專利名稱：一種木塑復合材料專用木粉的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種木塑復合材料專用木粉的制備方法，屬于木材加工領域。
背景技術：
木塑復合材料(Wood-plastic composite,WPC)由木材和塑料復合而成，由于綜合了木材和塑料的雙重優(yōu)勢，所以具有優(yōu)良的綜合性能。然而木材表面存在大量的極性官能團，在木塑復合材料的復合過程中，親水性的木質材料與憎水性的塑性材料之間，存在著較高的界面能差，兩種材料很難達到充分的表面相互融合。此外，木材表面之間的氫鍵作用也使木材纖維在熱塑性塑料中不能均勻分散，從而影響了木塑復合材料的性能。因此，改善木塑復合材料界面的相容性，是提高木塑復合材料性能的有效途徑之一。傳統(tǒng)改善木塑復合材料界面相容性的方法主要有三種:(I)對木質原材料進行預處理，降低木質原料的極性或者除去對界面結合不利的抽提物；(2)對塑料原料進行預處理，提高塑料的極性。(3)添加第三組分，即偶聯(lián)劑。因其簡單、有效，成為目前采用最多的一種改性方法。蒙脫土是一種2:1型的層狀硅酸鹽類化合物，具有極高的比表面積和層間的可反應性，在我國分布廣泛。將納米蒙脫土用于木塑復合材料中也是近年來的研究熱點，使用蒙脫土添加到木塑復合材料中可以大幅度提高木塑復合材料的物理力學性能，但是通常納米蒙脫土對木塑復合材料的改性主要針對的仍然是其中的高分子，而不是木粉。通常只是通過納米蒙脫土與木粉和塑料的簡單混煉加工制備復合材料，或是通過納米蒙脫土對塑料改性后再和木粉進行復合制得。在此過程中，木粉仍然只是起到一個填料的作用。另外，如Hemmasi 等(Journal of Reinforced Plastics and Composites29, 964-971)研究表明，將蒙脫土添加到木塑復合材料中時，當蒙脫土含量過高(高于6%)后，會大量粘附在木粉表面與塑料復合時會形成弱界面層，影響界面相容性，反而降低復合材料的性能。另外，在將蒙脫土添加到木塑復合材料時，一般還需要在與偶聯(lián)劑等進行復合使用的情況下，復合材料的性能才會明顯增加。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種木塑復合材料專用木粉的制備方法。為了實現本發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術方案如下:—種木塑復合材料專用木粉的制備方法，包括以下步驟:步驟1、將鈉基蒙脫土懸浮液浸注木粉中；步驟2、對木粉中鈉基蒙脫土進行改性。所述步驟1包括:1)將鈉基蒙脫土溶解，并加入分散劑聚乙二醇，形成懸浮液；2)將已絕干的木粉放入燒杯中，置于浸注罐內，進行真空處理；3)將鈉基蒙脫土懸浮液導入浸注罐內浸泡木粉，進行加壓處理；
4)將木粉取出，干燥，至恒重。所述懸浮液中鈉基蒙脫土質量百分比為0.1-1% ;鈉基蒙脫土與分散劑聚乙二醇之重量比為1:0.1-0.4 ;聚乙二醇的分子量為400-4000。所述懸浮液中鈉基蒙脫土質量百分比優(yōu)選為0.5% ;鈉基蒙脫土與分散劑聚乙二醇之重量比優(yōu)選:1:0.2 ;聚乙二醇的分子量優(yōu)選為1000。所述真空處理中相對真空度為-0.05^-0.1MPa，處理時間為20_60min。所述真空處理中相對真空度優(yōu)選為-0.07 -0.096MPa。所述加壓處理的相對壓力為0.5-1.5MPa，處理時間為30_120min ;干燥溫度為60-105。。。所述步驟2包括:I)將二癸基二甲基氯化銨溶解；2)將步驟I處理后的木粉浸泡在二癸基二甲基氯化銨溶液中，進行鈉基蒙脫土改性處理；3)取出木粉再次干燥至恒重，得到改性后的木粉。所述鈉基蒙脫土與二癸基二甲基氯化銨的陽離子交換量為1:0.5-1 ;所述改性處理溫度為40-80°C，處理時間為1-2小時；干燥溫度為60-105°C。所述鈉基蒙脫土 與二癸基二甲基氯化銨的陽離子交換量優(yōu)選為1:0.7 ;改性處理溫度優(yōu)選60°C。本發(fā)明有益效果如下:1、采用兩步法制備改性木粉，使鈉基蒙脫土在木粉內部發(fā)生轉變，由親水性鈉基蒙脫土轉變?yōu)槭杷杂袡C蒙脫土，在一定程度上解決了有機蒙脫土浸注木粉改性處理時，不溶于水且較難進入木粉的問題。2、本發(fā)明還解決了在木塑復合材料中添加有機蒙脫土時，過多有機蒙脫土會粘附在木粉表面而形成弱界面層的問題，本發(fā)明的木粉制備方法可以使大部分有機蒙脫土均勻分散進入到木粉內部。3、本發(fā)明的改性木粉可以提高木塑復合材料界面相容性，提高木粉的使用效率，使木粉從簡單的“填料”轉化為“增強材料”，專用于木塑復合材料的木粉。4、本發(fā)明制備的改性木粉極性明顯降低，表面羥基官能團減少，從而明顯降低木粉的吸濕性。有機蒙脫土進入到木粉細胞壁中，與細胞壁內部基體物質發(fā)生插層作用，使木粉表面相對碳含量明顯減少，而氧、硅、鋁含量上升。本發(fā)明所提供的木粉制備方法，工藝簡單，成本低，可應用于制備木塑復合材料和其它可用到木粉制備復合材料的領域。


圖1為實施例1和對照例I的XRD對照圖。圖2 Ca)為對照例I的木粉的SEM圖片。圖2 (b)為實施例1的木粉的SEM圖片。圖3 (a)為實施例1的木粉的圖片。圖3 (b)為實施例1中Si元素的分布圖。
圖3(C)為實施例1中Al元素的分布圖。圖4(a)為實施例1和對照例I的吸濕率對照圖。圖4( b )為實施例2和對照例2的吸濕率對照圖。圖4(C)為實施例3和對照例I的吸濕率對照圖。圖5(a)為實施例1和對照例I的吸水率對照圖。圖5(b )為實施例2和對照例2的吸水率對照圖。圖5( c )為實施例3和對照例I的吸水率對照圖。
具體實施例方式以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。實施例1木粉選用毛白楊木粉(Populus tomentasa Carr.), 10-60目，河北藁城興達木粉廠；鈉基蒙脫土(Na-MMT)，200目，陽離子交換容量(CEC)為90mmol/100g，層間距為1.459nm，浙江豐虹粘土化工有限公司；二癸基二甲基氯化銨(DDAC)，質量百分比濃度70%，三博生化科技(上海)有限公司；聚乙二醇(PEG)，分子量1000，遼寧省撫順佳化化工有限公司；聚乳酸(聚左旋，易生A1-1001型)，數均分子量80000，密度1.25g/cm3，熔融指數10-20g/min,深圳光華偉業(yè)實業(yè)有限公司。( I)對木粉進行真空加壓浸注處理
`
第一步:將鈉基蒙脫土溶于去離子水中，其質量百分比濃度為0.5%，同時，為提高懸浮液的穩(wěn)定性，在懸浮液中加入一定量的聚乙二醇-1000 (PEG-1000)，其中，PEG-1000與鈉基蒙脫土的質量比為0.2:1。將木粉放在燒杯中，在浸注罐內進行真空加壓浸注處理。連接好真空設備及加壓設備(即啟動真空泵抽真空時關閉加壓閥；開啟加壓閥時關閉真空泵)。開啟真空泵進行抽真空處理，使真空加壓罐內的相對真空度達到-0.096MPa，保持30min后關閉真空泵，同時導入制備的質量百分比濃度為0.5%的鈉基蒙脫土懸浮液，并使鈉基蒙脫土懸浮液完全浸泡木粉；開啟加壓閥，向浸注罐內通入壓縮氮氣，使之相對壓力達到0.6MPa，對木粉進行加壓處理，在此壓力狀態(tài)下保持60min后，打開放氣閥，解除壓力，之后將燒杯中的木粉用過濾篩過濾得到，放入盤中，在80°C鼓風干燥箱中干燥至恒重。第二步:將已浸注鈉基蒙脫土的木粉放入燒杯中，浸泡在二癸基二甲基氯化銨(DDAC)溶液中，DDAC的質量百分比濃度為0.1625% (0.5%鈉基蒙脫土時，DDAC與鈉基蒙脫土的陽離子交換比為0.7:1)。將燒杯放入水浴鍋中，溫度60°C，用攪拌棒攪拌反應2h，之后用過濾篩過濾取出木粉，放入盤中，在80°C鼓風干燥箱中干燥至恒重，改性后木粉粒徑為60目。(2)木粉/聚乳酸復合材料的制備將改性的木粉與聚乳酸按照質量比1:1在高速混合機中混合4min，轉速2900rpmo之后，將混合物通過雙螺桿擠出機熔融共混擠出，擠出機的溫度設置區(qū)域分別為150/160/180/180/150°C，轉速180rpm。將擠出后的混合料粉碎成約5mm左右的顆粒，在105°C鼓風干燥箱中干燥2h。使用熱壓機制備木粉/聚乳酸復合材料。復合材料預設密度1.28g/cm3,尺寸270 X 270 X 3mm。將280g混合顆粒均勻鋪在模具內，模具內鋪一層聚四氟乙烯膜作為脫模材料。在熱壓機中熱壓6min，壓力4MPa，溫度180°C，之后在室溫下進行一次冷壓6min固定，壓力4MPa。冷壓完成后，即得到木粉/聚乳酸復合材料。實施例2實驗過程中除了使用毛白楊木粉(Populus tomentasa Carr.),60-80目，河北藁城興達木粉廠以外，其余均與實施例1相同。實施例3實驗過程中除了使用毛白楊木粉(Populus tomentasa Carr.), 100目，河北藁城興達木粉廠以外，其余均與實施例1相同。實施例4除以下步驟外，其它與實施例1相同。( I)對木粉進行真空加壓浸注處理第一步:將鈉基蒙脫土溶于去離子水中，其質量百分比濃度為0.1%，同時，為提高懸浮液的穩(wěn)定性，在懸浮液中加入一定量的聚乙二醇-400，其中，PEG-400與鈉基蒙脫土的重量比為0.1:1。將木粉放在燒杯中，在浸注罐內進行真空加壓浸注處理。連接好真空設備及加壓設備(即啟動真空泵抽真空時關閉加壓閥；開啟加壓閥時關閉真空泵)。開啟真空泵進行抽真空處理，使真空加壓罐內的相對真空度達到-0.07MPa，保持20min后關閉真空泵，同時導入制備的質量百分比濃度為0.1%的鈉基蒙脫土懸浮液，并使鈉基蒙脫土懸浮液完全浸泡木粉；開啟加壓閥，向浸注罐內通入壓縮氮氣，使之相對壓力達到0.5MPa，對木粉進行加壓處理，在此壓力狀態(tài)下保持30min后，打開放氣閥，解除壓力，之后將燒杯中的木粉用過濾篩過濾得到，放入盤中，在60°C鼓風干燥箱中干燥至恒重。第二步:將已浸注鈉基蒙脫土的木粉放入燒杯中，浸泡在DDAC溶液中，0.1%鈉基蒙脫土時，DDAC與鈉基蒙脫土的陽離子交換比為0.5:1。將燒杯放入水浴鍋中，溫度40°C，用攪拌棒攪拌反應lh，之后用過濾篩過濾取出木粉，放入盤中，在60°C鼓風干燥箱中干燥至恒重，改性后木粉粒徑為10目。實施例5除以下步驟外，其它與實施例1相同。( I)對木粉進行真空加壓浸注處理第一步:將鈉基蒙脫土溶于去離子水中，其質量百分比濃度為1%，同時，為提高懸浮液的穩(wěn)定性，在懸浮液中加入一定量的聚乙二醇-4000，其中，PEG-4000與鈉基蒙脫土的質量比為0.4:1。將木粉放在燒杯中，在浸注罐內進行真空加壓浸注處理。連接好真空設備及加壓設備(即啟動真空泵抽真空時關閉加壓閥；開啟加壓閥時關閉真空泵)。開啟真空泵進行抽真空處理，使真空加壓罐內的相對真空度達到-0.05MPa，保持60min后關閉真空泵，同時導入制備的質量百分比濃度為1%的鈉基蒙脫土懸浮液，并使鈉基蒙脫土懸浮液完全浸泡木粉；開啟加壓閥，向浸注罐內通入壓縮氮氣，使之相對壓力達到1.5MPa，對木粉進行加壓處理，在此壓力狀 態(tài)下保持120min后，打開放氣閥，解除壓力，之后將燒杯中的木粉用過濾篩過濾得到，放入盤中，在105°C鼓風干燥箱中干燥至恒重。第二步:將已浸注鈉基蒙脫土的木粉放入燒杯中，浸泡在DDAC溶液中，1%鈉基蒙脫土時，DDAC與鈉基蒙脫土的陽離子交換比為1:1。將燒杯放入水浴鍋中，溫度80°C，用攪拌棒攪拌反應lh，之后用過濾篩過濾取出木粉，放入盤中，在105°C鼓風干燥箱中干燥至恒重，改性后木粉粒徑為100目。
對照例I實驗過程中除了兩步改性均直接用去離子水浸注木粉以外，其余與實施例1相同。對照例2實驗過程中除了兩步改性均直接用去離子水浸注改性木粉以外，其余與實施例2相同。對照例3實驗過程中除了兩步改性均直接用去離子水浸注改性木粉以外，其余與實施例3相同。檢測結果1、X射線衍射分析采用日本島津生產的 XRD-6000型X射線衍射儀(XRD)對實施例1和對照例I的改性木粉進行XRD表征。將實施例1和對照例I的改性木粉粉碎過80目篩子并干燥，至恒重，將木粉加入到XRD載物片凹槽中，木粉被側面與載物片的平面齊平，采用連續(xù)記譜掃描CuK α銅靶輻射(λ=0.154nm)，輻射管電壓40kV，輻射管電流30mA，掃描范圍2-40°，步長0.09°，旋轉掃描，轉速30R/min，結果如圖1所示。由圖1可知:I)改性后的木粉與未改性木粉在XRD圖譜中均在2 Θ為17°、22.5°和35°處出現了木粉纖維的(101 )、(002)和(040)的衍射峰，且峰的位置沒有發(fā)生變化，說明改性后木粉基本的纖維素的結晶結構沒有被破壞。2)木粉經過改性后在2 Θ =2.92°處出現了一個新的衍射峰，這是有機蒙脫土的特征峰，對應有機蒙脫土的層間距為3.022nm。由于鈉基蒙脫土本身的層間距為1.459nm，經過DDAC改性有機蒙脫土的層間距為2.323nm,因此，實施例1中，有機蒙脫土的層間距進一步增大，說明了有機蒙脫土在木粉內部進行改性處理能夠與木粉之間發(fā)生插層作用，進一步增大了蒙脫土的層間距。2、木粉中有機蒙脫土的分布將實施例1與對照例I的木粉經過真空鍍金處理后，采用Titachi公司生產的S-3000N型掃描電子顯微鏡(SEM)對試樣表面進行觀測，分析改性劑中有效成分在木粉細胞腔的分布，觀測結果如圖2所示。圖2 (a)為對照例I的木粉的SEM圖片，圖2 (b)為實施例1的木粉的SEM圖片。由圖2可知:木粉經過改性處理后，細胞腔內幾乎沒有出現有機蒙脫土的顆?；蛘咂瑢咏Y構，說明經過兩步改性的木粉，有機蒙脫土已滲透到了木粉內部。3、木粉中各元素的分布將實施例1和對照例I的木粉經過真空鍍金處理后，采用Horiba公司生產的7021-H X射線能譜儀(EDXA)在面掃模式下對試樣表面進行分析，分析有機蒙脫土的Si和Al元素在木粉中的分布和各元素的含量，觀測結果如圖3 (a)、圖3 (b)、圖3 (c)所示。圖3 Ca)為實施例1的木粉的圖片，圖3 (b)為實施例1中Si元素的分布圖，圖
3(C)為實施例1中Al元素的分布圖。由圖3可知:在木粉的細胞壁中可檢測到Si和Al元素的含量，說明有機蒙脫土進入到了木粉細胞壁內部。對照例I和實施例1的各元素百分含量如表I所示。表I木粉中各種元素含量
權利要求
1.一種木塑復合材料專用木粉的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、將鈉基蒙脫土懸浮液浸注木粉中； 步驟2、對木粉中鈉基蒙脫土進行改性。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟I包括: I)將鈉基蒙脫土溶解，并加入分散劑聚乙二醇，形成懸浮液； 2)將已絕干的木粉放入燒杯中，置于浸注罐內，進行真空處理； 3)將鈉基蒙脫土懸浮液導入浸注罐內浸泡木粉，進行加壓處理； 4)將木粉取出，干燥，至恒重。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述懸浮液中鈉基蒙脫土濃度為0.1-1% ；鈉基蒙脫土與分散劑聚乙二醇之重量比為1:0.1-0.4 ;聚乙二醇的分子量為400-4000。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述懸浮液中鈉基蒙脫土濃度優(yōu)選為0.5% ;鈉基蒙脫土與分散劑聚乙二醇之重量比優(yōu)選為1:0.2 ;聚乙二醇的分子量優(yōu)選為1000。
5.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述真空處理中相對真空度為-0.05—0.1MPa，處理時間為 20_60min。
6.根據權利要求 5所述的方法，其特征在于，所述真空處理中相對真空度優(yōu)選為-0.07—0.096MPa。
7.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述加壓處理的相對壓力為0.5-1.5MPa，處理時間為30-120min ;干燥溫度為60_105°C。
8.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟2包括: 1)將二癸基二甲基氯化銨溶解； 2)將步驟I處理后的木粉浸泡在二癸基二甲基氯化銨溶液中，進行鈉基蒙脫土改性處理； 3)取出木粉再次干燥至恒重，得到改性后的木粉。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述鈉基蒙脫土與二癸基二甲基氯化銨的陽離子交換量為1:0.5-1 ;所述改性處理溫度為40-80°C，處理時間為1-2小時；干燥溫度為 60-105°C。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述鈉基蒙脫土與二癸基二甲基氯化銨的陽離子交換量優(yōu)選為1:0.7 ;改性處理溫度優(yōu)選60°C。
全文摘要
本發(fā)明提供一種木塑復合材料專用木粉的制備方法，包括以下步驟步驟1、將鈉基蒙脫土懸浮液浸注入木粉中；步驟2、對木粉中鈉基蒙脫土進行改性。本發(fā)明采用兩步法制備改性木粉，改性后的木粉能夠提高木塑復合材料界面相容性，提高木粉的使用效率，使木粉從簡單的“填料”轉化為“增強材料”，應用于制備木塑復合材料和其它可用到木粉制備復合材料的領域，如纖維板等。
文檔編號C08K9/04GK103073904SQ201310029919
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月25日 優(yōu)先權日2013年1月25日
發(fā)明者曹金珍, 劉如, 王望, 羅書品 申請人:北京林業(yè)大學