塑木金屬複合結構材料及其生產方法
2023-08-22 07:32:41
專利名稱：塑木金屬複合結構材料及其生產方法
技術領域：
本發明涉及一種複合結構材料，尤其是一種塑木金屬複合結構材料及其生產方法。
目前，塑木材料作為一種新型綠色環保產品，在世界上已有較大範圍的應用。現有的生產技術普遍採用將廢舊熱塑性塑料和廢舊木質纖維以一定的比例混合，再向其中添加粘合劑和添加劑，使用傳統的擠出機和模具，採用擠出成型法，經高溫、高壓製成高密度結構型材，並且所用的擠出成型原料之一的聚烯烴塑料需要經過嚴格的分等、分級和分揀，要求其分子量的離散度小，這樣分子量較為一致的聚烯烴與使用偶聯劑改性處理過的木質纖維(如木屑、植物杆莖和稻殼等)粉粒在加溫加壓的條件下，由螺杆擠出成型，獲得塑木複合製品。採用現有的擠出成型法製成的塑木複合材料存在以下主要缺陷1.由於廢舊塑料的等級要求嚴格，對分子量離散度高的聚烯烴難以加工，因此現有擠出成型工藝對所需原料有所限制，使所用的聚烯烴原料被限定在比較窄的範圍內；2.擠出效率低，僅為0.1～0.3米/分鐘，這樣勢必造成產品的成本較高；3.所得製品的抗壓、抗彎曲強度差。
中國專利CN1096730A公開了一種塑鋼木複合材料及其製造方法，將除樹皮、樹根、樹梢以外的木材軋製成片狀，注入樹脂，可加入尼龍纖維等材料作為加強筋，進行多層疊加、模壓成型和加壓固化製成不同形狀、規格的塑鋼木型材。該發明採用的製造方法包括以下工藝步驟a.木材預加工成型；b.木材預處理；c.樹脂注入；d.初壓成型；e.樹脂固化。其中步驟d的初壓成型採用的是初步模壓成型方法，根據所需型材的形狀、大小和厚度等要求，將注入樹脂尚未固化的片狀木材多層迭加，為了加強其強度，還可以在片狀木材之間加入作為加強筋的纖維(如尼龍纖維、尼龍網片、碳纖維等)，再根據所需型材所制的模具分別固定於模具固定裝置上，調整好相對位置，再將迭放好的進入樹脂尚未固化的片狀木材作為毛坯料放入模具中，然後加壓，在加壓過程中保持一定頻率的振動，起到振搗的作用，最後初步模壓成型。該發明所用的原料為木材，所以仍然解決不了目前木材資源的嚴重緊缺問題，而且產品的成本也比較高；另外，其為了加強其強度，加入了作為加強筋的纖維，所得產品的強度也不是非常理想。
中國專利CN2269954Y公開了一種具有金屬絲、筋網格內增強的硬塑鋼複合材料，該實用新型採用在塑料材料內置入若干層金屬絲、筋網格型材，以解決普通塑料製品的綜合機械性能。該實用新型的技術方案為將金屬絲、筋彎曲拼接後製成金屬網格材料，再將金屬網格材料製成網格型材，然後將該網格型材置入擠塑、注塑或塘塑等專用模具內，與塑料材料合二為一成為硬塑鋼複合材料。中國專利CN1036982C也公開了一種鋼板網增強的硬塑鋼產品的製造技術，通過在塑料產品的塑料材質內加入了一經自增強處理(冷拉、冷軋、冷彎)的鋼板網規格型材做骨架，以提高原有塑料產品的剛度、降低撓度、提高耐壓和抗裂性能。由於在結構材料的複合過程中，金屬材料與塑料的熱性能之間存在較大的差異，製品冷卻後必然會由於應力的作用而造成其脆性開裂，但是以上兩篇專利中又均未公開任何解決該技術問題的技術手段，因此所製得的塑鋼塑木金屬複合結構材料易發生捲曲和開裂現象，以致造成產品的使用壽命大為縮短。
本發明的塑木金屬複合結構材料包括基體材料、增強粉粒、改性劑和金屬構件，其中基體材料與增強粉粒的重量比例在90∶10～40∶60之間，金屬構件重量佔複合結構材料總重量的5～15％。
本發明所用基體材料為熱塑性的塑料、廢塑料或其混合物，所用增強粉粒為木質纖維和/或粉煤灰混合物。所用改性劑選自由改性劑A、改性劑B、改性劑C、改性劑D和改性劑E組成的組，其中改性劑A選自由弱酸性鹽類和弱鹼性鹽類組成的組；改性劑B選自由鈦酸酯類偶聯劑、鋁鈦複合型偶聯劑、分散劑和偶聯物質溶劑組成的組；改性劑C選自由稀土材料和納米材料組成的組；改性劑D選自由抗氧劑、光熱穩定劑、成核劑、交聯劑和阻燃劑組成的組；改性劑E為金屬鈍化劑。
本發明的塑木金屬複合結構材料生產方法，包括以下步驟a.將基體材料與增強粉粒進行混合，加入改性劑A，其中基體材料為熱塑性的塑料、廢塑料或其混合物，增強粉粒為木質纖維和/或工業廢棄物粉煤灰，基體材料與增強粉粒加入量的重量比例為90∶10～40∶60，改性劑A選自由弱酸性鹽類和弱鹼性鹽類組成的組；b.將步驟a所得混合物料放入高混機進行攪拌，溫度升至80～140℃時，加入改性劑B，其中改性劑B選自由鈦酸酯類偶聯劑、鋁鈦複合型偶聯劑、分散劑和偶聯物質溶劑組成的組；c.當溫度升至120～160℃時，將步驟b所得物料放入低混機，在溫度30～60℃之間進行冷卻、攪拌，並加入改性劑C、改性劑D和改性劑E，其中改性劑C選自由稀土材料和納米材料組成的組，改性劑D選自由抗氧劑、光熱穩定劑、交聯劑、成核劑和阻燃劑組成的組，改性劑E為金屬鈍化劑；d.將步驟c所得到的改性混合物，放入擠出機中，在100～200℃之間進行加熱、加壓擠出物料，該擠出物料經熔融塑化後呈彈粘體；e.將金屬材料預製定型為金屬構件，該金屬構件重量佔複合結構材料總重量的5～15％，接著將所述金屬構件進行表面處理，在構件表面壓制溝槽，然後將所述金屬構件置入模壓模具或注射模具的模芯內，作為產品的增強構件；f.將步驟d所得到的彈粘體放入所述模芯中，接著啟動液壓機或注射泵，然後合模、加壓、冷卻定型取出產品。
本發明的另外一種塑木金屬複合結構材料生產方法，包括以下步驟a.將增強粉粒放入高混機進行攪拌，同時加入改性劑A和改性劑B，其中所述增強粉粒為木質纖維和/或工業廢棄物粉煤灰，該改性劑A選自由弱酸鹽類和弱鹼性鹽類組成的組，改性劑B選自由鈦酸酯類偶聯劑、鋁鈦複合型偶聯劑、分散劑和偶聯物質溶劑組成的組；b.向基體材料中加入改性劑C、改性劑D和改性劑E，然後與步驟a所得物料進行攪拌混合，其中基體材料為熱塑性的塑料、廢塑料或其混合物，該基體材料與增強粉粒加入量的重量比例為90∶10～40∶60，改性劑C選自由稀土材料和納米材料組成的組，改性劑D選自由抗氧劑、光熱穩定劑、交聯劑、成核劑和阻燃劑組成的組，改性劑E為金屬鈍化劑；c.將步驟b所得到的改性混合物，放入擠出機中，在100～200℃之間進行加熱、加壓擠出物料，擠出物料經熔融塑化後呈彈粘體；d.將金屬材料預製定型為金屬構件，該金屬構件重量佔複合結構材料總重量的5～15％，接著將該金屬構件進行表面處理，在構件表面壓制溝槽，然後將該金屬構件置入模壓模具或注射模具的模芯內，作為產品的增強構件；e.將步驟c所得到的彈粘體放入所述模芯中，接著啟動液壓機或注射泵，然後合模、加壓、冷卻定型取出產品。
本發明的塑木金屬複合結構材料及其生產方法與現有技術相比，具有以下特點和優點1.實現了熱塑性廢塑料與木質纖維和/或工業廢棄物粉煤灰、金屬材料的多元複合，生產出了具有高抗壓、高抗彎曲強度的環保型塑木金屬複合結構材料。
2.採用的經過改性處理的木質纖維和/或工業廢棄物粉煤灰與金屬材料構件共同形成了增強體系，使生產出的塑木金屬複合結構材料的抗壓、抗彎曲強度提高了2～5倍。
3.採用模壓工藝一次法生產塑木金屬複合結構材料，在改性劑的作用下，將熱塑性廢塑料與木質纖維和/或工業廢棄物粉煤灰共混，直接熔融為彈性物料，該工藝過程不需要造粒後，再加熱熔融，從而減少了高聚物的降解，節約了生產成本。
4.提高了熱塑性廢塑料的利用程度，解決了廢舊塑料造成的白色汙染，具有顯著的環保效益。
5.本發明的複合結構材料的廢舊製品，經過破碎後，金屬構件可回收利用，基體樹脂和增強粉粒可作聚烯烴樹脂加工的填料，廢舊製品可100％回收利用，不會產生新的環境汙染源。
在對熱塑性廢塑料和增強粉粒進行改性處理時，由於回收廢舊塑料的聚烯烴品種、規格和分子量是非一致性的，部分雜質的低分子或高聚物易斷裂的鏈段進入大分子鏈，形成了「弱鍵」，儘管這些弱鍵的數目較少，卻嚴重地影響整個體系的結構性能。同時，由於基體樹脂與增強粉粒之間存在很大差異，相互之間的粘接作用差，故在如此的多元複合的界面中存在著複雜的、多變的物理反應和化學反應，僅採用單一的技術措施難以達到多元複合材料的力學性能，因此本發明採用了複合與共混的技術，對熱塑性廢塑料和增強粉粒進行多方位、長進程的改性處理，以便綜合提高結構材料的剛性和韌性。改性劑的綜合效應要充分考慮到塑木金屬多元複合界面的化學性能匹配、酸鹼平衡、熱性能與冷卻結晶、物理幾何形狀等因素，優化多元複合界面的結構性能。
在製造本發明的塑木金屬複合結構材料的多元複合過程中，由於金屬構件與彈粘體物料間的熱性能存在差異，引起製品的捲曲、開裂現象嚴重，因此將物料的改性處理與金屬構件的正確置入方法相結合是致關重要的，只有兩者有機地結合，才能夠消除複合界面的應力，全面地提高整個體系的結構強度。
為了實現上述目的，本發明是通過採用以下技術措施解決了現有技術中存在技術問題1.在塑木金屬複合結構材料體系中形成互穿網絡。採用鈦酸酯和鋁鈦複合型偶聯劑雜化改性處理物料，促使作為本發明所用原料的增強粉粒表面形成與熱塑性廢塑料相同或相似的基團，以增加整個體系的相容性，偶聯劑一端以化學鍵與增強粉粒粘結，另一端擴散於熱塑性廢塑料中，與大分子鏈形成高聚物互穿網絡(IPN)，實現了熱塑性廢塑料和增強粉粒之間更好地互相浸潤和互相粘結。
2.調節塑木金屬複合結構材料體系內的酸鹼平衡。由於木質纖維顯弱酸性，同時加入的聚烯烴抗氧劑、光熱穩定劑等也殘留一定的酸鹼性物質，因此在本發明的改性處理過程中，適量加入弱酸性或弱鹼性鹽類的超細粉末，以調節複合界面的酸鹼平衡，使得整個體系電子或離子的斥引力達到良好的匹配。
3.向塑木金屬複合結構材料體系內引入了化學鍵。由於複合界面的粘結僅有分子間力是不夠的，還需引入化學鍵以增強粘接作用，通過加入適量的稀土材料如釹或鐠的氧化物，因為稀土金屬氧化物的表面活化能低，具有配位鍵，可提高界面的浸潤程度，加快界面的應力傳遞速度。
4.在塑木金屬複合結構材料體系內形成了「核-殼粒子」。由於本發明中採用的改性劑含有聚烯烴蠟和偶聯物質溶劑，促使偶聯劑提高分散程度，這樣高分散性的偶聯劑就會包覆在增強粉粒表面，因而在體系內形成核-殼粒子，使得整個體系不降低剛性，同時又增強了韌性。
5.向塑木金屬複合結構材料體系內引入可熱塑性界面層。由於金屬構件的置入，整個體系的剛性大幅度增強，但又由於金屬構件與高聚物的熱性能是不一致的，當該塑木金屬複合結構材料製品冷卻後，應力會造成其脆性開裂，因此本發明採用了具有量子效應的納米材料，以形成分子級複合，從而在金屬構件與粘彈物料之間引入了可熱塑性的界面層，消除應力引起的脆性斷裂。納米材料由硬脂酸改性劑處理。表面有限鈍化，減少納米材料自身團聚傾向。同時採取降低彈粘體物料在模芯內冷卻速度的技術措施，減少應力的產生。
此外，金屬構件在本發明的塑木金屬複合結構材料中起著極為重要的增強作用。經過改性處理後熱塑性廢塑料與增強粉粒共混熔融後呈彈粘體，該彈粘體物料在模壓的高剪切作用下，在置入模芯的金屬構件邊界區域形成了複合界面，在這個區域的大分子鏈受剪切力作用下，伸直取向；當冷卻結晶時，拉伸取向明顯的分子鏈聚集在一起，形成纖維結晶，而拉伸取向程度差的分子鏈在結晶核上折迭聚集成晶片，晶片排列與物料流動方向垂直，這就是所謂的「羊肉串」結構形態，金屬構件在這樣的結構形態中會發揮超高的增強性能。
因此，金屬構件在複合界面中存在雙重作用一是支撐晶片的有序排列，從而迅速地傳遞和分散應力；二是金屬的自由電子鈍化作用，引發熱塑性廢塑料的降解和老化，因而本發明在所用的改性劑中添加了金屬鈍化劑。
由於在模壓工藝中存在高剪切力的作用，金屬構件在模芯內相對滑動，造成複合界面的撕裂，因此本發明採取了以下技術措施予以克服該技術難題1.將金屬構件進行表面處理。採用機械力，在構件表面壓制溝槽，以增加金屬構件與粘彈物料間的接觸面積，從而在兩者之間產生較大的摩擦力。
2.金屬構件所用的金屬材料選自鐵、銅和鋁等金屬，最好為金屬鐵，金屬構件形狀可製成線狀、層狀、網狀或螺旋狀。
3.金屬構件在本發明的塑木金屬複合結構材料產品中位置為產品中邊、角和應力集中部位，且在所述部位的幾何中心呈軸對稱放置，平衡了金屬材料與塑木材料收縮率不一致而導致的內應力，消除了多元複合材料的捲曲現象。
4.在生產塑木金屬複合結構材料的模具的模芯中，設置了金屬材料構件的固定裝置和嵌入裝置。其中固定裝置插入彈粘體物料的內部，使其對金屬構件的鎖緊力與金屬構件可能滑動的推力相平衡，因而儘管模壓時會產生高剪切力，但金屬構件在模芯中的位置還是相對穩定的，不發生漂浮或移動。而當物料冷卻後，嵌入裝置則會消除這種鎖緊力，以使金屬構件能夠置於本發明塑木金屬複合結構材料製品的設計部位。
採用本發明的塑木金屬複合結構材料可以用於製造承載物託盤、貨櫃底板、玻璃器皿包裝材料、彈藥包裝材料、大型塑木園林花盆和海灘休閒椅等等。
本發明的塑木金屬複合結構材料包括基體材料、增強粉粒、改性劑和金屬構件，其中基體材料與增強粉粒的重量比例在90∶10～40∶60之間。
本發明所用基體材料為熱塑性的塑料、廢塑料或其混合物，更好為聚烯烴，最好為聚乙烯和/或聚丙烯。
本發明所用增強粉粒為木質纖維和/或工業廢棄物粉煤灰，最好為顆粒度在60～200目之間的木屑、植物杆莖或稻殼粉粒。
本發明所用改性劑選自由改性劑A、改性劑B、改性劑C、改性劑D和改性劑E組成的組。該改性劑A選自由弱酸性鹽類和弱鹼性鹽類組成的組，弱酸性鹽類最好為氯化銨，弱鹼性鹽類最好為碳酸氫鈉或乙酸鈉；該改性劑B選自由鈦酸酯類偶聯劑、鋁鈦複合型偶聯劑、分散劑和偶聯物質溶劑組成的組，其中鈦酸酯類偶聯劑最好為單烷氧基焦磷酸酯類鈦酸酯類偶聯劑或螯合型鈦酸酯類偶聯劑，分散劑最好為聚烯烴蠟，偶聯物質溶劑最好為礦物油；該改性劑C選自由稀土材料和納米材料組成的組，其中稀土材料最好為釹或鐠的氧化物，納米材料最好為平均粒徑在40nm～100nm之間的納米碳酸鈣，該納米碳酸鈣可經過硬脂酸表面有限鈍化處理；該改性劑D選自由抗氧劑、光熱穩定劑、成核劑、交聯劑和阻燃劑組成的組；該改性劑E為金屬鈍化劑。
本發明所用金屬材料為鐵、銅或鋁，最好為鐵。
本發明的塑木金屬複合結構材料生產方法，包括以下步驟a.將增強粉粒進行乾燥預處理，所用乾燥溫度在40～100℃之間，最好在60～80℃之間，乾燥5～60分鐘，最好為10～30分鐘，水分控制在重量百分比1～10％之間，最好為3～5％之間，其中該增強粉粒為木質纖維和/或工業廢棄物粉煤灰，木質纖維最好為顆粒度在60～200目之間的木屑、植物杆莖或稻殼粉粒；b.將基體材料與步驟a得到的增強粉粒進行混合，同時加入改性劑A，調節酸鹼平衡，其中該基體材料與增強粉粒加入量的重量比例為90∶10～40∶60，基體材料為熱塑性的塑料、廢塑料或其混合物，更好為聚烯烴，最好為聚乙烯和/或聚丙烯，改性劑A選自由弱酸性鹽類和弱鹼性鹽類組成的組，弱酸性鹽類最好為氯化銨，弱鹼性鹽類最好為碳酸氫鈉或乙酸鈉；c.將步驟b所得混合物料放入高混機進行攪拌，溫度升至80～140℃時，加入改性劑B，其中改性劑B選自由鈦酸酯類偶聯劑、鋁鈦複合型偶聯劑、分散劑和偶聯物質溶劑組成的組，其中鈦酸酯類偶聯劑最好為單烷氧基焦磷酸酯類鈦酸酯類偶聯劑、或螯合型鈦酸酯類偶聯劑，分散劑最好為聚烯烴蠟，偶聯物質溶劑最好為礦物油；d.當溫度升至120～160℃時，將步驟b所得物料放入低混機，在溫度30～60℃之間進行冷卻、攪拌，並加入改性劑C、改性劑D和改性劑E，其中改性劑C選自由稀土材料和納米材料組成的組，稀土材料最好為釹或鐠的氧化物，納米材料最好為平均粒徑在40nm～100nm之間的納米碳酸鈣，該納米碳酸鈣可進行硬脂酸表面有限鈍化處理；該改性劑D選自由抗氧劑、光熱穩定劑、成核劑、交聯劑和阻燃劑組成的組；該改性劑E為金屬鈍化劑；
e.將步驟d所得到的改性混合物，放入塑木專用擠出機中，在100～200℃之間，最好在140～180℃之間進行加熱、加壓擠出物料，擠出物料經熔融塑化後呈彈粘體；f.將金屬材料預製定型為金屬構件，接著將該金屬構件進行表面處理，在構件表面壓制溝槽，然後將該金屬構件置入模壓模具或注射模具的模芯內，作為產品的增強構件，其中在模芯內設置有固定裝置和嵌入裝置，該金屬材料為鐵、銅或鋁，最好為鐵，所壓制的溝槽為三維螺紋或螺旋形螺紋；g.將步驟e所得到的彈粘體放入模芯中，接著啟動液壓機或注射泵，然後合模、加壓、冷卻定型取出產品，其中壓力在5～50Mpa之間，最好在10～30MP之間，冷卻溫度在20～60℃之間，最好控制在30～40℃之間；h.將步驟g所得的產品進行退模、頂出、修邊和整理得到成品。
本發明的另外一種塑木金屬複合結構材料生產方法，包括以下步驟a.將增強粉粒放入高混機進行攪拌，同時加入改性劑A和改性劑B，其中該增強粉粒為木質纖維和/或工業廢棄物粉煤灰，木質纖維最好為顆粒度在60～200目之間的木屑、植物杆莖或稻殼粉粒；該改性劑A選自由弱酸鹽類和弱鹼性鹽類組成的組，弱酸性鹽類最好為氯化銨，弱鹼性鹽類最好為碳酸氫鈉或乙酸鈉；該改性劑B選自由鈦酸酯類偶聯劑、鋁鈦複合型偶聯劑、分散劑和偶聯物質溶劑組成的組，其中鈦酸酯類偶聯劑最好為單烷氧基焦磷酸酯類鈦酸酯類偶聯劑、或螯合型鈦酸酯類偶聯劑，分散劑最好為聚烯烴蠟，偶聯物質溶劑最好為礦物油；
b.向基體材料中加入改性劑C、改性劑D和改性劑E，然後與步驟a所得物料進行攪拌混合，其中基體材料為熱塑性的塑料、廢塑料或其混合物，基體材料與所述增強粉粒加入量的重量比例為90∶10～40∶60；該改性劑C選自由稀土材料和納米材料組成的組，稀土材料最好為釹或鐠的氧化物，納米材料最好為平均粒徑在40nm～100nm之間的納米碳酸鈣，該納米碳酸鈣可進行硬脂酸表面有限鈍化處理；該改性劑D選自由抗氧劑、光熱穩定劑、成核劑、交聯劑和阻燃劑組成的組；該改性劑E為金屬鈍化劑；c.將步驟b所得到的改性混合物，放入塑木專用擠出機中，在100～200℃之間，最好在140～180℃之間，進行加熱、加壓擠出物料，其中口模壓力在10～30Mpa之間，螺杆轉速在30～50轉/分之間，擠出物料經熔融塑化後呈彈粘體；d.將金屬材料預製定型為金屬構件，該金屬構件重量佔複合結構材料總重量的5～15％，接著將該金屬構件進行表面處理，採用機械力在構件表面壓制溝槽，然後將該金屬構件置入模壓模具或注射模具的模芯內，作為產品的增強構件，其中該模芯內設置有固定裝置和嵌入裝置，該金屬材料為鐵、銅或鋁，最好為鐵，所壓制的溝槽為三維螺紋或螺旋形螺紋；e.將步驟c所得到的彈粘體放入所述模芯中，接著啟動液壓機或注射泵，然後合模、加壓、冷卻定型取出產品，其中壓力在5～50MPa之間，最好在10～30MPa之間，冷卻溫度在20～60℃之間，最好在30～40℃之間；f.將步驟e所得的產品進行退模、頂出、修邊和整理得到成品。
下面結合實施例，對本發明進行進一步闡述，並且不會因此限制本發明的保護範圍。
採取下列實施例的方法生產出塑木金屬複合結構材料A、B、C、D、E和F。
實施例1a.將顆粒度為80目的木屑粉粒進行乾燥預處理，在80℃溫度下，乾燥10分鐘，水分控制在重量百分比為4％；b.將聚乙烯廢舊垃圾袋清洗破碎後與步驟a所得物料進行混合，同時加入氯化銨，其中聚乙烯廢塑料與木屑的加入量重量比例為70∶30；c.將步驟b所得混合物料放入高混機進行攪拌，溫度升至90℃時，加入單烷氧基焦磷酸酯類鈦酸酯類偶聯劑、鋁鈦複合型偶聯劑、聚乙烯蠟和HK輕脫油；d.當溫度升至120℃時，將步驟c所得物料放入低混機，在溫度30℃下進行冷卻，並加入抗氧劑1010、光穩定劑-744、交聯劑過氧化叔丁基異丙苯、阻燃劑磷酸三苯酯、金屬純化劑雙苯基草醯二胺、顆粒度為400目的釹的氧化物、經硬脂酸改性的平均顆粒度為40nm納米碳酸鈣，攪拌8分鐘；e.將步驟d所得到的改性混合物，放入塑木專用擠出機中，在120℃下進行加熱、加壓擠出物料，該擠出物料經熔融塑化後呈彈粘體，其中該擠出機的長徑比為1∶32，壓縮段溫度為140℃，口模溫度為165℃，螺杆轉速為32轉/分；f.將金屬鐵預製定型為金屬構件，金屬構件重量佔製品總重量的10％，接著將該金屬構件進行表面處理，採用機械力在構件表面壓制三維螺紋形的溝槽，然後將該金屬構件置入模壓模具的模芯內，作為產品的增強構件，其中在該模芯內設置有固定裝置和嵌入裝置；g.將步驟e所得到的彈粘體放入模芯中，接著啟動液壓機，然後合模、加壓、冷卻定型取出產品，壓力為20MPa，冷卻溫度為30℃；h.將步驟g所得的產品進行退模、頂出、修邊和整理得到成品。
由以上步驟製得塑木金屬複合結構材料A，其為1100×100×60mm工字梁，堆碼試驗(1200kg，24小時)抗彎強度撓曲度值為1.9mm、撓曲度殘餘值為0.76mm。
另外，經過長期使用後的廢舊塑木金屬複合結構材料A，可用鱷式破碎機破碎，鐵構件分離後，回收利用，剩餘物可作為聚乙烯加工的填料。
實施例2a.將顆粒度為150目的植物杆莖粉粒進行乾燥預處理，在60℃溫度下，乾燥50分鐘，水分控制在重量百分比為3％；b.將聚乙烯廢農膜碎片與步驟a所得物料進行混合，同時加入碳酸氫鈉，其中聚乙烯廢塑料與植物杆莖粉粒的加入量重量比例為80∶20；c.將步驟b所得混合物料放入高混機進行攪拌，溫度升至95℃時，加入螯合型鈦酸酯偶聯劑、鋁鈦複合型偶聯劑、聚乙烯蠟、環烷基YT-10礦物油；d.當溫度升至140℃時，將步驟c所得物料放入低混機，在溫度40℃下進行冷卻，並加入抗氧劑2246、輔助抗氧劑168、光熱穩定劑770、阻燃劑TPP、金屬銅鈍化劑N-水楊醯-N』-乙醯肼、顆粒度為400目的鐠的氧化物，以及經硬脂酸改性處理的顆粒度為80nm的納米碳酸鈣，攪拌15分鐘；e.將步驟d所得到的改性混合物，放入塑木專用擠出機中，在160℃下進行加熱、加壓擠出物料，所述擠出物料經熔融塑化後呈彈粘體，其中所述擠出機的長徑比為1∶32，螺杆轉速為35轉/分；f.將金屬銅預製定型為金屬構件，該銅構件重量佔製品總重量的12％。接著將所述金屬構件進行表面處理，採用機械力在構件表面壓制螺旋形溝槽，然後將所述金屬構件置入模壓模具的模芯內，作為產品的增強構件，其中在該模芯內設置有固定裝置和嵌入裝置；g.將步驟e所得到的彈粘體放入所述模芯中，接著啟動液壓機，然後合模、加壓、冷卻定型取出產品，壓力為15MPa，冷卻溫度為32℃；h.將步驟g所得的產品進行退模、頂出、修邊和整理得到成品。
由以上步驟製得塑木金屬複合結構材料B，其為1100×100×60工字梁，堆碼試驗(1200kg，24小時)抗彎強度撓曲度值為2.3mm，撓曲度殘餘值為0.36mm。
另外，經過長期使用後的廢舊塑木金屬複合結構材料B，可用鱷式破碎機破碎，銅構件分離後，回收利用，剩餘物可作為聚乙烯加工的填料。
實施例3a.將顆粒度為200目的稻殼粉粒進行乾燥預處理，在60℃溫度下，乾燥20分鐘，水分控制在重量百分比為7％；
b.將聚丙烯廢包裝袋破碎料與步驟a所得物料進行混合，同時加入乙酸鈉，聚丙烯廢塑料與稻殼粉粒的加入量重量比例為50∶50；c.將步驟b所得混合物料放入高混機進行攪拌，溫度升至140℃時，加入螯合型鈦酸酯偶聯劑、鋁鈦複合型偶聯劑、聚丙烯蠟和環烷基YT-10礦物油；d.當溫度升至160℃時，將步驟c所得物料放入低混機，在溫度60℃之間進行冷卻，並加入抗氧劑1010、輔助抗氧劑618、成核劑EDBS、阻燃劑TPP，金屬鈍化劑DNP、顆粒度為400目的釹的氧化物，經硬脂酸表面有限鈍化處理的平均粒度為100nm的納米碳酸鈣，攪拌45分鐘；e.將步驟d所得到的改性混合物，放入塑木專用擠出機中，在180℃進行加熱、加壓擠出物料，所述擠出物料經熔融塑化後呈彈粘體，其中擠出機的壓縮比為1∶32，螺杆轉速為32轉/分；f.將金屬鋁預製定型為金屬構件，鋁構件重量佔製品總重量的6％，接著將所述鋁構件進行表面處理，採用機械力在構件表面壓制螺旋形溝槽，然後將所述鋁構件置入注射模具的模芯內，作為產品的增強構件，其中在該模芯內設置有固定裝置和嵌入裝置；g.將步驟e所得到的彈粘體放入模芯中，接著啟動注射泵，然後合模、加壓、冷卻定型取出產品，其中壓力為10MPa，冷卻溫度為45℃；h.將步驟g所得的產品進行退模、頂出、修邊和整理得到成品。
由以上步驟製得塑木金屬複合結構材料C，其為1100×100×60工字梁，堆碼試驗(1200kg，24小時)抗彎強度撓曲度值為2.2mm，撓曲度殘餘值為0.9mm。
另外，經過長期使用後的廢舊塑木金屬複合結構材料C，可用鱷式破碎機破碎，鋁構件分離後，回收利用，剩餘物可作為聚丙烯加工的填料。
實施例4a.將顆粒度為80目的木屑粉粒與顆粒度為200目的碳酸氫鈣粉粒混合後，放入高混機進行攪拌，同時加入單烷氧基焦磷酸酯類鈦酸酯類偶聯劑、鋁鈦複合型DL-1618偶聯劑、聚乙烯蠟和HK輕脫油，攪拌10分鐘；b.向聚乙烯廢垃圾袋清洗碎片中加入抗劑1010、光熱穩定劑-770、交聯劑DCP、阻燃劑TPP、金屬鈍化劑MD-1024、顆粒度為400目的氧化釹、經硬脂酸表面有限鈍化處理的平均顆粒度為40nm的納米碳酸鈣，然後將其與步驟a所得物料進行攪拌混合，其中聚乙烯廢塑料與木屑粉粒的加入量重量比例為70∶30；c.將步驟b所得到的改性混合物，放入塑木專用擠出機中，在120℃下進行加熱、加壓擠出物料，所述擠出物料經熔融塑化後呈彈粘體，其中所述擠出機的長徑比為1∶32，螺杆轉速為32轉/分，口模溫度為150℃；d.將金屬鐵預製定型為金屬構件，鐵構件重量為製品總重量的12％，接著將所述鐵構件進行表面處理，採用機械力在構件表面壓制三維螺紋形溝槽，然後將所述鐵構件置入模壓模具的模芯內，作為產品的增強構件，其中在該模芯內設置有固定裝置和嵌入裝置；e.將步驟c所得到的彈粘體放入模芯中，接著啟動液壓機，然後合模、加壓、冷卻定型取出產品，其中壓力為20MPa，冷卻溫度為40℃；
f.將步驟e所得的產品進行退模、頂出、修邊和整理得到成品。
由以上步驟製得塑木金屬複合結構材料D，其為1100×200×30mm面板，堆碼試驗(300kg，24小時)抗彎強度撓度值為1.8mm，撓曲值殘餘值為0.12mm。
另外，經過長期使用後的廢舊塑木金屬複合結構材料D，可用鱷式破碎機破碎，鐵構件分離後，回收利用，剩餘物可作為聚乙烯加工的填料。
實施例5a.將顆粒度為150目的植物杆莖粉粒、粉煤灰與顆粒度為100目的碳酸氫鈉粉粒混合後，放入高混機進行攪拌，植物杆莖粉粒與粉煤灰重量比為50∶50，同時加入整合型磷酸酯鈦偶聯劑TMC-200S、鈦複合型偶聯劑DL-1618、聚乙烯蠟和環烷基YT-10礦物油，攪拌20分鐘；b.向聚乙烯廢電纜皮破碎料中加入抗氧劑1010、輔助抗氧劑618、光熱穩定劑770、阻燃劑TPP、金屬銅鈍化劑N-水楊醯-N』-乙醯肼、顆粒度為400目的氧化鐠、顆粒度為80目的納米碳酸鈣(經硬脂酸表面有限鈍化處理)，然後將其與步驟a所得物料進行攪拌混合，其中聚乙烯廢塑料與增強粉粒的加入量重量比例為40∶60；c.將步驟b所得到的改性混合物，放入塑木專用擠出機中，在160℃下進行加熱、加壓擠出物料，擠出物料經熔融塑化後呈彈粘體，其中擠出機的長徑比為1∶32，螺杆轉速為35轉/分，口模溫度為150℃；
d.將金屬銅預製定型為金屬構件，構件重量為製品總重量的12％，接著將該銅構件進行表面處理，採用機械力在構件表面壓制螺旋形溝槽，然後將該銅構件置入模壓模具的模芯內，作為產品的增強構件，其中在模芯內設置有固定裝置和嵌入裝置；e.將步驟c所得到的彈粘體放入模芯中，接著啟動液壓機，然後合模、加壓、冷卻定型取出產品，其中壓力為20MPa，冷卻溫度為35℃；f.將步驟e所得的產品進行退模、頂出、修邊和整理得到成品。
由以上步驟製得塑木金屬複合結構材料E，其為1100×200×30面板，堆碼試驗(300kg，24小時)抗彎強度撓曲度值為2.1mm，撓曲度殘餘值為0.1mm。
另外，經過長期使用後的廢舊塑木金屬複合結構材料E，可用鱷式破碎機破碎，銅構件分離後，回收利用，剩餘物可作為聚乙烯加工的填料。
實施例6a.將顆粒度為200目的稻殼粉粒和粉煤灰混合物放入高混機進行攪拌，稻殼粉粒與粉煤灰重量比為60∶40，同時加入顆粒度為200目的碳酸氫鈉粉粒，攪拌2分鐘，再加入單烷氧基焦磷酸酯類鈦酸酯、鋁鈦複合型偶聯劑DL-1618、聚乙烯蠟、聚丙烯蠟和HK輕脫油攪拌15分鐘；b.向聚乙烯和聚丙烯兩種廢垃圾袋清洗破碎後，加入抗氧劑1010、輔助抗氧劑618、光熱穩定劑770、交聯劑DCP、阻燃劑TPP、金屬鈍化劑DNP、顆粒度為400目的氧化釹、顆粒度為100目的納米碳酸鈣(經硬脂酸表面有限鈍化處理)，然後將其與步驟a所得物料進行攪拌混合，攪拌時間為5分鐘，聚乙烯和聚丙烯兩種廢塑料混合物與稻殼粉粒和粉煤灰的加入量重量比例為50∶50；c.將步驟b所得到的改性混合物，放入塑木專用擠出機中，在180℃下進行加熱、加壓擠出物料，該擠出物料經熔融塑化後呈彈粘體，其中擠出機的長徑比為1∶32，螺杆轉速為32轉/分，壓縮段溫度為140℃；d.將金屬鋁預製定型為金屬構件，鋁構件重量為製品總重量的6％，接著將該鋁金屬構件進行表面處理，採用機械力在構件表面壓制螺旋形溝槽，然後將鋁構件置入注射模具的模芯內，作為產品的增強構件，其中在該模芯內設置有固定裝置和嵌入裝置；e.將步驟c所得到的彈粘體放入模芯中，接著啟動注射泵，然後合模、加壓、冷卻定型取出產品，其中壓力為25MPa，冷卻溫度為40℃；f.將步驟e所得的產品進行退模、頂出、修邊和整理得到成品。
由以上步驟製得塑木金屬複合結構材料F，其為1100×200×30面板，堆碼試驗(300kg，24小時)抗彎強度撓曲度值為2.8mm，撓曲度殘餘值為1mm。
另外，經過長期使用後的廢舊塑木金屬複合結構材料F，可用鱷式破碎機破碎，鋁構件分離後，回收利用，剩餘物可作為聚乙烯、聚丙烯加工的填料。
由上述實施例1至實施例6所得塑木金屬複合結構材料產品的物化性質，更進一步體現出如下所述本發明的先進性1.實現了熱塑性廢舊塑料與增強粉粒、金屬材料的多元複合，生產出了具有高抗壓、高抗彎曲強度的環保型塑木金屬複合結構材料。
2.採用經過改性處理的增強粉粒與金屬材料構件共同形成了增強體系，提高了所生產出的塑木金屬複合結構材料的抗壓、抗彎曲強度。
3.採用模壓工藝一次法生產塑木金屬複合結構材料，在改性劑的作用下，將廢舊聚烯烴塑料與增強粉粒共混，直接熔融為彈性物料，該工藝過程不需要造粒後，再加熱熔融，從而減少了高聚物的降解，節約了生產成本。
4.從塑木金屬複合結構材料的性能方面看，其可以完全替代木質材料，容易實現產業化，可大面積地保護我國森林資源。
5.提高了熱塑性廢舊塑料的利用程度，解決了廢舊塑料造成的白色汙染，具有顯著的環保效益。
6.塑木金屬複合結構材料的廢舊製品經破碎後，可100％回收再利用，不會產生新的環境汙染源。
儘管本發明已經結合優選實施例進行了說明，但是以上實施例僅是例示性的，對於本領域的普通技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。本發明的各種更改、變化和等同物由所附的權利要求書的內容涵蓋。
權利要求
1.一種塑木金屬複合結構材料，包括基體材料，所述基體材料為熱塑性的塑料、廢塑料或其混合物；增強粉粒，所述增強粉粒為木質纖維和/或工業廢棄物粉煤灰；金屬構件；以及改性劑，所述改性劑選自由改性劑A、改性劑B、改性劑C、改性劑D和改性劑E組成的組，所述改性劑A選自由弱酸性鹽類和弱鹼性鹽類組成的組，所述改性劑B選自由鈦酸酯類偶聯劑、鋁鈦複合型偶聯劑、分散劑和偶聯物質溶劑組成的組，所述改性劑C選自由稀土材料和納米材料組成的組，所述改性劑D選自由抗氧劑、光熱穩定劑、成核劑、交聯劑和阻燃劑組成的組，所述改性劑E為金屬鈍化劑。
2.根據權利要求1所述的塑木金屬複合結構材料，其中所述熱塑性廢塑料為聚烯烴。
3.根據權利要求2所述的塑木金屬複合結構材料，其中所述聚烯烴為聚乙烯和/或聚丙烯。
4.根據權利要求1所述的塑木金屬複合結構材料，其中所述木質纖維為顆粒度在60～200目之間的木屑、植物杆莖或稻殼粉粒。
5.根據權利要求1所述的塑木金屬複合結構材料，其中所述金屬構件材料為鐵、銅或鋁，所述金屬構件重量佔所述複合結構材料總重量的5～15％。
6.根據權利要求1所述的塑木金屬複合結構材料，其中所述金屬構件材料為鐵。
7.根據權利要求1所述的塑木金屬複合結構材料，其中所述金屬構件的形狀為線狀、層狀、網狀或螺旋狀。
8.根據權利要求1所述的塑木金屬複合結構材料，其中所述金屬構件置於所述塑木金屬複合結構材料產品的邊、角和應力集中部位。
9.根據權利要求1所述的塑木金屬複合結構材料，其中所述邊、角和應力集中部位的幾何中心呈軸對稱放置。
10.根據權利要求1所述的塑木金屬複合結構材料，其中所述弱酸性鹽類為氯化銨，所述弱鹼性鹽類為碳酸氫鈉或乙酸鈉。
11.根據權利要求1所述的塑木金屬複合結構材料，其中所述鈦酸酯類偶聯劑為單烷氧基焦磷酸酯類鈦酸酯偶聯劑或螯合型鈦酸酯偶聯劑。
12.根據權利要求1所述的塑木金屬複合結構材料，其中所述分散劑為聚烯烴蠟，所述偶聯物質溶劑為礦物油，所述稀土材料為釹或鐠的氧化物，所述納米材料為平均粒徑在40nm～100nm之間的納米碳酸鈣。
13.根據權利要求1所述的塑木金屬複合結構材料，其中所述基體材料與所述增強粉粒的重量比例在90∶10～40∶60之間。
14.一種塑木金屬複合結構材料的生產方法，包括以下步驟a.將基體材料與增強粉粒進行混合，加入改性劑A，其中所述基體材料為熱塑性的塑料、廢塑料或其混合物，所述增強粉粒為木質纖維和/或工業廢棄物粉煤灰，所述基體材料與所述增強粉粒加入量的重量比例為90∶10～40∶60，所述改性劑A選自由弱酸性鹽類和弱鹼性鹽類組成的組；b.將步驟a所得混合物料放入高混機進行攪拌，溫度升至80～140℃時，加入改性劑B，其中所述改性劑B選自由鈦酸酯類偶聯劑、鋁鈦複合型偶聯劑、分散劑和偶聯物質溶劑組成的組；c.當溫度升至120～160℃時，將步驟b所得物料放入低混機，在溫度30～60℃之間進行冷卻、攪拌，並加入改性劑C、改性劑D和改性劑E，其中所述改性劑C選自由稀土材料和納米材料組成的組，所述改性劑D選自由抗氧劑、光熱穩定劑、交聯劑、成核劑和阻燃劑組成的組，所述改性劑E為金屬鈍化劑；d.將步驟c所得到的改性混合物，放入擠出機中，在100～200℃之間進行加熱、加壓擠出物料，所述擠出物料經熔融塑化後呈彈粘體；e.將金屬材料預製定型為金屬構件，所述金屬構件重量佔所述複合結構材料總重量的5～15％，接著將所述金屬構件進行表面處理，在所述金屬構件表面壓制溝槽，然後將所述金屬構件置入模壓模具或注射模具的模芯內，作為產品的增強構件；f.將步驟d所得到的彈粘體放入所述模芯中，接著啟動液壓機或注射泵，然後合模、加壓、冷卻定型取出產品。
15.根據權利要求14所述的塑木金屬複合結構材料生產方法，其中步驟e中所述模芯內設置有固定裝置和嵌入裝置。
16.一種塑木金屬複合結構材料的另一種生產方法，包括以下步驟a.將增強粉粒放入高混機進行攪拌，同時加入改性劑A和改性劑B，其中所述增強粉粒為木質纖維和/或工業廢棄物粉煤灰，所述改性劑A選自由弱酸鹽類和弱鹼性鹽類組成的組，所述改性劑B選自由鈦酸酯類偶聯劑、鋁鈦複合型偶聯劑、分散劑和偶聯物質溶劑組成的組；b.向基體材料中加入改性劑C、改性劑D和改性劑E，然後與步驟a所得物料進行攪拌混合，其中所述基體材料為熱塑性的塑料、廢塑料或其混合物，所述基體材料與所述增強粉粒加入量的重量比例為90∶10～40∶60，所述改性劑C選自由稀土材料和納米材料組成的組，所述改性劑D選自由抗氧劑、光熱穩定劑、交聯劑、成核劑和阻燃劑組成的組，所述改性劑E為金屬鈍化劑；c.將步驟b所得到的改性混合物，放入擠出機中，在100～200℃之間進行加熱、加壓擠出物料，所述擠出物料經熔融塑化後呈彈粘體；d.將金屬材料預製定型為金屬構件，所述金屬構件重量佔所述複合結構材料總重量的5～15％，接著將所述金屬構件進行表面處理，在所述金屬構件表面壓制溝槽，然後將所述金屬構件置入模壓模具或注射模具的模芯內，作為產品的增強構件；e.將步驟c所得到的彈粘體放入所述模芯中，接著啟動液壓機或注射泵，然後合模、加壓、冷卻定型取出產品。
17.根據權利要求16所述的塑木金屬複合結構材料的生產方法，其中步驟d中所述模芯內設置有固定裝置和嵌入裝置。
全文摘要
本發明涉及一種塑木金屬複合結構材料及其生產方法，該塑木金屬複合結構材料，包括基體材料、增強粉粒、金屬構件和改性劑，其中基體材料與增強粉粒的重量比例在90∶10～40∶60之間。本發明的方法實現了熱塑性廢塑料與增強粉粒和金屬材料的多元複合，生產出了具有高抗壓、高抗彎曲強度的塑木金屬複合結構材料，並且提高了熱塑性廢舊塑料的利用程度，有助於解決廢舊塑料造成的白色汙染，具有顯著的環保效益。另外，本發明的複合結構材料的製品經過長期使用變得廢舊後，將其破碎，可以100％回收利用，不會產生新的環境汙染源。
文檔編號B29C70/74GK1467075SQ03136938
公開日2004年1月14日 申請日期2003年5月23日 優先權日2003年5月23日
發明者張書證, 金紹培 申請人:張書證, 金紹培