一種新型阻燃木塑複合材料的製作方法
2023-09-20 07:35:50
本發明涉及一種新型阻燃木塑複合材料，屬於木塑複合材料技術領域。
背景技術：
木塑複合材料(Wood-Plastic Composites，WPC)是採用熱塑性塑料材料作為基體，以預處理的植物粉末或木纖維作為填料或增強體，按一定比例與添加所需的各種助劑進行混合，經過擠出、層壓、模壓或者注塑的方式製備成的一種複合材料。其具有較好的彈性模量、抗壓、抗彎曲、耐用等性能，同時還具有原料資源化、成本經濟化、產品可塑化、使用環保化和回收再生化等特點。因此，木塑複合材料可在許多領域得到廣泛應用。
木塑複合材料雖然兼具木材和塑料的一些優良性能以及其對環境友好和可回收等優點，但又因為木塑複合材料是兩種易燃的材料結合體，其易燃性成為木塑複合材料明顯的缺點，從而在相當的程度上限制了其應用範圍。因此，對木塑複合材料進行阻燃處理，已成為了推動產業發展的關鍵問題之一。
目前，在木塑複合材料中大多數都是採用添加阻燃劑的傳統方式來提高木塑複合材料的阻燃性，常用的阻燃劑有滷系型(如四溴二季戊四醇)、無機填充型(如氫氧化鎂)、膨脹型(聚磷酸銨)和協同型(氧化銻)。雖然添加這些阻燃劑能獲得一定阻燃性能，但還是存在一些問題：滷系型阻燃劑燃燒過程中產生的汙染物，對環境與人類構成很多威脅；填充型阻燃劑添加量比較大，對材料的機械力學性能將產生較大的影響；膨脹型阻燃劑雖能降低木纖維的熱降解溫度，但也會影響材料的機械力學性能；協同型阻燃劑不能單獨在木塑複合材料中使用，只起到協同輔助的作用。
為了解決這個技術問題，人們對木塑複合材料阻燃處理方法進行深入的研究。近年來，在木塑複合材料技術領域阻燃處理工藝方法上已取得一定的研究成就，如名稱為「阻燃型木塑複合材料及其製備方法(中國專利授權公告號：CN101570639B)」的專利公開了一種阻燃型木塑複合材料及其製備方法，其所用的阻燃劑是以焦磷酸三聚氰胺鹽或聚磷酸三聚氰胺鹽為主體、以澱粉為輔助成炭劑、分子篩為協效劑、硼酸鋅為抑煙劑構成的膨脹型阻燃劑。雖然該方法能獲得較好的阻燃性能，但是添加量比較大，既不經濟，且材料成本增加，對其機械力學性能也不利。因此，繼續研究與探索木塑複合材料的阻燃性是必要的。
技術實現要素：
針對上述現有技術中膨脹阻燃劑添加量比較大，對其機械力學性能不利的技術問題，本發明所要解決的技術問題是提出了一種添加量小、阻燃性能好、力學性能優的新型阻燃木塑複合材料。
一種新型阻燃木塑複合材料，經科學配比由以下的重量份組合而成：聚乙烯醇縮丁醛樹脂4～6份、引發劑0.5～0.7份、聚鈦矽氧烷5～7份、木質纖維粉40～50份、塑料25～30份、阻燃劑4～8份、相容劑1～5份、玻璃纖維3～7份、氧化鋁空心球2～4份、分散劑0.2～0.4份、潤滑劑1～3份、穩定劑1～3份。
優選地，
一種新型阻燃木塑複合材料，經科學配比由以下的重量份組合而成：聚乙烯醇縮丁醛樹脂5份、引發劑0.6份、聚鈦矽氧烷6份、木質纖維粉45份、塑料28份、阻燃劑6份、相容劑3份、玻璃纖維5份、氧化鋁空心球3份、分散劑0.3份、潤滑劑2份、穩定劑2份。
所述的引發劑由1～3份過氧化苯甲酮、1～3份叔丁基過氧化氫、1～3份過氧化硫酸鉀製成；
所述的木質纖維粉是由木屑、竹屑、農作物秸稈粉以及稻殼粉等植物纖維粉所組成；
所述的塑料由15～20份聚丙烯(PP)、10～20份聚氯乙烯(PVC)製成，並按照以下方式進行處理：取塑料25～30份，將引發劑0.5～0.7份、聚鈦矽氧烷5～7份加入至塑料中，混勻，將混合料加入擠出機於150～180℃下擠出造粒，得到改性塑料；
所述的阻燃劑由4～8份磷酸一氫銨、6～8份磷酸二氫銨、5～7份間苯二酚雙磷酸酯、10～15份凹凸棒土、25～30份環氧樹脂組合而成，並按照以下順序進行處理：
1)先將凹凸棒土置於400～500℃馬弗爐中煅燒1～2h，然後粉碎成60～120目，並加入10～15％無水乙醇，球磨4～6h；最後，獲得至含水率為1～4％，細度為600～800目粉末；
2)依次加入磷酸一氫銨、磷酸二氫銨、間苯二酚雙磷酸酯，並高低速混合；
3)採用微膠囊技術以環氧樹脂為包裹材料對步驟2得到的混合物進行包裹。
所述的相容劑由3～5份馬來酸酐接枝聚乙烯、1～3份馬來酸酐接枝聚丙烯、1～3份乙烯/丙烯酸共聚物混合而成；
所述的分散劑為十二烷基磺酸鈉；潤滑劑為硬脂酸鈉；
所述的穩定劑為2～4份稀土複合穩定劑、1～3份鈣鋅複合熱穩定劑混合而成；
所述的玻璃纖維的長度為2～5mm。
聚乙烯醇縮丁醛樹脂具有良好的流動性和潤滑性，有利於木質纖維粉、玻璃纖維與聚合物形成物理纏繞和均勻分散的協調作用，同時，其還能增加纖維的浸潤性和粘結性，從而提高複合材料的強度。
聚鈦矽氧烷在複合材料中具有低降解速率，促進成炭的作用。在燃燒過程中，聚鈦矽氧烷與複合材料的降解產物發生相互作用，產生交聯結構，Si和Ti積聚在材料表面形成均勻、緻密的Si、Ti絕緣層，有效地阻止氧氣、熱量以及可燃性氣體的傳遞，從而有效改善了複合材料的阻燃性能。同時，聚鈦矽氧烷(Si-O-Ti鍵)能改善塑料和木質纖維粉兩者之間的相容性，從而使木塑複合材料具有良好的力學性能。
阻燃劑是由無機類與有機類阻燃劑復配而成，充分利用無機、有機類阻燃劑的阻燃效果，同時還利用凹凸棒土的改性和微膠囊技術，使阻燃性能更佳優越。此外，還用磷酸一氫銨、磷酸二氫銨、間苯二酚雙磷酸酯去取代聚磷酸鹽，減少了聚磷酸鹽的用量，同時還降低了對複合材料力學性能的不利因素。
在複合材料製備過程中，氧化鋁空心球能與木質纖維粉、玻璃纖維之間發生摩擦作用，使纖維束分裂成更小的纖維，可增加纖維的表面面積，有利於與基體的有效結合，從而提高複合材料的性能；同時，氧化鋁空心球具有良好隔熱功能，在燃燒過程中能抑制熱量傳遞，增加複合材料的阻燃性能。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
1、聚鈦矽氧烷不僅能有效地阻止氧氣、熱量以及可燃性氣體的傳遞，而且還能改善塑料和木質纖維粉兩者之間的相容性，這樣既能有效改善了複合材料的阻燃性能，又能使其具有良好的力學性能。
2、阻燃劑採用了無機類與有機類阻燃劑復配、凹凸棒土的改性和微膠囊技術，使阻燃性能更佳優越。同時，還用磷酸一氫銨、磷酸二氫銨、間苯二酚雙磷酸酯去取代聚磷酸鹽，不僅減少了聚磷酸鹽的用量，還降低了對複合材料力學性能的不利因素，並提高複合材料具有較好的阻燃性能。
4、氧化鋁空心球能與木質纖維粉、玻璃纖維之間發生摩擦作用和良好的隔熱功能，這樣既能提高複合材料的難燃性能，同時又能提高其機械力學性能。
具體實施方式
本發明提供一種新型阻燃木塑複合材料，為達到本發明的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下對本發明進一步詳細說明。
一種新型阻燃木塑複合材料，經科學配比由以下的重量份組合而成：聚乙烯醇縮丁醛樹脂4～6份、引發劑0.5～0.7份、聚鈦矽氧烷5～7份、木質纖維粉40～50份、塑料25～30份、阻燃劑4～8份、相容劑1～5份、玻璃纖維3～7份、氧化鋁空心球2～4份、分散劑0.2～0.4份、潤滑劑1～3份、穩定劑1～3份；
所述的引發劑由1～3份過氧化苯甲酮、1～3份叔丁基過氧化氫、1～3份過氧化硫酸鉀製成；
所述的木質纖維粉是由木屑、竹屑、農作物秸稈粉以及稻殼粉等植物纖維粉所組成；
所述的塑料由15～20份聚丙烯(PP)、10～20份聚氯乙烯(PVC)製成，並按照以下方式進行處理：取塑料25～30份，將引發劑0.5～0.7份、聚鈦矽氧烷5～7份加入至塑料中，混勻，將混合料加入擠出機於150～180℃下擠出造粒，得到改性塑料；
所述的阻燃劑由4～8份磷酸一氫銨、6～8份磷酸二氫銨、5～7份間苯二酚雙磷酸酯、10～15份凹凸棒土、25～30份環氧樹脂製成，並按照以下順序進行處理：
1)先將凹凸棒土置於400～500℃馬弗爐中煅燒1～2h，然後粉碎成60～120目，並加入10～15％無水乙醇，球磨4～6h；最後，獲得至含水率為1～4％，細度為600～800目凹凸棒土粉末；
2)依次加入磷酸一氫銨、磷酸二氫銨、間苯二酚雙磷酸酯，並高低速混合；
3)採用微膠囊技術以環氧樹脂為包裹材料對步驟2得到的混合物進行包裹。
所述的相容劑由3～5份馬來酸酐接枝聚乙烯、1～3份馬來酸酐接枝聚丙烯、1～3份乙烯/丙烯酸共聚物混合而成；
所述的分散劑為十二烷基磺酸鈉；潤滑劑為硬脂酸鈉；
所述的穩定劑為2～4份稀土複合穩定劑、1～3份鈣鋅複合熱穩定劑混合而成；
所述的玻璃纖維的長度為2～5mm。
實施例1
一種新型阻燃木塑複合材料，經科學配比由以下的重量份組合而成：聚乙烯醇縮丁醛樹脂5份、引發劑0.6份、聚鈦矽氧烷6份、木質纖維粉45份、塑料28份、阻燃劑6份、相容劑3份、玻璃纖維5份、氧化鋁空心球3份、分散劑0.3份、潤滑劑2份、穩定劑2份。
實施例2
一種新型阻燃木塑複合材料，經科學配比由以下的重量份組合而成：聚乙烯醇縮丁醛樹脂4份、引發劑0.5份、聚鈦矽氧烷5份、木質纖維粉40份、塑料25份、阻燃劑4份、相容劑1份、玻璃纖維3份、氧化鋁空心球2份、分散劑0.2份、潤滑劑1份、穩定劑1份。
實施例3
一種新型阻燃木塑複合材料，經科學配比由以下的重量份組合而成：聚乙烯醇縮丁醛樹脂6份、引發劑0.7份、聚鈦矽氧烷7份、木質纖維粉50份、塑料30份、阻燃劑8份、相容劑5份、玻璃纖維7份、氧化鋁空心球4份、分散劑0.4份、潤滑劑3份、穩定劑3份。
將上述實施例1-3製得的新型阻燃木塑複合材料採用現有技術進行物理機械性能測試和阻燃性能測試，測試結果如下表1、2所示：
表1 物理機械性能測試結果
表2 阻燃性能測試結果
當然，上面只是本發明優選的具體實施方式作了詳細描述，並非以此限制本發明的實施範圍，凡依本發明的原理、構造以及結構所作的等效變化，均應涵蓋於本發明的保護範圍內。