Kh550預處理制備高強度竹塑復合材料生產工藝的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及竹塑復合材料制造技術領域，特別涉及一種KH550偶聯劑預處理增強膠合程度的制備方法。
【背景技術】
[0002]我國是竹資源大國，年產量高達1.5億t，約占世界竹材總產量的1/3。但我國竹資源利用率程度還很低，僅用于生產地板、簡易家具和一些手工工藝品，沒有被運用到工程中來，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合材料，竹纖維長度大、長寬比大、交織性能好，因而具有較強的抗張強度和伸長率(Michaud，2005 ;NenkoVa S，2006)。當把竹纖維作為增強材料加入到樹脂基體的復合材料后，力學性能會發(fā)生很大的變化，不但與增強材料和基體有關，而且受兩相界面結合程序的影響。因此，在研究竹塑復合材料時，要充分認識到各組分材料的固有屬性和復合材料的微觀構造，以制備出力學性能優(yōu)良的復合材料(張建輝，2008 ;陳欽慧，2009)。
[0004]通過化學反應改性植物纖維表面的方法有很多，主要有以下三種方法。(I)偶聯劑法，偶聯劑分散到有機纖維、無機填料、無機纖維和基體樹脂之間，可以起到改善相容性的作用。同時，對植物纖維表面進行預處理后，還可以提升與基體間的界面結合能力。目前應用最多的偶聯劑為硅烷偶聯劑和鈦酸酯偶聯劑。(2)接枝法，對纖維進行接枝改性的過程比較復雜，但纖維接枝后與聚合物的相容性會明顯提高。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)劑有三價錳、四價鈰、五價釩、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，但用量不當反而會降低纖維的強度。(3)相容劑法，相容劑中含有大量的羧基或酐基，可以通過酯化反應降低纖維素中的羥基數量，進而降低纖維的吸濕性與極性，與基體樹脂表現出良好的相容性。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處理方法中最常用的一種。如用乙烯基類單體對纖維進行接枝共聚改性，接枝物會獲得更多的性能，與基體樹脂復合后的材料具有更廣泛的機械加工性能。許多國外學者在這方面做了大量的試驗研究:
[0006]Kazayawoko (Kazayawoko, 1999)用MAPP對楊木纖維進行預處理，通過酯化反應使其接枝上纖維上，借助SEM和DSC研究了 MAPP對界面結合的影響。Joly (Joly，1996)等用烷基異氰酸酯對棉纖維進行預處理，研究纖維增強聚丙烯復合材料的吸濕性能，得出烷基長鏈可以提高復合體系的分散系數，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合，結果表明在相容劑適量的前提下，麻煩纖維可起到增強復合材料性能的作用。Avella(Avella，1998)等用MAPP對竹纖維進行表面改性處理后與PP進行復合，結果表明竹纖維/PP復合材料的力學性能達到較優(yōu)水平，可以得到推廣應用。
[0007]目前在竹塑復合材料復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，竹纖維在復合過程中的降解問題，竹纖維在共混復合體系中的分散性問題，偶聯劑在復合過程中的用量問題。
【發(fā)明內容】
[0008]本發(fā)明的目的是針對偶聯劑在復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合材料制備生產工藝，并提供詳細的竹塑復合材料制備方法。
[0009]KH550偶聯劑預處理制備竹塑復合材料生產工藝參數具體如下:
[0010]9mm厚的竹塑復合板材的最優(yōu)工藝參數為竹塑配比7: 3、偶聯劑用量4%、熱壓溫度190°C、熱壓時間12min。
[0011]為實現以上目的，本發(fā)明采用如下技術方案，見圖1KH550偶聯劑預處理制備竹塑復合材料生產流程圖。
[0012]本發(fā)明有益效果
[0013]目前，國內外對木塑復合材料技術的研究已趨于成熟，而關于竹塑復合材料的研究報道卻很少見。本發(fā)明綜合木塑復合材料與人造板生產工藝的特點，設計出在保證復合材料力學性能的前提下，能高效利用竹材的竹塑復合材料生產工藝。
[0014]本發(fā)明成功制備出9_厚度的竹塑復合產品，可根據不同的需要應用于不同的場合。復合材料在制備過程中，未添加任何其他助劑，不僅減少了助劑對設備的損耗，而且消除了其他干擾因素對竹塑復合材料界面結合機理的影響。
[0015]從力學性能檢測結果可知，經KH550偶聯劑預處理的9mm竹塑復合板材各項性能優(yōu)良，均達到了 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，可代替人造板應用于家具制造業(yè)和建筑行業(yè)。
[0016]KH550硅烷偶聯劑作用于膠粘劑中，能提高它們的粘接強度、耐水、耐氣候等性能。硅烷偶聯劑往往可以解決某些材料長期以來無法粘接的難題。硅烷偶聯劑作為增粘劑的作用原理在于它本身有兩種基團；一種基團可以和被粘的骨架材料結合；而另一種基團則可以與高分子材料或粘接劑結合，從而在粘接界面形成強力較高的化學鍵，大大改善了粘接強度。硅烷偶聯劑的應用一般有三種方法:一是作為骨架材料的表面處理劑；二是加入到粘接劑中，三是直接加入到高分子材料中。
[0017]在本項發(fā)明中，KH550偶聯劑顯著改善復合材料的力學性能。KH550含有多功能官能團，一端經過水解、縮合、成鍵而結合到纖維表面，另一端有機長鏈與聚合物作用，在纖維和聚合物間形成較強的界面作用力。
[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結果可知，改性劑通過與無定形區(qū)的纖維素反應產生新的結晶區(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合強度，從而增強了竹塑復合材料的物理力學性能。
【具體實施方式】
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[0019](I)原料預處理
[0020]干燥:竹粉和塑料在擠出造粒之前，需經干燥處理。這是因為在造粒過程中，如果竹粉內部含有較多的水分和抽提物，會在竹粉表面產生水蒸氣和揮發(fā)性氣體，不僅會降低竹粉與塑料界面的粘結性，而且會在塑料基體內產生孔隙。
[0021]將竹粉放入電熱鼓風干燥箱中，在105°C條件下干燥8h，除去水分和抽提物，調節(jié)含水率至3%以下。
[0022]KH550處理竹粉:稱取一定量的硅烷偶聯劑，用無水乙醇進行稀釋，質量分數為
I%。將其與烘干后的竹粉在高速混合機中共混20min，后烘至絕干。
[0023](2)混料
[0024]高速混合機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，受到離心力的作用，沿混合室內壁上升，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，促進物料各組分的均勻分布，同時加強對液態(tài)添加劑的吸附。
[0025]將經過預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中共混1min,待物料混合均勻后卸出，準備造粒。
[0026](3)造粒
[0027]造粒是在高于塑料流動溫度和較強剪切力作用下，使混合物料塑化，并進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。由于擠出機具有連續(xù)、塑化效果好，且易于切粒得到竹塑復合粒子，故將混合物料在雙螺桿擠出機進行共混造粒。
[0028]考慮到HDPE的熔融溫度和竹粉纖維的熱降解溫度，將造粒機五區(qū)溫度分別設為800C、120°C、135°C、135°C、130°C。造粒機參數設為:主機轉速 20r/min，加料速度 12r/min。造粒機加熱區(qū)設計有多個排氣孔，便于竹粉中殘留水分和揮發(fā)物排出。
[0029](4)破碎
[0030]當混合物料中HDPE含量偏高時，造粒機擠出的物料冷卻后會凝固成塊。經塑膠粉碎機破碎處理后，粒料呈I?3mm的顆粒狀或片狀。
[0031](5)鋪裝
[0032]使用北京林業(yè)大學工學院制備的模具，將破碎處理后的顆粒狀粒料均勻鋪灑在模具當中，壓制尺寸為:300mmX300mmX9mm,密度1.0g/cm3的板材。
[0033](6)熱壓
[0034]根據發(fā)明中的試驗設計，壓制厚度為9mm的板材，進行3因素3水平的正交試驗，對竹塑配比、偶聯劑用量及熱壓溫度進行討論。竹塑配比分7: 3，6: 4和5: 5三個水平，偶聯劑用量分2%，4%，6%三個水平，熱壓溫度分150°C，17(TC，19(rC三個水平。(7)制樣及測試
[0035]測試試樣按照相關標準制備，彎曲強度和彎曲模量按照GB/T 1449-2005纖維增強塑料彎曲性能試驗方法；拉伸強度按照GB/T 1447-2005纖維增強塑料拉伸性能試驗方法；沖擊強度按照GB/T 1451-2005纖維增強塑料簡支梁式沖擊韌性試驗方法；24h吸水厚度膨脹率按照GB/T 17657-1999人造板及飾面人造板理化性能試驗方法進行測試。
【主權項】
1.基于KH550偶聯劑預處理增強膠合程度的竹塑復合材料制造技術，它包括竹塑復合材料制備過程中的預處理，板材制備工藝過程，其特征在于:它還包括對預處理后材料的混料、造粒和破碎的工藝過程。
2.根據權利要求1所述對預處理后材料的混料、造粒和破碎的工藝過程，其特征在于:分別在高速混合機、造粒機及粉碎機中，控制混合時間，造粒機設置溫度。
3.根據權利要求1所述竹塑復合材料制備過程中的預處理，其特征在于:控制偶聯劑和無水乙醇的配比，以及與干燥后竹粉的混合時間，實現對原材料預處理程度的控制。
4.根據權利要求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、偶聯劑用量、熱壓溫度和熱壓時間四項參數。
5.根據權利要求1和4所述板材制備工藝，其特征在于:竹塑配比、偶聯劑用量、熱壓溫度和熱壓時間具有特定數值，該數值具有相對確定性。
【專利摘要】摘要：本發(fā)明涉及一種竹塑復合材料制造技術，其中特別涉及一種KH550偶聯劑預處理增強膠合程度的制備方法。包括原料預處理，混料，造粒，破碎，鋪裝和熱壓。通過對竹塑配比，偶聯劑用量，熱壓溫度和熱壓時間的控制，實現對9mm厚的竹塑復合板材最優(yōu)性能生產工藝的效果。為增強竹塑板材性能，使用偶聯劑分散到有機纖維、無機填料、無機纖維和基體樹脂之間，起到改善相容性的作用。同時，對竹纖維表面進行預處理后，還可以提升與基體間的界面結合能力的。板材成品各項力學性能經GB/T？1449-2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》，GB/T1451-2005《纖維增強塑料簡支梁式沖擊韌性試驗方法》以及GB/T17657-1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》測定，均達到較高水平。
【IPC分類】C08L23-06, B29C43-00, B29B9-00, C08K5-544, C08L97-02, B29L7-00
【公開號】CN104552716
【申請?zhí)枴緾N201310501361
【發(fā)明人】張雙保, 于雪斐, 趙方, 王翠翠, 王丹丹, 宋偉, 侯國君
【申請人】張雙保, 于雪斐, 趙方, 王翠翠, 王丹丹, 宋偉, 侯國君
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2013年10月23日