一種「塑料木材」的製備方法
2023-06-12 08:37:26
專利名稱：一種「塑料木材」的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種用植物纖維和熱塑性塑料製備複合材料的方法，具體涉及以稻穀殼或者米糠，和回收的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)或者聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等生產類似木材的建築材料——「塑料木材」的方法。
這種新技術可回收利用各種各樣的塑料製品，諸如牛奶瓶、礦泉水瓶等廢棄物品，經過分類揀選後清洗乾淨碎成屑狀，然後製備成「塑料木材」。它可以加工成各種所需的木材的形狀，像天然木材一樣具有很好的可加工性，不吸水、不膨脹、抗腐蝕、不開裂、抗衝擊，抗磨損，其性能要優於天然的木材，適用於直接與土壤或水接觸的地方，不腐爛，防蟲，不會有化學物質滲透到周圍的土壤中，對土壤沒有汙染，解決了經過高壓處理和化學物質浸漬的木材對土壤的危害問題。
背景技術：
我國利用植物纖維與合成樹脂進行複合的研究也具有較長的歷史。最初的研究木纖維以粉狀的形式，被用作填料加到熱固性塑料中。樹脂也多為熱固性塑料，如酚醛樹脂。不飽和聚酯等。工藝也較為簡單。其中最為成功的應用是木槳纖維增強酚醛樹脂注射成型，而且在1970年得到了商業化的產品。
八十年代以後，人們開始著手對熱塑性塑料/植物纖維複合材料進行研究。這一方面尤以印度，日本，歐美等國最為活躍。也有的學者選用不同的植物纖維對熱塑性塑料(PE，PP等)增強，效果也很明顯。許多國家將植物纖維/熱塑性塑料複合材料從實驗室發展為商品，產生了很大的經濟效益、如德國市場上出現的45％木纖維增強的聚丙烯板造的汽車製件，用木纖維增強的減震壓延片材等產品。儘管植物纖維/熱塑性塑料複合材料的研究已經取得了較大的發展，但仍沒有把纖維素的潛在優勢發揮出來，而且多數工作只是在實驗室階段。從實用性及商品化的角度來看，仍需進一步的工作。
同時，隨著我國塑料工業的蓬勃發展，廢舊塑料的用量用量也迅速增加。由此帶來的是大量廢棄塑料帶來的白色汙染，從節約能源和資源、保護環境的角度來看，廢棄塑料的回收具有十分重要的意義。中國目前高粘度PET的年產量已經達到120萬噸，PET飲料瓶的需求量預計到2005年將大於60萬噸。目前國內對於回收PET的研究都局限於再生造粒後紡絲或裂解成低分子化合物，作為聚和原料或生產熱熔膠、塗料和不飽和聚酯樹脂等，其中大部分用來紡絲，用作服裝等的面料。大量的回收料的高價值利用進展緩慢，例如與新樹脂複合成為3層結構、回收料的單體化等等均由於成本或者技術原因難以推廣應用，開發新的有關技術勢在必行。
發明內容
本發明的目的在於提供一種利用植物纖維和熱塑性塑料生產複合材料「塑料木材」的方法。
本發明是通過以下技術方案實現的將經過預處理稻穀殼或者米糠與熱塑性塑料混合處理後，經雙螺杆擠出機擠出造粒、模壓或注射成型，製得所需的「塑料木材」，具體處理過程如下第一步稻穀殼或者米糠的預處理1、熱處理在高溫150℃左右下，加熱烘一小時。
米糠或者稻殼的主要成分是纖維素，纖維素是不溶於水的均一聚糖，它是由D-葡萄糖基構成的鏈狀高分子化合物，其大分子的重複單元每1個基環內含有3個羥基，這些羥基形成分子內氫鍵或分子間氫鍵，使米糠和稻殼具有吸水性，吸溼率達8％-12％，因此我們要對米糠或者稻殼在使用前進行充分的乾燥。
2、鹼處理採用在23℃下用重量百分比為10％的NaOH溶液浸泡48h，來處理以除果膠、木素、半纖維素等低分子雜質，以及熱處理中的熱分解產物；使纖維束分裂成更小的增強纖維，纖維的直徑降低，長徑比增加。隨後在110℃烘乾5小時至乾燥。
3、表面改性在以上烘乾的穀殼或者米糠每100重量份中加入苯甲酸或者冰醋酸1～6份，硬脂酸1～10份，矽烷偶聯劑1～5份後經高速混合機混合備用。
纖維素大分子鏈之間及其內部強烈的氫鍵作用，使稻殼和米糠表現出較強烈的極性和親水性。未經處理的米糠或者稻殼與非極性樹脂間的界面潤溼性、界面粘合性極差，解決好界面相容性是關鍵技術，要對稻殼或者米糠表面進行處理。
矽烷偶聯劑可以選擇以下成分的矽烷偶聯劑，也可以選用鈦酸酯偶聯劑A151 A171 A172 用偶聯劑處理的稻殼或者米糠力學性能好，隔熱效果明顯。用偶聯劑進行處理，可改善材料的界面相容性，提高材料的力學性能；用苯甲酸或者冰醋酸進行處理，是在木材表面通過對極性官能團的酸化處理，使其生成疏水的非極性化學官能團，從而降低塑料基材與稻殼或者米糠表面間的相斥性，達到提高界面粘合性的目的。
第2步將稻穀殼或者米糠與熱塑性塑料混合處理後，加入雙螺杆擠出機擠出，其中，原料的重量配比為稻穀殼或者米糠∶熱塑性塑料＝(30-50)∶(45-65)；上述熱塑性塑料，為回收的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)或者聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等為主體添加了助劑的廢舊塑料；稻穀殼的熱穩定加工區間在150-180℃最佳；另外，可以將稻穀殼或米糠與塑料分兩段加入，先加入塑料，稻穀殼或米糠在靠近擠出機頭附近加料，一次擠出成型材料。
稻殼或者米糠很容易降解，在共混過程中，物料受到熱機械作用，會發生熱降解，氧化降解，機械降解等，其中以熱降解和機械降解尤為重要。稻殼的熱降解分為四個階段25℃-150℃物理吸附水解吸；150℃-240℃某些葡萄糖基開始斷裂；240-400℃糖雙鍵開始斷裂；大於400℃，殘餘部分芳環化，形成石墨結構，說明米糠和稻殼在低於240℃時具有較好的結構穩定性。稻殼的熱失重譜圖見附圖1。從圖中可看出，有氧和無氧情況的熱失重區間類似，熱穩定加工區間在150-180℃以下最佳。
在雙螺杆擠出過程中，可採用二次餵料的方法，首先進入螺杆的是塑料，在第二段加開填料餵料鬥，這樣米糠或者稻殼在擠出機內的停留時間就少於加入的塑性材料，因而可以有效的控制米糠或者稻殼的熱降解。即米糠或稻殼和塑料按與配方匹配的餵料速度分兩段加入，米糠或稻殼在靠近擠出機頭附近加料，一次擠出成型材料；也可以按照米糠或稻殼與塑料的配比高速混合後，一起進料擠出。
擠出參數擠出機轉速200rpm；餵料速度30rpm；各段的溫度參數如下
基本配方如下
本發明所得到的複合材料，可以象木材一樣進行加工，無缺口衝擊強度在20-30kJ/m2，缺口衝擊性能大於9kJ/m2。拉伸強度在15MPa以上，斷裂伸長率達到90％，拉伸模量達到120MPa。材料表面光滑，尺寸穩定性優於一般的聚烯烴材料，如HDPE。
稻穀殼或者米糠作為填充和增強材料具有潛在的優勢。它資源豐富，價格低廉；密度比無機纖維小，複合材料加工時耗能少，有利於節約能源；且成型工藝簡單，在生產和使用中不會向周圍環境散發對人類健康不利的揮發物，而且還可回收二次利用，是一種生態潔淨的複合材料，而它最突出的優點是具有生物降解性和可再生性，這是其他增強材料無法比擬的。
圖1為稻殼的熱失重分析圖。
具體實施例方式
通過以下實施例對本發明作進一步闡述，但並限制本發明的保護範圍。
實施例1稻殼4Kg，在高溫150℃左右下，加熱烘一小時。在23℃下用重量百分比為10％的NaOH溶液浸泡48h來處理以除果膠、木素、半纖維素等低分子雜質，以及熱處理中的熱分解產物；隨後在110℃烘乾5小時至乾燥。在以上烘乾的稻殼中加入苯甲酸80克，硬脂酸50克，矽烷偶聯劑(A151)40克。加入6Kg回收PET瓶片(聚對苯二甲酸乙二醇酯)(來自紫江工業集團瓶業公司)在高速混合機中常溫混合10分鐘後，物料全部加入除溼乾燥機在110℃除溼乾燥4小時後用雙螺杆擠出機擠出。
擠出機各段溫度設置為
轉速160rpm；餵料速度30rpm擠出料經注塑後成標準樣條進行測試。製得的材料無缺口衝擊性能為40kJ/m2，缺口衝擊性能為16kJ/m2，拉伸強度為20MPa，斷裂伸長率為50％。
實施例2稻殼4Kg，在高溫150℃左右下，加熱烘一小時。在23℃下用重量百分比為10％的NaOH溶液浸泡48h來處理以除果膠、木素、半纖維素等低分子雜質，以及熱處理中的熱分解產物；隨後在110℃烘乾5小時至乾燥。在以上烘乾的稻殼中加入冰醋酸80克，硬脂酸50克，矽烷偶聯劑(A171)40克。加入6Kg聚乙烯樹脂，在高速混合機中常溫混合10分鐘後，物料全部加入除溼乾燥機在110℃除溼乾燥4小時後用雙螺杆擠出機擠出。
各段溫度
轉速100rpm；餵料速度9rpm。
擠出料經注塑後成標準樣條進行測試。製得的材料無缺口衝擊性能為25kJ/m2，缺口衝擊性能為9kJ/m2，拉伸強度為14MPa，斷裂伸長率為90％。
實施例3稻殼4Kg，在高溫150℃左右下，加熱烘一小時。在23℃下用重量百分比為10％的NaOH溶液浸泡48h來處理以除果膠、木素、半纖維素等低分子雜質，以及熱處理中的熱分解產物；隨後在110℃烘乾5小時至乾燥。在以上烘乾的稻殼中加入冰醋酸80克，硬脂酸50克，矽烷偶聯劑(A171)40克。此批物料為物料1。
6Kg聚乙烯樹脂，在真空乾燥箱中在110℃乾燥4小時，此物料為物料2。物料2在擠出機遠離模口的一段餵料區進行餵料，物料1在距離擠出機模口較近的餵料口(相當與螺杆的第二加熱段)餵料，用雙螺杆擠出機擠出。
各段溫度
轉速100rpm；餵料速度9rpm。
擠出料經注塑後成標準樣條進行測試。製得的材料無缺口衝擊性能為30kJ/m2，缺口衝擊性能為15kJ/m2，拉伸強度為16MPa，斷裂伸長率為110％。
權利要求
1.一種「塑料木材」的製備方法，其特徵在於，所述的方法包括如下步驟步驟一稻穀殼或者米糠的預處理1)熱處理在高溫150℃左右下，將稻穀殼或米糠加熱烘一小時；2)鹼處理將經過熱處理的稻穀殼或米糠，在23℃下用重量百分比為10％的NaOH溶液浸泡48h，隨後在110℃烘乾5小時至乾燥；3)表面改性在以上烘乾的穀殼或米糠每100重量份中加入苯甲酸或者冰醋酸1～6份，硬脂酸1～10份，矽烷偶聯劑1～5份後經高速混合機混合備用；步驟二將稻穀殼或米糠與熱塑性塑料混合處理後，加入雙螺杆擠出機擠出，其中，原料的重量配比為稻穀殼或者米糠∶熱塑性塑料＝(30-60)∶(40-70)。
2.如權利要求1所述的「塑料木材」的製備方法，其特徵在於，上述方法的步驟二為將稻穀殼或米糠與熱塑性塑料分兩段加入，先加入塑料，稻穀殼或米糠在靠近擠出機頭附近加料，一次擠出成型材料。
3.如權利要求1或2所述的「塑料木材」的製備方法，其特徵在於，所述熱塑性塑料，為回收的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)或者聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯中的一種為主體，添加了助劑的廢舊塑料。
4.如權利要求1或2所述的「塑料木材」的製備方法，其特徵在於，在步驟一第3)步中，所述的矽烷偶聯劑選用以下中的一種A151 A171 A172
5.如權利要求1或2所述的「塑料木材」的製備方法，其特徵在於，在步驟一第3)步中，所述的偶聯劑為鈦酸酯偶聯劑。
6.如權利要求1或2所述的「塑料木材」的製備方法，其特徵在於，稻穀殼的最佳熱穩定加工區間在150-180℃。
全文摘要
本發明涉及一種用稻穀殼或者米糠製備「塑料木材」的方法。它以回收聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)或者聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯為主體，加入其它助劑，通過雙螺杆擠出機造粒後，注塑或者壓制而成各種異型材。利用該技術可生產類似木材的建築材料，這裡稱之為「塑料木材」。它可以加工成各種所需的木材的形狀，像天然木材一樣具有很好的可加工性，其性能要優於天然的木材。最突出的優點是具有生物降解性和可再生性，這是其他增強材料無法比擬的。
文檔編號C08L67/03GK1709970SQ20051002637
公開日2005年12月21日 申請日期2005年6月1日 優先權日2005年6月1日
發明者郭衛紅, 湯先文, 吳馳飛, 彭勇, 張喜亮, 李慧, 韓煒, 殷國蓉, 張洪生 申請人:華東理工大學