剂混合，得到混合物料；
c)将所述混合物料进行成型加工，得到聚氯乙烯基木塑复合材料。
优选的，所述木质纤维为秸秆纤维；所述秸秆纤维选自水稻秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆和棉花秸秆中的一种或多种。
优选的，所述木质纤维与所述液态丁腈橡胶的质量比为(70～90)：(10～30)。
优选的，所述木质纤维的细度为80～120目。
优选的，所述高速混合的时间为100～150s，所述高速混合的速度为25000～30000rpm。
优选的，所述混合的时间为100～150s，所述混合的速度为25000～30000rpm。
优选的，所述成型加工的方式为挤出成型，所述挤出成型的温度为165℃～180℃，所述挤出成型的压力为4～5MPa，所述挤出成型的转速为35～45rpm。
本申请提供了一种聚氯乙烯基木塑复合材料及其制备方法。本申请提供的聚氯乙烯基木塑复合材料由改性木质纤维、聚氯乙烯、丙烯酸酯类加工助剂、热稳定剂与润滑剂制备得到，其中改性木质纤维是由液态丁腈橡胶改性木质纤维得到；由于液态丁腈橡胶的腈基与木质纤维表面的羟基会形成氢键，使其包覆于木质纤维表面，则改性后的木质纤维具有亲油性，从而使改性木质纤维与聚氯乙烯基体具有良好的相容性，且与聚氯乙烯基体界面粘结作用增强，在基体中的分散程度得到显著改善，从而使聚氯乙烯基木塑复合材料的强度与韧性优良；同时液态丁腈橡胶作为一种优良的高分子增塑剂，其引入可以显著改善木塑复合材料的加工性能。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明实施例公开了一种聚氯乙烯基木塑复合材料，由以下原料制备得到：
所述改性木质纤维由液态丁腈橡胶与木质纤维制备得到。
本发明中所述改性木质纤维是由液态丁腈橡胶与木质纤维制备得到，具体是将液态丁腈橡胶与木质纤维进行高速混合，使液态丁腈橡胶的腈基与木质纤维表面的羟基形成氢键，实现液态丁腈橡胶对木质纤维的表面包覆，从而改性后的木质纤维具有亲油性。所述液态丁腈橡胶与所述木质纤维的质量比优选为(70～90)：(10～30)，更优选为(75～85)：(15～25)。本申请中所述木质纤维优选为秸秆纤维，所述秸秆纤维优选为水稻秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆和棉花秸秆中的一种或多种。所述秸秆纤维的细度优选为80～120目。
丁腈橡胶主要分为三种，块状丁腈橡胶、粉末丁腈橡胶和液态丁腈橡胶，其中块状丁腈橡胶在高速混合机无法打破碎；由于在高速混合过程中会产生大量热量，因此粉末丁腈橡胶在高速混合的过程中会结块，因此只能采用液态丁腈橡胶对木质纤维进行改性。本申请所述液态丁腈橡胶(LNBR)优选为羧基封端，丙烯腈含量为28wt％的液态丁腈橡胶。按照本发明，所述改性木质纤维的含量为20～40重量份，优选为30～38重量份。
本领域技术人员熟知的，聚氯乙烯(PVC)是由氯乙烯在引发剂作用下聚合而成的热塑性树脂。本申请所述聚氯乙烯优选为贵州金宏化工有限责任公司提供的SG5型聚氯乙烯，其K值为66。
本申请中所述丙烯酸酯类加工助剂(ACR加工助剂)，能够提高木塑复合材料的加工性能，降低拉伸强度，提高韧性。所述ACR加工助剂的含量为5～10重量份，优选为8～9重量份。所述热稳定剂优选为钙锌复合稳定剂，所述热稳定剂的含量为3～5重量份。所述润滑剂优选为硬脂酸和聚乙烯蜡中的一种或两种。所述润滑剂的含量为3～8重量份，优选为3～5重量份。
本申请还提供了一种聚氯乙烯基木塑复合材料的制备方法，包括以下步骤：
a)将木质纤维与液态丁腈橡胶进行高速混合，得到改性木质纤维；
b)将100重量份的聚氯乙烯、20～40重量份的改性木质纤维、5～10重量份的丙烯酸酯类加工助剂、3～5重量份的热稳定剂与3～8重量份的润滑剂混合，得到混合物料；
c)将所述混合物料进行成型加工，得到聚氯乙烯基木塑复合材料。
按照本发明，在制备聚氯乙烯基木塑复合材料的过程中，木质纤维的改性是至关重要的。木质纤维的主要成分是纤维素、半纤维素和木素等含有大量羟基、酚羟基的高分子化合物；液态丁腈橡胶表面含有腈基。采用液态丁腈橡胶对木质纤维进行改性，通过高速混合的方法，使液态丁腈橡胶的腈基与木质纤维表面的羟基形成氢键，使液态丁腈橡胶包覆于木质纤维表面，从而使改性后的木质纤维具有亲油性。本申请所述高速混合的过程是机械化学力的过程，通过高速混合机的高速旋转，实现液态丁腈橡胶对木质纤维的改性。所述高速混合的时间优选为100～150s，所述高速混合的速度优选为25000～30000rpm。本申请所述木质纤维优选为秸秆纤维，所述秸秆纤维优选为水稻秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆和棉花秸秆中的一种或多种。所述秸秆纤维的细度优选为80～120目。本申请对所述液态丁腈橡胶没有特别的限制，为本领域技术人员熟知的，其可以为羧基封端，丙烯腈含量为28wt％的液态丁腈橡胶。本申请所述木质纤维与液态丁腈橡胶的质量比优选为(70～90)：(10～30)，更优选为(75～85)：(15～25)。
本发明在改性木质纤维制备完成后，则进行物料的混配，即将100重量份的聚氯乙烯、20～40重量份的改性木质纤维、5～10重量份的丙烯酸酯类加工助剂、3～5重量份的热稳定剂与3～8重量份的润滑剂混合，得到混合物料。
在上述过程中，为了使物料混合均匀，所述聚氯乙烯为聚氯乙烯粉料，优选为贵州金宏化工有限责任公司的SG5型，其K值为66。所述改性木质纤维中由于含有液态丁腈橡胶的基团，使其与PVC基体具有良好的相容性，且界面粘结作用增强。所述改性木质纤维的含量为20～40重量份，优选为30～38重量份。
按照本发明，在制备聚氯乙烯基木塑复合材料的过程中，还添加了一些助剂有利于木塑复合材料综合性能的提高。本申请添加的助剂有丙烯酸酯类(ACR)加工助剂、热稳定剂与润滑剂。所述ACR加工助剂可以提高木塑复合材料的加工性能，降低拉伸强度，提高韧性。所述ACR加工助剂的含量为5～10重量份，优选为8～9重量份。聚氯乙烯的热稳定性较差，因此加入热稳定剂以防止聚氯乙烯的降解，本申请所述热稳定剂优选为钙锌复合稳定剂，所述热稳定剂的含量为3～5重量份。所述润滑剂的含量为3～5重量份；所述润滑剂优选为硬脂酸和聚乙烯蜡中的一种或两种。在将上述原料混合的过程中，所述混合的时间优选为100～150s，所述混合的速度优选为25000～30000rpm。
本申请最后将混合物料进行成型加工，即得到聚氯乙烯基木塑复合材料。本发明优选采用螺杆挤出机将混合物料挤出成型。所述挤出成型的温度优选为165℃～180℃，所述挤出成型的压力为4～5MPa。所述挤出成型的螺杆转速为35～45rpm。
本申请提供了一种聚氯乙烯基木塑复合材料及其制备方法。本申请提供的聚氯乙烯基木塑复合材料由改性木质纤维、聚氯乙烯、丙烯酸酯类加工助剂、热稳定剂与润滑剂制备得到，其中改性木质纤维是由液态丁腈橡胶改性木质纤维得到；由于液态丁腈橡胶的腈基与木质纤维表面的羟基会形成氢键，实现其对木质纤维的表面包覆改性，使改性后的木质纤维具有亲油性，从而与聚氯乙烯基体具有良好的相容性，与聚氯乙烯基体的界面粘结作用增强，在基体中的分散程度得到显著改善，从而使聚氯乙烯基木塑复合材料的强度与韧性优良；同时液态丁腈橡胶作为一种优良的高分子增塑剂，其引入可以显著改善木塑复合材料的加工性能。另外，本申请的木塑复合材料中未采用小分子增塑剂，无环境污染，适用于较高档层次的应用。实验结果表明，本申请制备的聚氯乙烯基木塑复合材料的拉伸强度最高可达43MPa，弯曲强度最高可达49MPa，缺口冲击强度最高可达18.2kJ/m2。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的聚氯乙烯基木塑复合材料及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
将90重量份的秸秆纤维和10重量份的液态丁腈橡胶(LNBR)在高速混合机中以28000rpm的转速混合2min，得到改性秸秆纤维；
将100重量份的PVC、30重量份的改性秸秆纤维，8重量份的ACR加工助剂，4重量份的热稳定剂、3重量份的润滑剂一起加入高速混合机中以25000rpm混合2min，混合后物料加入双螺杆挤出机中挤出成型，得到PVC基木塑复合材料，挤出温度为175℃。
测试本实施例制备的PVC基木塑复合材料的性能，测试结果如表1所示。
实施例2
将80重量份的秸秆纤维和20重量份的LNBR在高速混合机中以25000rpm转速混合2min，得到改性秸秆纤维；
将100重量份的PVC、30重量份的改性秸秆纤维，8重量份的ACR加工助剂，4重量份的热稳定剂、3重量份的润滑剂一起加入高速混合机中以25000rpm的转速混合2min，混合后物料加入双螺杆挤出机中挤出成型，得到PVC基木塑复合材料，挤出温度为170℃。
测试本实施例制备的PVC基木塑复合材料的性能，测试结果如表1所示。
实施例3
将70重量份的秸秆纤维和30重量份的LNBR在高速混合机中以30000rpm的转速混合2min，得到改性秸秆纤维；
将100重量份的PVC、30重量份的改性秸秆纤维，8重量份的ACR加工助剂，4重量份的热稳定剂、3重量份的润滑剂一起加入高速混合机中以28000rpm的转速混合2min，混合后物料加入双螺杆挤出机中挤出成型，得到PVC基木塑复合材料，挤出温度为165℃。
测试本实施例制备的PVC基木塑复合材料的性能，测试结果如表1所示。
实施例4
将70重量份的秸秆纤维和30重量份的LNBR在高速混合机中以29000rpm的转速混合2min，得到改性秸秆纤维；
将100重量份的PVC、20重量份的改性秸秆纤维，8重量份的ACR加工助剂，4重量份的热稳定剂、3重量份的润滑剂一起加入高速混合机中以28000rpm的转速混合2min，混合后物料加入双螺杆挤出机中挤出成型，得到PVC基木塑复合材料，挤出温度为165℃。
测试本实施例制备的PVC基木塑复合材料的性能，测试结果如表1所示。
实施例5
将70重量份的秸秆纤维和30重量份的LNBR在高速混合机中以30000rpm的转速混合2min，得到改性秸秆纤维；
将100重量份的PVC、40重量份的改性秸秆纤维，8重量份的ACR加工助剂，4重量份的热稳定剂、3重量份的润滑剂一起加入高速混合机中以29000rpm的转速混合2min，混合后物料加入双螺杆挤出机中挤出成型，得到PVC基木塑复合材料，挤出温度为180℃。
测试本实施例制备的PVC基木塑复合材料的性能，测试结果如表1所示。
表1实施例1～5制备的木塑复合材料的性能数据表
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种聚氯乙烯基木塑复合材料，其特征在于，由以下原料制备得到：
所述改性木质纤维由液态丁腈橡胶与木质纤维制备得到。
2.根据权利要求1所述的聚氯乙烯基木塑复合材料，其特征在于，所述木质纤维为秸秆纤维；所述秸秆纤维选自水稻秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆与棉花秸秆中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的聚氯乙烯基木塑复合材料，其特征在于，所述热稳定剂为钙锌复合稳定剂，所述润滑剂为硬脂酸和聚乙烯蜡中的一种或两种。
4.一种聚氯乙烯基木塑复合材料的制备方法，包括以下步骤：
a)将木质纤维与液态丁腈橡胶进行高速混合，得到改性木质纤维；
b)将100重量份的聚氯乙烯、20～40重量份的改性木质纤维、5～10重量份的丙烯酸酯类加工助剂、3～5重量份热稳定剂与3～8重量份的润滑剂混合，得到混合物料；
c)将所述混合物料进行成型加工，得到聚氯乙烯基木塑复合材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述木质纤维为秸秆纤维；所述秸秆纤维选自水稻秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆和棉花秸秆中的一种或多种。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述木质纤维与所述液态丁腈橡胶的质量比为(70～90)：(10～30)。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述木质纤维的细度为80～120目。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述高速混合的时间为100～150s，所述高速混合的速度为25000～30000rpm。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述混合的时间为100～150s，所述混合的速度为25000～30000rpm。
10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述成型加工的方式为挤出成型，所述挤出成型的温度为165℃～180℃，所述挤出成型的压力为4～5MPa，所述挤出成型的转速为35～45rpm。
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