Mape預(yù)處理制備高強(qiáng)度竹塑復(fù)合材料生產(chǎn)工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及竹塑復(fù)合材料制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種MAPE相容劑預(yù)處理增強(qiáng)膠合程度的制備方法。
【背景技術(shù)】
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[0002]我國是竹資源大國，年產(chǎn)量高達(dá)1.5億t，約占世界竹材總產(chǎn)量的I / 3。但我國竹資源利用率程度還很低，僅用于生產(chǎn)地板、簡(jiǎn)易家具和一些手工工藝品，沒有被運(yùn)用到工程中來，竹纖維的功用也沒有被充分開發(fā)。
[0003]竹材是一種天然的粘彈性復(fù)合材料，竹纖維長度大、長寬比大、交織性能好，因而具有較強(qiáng)的抗張強(qiáng)度和伸長率(Michaud，2005 ;NenkoVa S，2006)。當(dāng)把竹纖維作為增強(qiáng)材料加入到樹脂基體的復(fù)合材料后，力學(xué)性能會(huì)發(fā)生很大的變化，不但與增強(qiáng)材料和基體有關(guān)，而且受兩相界面結(jié)合程序的影響。因此，在研究竹塑復(fù)合材料時(shí)，要充分認(rèn)識(shí)到各組分材料的固有屬性和復(fù)合材料的微觀構(gòu)造，以制備出力學(xué)性能優(yōu)良的復(fù)合材料(張建輝，2008 ;陳欽慧，2009)。
[0004]通過化學(xué)反應(yīng)改性植物纖維表面的方法有很多，主要有以下三種方法。(I)偶聯(lián)劑法，偶聯(lián)劑分散到有機(jī)纖維、無機(jī)填料、無機(jī)纖維和基體樹脂之間，可以起到改善相容性的作用。同時(shí)，對(duì)植物纖維表面進(jìn)行預(yù)處理后，還可以提升與基體間的界面結(jié)合能力。目前應(yīng)用最多的偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑和鈦酸酯偶聯(lián)劑。(2)接枝法，對(duì)纖維進(jìn)行接枝改性的過程比較復(fù)雜，但纖維接枝后與聚合物的相容性會(huì)明顯提高。常用的接枝方法主要有光引發(fā)、游離基引發(fā)和輻射引發(fā)這三種方法。常見的引發(fā)劑有三價(jià)錳、四價(jià)鈰、五價(jià)釩、過硫酸鹽和高錳酸鉀等。雖然接枝處理可以提高界面相容性，但用量不當(dāng)反而會(huì)降低纖維的強(qiáng)度。(3)相容劑法，相容劑中含有大量的羧基或酐基，可以通過酯化反應(yīng)降低纖維素中的羥基數(shù)量，進(jìn)而降低纖維的吸濕性與極性，與基體樹脂表現(xiàn)出良好的相容性。常用的相容劑有馬來酸酐接枝聚丙烯(MAPP)、馬來酸酐接枝聚乙烯(MAPE)和馬來酸酐接枝聚苯乙烯(MAPS)等。
[0005]接枝改性是諸多化學(xué)處理方法中最常用的一種。如用乙烯基類單體對(duì)纖維進(jìn)行接枝共聚改性，接枝物會(huì)獲得更多的性能，與基體樹脂復(fù)合后的材料具有更廣泛的機(jī)械加工性能。許多國外學(xué)者在這方面做了大量的試驗(yàn)研究:
[0006]Kazayawoko (Kazayawoko, 1999)用MAPP對(duì)楊木纖維進(jìn)行預(yù)處理，通過酯化反應(yīng)使其接枝上纖維上，借助SEM和DSC研究了 MAPP對(duì)界面結(jié)合的影響。Joly (Joly，1996)等用烷基異氰酸酯對(duì)棉纖維進(jìn)行預(yù)處理，研究纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的吸濕性能，得出烷基長鏈可以提高復(fù)合體系的分散系數(shù)，并降低吸濕性。Rana(Rana，1998)等用相容劑處理過的黃麻纖維與聚丙烯樹脂復(fù)合，結(jié)果表明在相容劑適量的前提下，麻煩纖維可起到增強(qiáng)復(fù)合材料性能的作用。Avella(Avella，1998)等用MAPP對(duì)竹纖維進(jìn)行表面改性處理后與PP進(jìn)行復(fù)合，結(jié)果表明竹纖維/ PP復(fù)合材料的力學(xué)性能達(dá)到較優(yōu)水平，可以得到推廣應(yīng)用。
[0007]目前在竹塑復(fù)合材料復(fù)合過程中存在如下主要問題:竹纖維與熱塑性塑料的界面相容性問題，竹纖維在復(fù)合過程中的降解問題，竹纖維在共混復(fù)合體系中的分散性問題，偶聯(lián)劑在復(fù)合過程中的用量問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0008]本發(fā)明的目的是針對(duì)相容劑在復(fù)合材料制備過程中用量問題，以及竹纖維與熱塑性塑料的界面相容性問題而形成的竹塑復(fù)合材料制備生產(chǎn)工藝，并提供詳細(xì)的竹塑復(fù)合材料制備方法。
[0009]經(jīng)MAPE相容劑預(yù)處理制備竹塑復(fù)合材料生產(chǎn)工藝參數(shù)具體如下:
[0010]9mm厚的竹塑復(fù)合板材的最優(yōu)工藝參數(shù)為竹塑配比7:3、相容劑用量6%、熱壓溫度180°C、熱壓時(shí)間12min。
[0011]為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，見圖1MAPE相容劑預(yù)處理制備竹塑復(fù)合材料生產(chǎn)流程圖。
[0012]本發(fā)明有益效果:
[0013]目前，國內(nèi)外對(duì)木塑復(fù)合材料技術(shù)的研究已趨于成熟，而關(guān)于竹塑復(fù)合材料的研究報(bào)道卻很少見。本發(fā)明綜合木塑復(fù)合材料與人造板生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出在保證復(fù)合材料力學(xué)性能的前提下，能高效利用竹材的竹塑復(fù)合材料生產(chǎn)工藝。
[0014]本發(fā)明成功制備出9_厚度的竹塑復(fù)合產(chǎn)品，可根據(jù)不同的需要應(yīng)用于不同的場(chǎng)合。復(fù)合材料在制備過程中，未添加任何其他助劑，不僅減少了助劑對(duì)設(shè)備的損耗，而且消除了其他干擾因素對(duì)竹塑復(fù)合材料界面結(jié)合機(jī)理的影響。
[0015]從力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果可知，經(jīng)MAPE相容劑預(yù)處理的9mm竹塑復(fù)合板材各項(xiàng)性能優(yōu)良，均達(dá)到了 GB / T11718-2009中密度纖維板的優(yōu)等水平。這種新型板材附加值高、無污染、無毒害、可回收再利用、強(qiáng)度比纖維板高、耐水性比酚醛樹脂人造板優(yōu)良，可代替人造板應(yīng)用于家具制造業(yè)和建筑行業(yè)。
[0016]相容劑又稱大分子偶聯(lián)劑，應(yīng)用于塑料與填料的偶聯(lián)。由于具有高分子部分與高分子聚合物相容，因此，相容劑對(duì)聚合物與填料之間的偶聯(lián)效率優(yōu)異。由于它的非極性高分子主體能與共混物中的非極性聚合物相容，而極性基團(tuán)又能與共混物的極性聚合物的活性基團(tuán)反應(yīng)或鍵合，故能起到很好的相容作用。
[0017]在本發(fā)明中，MAPE相容劑顯著改善復(fù)合材料的力學(xué)性能。MAPE中含有大量的羧基和酐基特征基團(tuán)，可以與纖維素分子鏈上的醇羥基發(fā)生酯化反應(yīng)，使纖維素中的羥基數(shù)量大大減少，進(jìn)而使其吸水性和極性降低，同時(shí)有機(jī)長鏈也可能插入到聚合物的基體中，提高界面的膠合作用。
[0018]分析X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡和差示掃描量熱儀的檢測(cè)結(jié)果可知，改性劑通過與無定形區(qū)的纖維素反應(yīng)產(chǎn)生新的結(jié)晶區(qū)，降低了竹粉纖維的極性，提高了竹粉與塑料兩相的界面相容性和界面結(jié)合強(qiáng)度，從而增強(qiáng)了竹塑復(fù)合材料的物理力學(xué)性能。
【具體實(shí)施方式】
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[0019](I)原料預(yù)處理
[0020]干燥:竹粉和塑料在擠出造粒之前，需經(jīng)干燥處理。這是因?yàn)樵谠炝＿^程中，如果竹粉內(nèi)部含有較多的水分和抽提物，會(huì)在竹粉表面產(chǎn)生水蒸氣和揮發(fā)性氣體，不僅會(huì)降低竹粉與塑料界面的粘結(jié)性，而且會(huì)在塑料基體內(nèi)產(chǎn)生孔隙。
[0021]將竹粉放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中，在105°C條件下干燥8h，除去水分和抽提物，調(diào)節(jié)含水率至3%以下。
[0022]MAPE預(yù)處理竹粉:將稱量好的MAPE相容劑直接與干燥好的竹粉在高速混合機(jī)中共混20min，使接枝反應(yīng)充分進(jìn)行。
[0023](2)混料
[0024]高速混合機(jī)適用于固固和固液物料混合，也常用于配制粉料。物料在高速攪拌時(shí)，受到離心力的作用，沿混合室內(nèi)壁上升，至一定高度后又回到落到葉輪中心。在葉輪高速作用下，物料粒子間相互交叉混合，發(fā)生碰撞、摩擦作用，促進(jìn)物料各組分的均勻分布，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)液態(tài)添加劑的吸附。
[0025]將經(jīng)過預(yù)處理的竹粉與高密度聚乙烯(HDPE)按照一定比例在高速混合機(jī)中共混1min,待物料混合均勻后卸出，準(zhǔn)備造粒。
[0026](3)造粒
[0027]造粒是在高于塑料流動(dòng)溫度和較強(qiáng)剪切力作用下，使混合物料塑化，并進(jìn)一步除去其中的水分和揮發(fā)物，使各組分更趨于均勻分散。由于擠出機(jī)具有連續(xù)、塑化效果好，且易于切粒得到竹塑復(fù)合粒子，故將混合物料在雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行共混造粒。
[0028]考慮到HDPE的熔融溫度和竹粉纖維的熱降解溫度，將造粒機(jī)五區(qū)溫度分別設(shè)為80°C、120°C、135°C、135°C、13(rC。造粒機(jī)參數(shù)設(shè)為:主機(jī)轉(zhuǎn)速20r / min，加料速度12r /min。造粒機(jī)加熱區(qū)設(shè)計(jì)有多個(gè)排氣孔，便于竹粉中殘留水分和揮發(fā)物排出。
[0029](4)破碎
[0030]當(dāng)混合物料中HDPE含量偏高時(shí)，造粒機(jī)擠出的物料冷卻后會(huì)凝固成塊。經(jīng)塑膠粉碎機(jī)破碎處理后，粒料呈I?3mm的顆粒狀或片狀。
[0031](5)鋪裝
[0032]使用北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院制備的模具，將破碎處理后的顆粒狀粒料均勻鋪灑在模具當(dāng)中，壓制尺寸為:300mmX300mmX9mm,密度1.0g / cm3的板材。
[0033](6)熱壓
[0034]根據(jù)發(fā)明中的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，壓制厚度為9mm的板材，進(jìn)行3因素3水平的正交試驗(yàn)，對(duì)竹塑配比、偶聯(lián)劑用量及熱壓溫度進(jìn)行討論。竹塑配比分7:3，6:4和5:5三個(gè)水平，偶聯(lián)劑用量分2%，4%，6%三個(gè)水平，熱壓溫度分140°C，160°C，180V三個(gè)水平。
[0035](7)制樣及測(cè)試
[0036]測(cè)試試樣按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制備，彎曲強(qiáng)度和彎曲模量按照GB / T1449-2005纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法；拉伸強(qiáng)度按照GB / T1447-2005纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法；沖擊強(qiáng)度按照GB / T1451-2005纖維增強(qiáng)塑料簡(jiǎn)支梁式?jīng)_擊韌性試驗(yàn)方法；24h吸水厚度膨脹率按照GB / T17657-1999人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于MAPE相容劑預(yù)處理增強(qiáng)膠合程度的竹塑復(fù)合材料制造技術(shù)，它包括竹塑復(fù)合材料制備過程中的預(yù)處理，板材制備工藝過程，其特征在于:它還包括對(duì)預(yù)處理后材料的混料、造粒和破碎的工藝過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述對(duì)預(yù)處理后材料的混料、造粒和破碎的工藝過程，其特征在于:分別在高速混合機(jī)、造粒機(jī)及粉碎機(jī)中，控制混合時(shí)間，造粒機(jī)設(shè)置溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述竹塑復(fù)合材料制備過程中的預(yù)處理，其特征在于:控制相容劑與干燥后竹粉的混合時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)原材料預(yù)處理程度的控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的板材制備工藝，其特征在于:制備工藝包含竹塑配比、相容劑用量、熱壓溫度和熱壓時(shí)間四項(xiàng)參數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1和4所述板材制備工藝，其特征在于:竹塑配比、相容劑用量、熱壓溫度和熱壓時(shí)間具有特定數(shù)值，該數(shù)值具有相對(duì)確定性。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種竹塑復(fù)合材料制造技術(shù)，特別涉及一種MAPE相容劑預(yù)處理增強(qiáng)膠合程度的制備方法。包括原料預(yù)處理，混料，造粒，破碎，鋪裝和熱壓。通過對(duì)竹塑配比，偶聯(lián)劑用量，熱壓溫度和熱壓時(shí)間的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)9mm的竹塑復(fù)合板材最優(yōu)性能生產(chǎn)工藝的效果。為增強(qiáng)竹塑板材性能，使用相容劑分散到有機(jī)纖維、無機(jī)填料、無機(jī)纖維和基體樹脂之間，起到改善相容性的作用。同時(shí)，對(duì)竹纖維表面進(jìn)行預(yù)處理后，還可以提升與基體間的界面結(jié)合能力的。板材成品各項(xiàng)力學(xué)性能經(jīng)GB／T1449-2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》，GB／T1451-2005《纖維增強(qiáng)塑料簡(jiǎn)支梁式?jīng)_擊韌性試驗(yàn)方法》以及GB／T17657-1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》測(cè)定，均達(dá)到較高水平。
【IPC分類】B29L7-00, B29B9-00, C08L97-02, B29C43-00, C08L51-06, C08L23-06
【公開號(hào)】CN104552715
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310501343
【發(fā)明人】張雙保, 趙方, 于雪斐, 王翠翠, 王丹丹, 宋偉, 侯國君
【申請(qǐng)人】張雙保, 趙方, 于雪斐, 王翠翠, 王丹丹, 宋偉, 侯國君
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2013年10月23日