一种连续纤维增强的木塑复合材料及其制备方法
【专利摘要】一种连续纤维增强木塑复合材料及其制备方法，本发明涉及一种纤维增强木塑复合材料及其制备方法，特别是涉及一种纤维位置可控的连续纤维增强木塑复合材料及其制备方法。本发明的目的是为了解决纤维增强木塑中纤维分散不均匀，不能在加工过程中产生预张力，从而导致增强效果不明显，木塑复合材料综合力学性能差的技术问题。本发明的木塑复合材料由木塑材料和木塑材料内部的连续纤维组成。本发明的木塑复合材料的制备方法为：首先配制预混料，然后对连续纤维预处理，之后穿过螺杆挤出机上的模具，最后将木塑粒料加入到螺杆挤出机中并与连续纤维共挤成型得到连续纤维增强的木塑复合材料。本发明的木塑复合材料用于室内、室外、装饰用材及包装箱。
【专利说明】
一种连续纤维増强的木塑复合材料及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种纤维增强木塑复合材料及其制备方法，特别是涉及一种纤维位置可控的连续纤维增强木塑复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]木塑复合材料具有尺寸稳定性好、耐水性能好、耐腐蚀性等，从而被广泛应用于建筑产品、汽车、园林及室外设施等领域，发展迅速。目前，木塑复合材料已是一种商业化产品并形成了相关制造产业，但随着应用领域的不断增加，对木塑复合材料的性能提出了更高要求。但是，木塑复合材料存在强度和抗冲击性能相对较低，且易蠕变等缺点，在结构工程材料领域的应用受到限制，在被用为承重件时，目前绝大多数商家的处理方法是在中空木塑内腔中插入型钢增加强度，这种方式不仅大幅度增加了原材料成本，而且给施工带来了很大麻烦，也增加了施工成本。因此，制备高性能木塑复合材料是极为必要的，直接关系到木塑复合材料产业的发展。
[0003]添加增强体纤维是一种有效增强复合材料性能的方法，高强纤维是复合材料常用的增强材料，其自身物理力学性能很高。目前主要采用短切碳纤维增强木塑复合材料，但是存在很多问题，如当前的制备方法及设备不能使纤维较好的在复合材料中分散，易团聚产生应力集中点，从而破坏材料的连续性，导致增强效果不明显。也有研究者尝试利用连续长纤维增强木塑及其制备方法，包括表面改性连续玻璃纤维、造粒、挤出三个步骤，在挤出机合流芯的位置打孔，将连续纤维加入，保证了纤维的连续性。但是该法从挤出机合流芯部位添加纤维，只保证了纤维的连续性，纤维在复合材料内部的位置和状态不可控，纤维容易团聚，从而形成内部缺陷。其次，挤出过程未对纤维进行预热和拉紧处理，导致纤维增强效果降低。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了解决纤维增强木塑中纤维分散不均匀，不能在加工过程中产生预张力，从而导致增强效果不明显，木塑复合材料综合力学性能差的技术问题，而提供了一种位置可控的连续纤维增强木塑复合材料及其制备方法。
[0005]本发明的连续纤维增强的木塑复合材料由木塑材料和连续纤维组成，所述连续纤维在木塑材料内部，所述木塑材料按重量份数由20份?90份聚烯烃、10份?80份木质纤维、
0.5份?8份相容剂、0.1份?5份润滑剂、O份?5份热稳定剂和O份?30份矿物质填料组成。
所述的聚烯烃为聚苯乙烯、高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯中的一种或其中几种的混合物;所述的木质纤维为木纤维粉、稻壳粉、竹纤维粉、麻纤维粉、秸杆纤维粉中的一种或几种的混合物；
所述的相容剂为硅烷类偶联剂、铝酸酯类偶联剂、钛酸酯类偶联剂、马来酸酐、马来酸酐接枝聚烯烃、异氰酸酯中的一种或几种的混合物；
所述的润滑剂为聚乙烯蜡、石蜡、硬脂酸、硬脂酸锌、硬脂酸钙中的一种或几种的混合物；
所述的热稳定剂为二月桂酸二丁基锡、二月桂酸二辛基锡、马来酸二烷基锡、双(马来酸单丁酯)二丁基锡、马来酸二辛基锡、二辛基锡双(巯基乙酸异丁酯)、二辛基锡双(巯基乙酸异辛酯)中的一种或几种的混合物；
所述的矿物质填料为碳酸钙粉、硅酸钙粉、滑石粉中的一种或几种的混合物;所述的连续纤维为连续碳纤维、连续玄武岩纤维、连续玻璃纤维、连续棉纤维、连续麻纤维、连续聚酯纤维、连续尼龙纤维、连续芳纶纤维、连续金属纤维或改性剂预处理过的连续碳纤维、连续玄武岩纤维、连续玻璃纤维、连续棉纤维、连续麻纤维、连续聚酯纤维、连续尼龙纤维、连续芳纶纤维、连续金属纤维中的一种或几种的混合物；
所述的连续纤维的形态为连续纤维束或连续纤维网；
本发明的连续纤维增强木塑复合材料的制备方法按照以下步骤进行:
一、按重量份数称取20份?90份聚烯烃、10份?80份木质纤维、0.5份?8份相容剂、0.1份?5份润滑剂、O份?5份热稳定剂和O份?30份矿物质填料，放入高速混合机中搅拌均勾，得到预混料；
二、将连续纤维通过导向辊分散，使连续纤维具有一定的预张力，然后通过加热片对连续纤维进行预热处理，将处理后的连续纤维穿过螺杆挤出机上的模具；
三、将步骤一得到的预混料通过双螺杆挤出造粒，制备木塑粒料，加工温度为1200C?2200C ;同时将制备的木塑粒料加入到螺杆挤出机中与步骤二模具中的连续纤维共挤成型，加工温度为110°0250Γ，然后经定型模具定型，得到连续纤维增强的木塑复合材料。
[0006]所述螺杆挤出机为单螺杆挤出机或双螺杆挤出机；
所述螺杆挤出机为一台或两台，当螺杆挤出机为一台时，该螺杆挤出机在模具的任意一侧;当螺杆挤出机位两台时，两台螺杆挤出机分别在模具的两侧。
[0007]本发明相对于现有技术的优点:
1、采用本发明方法制备的连续纤维增强木塑复合材料的弯曲强度可达90MPa?IlOMPa而现有的最高只能达到90MPa、拉伸强度可达50MPa?80MPa、无缺口冲击强度可达15KJ/V?30KJ/m2。
[0008]2、本发明采用连续纤维增强木塑复合材料，并且挤出过程对纤维进行预热和拉紧处理。连续纤维增大了纤维与复合材料的接触面积，减少了内部的应力集中点，形成“钢筋混凝土”结构。当复合材料受到外部载荷时，力传递给连续纤维，纤维起到承重作用，从而解决了纤维在复合材料中分散不均、纤维团聚造成复合材料形成内部缺陷的问题，从而提高了复合材料的力学性能。同时，预热处理使纤维与木塑粒料结合的更好，拉紧处理使纤维在复合材料的位置可控，进一步提高了复合材料的力学性能。
[0009]3、本发明提供的连续纤维增强木塑复合材料的制备方法工艺简单，制备出的木塑复合材料力学性能增强效果明显。
[0010]说明书附图
图1为制备连续纤维增强木塑复合材料的装置示意图。
【具体实施方式】
[0011]本发明技术方案不局限于以下所列举【具体实施方式】，还包括各【具体实施方式】间的任意组合。
[0012]【具体实施方式】一:本实施方式的连续纤维增强的木塑复合材料由木塑材料和连续纤维组成，所述连续纤维在木塑材料内部，所述木塑材料按重量份数由20份?90份聚烯烃、10份?80份木质纤维、0.5份?8份相容剂、0.1份?5份润滑剂、O份?5份热稳定剂和O份?30份矿物质填料组成。
[0013]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是，所述连续纤维的形态为连续纤维网或连续纤维束。其他步骤与参数与【具体实施方式】一相同。
[0014]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是，所述的连续纤维为连续碳纤维、连续玄武岩纤维、连续玻璃纤维、连续棉纤维、连续麻纤维、连续聚酯纤维、连续尼龙纤维、连续芳纶纤维、连续金属纤维或改性剂处理过的连续碳纤维、连续玄武岩纤维、连续玻璃纤维、连续棉纤维、连续麻纤维、连续聚酯纤维、连续尼龙纤维、连续芳纶纤维、连续金属纤维中的一种或几种的混合物。其他步骤与参数与【具体实施方式】一相同。
[0015]【具体实施方式】四:本实施方式的连续纤维增强木塑复合材料的制备方法按照以下步骤进行:
一、按重量份数称取20份?90份聚烯烃、10份?80份木质纤维、0.5份?8份相容剂、0.1份?5份润滑剂、O份?5份热稳定剂和O份?30份矿物质填料，放入高速混合机中搅拌均勾，得到预混料；
二、将连续纤维通过导向辊分散，使连续纤维具有一定的预张力，然后通过加热片对连续纤维进行预热处理，将处理后的连续纤维穿过螺杆挤出机上的模具；
三、将步骤一得到的预混料通过双螺杆挤出造粒，制备木塑粒料，加工温度为1200C?2200C ;同时将制备的木塑粒料加入到螺杆挤出机中与步骤二模具中的连续纤维共挤成型，加工温度为110°0250Γ，然后经定型模具定型，得到连续纤维增强的木塑复合材料。
[0016]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】四不同的是，实现制备连续纤维增强木塑复合材料的装置由螺杆挤出机1、模具2、加热片4、导向辊5和连续纤维存放筒6组成；所述的连续纤维存放筒6在模具2的入口 7—侧;所述导向辊5在模具2和连续纤维筒6之间，导向辊5将连续纤维分散均匀并与模具2共同作用使连续纤维具有一定的预张力;所述的加热片4在模具2和导向辊5之间，所述螺杆挤出机I在模具2的入口 7和出口 3相邻的一个或两个侧面上，螺杆挤出机I将木塑粒料送入模具2与经导向辊5和加热片4的连续纤维束或连续纤维网一起通过模具2，并在模具2的出口 3挤出成型材8。其他步骤与参数与【具体实施方式】四或五相同。
[0017]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】四或五不同的是，所述螺杆挤出机为单螺杆挤出机或双螺杆挤出机。其他步骤与参数与【具体实施方式】四或五相同。
[0018]【具体实施方式】七:本实施方式与【具体实施方式】四或五不同的是，所述螺杆挤出机为一个或两个，当螺杆挤出机为一个时，该螺杆挤出机在模具的任意一个侧面;当螺杆挤出机位两个时，两个螺杆挤出机分别在模具的两个侧面。其他步骤与参数与【具体实施方式】四或五相同。
[0019]【具体实施方式】八:本实施方式与【具体实施方式】四不同的是，步骤一所述的聚烯烃为聚苯乙烯、高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯中的一种或其中几种的混合物;所述的木质纤维为木纤维粉、稻壳粉、竹纤维粉、麻纤维粉、秸杆纤维粉中的一种或几种的混合物;所述的相容剂为硅烷类偶联剂、钛酸酯类偶联剂、马来酸酐、马来酸酐接枝聚烯烃、异氰酸酯中的一种或几种的混合物;所述的润滑剂为聚乙烯蜡、聚丙烯蜡、石蜡、硬脂酸、硬脂酸锌、硬脂酸钙中的一种或几种的混合物;所述的热稳定剂是二月桂酸二丁基锡、二月桂酸二辛基锡、马来酸二烷基锡、双(马来酸单丁酯)二丁基锡、马来酸二辛基锡、二辛基锡双(巯基乙酸异丁酯)、二辛基锡双(巯基乙酸异辛酯)中的一种或几种的混合物;所述的矿物质填料为碳酸钙粉、硅酸钙粉、滑石粉中的一种或几种的混合物。其他步骤与参数与【具体实施方式】四相同。
[0020]实施例1
本实施例的连续纤维增强木塑复合材料按以下步骤进行:
一、采用高混机将30份的聚丙烯、60份的木纤维粉、2份的硅烷类偶联剂、I份的聚乙烯蜡、7份的碳酸钙粉混合均匀，得到预混料；
二、将连续尼龙纤维束通过导向辊分散，使连续尼龙纤维束具有一定的预张力，然后通过加热片对连续尼龙纤维束进行预热处理，预热温度为100°C，将处理后的连续尼龙纤维束穿过螺杆挤出机上的模具；
三、将步骤一得到的预混料通过双螺杆挤出造粒，制备木塑粒料，加工温度为180°C;同时将制备的木塑粒料加入到单螺杆挤出机中与步骤二模具中的连续尼龙纤维束共挤成型，加工温度为175°C，然后经定型模具定型，得到连续尼龙纤维束增强的木塑复合材料。
[0021]本实施例制备的木塑复合材的增强相为连续尼龙纤维束;经测试得到:本实施例制备的木塑复合材的弯曲强度为94.7MPa，拉伸强度为83.2MPa，抗冲击强度为20.8kJ/m2。
[0022]实施例2
本实施例的基于核壳结构的木塑复合材按以下步骤进行:
一、采用高混机将30份的聚乙烯、65份的麻纤维粉、2份的界面相容剂、2份的石蜡、I份的二月桂酸二辛基锡混合均匀，得到预混料；
二、将连续碳纤维束通过导向辊分散，使连续碳纤维束具有一定的预张力，然后通过加热片对连续碳纤维束进行预热处理，预热温度为110°C，将处理后的连续碳纤维束穿过螺杆挤出机上的模具；
三、将步骤一得到的预混料通过双螺杆挤出造粒，制备木塑粒料，加工温度为160°C;同时将制备的木塑粒料加入到双螺杆挤出机中与步骤二模具中的连续碳纤维束共挤成型，加工温度为175°C，然后经定型模具定型，得到连续碳纤维束增强的木塑复合材料。
[0023]本实施例制备的木塑复合材的增强相为连续碳纤维束;经测试得到:本实施例制备的木塑复合材的弯曲强度为101.5MPa，拉伸强度为85.110^，抗冲击强度为19.910/1112。
【主权项】
1.一种连续纤维增强的木塑复合材料，其特征在于:该木塑复合材料由木塑材料和连续纤维组成，所述连续纤维在木塑材料内部，所述木塑材料按重量份数由20份?90份聚烯烃、10份?80份木质纤维、0.5份?8份相容剂、0.1份?5份润滑剂、O份?5份热稳定剂和O份?30份矿物质填料组成。2.根据权利要求1所述的连续纤维增强的木塑复合材料，其特征在于:所述连续纤维的形态为连续纤维网或连续纤维束。3.根据权利要求1所述的连续纤维增强的木塑复合材料，其特征在于:所述的连续纤维为连续碳纤维、连续玄武岩纤维、连续玻璃纤维、连续棉纤维、连续麻纤维、连续聚酯纤维、连续尼龙纤维、连续芳纶纤维、连续金属纤维或改性剂处理过的连续碳纤维、连续玄武岩纤维、连续玻璃纤维、连续棉纤维、连续麻纤维、连续聚酯纤维、连续尼龙纤维、连续芳纶纤维、连续金属纤维中的一种或几种的混合物。4.如权利要求1所述的连续纤维增强木塑复合材料的制备方法，其特征在于:该方法按以下步骤进行: 一、按重量份数称取20份?90份聚烯烃、10份?80份木质纤维、0.5份?8份相容剂、0.1份?5份润滑剂、O份?5份热稳定剂和O份?30份矿物质填料，放入高速混合机中搅拌均勾，得到预混料； 二、将连续纤维通过导向辊分散，使连续纤维具有一定的预张力，然后通过加热片对连续纤维进行预热处理，将处理后的连续纤维穿过螺杆挤出机上的模具； 三、将步骤一得到的预混料通过双螺杆挤出造粒，制备木塑粒料，加工温度为1200C?220 °C;然后将制备的木塑粒料加入到螺杆挤出机中与步骤二模具中的连续纤维共挤成型，加工温度为110°0250Γ，然后经定型模具定型，得到连续纤维增强的木塑复合材料。5.根据权利要求4所述的连续纤维增强的木塑复合材料的制备方法，其特征在于:实现制备连续纤维增强木塑复合材料的装置由螺杆挤出机(I)、模具(2)、加热片(4)、导向辊(5)和连续纤维存放筒(6)组成;所述的连续纤维存放筒(6)在模具(2)的入口(7)—侧;所述导向辊(5)在模具(2)和连续纤维筒(6)之间；所述的加热片(4)在模具(2)和导向辊(5)之间，所述螺杆挤出机(I)在模具(2)的入口(7)和出口(3)相邻的一个或两个侧面上，螺杆挤出机(I)将木塑粒料送入模具(2)与经导向辊(5)和加热片(4)的连续纤维束或连续纤维网一起通过模具(2)，并在模具(2)的出口(3)挤出成型材(8)。6.根据权利要求4或5所述的连续纤维增强的木塑复合材料的制备方法，其特征在于:所述螺杆挤出机为单螺杆挤出机或双螺杆挤出机。7.根据权利要求4或5所述的连续纤维增强的木塑复合材料的制备方法，其特征在于:所述螺杆挤出机为一台或两台，当螺杆挤出机为一台时，该螺杆挤出机在模具的任意一个侧面;当螺杆挤出机位两台时，两台螺杆挤出机分别在模具的两侧。8.根据权利要求4所述的连续纤维增强的木塑复合材料的制备方法，其特征在于:所述的聚烯烃为聚苯乙烯、高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯中的一种或其中几种的混合物;所述的木质纤维为木纤维粉、稻壳粉、竹纤维粉、麻纤维粉、秸杆纤维粉中的一种或几种的混合物;所述的相容剂为硅烷类偶联剂、钛酸酯类偶联剂、马来酸酐、马来酸酐接枝聚烯烃、异氰酸酯中的一种或几种的混合物;所述的润滑剂为聚乙烯蜡、聚丙烯蜡、石蜡、硬脂酸、硬脂酸锌、硬脂酸钙中的一种或几种的混合物;所述的热稳定剂是二月桂酸二丁基锡、二月桂酸二辛基锡、马来酸二烷基锡、双(马来酸单丁酯)二丁基锡、马来酸二辛基锡、二辛基锡双(巯基乙酸异丁酯)、二辛基锡双(巯基乙酸异辛酯)中的一种或几种的混合物;所述的矿物质填料为碳酸钙粉、硅酸钙粉、滑石粉中的一种或几种的混合物。
【文档编号】C08L23/12GK106065194SQ201610421401
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年6月12日 公开号201610421401.3, CN 106065194 A, CN 106065194A, CN 201610421401, CN-A-106065194, CN106065194 A, CN106065194A, CN201610421401, CN201610421401.3
【发明人】王海刚, 张京发, 王清文, 周才林, 王伟宏, 齐菁
【申请人】王海刚, 王清文