专利名称：一种以甜高粱渣作为增强相的木塑复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于材料技术，具体是ー种以甜高粱渣为增强相的木塑复合材料及其制备方法。
背景技术：
木塑复合材料(Wood-Plastic Composites,简称WPC)是利用废弃木材、农作物稻杆等经粉碎而制成粉体后，与塑料ー并作为原料，再加入各种助剂，经热压复合或熔融挤出等加工エ艺而制作的ー种高性能、高 附加值的新型复合材料。近年来，由于木塑复合材料的木质材料正在扩大向各种植物纤维材料发展，例如甜高粱渣、木薯渣、稻壳等。因此，从广泛意义上讲，木塑复合材料是以各种植物纤维为基体，与不同塑料形成的ー类新型复合材料。该材料具有植物纤维和高分子材料两者的优点，能替代木材，可有效地缓解我国森林资源贫乏、木材供应紧缺的矛盾，由于植物纤维的可再生性、可被环境消纳性，所以WPC是ー种极具发展前途的绿色环保材料，其生产技术也被认为是ー项有生命力的创新技木。甜高粱在我国是非常有前景的一种能源植物，从其中提取糖分进行发酵法生产燃料こ醇已经得到了广泛研究，但是其发酵完残渣还未被综合利用。利用甜高粱渣作为木塑复合材料的增强相是一条很好的利用途径。甜高粱渣的纤维形态和化学组成与木材基本相似，但甜高粱渣次要成分较多，含糖量和各种低分子量的碳水化合物含量要高于木材，这都不利于原料的处理，对加工エ艺和产品性能产生不利影响。植物纤维中起增强作用的组分主要是纤维素，所以纤维素在纤维中的含量对增强材料的性能起到很大的影响。经过こ醇丁醇发酵后，里面的糖分和半纤维素等成分被大量消耗，再通过对甜高粱渣进行碱氧法与蒸汽爆破法联合预处理。其中碱氧法处理能有效除去甜高粱渣内大量木质素，而且使得纤维表面变得粗糙；经过蒸汽爆破处理能有效去除甜高粱渣内部分半纤维素，纤维的长径比最大。除去大部分木质素和半纤维素，剩下大量的纤维素，对提高木塑复合材料的力学性能有很大帮助。甜高粱渣经过碱氧法与蒸汽爆破法联合处理后的纤维素、半纤维素、木质素成分含量如表I :
表I经过处理后的甜高粱渣成分含量与木粉和甘蔗渣对比
组成成分甜高粱渣_W_甘蔗渣 I
纡维素80. 4% L 40-45%45%I
半纤维素9.35% I 20-30%26% |
——木质素 +3.9% Γ 20-25% — 一 20% 一I
可以看出经过预处理的甜高粱渣中纤维素成分含量最高。随着塑料的广泛应用，废弃塑料的处理日益引起人们的重视。一般废弃塑料的处理主要有以下3种方式填埋、焚烧、回收再生利用。废旧塑料的回收再利用不仅减少环境污染问题，而且节约资源，是处理废弃塑料的首选方案。通过将植物纤维与回收塑料复合，形成新的复合材料一一木塑复合材料，不但可有效的解决单ー材料的某些性能缺陷，而且这些木塑复合材料在建筑、工程领域的广泛应用对于解决废弃塑料的回收利用、长期利用问题也是一条十分有效的途径。甜高粱渣木塑复合材料使用回收塑料，在节省成本的同时保护了环境。该种甜高粱渣木塑复合材料在减少环境污染，保护森林资源，促进经济发展方面都有很好的经济效益、社会效益和生态效益。公开号为CN1257890A的中国专利申请提供了类似的一种由木粉增强的塑料复合材料。该发明使用聚丙烯的接枝物作为木粉和聚丙烯的偶联剂。但是该专利并不使用回收塑料，成本较高且不环保。公开号为CN101245189A的中国专利申请提供了稻 草、稻壳纤维基木塑复合材料及其制备方法。该发明使用稻草、稻壳或两者混合物作为增强相。润滑剂选用ニ甲基硅油、聚酯蜡中的ー种或两种。该专利也使用热混法除湿，但是该专利利用锥形双螺杆进行热混，温度185-200°C。而甜高粱渣则采用高速热混机直接进行热混，温度为100-180°C，能很好的节约能效。公开号为CN101708614B的中国专利申请提供了一种高强度木塑复合材料板材及其制备方法。该发明并未对木粉进行预处理而直接造粒。公开号为CN101747641A的中国专利申请提供了一种聚こ烯基木塑复合材料及其制备方法。该发明的聚こ烯基木塑复合材料的弯曲强度为27. 2MPa，弯曲模量为3450MPa，吸水膨胀率为O. 12%。而甜高粱渣/聚こ烯基复合材料的弯曲強度31. 7 MPa，弯曲弹性模量为3774MPa，吸水膨胀率为O. 1%。性能均优于该发明。
发明内容
本发明的第一个目的是提高甜高粱渣中纤维素的相对含量，从而提高甜高粱渣木塑复合材料的力学性能，替代现有的木粉。第二个目的是提供以甜高粱渣作为增强相的一种木塑复合材料及其制备方法。本发明涉及一种以甜高粱渣作为增强相的木塑复合材料，其中包括1(Γ80份碱氧法与蒸汽爆破法联合预处理的甜高粱渣，以及塑料作为基体相，其中回收塑料占2(Γ90份，任选的包括填料、偶联剂、稳定剂、润滑剂、填料、助剂中的一种或者多种或者全部，其中填料占2 20份、偶联剂占2飞份、润滑剂占f 10份、稳定剂占f 15份、助剂占f 15份，所述在份是指重量份。在本发明的ー个优选实施方式中，其特征在于其原料中使用甜高粱渣作为增强相，其重量份数配比如下
甜高粱渣1(Γ80份
回收塑料2(Γ90份
填料2 20份
偶联剂2飞份
润滑剂Γιο份
稳定剂15份助剂f 15份
作为优选，上述回收塑料可以使用回收聚丙烯(PP)、回收高密度聚こ烯(HDPE)、回收聚苯こ烯(PS)、回收聚氯こ烯(PVC)、回收丙烯腈一丁ニ烯ー苯こ烯共聚物(ABS)等通用热塑性塑料的回收料。作为优选，上述填料选自碳酸钙、硅灰石、滑石粉、矿物填料中的ー种或多种 作为优选，上述偶联剂包括马来酸酐接枝聚合物、硅烷偶联剂的ー种或两种。作为优选，上述润滑剂选自硬脂酸、硬脂酸钙、聚こ烯蜡、脂肪酸酷、石蜡、白油中的ー种或多种。作为优选，上述稳定剂为稀土脂肪酸盐系列的热稳定剂。
作为优选，上述助剂可采用紫外线吸收剂、增塑剂、防霉剂、抗氧剂、发泡剂、着色齐U、抗菌剂、阻燃剂中的ー种或多种。上述甜高粱渣木塑复合材料的制备方法，包含以下步骤
(I)将该甜高粱渣进行粉碎，筛选出60-120目的甜高粱渣粉末，并对其进行碱氧法与蒸汽爆破法联合预处理。(2)将预处理完的甜高粱渣与回收塑料进行高速热混干燥。(3)随后加入偶联齐IJ、稳定齐U、润滑齐U、填料、助剂，通过双螺杆挤出机挤出造粒得到甜高粱渣木塑母粒。(4)将母粒挤出成型、注塑成型或者压制成型得到甜高粱渣木塑制品。(5)对木塑制品定长切割，表面拉毛整形或磨砂抛光得到成品。作为优选，上述碱氧法预处理即将甜高粱渣放入4%的NaOH溶液中，在40°C下浸泡12小时,然后加入1%过氧化氢溶液，在40°C下浸泡12小时,水洗抽滤。作为优选，上述蒸汽爆破预处理即甜高粱渣压カ保持在I. 5MPa 5分钟，然后泄压，水洗抽滤。作为优选，上述甜高粱渣干燥エ艺采用与回收塑料共同加入高速热混机干燥，高速热混机内部加温到为100-180°C。作为优选，上述甜高粱渣木塑复合材料加工温度为14(T200°C ；
由本发明得到甜高粱渣木塑制品形似木而优于木，具有性能好、成本低、防蛀、耐潮、零甲醛等优点。与常规木粉填料相比，具有质量轻，成本低，挤出速度快，加工温度低等优点，同时经过处理的甜高粱渣力学性能优于木粉。从而为木塑复合材料的生产提供了一种新的方法。
图I :注射成型エ艺制备甜高粱渣木塑制品流程 图2 :挤出成型エ艺制备甜高粱渣木塑制品流程 图3 :压制成型エ艺制备甜高粱渣木塑制品流程图。
具体实施例方式下面的实施例可以使本专业的技术人员更理解本发明。实施例I注塑成型エ艺制备甜高粱渣木塑盆
配方重量份数
甜高粱渣30
回收高密度聚こ烯70
马来酸酐接枝PE4 聚こ烯蜡5
硬脂酸钙2
着色剂3
抗氧剂I
按上述配方利用注塑成型エ艺制备甜高粱渣木塑盆，具体过程是将该甜高粱渣进行粉碎，筛选出60-120目的甜高粱渣粉末，并对其进行碱氧法与蒸汽爆破法联合预处理。将预处理完的甜高粱渣与回收塑料进行热混干燥，随后加入不同比例的偶联剂、润滑剂、助齐U，通过双螺杆挤出机挤出造粒得到甜高粱渣木塑母粒，再经注塑机注射成型得到甜高粱渣木塑盆(机筒温度160-170°C，注射压カ60MPa，速度60cm3/s，保压时间40MPa下4s、30MPa下4s、20MPa下3s，冷却时间25s)。具体エ艺流程见图I。该エ艺制备的木塑盆外观、力学性能良好，经测试机械强度高，拉伸强度28. 7MPa，弯曲强度33 MPa，弯曲弹性模量1643MPa，密度l.lg· cnT3，吸水率为O. 2%。实施例2
挤出成型エ艺制备甜高粱渣木塑四孔板
配方重量份数
甜高粱渣70
回收高密度聚こ烯30
马来酸酐接枝PE4
碳酸钙10
聚こ烯蜡5
硬脂酸钙2
着色剂3
抗氧剂I
阻燃剂3
按上述配方利用挤出成型エ艺制备甜高粱渣木塑四孔板，其中抗氧剂为抗氧剂168，阻燃剂为Mg(OH)2或Al (OH)3或其混合物。具体过程是将该甜高粱渣进行粉碎，筛选出60-120目的甜高粱渣粉末，并对其进行碱氧法与蒸汽爆破法联合预处理。将预处理完的甜高粱渣与回收塑料进行热混干燥，随后加入不同比例的填料、偶联剂、润滑剂、助剂，通过单螺杆挤出机安装四孔板模具进行甜高粱渣木塑四孔板的挤出。加工温度为160-170°C，主机转速242r/min,喂料转速26r/min,具体エ艺流程见图2。实施例3
挤出成型エ艺制备甜高粱渣木塑墙体
本实施例与实施例2的区别在于挤出模具为截面外观尺寸为600mmX 120mm (长X宽)的大截面模具，其余相同。
实施例4
挤出成型エ艺制备甜高粱渣木塑桑拿板
本实施例与实施例2的区别在于増加了稳定剂5份，热稳定剂为稀土脂肪酸盐系列的热稳定剂，其余相同。经测试其拉伸强度为14. 8MPa，弯曲强度为28 MPa,弯曲弹性模量为2933MPa，密度I. 17 g · cm_3，吸水率为O. 9%，吸水膨胀率为O. 1%。
实施例5
压制成型エ艺制备甜高粱渣木塑样品
配方重量份数
甜高粱渣50
回收高密度聚こ烯50
马来酸酐接枝PE4
聚こ烯蜡5
硬脂酸钙2
将甜高粱渣与回收高密度聚こ烯、马来酸酐接枝PE、聚こ烯蜡、硬脂酸钙按比例充分混合后放入模具中，置于平板硫化机上压制成型，成型エ艺如图3，其中热压5min，温度160°C，压カ 5MPa,冷压 lOmin，压カ lOMPa。所得木塑制品外观、加工性能良好，经测试机械强度高，拉伸强度为15. 3 MPa，弯曲强度为31. 7 MPa，弯曲弹性模量为3774MPa，密度I. 2 g · cm_3，吸水率为O. 9%，吸水膨胀率为O. 1%。需要理解到的是上述实例虽然对本发明作了比较详细的描述，但这些描述只是对本发明思路的简单描述，而不是对利用甜高粱渣作为增强相生产甜高粱渣木塑复合材料这ー新型思路的限制，任何不超出本发明思路的组合，増加或修改均落入本发明的保护范围。
权利要求
1.一种以甜高粱渣作为增强相的木塑复合材料，其中包括1(Γ80份碱氧法与蒸汽爆破法联合预处理的甜高粱渣，以及塑料作为基体相，其中回收塑料占2(Γ90份，任选的包括填料、偶联剂、稳定剂、润滑剂、填料、助剂中的一种或者多种或者全部，其中填料占2 20份、偶联剂占2飞份、润滑剂占f 10份、稳定剂占f 15份、助剂占f 15份，所述的份是指重量份。
2.如权利要求I所述甜高粱渣木塑复合材料，其特征在于所述基体相采用回收塑料，所述的回收塑料选自聚丙烯(PP)、回收高密度聚こ烯(HDPE)、回收聚苯こ烯(PS)、回收聚氯こ烯(PVC)和/或回收丙烯腈一丁ニ烯ー苯こ烯共聚物(ABS)中的一种或者多种。
3.如权利要求I所述甜高粱渣木塑复合材料，其特征在于所述偶联剂选自马来酸酐接枝聚合物、硅烷偶联剂的ー种或两种。
4.如权利要求I所述甜高粱渣木塑复合材料，其特征在于所述填料选自碳酸钙、硅灰石、滑石粉、矿物填料中的ー种或多种。
5.如权利要求I所述甜高粱渣木塑复合材料，其特征在于所述润滑剂选自硬脂酸、硬脂酸钙、聚こ烯蜡、脂肪酸酷、石蜡、白油中的ー种或多种。
6.如权利要求I所述甜高粱渣木塑复合材料，其特征在干所述稳定剂为稀土脂肪酸盐系列的热稳定剂。
7.如权利要求I所述甜高粱渣木塑复合材料，其特征在于所述助剂选自紫外线吸收齐U、增塑剂、防霉剂、抗氧剂、发泡剂、着色剂、抗菌剂、阻燃剂中的ー种或多种。
8.权利要求书1-7任意ー项所述甜高粱渣木塑复合材料的制备方法，其特征在于包含以下步骤 (1)将该甜高粱渣进行粉碎，筛选出60-120目的甜高粱渣粉末，并对其进行碱氧法与蒸汽瀑破法联合预处理； (2)将预处理完的甜高粱渣与回收塑料进行高速热混干燥； (3)随后根据需要加入偶联剂、稳定剂、润滑剂、填料、助剂中的一种或者多种或者全部，通过双螺杆挤出机挤出造粒得到甜高粱渣木塑母粒； (4)将母粒挤出成型、注塑成型或者压制成型得到甜高粱渣木塑制品； (5)对木塑制品定长切割，表面拉毛整形或磨砂抛光得到成品。
9.如权利要求8所述甜高粱渣木塑复合材料，其特征在于所述碱氧法预处理是指将甜高粱渣放入1-10%质量百分比浓度的NaOH和/或氢氧化钾溶液中，浸泡8-15小时，然后加入过氧化氢溶液浸泡8-15小时,水洗抽滤。
10.如权利要求8所述甜高粱渣木塑复合材料，其特征在于所述蒸汽爆破预处理是指甜高粱渣压カ保持在IMPa以上1-10分钟，优选2-8分钟，然后泄压，水洗抽滤。
11.如权利要求书8所述甜高粱渣木塑复合材料，其特征在于所述甜高粱渣干燥エ艺采用与回收塑料共同加入高速热混机干燥，高速热混机内部加温到为100-180V。
12.如权利要求书8所述甜高粱渣木塑复合材料，其特征在于所述甜高粱渣木塑复合材料加工温度为140 200で。
全文摘要
本发明公开了一种以甜高粱渣作为增强相的木塑复合材料及其制备方法，其中包括10~80份碱氧法与蒸汽爆破法联合预处理的甜高粱渣，以及塑料作为基体相，其中回收塑料占20~90份。通过挤出定模成型制得甜高粱渣木塑四孔板、桑拿板、园林护艺、墙体等型材，或者通过注塑、压制等成型得到甜高粱渣木塑制品。甜高粱渣木塑制品可进行大规模连续批量生产，其具有性能好、成本低、防蛀、耐潮、零甲醛等优点。与常规木粉填料相比，具有质量轻、性能好、成本低、挤出速度快、加工温度低等优点，同时经过处理的甜高粱渣力学性能优于木粉。该种甜高粱渣木塑复合材料在减少环境污染，保护森林资源，促进经济发展方面都有很好的经济效益、社会效益和生态效益。
文档编号B29C45/00GK102690525SQ20121016994
公开日2012年9月26日 申请日期2012年5月29日 优先权日2012年5月29日
发明者张涛, 杨霄, 谭天伟, 钟京 申请人:北京化工大学