CN108774757A - 一种用于制备高强度无纺布的复合填充粒子及其制备方法和应用 - Google Patents

一种用于制备高强度无纺布的复合填充粒子及其制备方法和应用 Download PDF

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严俊
孙青�
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Abstract

本发明公开一种用于制备高强度浅色的无纺布的复合填充粒子及其制备方法和应用领域，该填充粒子由以下重量份的原料组成：100份的生物质碳酸钙贝壳粉、1～5份的针状硅灰石、1～5份的短切碳纤维、1～2份的金红石型二氧化钛、10～25份的聚丙烯、0.1～0.5份的硬脂酸、0.2～0.5份的硅烷偶联剂、0.5～2份的PE蜡；同时公开了填充粒子的制备方法，通过先制备分散粉体A，然后制备改性粉体B，最后与聚丙烯、PE蜡通过双螺杆塑化辅以单螺杆工艺挤出造粒。本发明的填充粒子加工应用性能优异，制备的终端产品无纺布抗拉伸强度高，可用作工业或民用包装材料、过滤材料等领域。

Description

一种用于制备高强度无纺布的复合填充粒子及其制备方法和 应用
技术领域
本发明属于有机与无机复合材料的加工及其相应的应用领域，具体涉及一种用于制备高强度无纺布的复合填充粒子及其制备方法和应用。
背景技术
当前，环境保护与资源高效利用是摆在人们面前的两大热点问题，节能、降耗等绿色环保理念逐渐深入人们日常的生产与生活中，“五水共制”、“空气净化”等环保举措已逐渐提上相关的议事日程。就传统的塑料产业而言，鉴于传统塑料较难降解，其产生的“白色污染”问题给生态环境带来了不可估量的负面影响。另一方面，因传统的聚合物其源头物料主要为石油，而石油为一类不可再生的自然资源，随着大量的开发及经过复杂的反应产生系列的衍生产物，石油资源在日渐减少的同时并产生大量的有害产物，同样给我们赖以生存的自然环境带来不可估量的危害，以致“温室效应”、“雾霾”等环境问题逐渐困扰着人们的生活。以无纺布为代表的手提袋、包装袋和包覆布等新型环保包装材料逐渐丰富着人们的生活，无纺布手提袋、包装袋等制品具有环保时尚、价廉、容易分解、可重复使用的优点，完全可以替代或部分替代传统的、单一的塑料组分的产品。当前，无纺布填充粒子中较多以无机成因碳酸钙作为填料，同时就无纺布而言，相比于纺织布，由于常规的无纺布原料的拉伸强度低和耐久性差，导致无纺布制品的循环使用性弱和承重性差。
淡水育珠蚌贝壳，在除去外层的角质层后(该层主要呈现为黑色或褐色)，其物质组成为生物成因的碳酸钙，且其主要组成为生物成因的方解石与文石相。然而，就当前而言，养殖珍珠的母蚌，其附生的珍珠被采集后，贝壳则被随意倾倒，占用大量的土地资源，影响美观。与此同时，贝壳表面因存在未清理干净的腐肉，产生腥臭味及寄生虫、细菌，由此给人们的身体健康及生活环境带来了较严重的负面影响。与此同时，“金山银山不如绿水青山”的环保意识日渐强烈的背景下，无机碳酸钙资源的开采也随之日渐严苛。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于制备高强度无纺布的复合填充粒子及其制备方法和应用，以实现被废弃的贝壳的资源化利用，并在一定程度上克服现有技术中无纺布抗拉伸强度小，易扯断、循环使用性差的不足的缺陷。本发明的高强度无纺布填充粒子加工性好优异，制备的无纺布其抗拉伸强度高，可用作工业或民用包装材料、过滤材料。
一种用于制备高强度浅色系无纺布的复合填充粒子，其特征在于，该填充粒子由以下重量份的原料组成：
生物质碳酸钙贝壳粉 100份
针状硅灰石 1～5份
短切碳纤维 1～5份
金红石型二氧化钛 1～2份
聚丙烯 10～25份
硬脂酸 0.1～0.5份
硅烷偶联剂 0.2～0.5份
PE蜡 0.5～2份
优选地，该填充粒子优选以下重量份的原料：
生物质碳酸钙贝壳粉 100份
针状硅灰石 3～5份
短切碳纤维 3～5份
金红石型二氧化钛 1～2份
聚丙烯 15～25份
硬脂酸 0.3～0.5份
硅烷偶联剂 0.3～0.5份
PE蜡 0.8～2份
优选地，所述的硅烷偶联剂为KH560或KH570。
一种如上所述的复合填充粒子的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)将生物质碳酸钙贝壳粉、针状硅灰石、短切碳纤维、金红石型二氧化钛按设定的剂量配比进行高速混合、分散，得到分散粉体A；
(2)将上步骤(1)中所得分散粉体A与硬脂酸、硅烷偶联剂按配比进行高速混合、表面改性活化，得到改性粉体B；
(3)将上步骤(2)中所得的改性粉体B与聚丙烯、PE蜡按设定的剂量配比进行高速混合，混合均匀后采用双螺杆-单螺杆双阶塑化挤出造粒工艺挤出造粒，即得到无纺布填充粒子。
优选地，所述的步骤(1)中的针状硅灰石与短切碳纤维的粒径为1200～1500目。
优选地，所述的生物质碳酸钙贝壳粉为将生物贝壳清洗去除背腹部的污垢后、机械打磨、研磨制备得到的粒径为1000～1250目的贝壳粉。
优选地，所述的步骤(1)中，高速混合的时间为20～50min，温度为120～130℃，速度为600～800转/分。
优选地，步骤(2)中，高速混合的时间为15～30min，温度为110～160℃，速度为600～800转/分。
优选地，步骤(3)中，高速混合的时间为10～40min，温度为130～170℃，速度为600～800转/分。
一种如上所述的复合填充粒子在制备无纺布制品中的应用，按照无纺布产品的性能需求，所述的填充粒子占所述的无纺布制品原料的15-50％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明从被废弃的贝壳资源化利用、环境保护与提升当前无纺布强度的角度出发，为实现被废弃的贝壳的资源化利用及增强无纺布的拉伸强度和循环使用性能，以具有相同化学组成的贝壳粉类碳酸钙、并辅以一维管状或纤维状复合填料对其进行补强，通过双螺杆塑化-单螺杆挤出组合工艺造粒，并将复合粒子应用于无纺布制备领域，进而实现增强终端产品无纺布的高拉伸性能，具体效果如下：
1.本发明所述的无纺布填充粒子采用复合增强填料，并经过分散和改性处理，通过双螺杆塑化-单螺杆组合造粒工艺，所制备的复合粒子塑化性能优异，且可均匀分布在无纺布中，得到性能优良的无纺布粒子；
2.本发明无纺布填充粒子中，主体的无机填料贝壳粉为生物成因碳酸钙，该无机组分是在有机质的调控下经生物矿化形成，因此该无机组份与有机质存在较好的原位共生特征，即无机组分具有良好地与有机质接枝复合的性能，即相比于无机成因碳酸钙，贝壳类生物碳酸钙微细粉具有更佳的表面活性。与此同时，因生物碳酸钙与有机质天然共生，因此，相关的碳酸钙表面的改性活化难度降低，有机质改性剂、表面偶联剂的使用量可适量减少；
3.采用复合型增强填料针状硅灰石、短切碳纤维，填料体系无毒、无害，在较大程度上提高无纺布产品的力学性能与延长其使用周期；
4.填料体系中增加具有增白、增强体系及终端产品的耐老化、耐日晒及机械强度的金红石型钛白粉；
5.通过双螺杆塑化-单螺杆组合挤出造粒工艺，所制备的复合粒子塑化性能优异。
6.本发明的无纺布填充粒子，可用作无纺布手提袋、包装袋、包覆布、过滤材料等制品的填充粒子，明显改善无纺布制品的抗拉伸性。
具体实施方式
下面根据优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下述的实施例中，针状硅灰石与短切碳纤维作为复合型增强无机填料粉体，金红石型二氧化钛作用为增白并提高体系耐晒耐老化，贝壳粉作为无机填料，硬脂酸作为表面活性剂，硅烷KH560或KH570作为偶联剂，聚丙烯作为有机载体，PE蜡作为物料体系润滑剂，
实施例1
(1)分别称取2份针状硅灰石与2份短切碳纤维、2份金红石型二氧化钛、100份贝壳粉，上述物料置于高速混合机进行高速混合，分散，混合时间为40分钟，混合速度为800转/分钟、混合温度为120℃，得到分散粉体A；
(2)将步骤(1)所得的分散粉体与0.3份硬脂酸、0.3份硅烷KH560置于高速混合机进行高速混合、改性，混合时间为30分钟，混合速度为800转/分钟、混合温度为120℃，得到改性粉体B；
(3)将步骤(2)中所得的改性粉体B与20份聚丙烯和2份PE蜡置于高速混合机进行高速混合，混合时间为20分钟，混合速度为800转/分钟，混合温度为140℃，混合均匀后通过双螺杆塑化与单螺杆挤出造粒，即得到无纺布填充粒子。
实施例2
(1)分别称取即1份针状硅灰石与1份短切碳纤维、1份金红石型二氧化钛、100份贝壳粉，上述物料置于高速混合机进行高速混合，分散，混合时间为40分钟，混合速度为800转/分钟、混合温度为120℃，得到分散粉体A；
(2)将步骤(1)所得的分散粉体与0.3份硬脂酸、0.3份硅烷KH570置于高速混合机进行高速混合、改性，混合时间为30分钟，混合速度为800转/分钟、混合温度为130℃，得到改性粉体B；
(3)将步骤(2)中所得的改性粉体与20份聚丙烯和1份PE蜡置于高速混合机进行高速混合，混合时间为20分钟，混合速度为800转/分钟，混合温度为150℃，混合均匀后通过双螺杆塑化与单螺杆挤出造粒，即得到无纺布填充粒子。
实施例3
(1)分别称取即1.5份针状硅灰石与1份短切碳纤维、2份金红石型二氧化钛、100份贝壳粉，上述物料置于高速混合机进行高速混合，均匀分散，混合时间为30分钟，混合速度为800转/分钟、混合温度为130℃，得到分散粉体A；
(2)将步骤(1)所得的分散粉体与0.4份表面活性剂硬脂酸、0.4份硅烷KH560置于高速混合机进行高速混合、改性，混合时间为30分钟，混合速度为800转/分钟、混合温度为120℃，得到改性粉体B；
(3)将步骤(2)中所得的改性粉体与20份聚丙烯和2份PE蜡置于高速混合机进行高速混合，混合时间为20分钟，混合速度为800转/分钟，混合温度为140℃，混合均匀后通过双螺杆塑化与单螺杆挤出造粒，即得到无纺布填充粒子。
实施例4
(1)分别称取3份针状硅灰石与3份短切碳纤维、2份金红石型二氧化钛、100份贝壳粉无机填料，上述物料置于高速混合机进行高速混合，均匀分散，混合时间为40分钟，混合速度为800转/分钟、混合温度为130℃，得到分散粉体A；
(2)将步骤(1)所得的分散粉体与0.5份硬脂酸、0.5份KH560置于高速混合机进行高速混合、改性，混合时间为30分钟，混合速度为800转/分钟、混合温度为120℃，得到改性粉体B；
(3)将步骤(2)中所得的改性粉体与25份聚丙烯和0.5份PE蜡置于高速混合机进行高速混合，混合时间为20分钟，混合速度为800转/分钟，混合温度为140℃，混合均匀后通过双螺杆塑化与单螺杆挤出造粒，即得到无纺布填充粒子。
实施例5
(1)分别称取即5份针状硅灰石与3份短切碳纤维、2份金红石型二氧化钛、100份贝壳粉，上述物料置于高速混合机进行高速混合，均匀分散，混合时间为40分钟，混合速度为800转/分钟、混合温度为130℃，得到分散粉体A；
(2)将步骤(1)所得的分散粉体与0.5份硬脂酸、0.5份KH560置于高速混合机进行高速混合、改性，混合时间为30分钟，混合速度为800转/分钟、混合温度为120℃，得到改性粉体B；
(3)将步骤(2)中所得的改性粉体与15份聚丙烯和0.8份PE蜡置于高速混合机进行高速混合，混合时间为20分钟，混合速度为800转/分钟，混合温度为140℃，混合均匀后通过双螺杆塑化与单螺杆挤出造粒，即得到无纺布填充粒子。
实施例6
(1)分别称取5份针状硅灰石与5份短切碳纤维、2份金红石型二氧化钛、100份贝壳粉无机填料，上述物料置于高速混合机进行高速混合，均匀分散，混合时间为30分钟，混合速度为800转/分钟、混合温度为130℃，得到分散粉体A；
(2)将步骤(1)所得的分散粉体与0.5份硬脂酸、0.2份KH560置于高速混合机进行高速混合、改性，混合时间为30分钟，混合速度为800转/分钟、混合温度为120℃，得到改性粉体B；
(3)将步骤(2)中所得的改性粉体与10份聚丙烯和2份PE蜡置于高速混合机进行高速混合，混合时间为20分钟，混合速度为800转/分钟，混合温度为140℃，混合均匀后通过双螺杆塑化与单螺杆挤出造粒，即得到无纺布填充粒子。
表1实施例1—6的无纺布填充粒子的各组分和配比
拉伸性能测试实验
将实施例1-6中制备好的无纺布填充粒子与适量的PP均匀混合进行注塑成型，制成待检测的样条。同时，以某一市售的无纺布填充粒子以与实施例中PP同等加入量进行注塑成型，制成对比例的待检测的样条。按照国家标准GB/T 1040塑料拉伸试验方法测试样条的拉伸性能。测试结果如表2所示。
表2实施例1—6制成的样条和对比例样品的检测分析结果
样品名称 拉伸强度(MPa)
实施例1 35.2
实施例2 32.8
实施例3 33.4
实施例4 36.8
实施例5 34.2
实施例6 32.5
对比例1 24.5
通过表1中实施例1-6及对比例样品的拉伸性能检测结果可知，实施例1-6的拉伸强度明显高于对比例，尤其是实施例1和2的拉伸性能最优。本发明制备的无纺布填充料所实现的终端产品即无纺布优异的力学性能及循环使用性能具体体现在：
以具有纤维状的短切碳纤维与硅灰石为复合填料体系作为基体的补强介质，上述与单一的无机碳酸钙填料相比，具有明显的增强终端产品无纺布粒子机械力学的特性；
创新性地使用生物有机活性的贝壳类生物成因碳酸钙为填料，该类生物成因碳酸钙因与有机质矿化共生，具有较好表面有机活性，因此，其再与有机载体PP复合时具有较无机成因碳酸钙更优异的复合性能，同时因其表面具有有机活性，可减少材料在复合过程中使用的表面活性剂与偶联剂的使用量；
无机填料生物成因碳酸钙与有机载体PP等的复合是通过双螺杆塑化与单螺杆挤出组合造粒联用技术，使得增强填料体系、无机填料、有机载体等更均匀的、充分的粘接，上述复合粒子的制备工艺为提升终端无纺布产品的力学性能、延长其使用周期具有明显的作用。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于制备高强度浅色系无纺布的复合填充粒子，其特征在于，该填充粒子由以下重量份的原料组成：
生物质碳酸钙贝壳粉 100份
针状硅灰石 1～5份
短切碳纤维 1～5份
金红石型二氧化钛 1～2份
聚丙烯 10～25份
硬脂酸 0.1～0.5份
硅烷偶联剂 0.2～0.5份
PE蜡 0.5～2份。
2.根据权利要求1所述的用于制备高强度浅色系无纺布的复合填充粒子，其特征在于，该填充粒子优选以下重量份的原料：
生物质碳酸钙贝壳粉 100份
针状硅灰石 3～5份
短切碳纤维 3～5份
金红石型二氧化钛 1～2份
聚丙烯 15～25份
硬脂酸 0.3～0.5份
硅烷偶联剂 0.3～0.5份
PE蜡 0.8～2份。
3.根据权利要求1所述的用于制备高强度浅色系无纺布的复合填充粒子，其特征在于，所述的硅烷偶联剂为KH560或KH570。
4.一种如权利要求1-3中任一项所述的复合填充粒子的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)将生物质碳酸钙贝壳粉、针状硅灰石、短切碳纤维、金红石型二氧化钛按设定的剂量配比进行高速混合、分散，得到分散粉体A；
(2)将上步骤(1)中所得分散粉体A与硬脂酸、硅烷偶联剂按配比进行高速混合、表面改性活化，得到改性粉体B；
(3)将上步骤(2)中所得的改性粉体B与聚丙烯、PE蜡按设定的剂量配比进行高速混合，混合均匀后采用双螺杆-单螺杆双阶塑化挤出造粒工艺挤出造粒，即得到无纺布填充粒子。
5.根据权利要求4所述的复合填充粒子的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中的针状硅灰石与短切碳纤维的粒径为1200～1500目。
6.根据权利要求4所述的复合填充粒子的制备方法，其特征在于，所述的生物质碳酸钙贝壳粉为将生物贝壳清洗去除背腹部的污垢后、机械打磨、研磨制备得到的粒径为1000～1250目的贝壳粉。
7.根据权利要求4所述的复合填充粒子的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，高速混合的时间为20～50min，温度为120～130℃，速度为600～800转/分。
8.根据权利要求4所述的复合填充粒子的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，高速混合的时间为15～30min，温度为110～160℃，速度为600～800转/分。
9.根据权利要求4所述的复合填充粒子的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，高速混合的时间为10～40min，温度为130～170℃，速度为600～800转/分。
10.一种如权利要求1-9中任一项所述的复合填充粒子在制备无纺布制品中的应用，按照无纺布产品的性能需求，所述的填充粒子占所述的无纺布制品原料的15-50％。
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