一种热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃基木塑复合材料及其制备方法

摘要

一种热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃基木塑复合材料及其制备方法，本发明涉及木塑复合材料及其制备方法。本发明要解决现有木塑复合材料力学无法同时进行增强增韧改性的问题。本发明的木塑复合材料由聚烯烃、植物纤维粉料、相容剂、润滑剂和热致性液晶制备而成；制备方法：将聚烯烃、相容剂及热致性液晶混合均匀，并用挤出机进行造粒，得到液晶增强聚烯烃复合材料，将植物纤维粉料、润滑剂和液晶增强聚烯烃复合材料在高混机中混合均匀，并用挤出机进行造粒，得到木塑粒料，最后将木塑粒料进行成型加工，即得到热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃基木塑复合材料。本发明主要用于热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃基木塑复合材料及其制备。

说明书

技术领域

本发明涉及木塑复合材料及其制备方法。

背景技术

木塑复合材料(WPC)是将植物纤维等作为填料或增强材料添加到热塑性塑料中，并通过加热使植物纤维与熔融状态的热塑性塑料进行复合而得到的一种新型环保材料。具有以下特点：(1)原料来源广，价格便宜；(2)尺寸稳定性好，吸湿和吸水性能较低；(3)耐热性能较好；(4)耐腐蚀性好；(5)可重复加工和循环利用。作为一种新型材料，应用领域包括建筑、物流、装饰、家具、园林等；作为结构类材料，主要用于室内地板、家具及门窗；作为装饰类材料，主要用于汽车内饰和室内装修配件；此外，也可以用于对环境有特殊要求的场合。木塑复合材料的发展，不仅有利于保护森林资源，还可以解决城市中日趋严重的塑料废弃问题，有利于社会和经济的可持续发展。

木塑产品由亲水性植物纤维和疏水性塑料复合而成，在使用中存在力学强度低和韧性低的问题。为满足木塑在材料领域使用中力学性能的要求，可以进行力学性能改性：(1)添加纤维、刚性粒子增强，然而纤维和刚性粒子在复合材料中的分散以及弱界面层是限制其应用的主要问题，此外成本较高；(2)选用强度较高的树脂基体，树脂强度高会伴随着熔点和粘度偏高，造成加工困难；(3)对木塑复合材料进行发泡改性,可以改善材料的韧性，但会导致刚性和强度的下降；(4)添加偶联剂，通过共价键或者分子间作用力提高植物纤维和塑料间的界面相容性，从而达到改善材料力学性能的目的。然而目前木塑复合材料力学改性存在应用领域单一的问题，无论是增强改性还是增韧改性都会伴随着另一个性能的损失。因此，如何做到对木塑进行增强增韧的改性目的，是木塑行业亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决现有木塑复合材料力学无法同时进行增强增韧改性的问题，而提供一种热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃基木塑复合材料及其制备方法。

本发明的一种热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃基木塑复合材料按质量份数由20份～100份聚烯烃、30份～200份植物纤维粉料、2份～8份相容剂、1份～5份润滑剂和0.1份～5份热致性液晶制备而成。

本发明的一种热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃基木塑复合材料的制备方法是按以下步骤进行：

一、称取：按质量份数称取20份～100份聚烯烃、30份～200份植物纤维粉料、2份～8份相容剂、1份～5份润滑剂和0.1份～5份热致性液晶；

二、将步骤一称取的20份～100份聚烯烃、2份～8份相容剂及0.1份～5份热致性液晶混合均匀，得到混合物A，将混合物A用挤出机进行造粒，造粒温度为170℃～250℃，得到液晶增强聚烯烃复合材料；

三、将步骤一称取的30份～200份植物纤维粉料、1份～5份润滑剂和液晶增强聚烯烃复合材料在高混机中混合均匀，得到混合物B，然后将混合物B通过挤出机进行造粒，造粒温度为145℃～220℃，得到木塑粒料；

四、将木塑粒料进行成型加工，即得到热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃基木塑复合材料。

本发明的有益效果是：本发明制备的热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃基木塑复合材料突出特点是，将熔点较高的热致性液晶与热塑性聚烯烃在相容剂的存在下，在匹配的温度下通过熔融共混，在温度和剪切力的作用下，形成微纤取向结构，以分散相形式存在于聚烯烃树脂基体中，解决其他增强相如纤维、纳米粒子在木塑基体中分散不均匀的问题；在应力作用下，作为分散相的热致性液晶可以引发银纹和剪切带，使裂纹端部的应力集中得到松弛，阻碍裂纹的扩展，体系消耗了大量能量，并且液晶微纤与木塑增强相的植物纤维可以起到协同增强聚烯烃树脂基体的作用，达到同时显著改善木塑的强度和韧性的效果，所以本发明制备的木塑其强度和韧性不仅远高于传统木塑材料，而且性能远高于未加入植物纤维粉料所制备的热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃复合材料；此外热致性液晶在木塑基体中分散均匀，改善木塑加工过程中的流变行为，且用量较少，成本较低，实现了通过改性树脂基体达到对木塑改性的目的，对于WPC实际生产研究具有重要的意义。

通过本发明制备的热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃基木塑复合材料，拉伸强度提高10％～40％，弯曲强度提高20％～40％，冲击强度提高30-60％，使得木塑复合材料力学同时进行增强增韧改性。

本发明用于一种热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃基木塑复合材料及其制备方法。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃基木塑复合材料，一种热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃基木塑复合材料按质量份数由20份～100份聚烯烃、30份～200份植物纤维粉料、2份～8份相容剂、1份～5份润滑剂和0.1份～5份热致性液晶制备而成。

本实施方式的有益效果是：本实施方式制备的热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃基木塑复合材料突出特点是，将熔点较高的热致性液晶与热塑性聚烯烃在相容剂的存在下，在匹配的温度下通过熔融共混，在温度和剪切力的作用下，形成微纤取向结构，以分散相形式存在于聚烯烃树脂基体中，解决其他增强相如纤维、纳米粒子在木塑基体中分散不均匀的问题；在应力作用下，作为分散相的热致性液晶可以引发银纹和剪切带，使裂纹端部的应力集中得到松弛，阻碍裂纹的扩展，体系消耗了大量能量，并且液晶微纤与木塑增强相的植物纤维可以起到协同增强聚烯烃树脂基体的作用，达到同时显著改善木塑的强度和韧性的效果，所以本发明制备的木塑其强度和韧性不仅远高于传统木塑材料，而且性能远高于未加入植物纤维粉料所制备的热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃复合材料；此外热致性液晶在木塑基体中分散均匀，改善木塑加工过程中的流变行为，且用量较少，成本较低，实现了通过改性树脂基体达到对木塑改性的目的，对于WPC实际生产研究具有重要的意义。

通过本实施方式制备的热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃基木塑复合材料，拉伸强度提高10％～40％，弯曲强度提高20％～40％，冲击强度提高30-60％，使得木塑复合材料力学同时进行增强增韧改性。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的聚烯烃为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯中的一种或其中几种的混合物；所述的相容剂为马来酸酐接枝的聚乙烯、马来酸酐接枝的聚丙烯、钛酸酯、异腈酸酯、氨基硅烷、乙烯基硅烷和甲基丙烯酰氧基硅烷中的一种或其中几种的混合物。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：所述的热致性液晶为对羟基苯甲酸联苯二酚对苯二甲酸共聚物的Xydar系列液晶、对羟基苯甲酸对羟基萘甲酸共聚物的Vectra系列液晶和对苯二甲酸乙二醇酯对羟基苯甲酸共聚物的Rodrun系列液晶中的一种或其中几种的混合物；所述的润滑剂为石蜡、聚乙烯蜡、聚丙烯蜡、硬脂酸、硬脂酸金属盐和乙烯丙烯酸共聚金属盐中的一种或者其中几种的混合物。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三不同的是：所述的植物纤维粉料为木粉、竹粉、农作物秸秆粉、果壳粉、甘蔗渣和稻壳粉中的一种或者其中几种的混合物。其它与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四不同的是：所述的农作物秸秆粉为玉米秸秆、小麦秸秆、大豆秸秆或稻草秸秆。其它与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式所述的一种热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃基木塑复合材料的制备方法，是按照以下步骤进行的：

一、称取：按质量份数称取20份～100份聚烯烃、30份～200份植物纤维粉料、2份～8份相容剂、1份～5份润滑剂和0.1份～5份热致性液晶；

二、将步骤一称取的20份～100份聚烯烃、2份～8份相容剂及0.1份～5份热致性液晶混合均匀，得到混合物A，将混合物A用挤出机进行造粒，造粒温度为170℃～250℃，得到液晶增强聚烯烃复合材料；

三、将步骤一称取的30份～200份植物纤维粉料、1份～5份润滑剂和液晶增强聚烯烃复合材料在高混机中混合均匀，得到混合物B，然后将混合物B通过挤出机进行造粒，造粒温度为145℃～220℃，得到木塑粒料；

四、将木塑粒料进行成型加工，即得到热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃基木塑复合材料。

本实施方式步骤二中所述的挤出机为单螺杆挤出机或双螺杆挤出机。

本实施方式步骤三中所述的挤出机为单螺杆挤出机或双螺杆挤出机。

液晶聚合物(LCP)是一种由刚性分子链构成的，在一定物理条件下能出现既有液体的活动性又有晶体的物理性能各向异性状态(此状态称为液晶态)的高分子物质。热致性液晶(TLCP)在其液晶相转变区域，能形成微纤取向结构，产生高度的自增强、增韧作用。LCP在改性树脂中还可以起到引发银纹和剪切带作用，在外力作用下易形成颗粒或微纤，以分散相形式存在于树脂基体中，在应力作用下，作为分散相的LCP可以引发银纹和剪切带，使裂纹端部的应力集中得到松弛，阻碍裂纹的扩展，体系消耗了大量能量，从而使树脂韧性得到提高。由于TLCP分子结构的刚直性，在加工过程中可自发地沿流动方向取向，产生明显的剪切变稀行为和自增强效果，从而形成原位复合材料。与传统的纤维(如玻璃纤维、碳纤维)增强相比，用TLCP改性可降低TP的熔体粘度，使加工流动性能得到改善，降低加工成型能耗，提高加工的经济性。

本实施方式的有益效果是：本实施方式制备的热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃基木塑复合材料突出特点是，将熔点较高的热致性液晶与热塑性聚烯烃在相容剂的存在下，在匹配的温度下通过熔融共混，在温度和剪切力的作用下，形成微纤取向结构，以分散相形式存在于聚烯烃树脂基体中，解决其他增强相如纤维、纳米粒子在木塑基体中分散不均匀的问题；在应力作用下，作为分散相的热致性液晶可以引发银纹和剪切带，使裂纹端部的应力集中得到松弛，阻碍裂纹的扩展，体系消耗了大量能量，并且液晶微纤与木塑增强相的植物纤维可以起到协同增强聚烯烃树脂基体的作用，达到同时显著改善木塑的强度和韧性的效果，所以本发明制备的木塑其强度和韧性不仅远高于传统木塑材料，而且性能远高于未加入植物纤维粉料所制备的热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃复合材料；此外热致性液晶在木塑基体中分散均匀，改善木塑加工过程中的流变行为，且用量较少，成本较低，实现了通过改性树脂基体达到对木塑改性的目的，对于WPC实际生产研究具有重要的意义。

通过本实施方式制备的热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃基木塑复合材料，拉伸强度提高10％～40％，弯曲强度提高20％～40％，冲击强度提高30-60％，使得木塑复合材料力学同时进行增强增韧改性。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：步骤一中所述的聚烯烃为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯中的一种或其中几种的混合物；步骤一中所述的相容剂为马来酸酐接枝的聚乙烯、马来酸酐接枝的聚丙烯、钛酸酯、异腈酸酯、氨基硅烷、乙烯基硅烷和甲基丙烯酰氧基硅烷中的一种或其中几种的混合物；步骤一中所述的热致性液晶为对羟基苯甲酸联苯二酚对苯二甲酸共聚物的Xydar系列液晶、对羟基苯甲酸对羟基萘甲酸共聚物的Vectra系列液晶和对苯二甲酸乙二醇酯对羟基苯甲酸共聚物的Rodrun系列液晶中的一种或其中几种的混合物；步骤一中所述的润滑剂为石蜡、聚乙烯蜡、聚丙烯蜡、硬脂酸、硬脂酸金属盐和乙烯丙烯酸共聚金属盐中的一种或者其中几种的混合物；步骤一中所述的植物纤维粉料为木粉、竹粉、农作物秸秆粉、果壳粉、甘蔗渣和稻壳粉中的一种或者其中几种的混合物。其它与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七之一不同的是：所述的农作物秸秆粉为玉米秸秆、小麦秸秆、大豆秸秆或稻草秸秆。其它与具体实施方式六或七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是：步骤四中所述的成型加工为挤出成型、注塑成型或热压成型。其它与具体实施方式六至八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至九之一不同的是：当所述的成型加工为挤出成型时，挤出温度为140℃～200℃，口模温度为140℃～200℃；当所述的成型加工为注塑成型时，注塑机料筒温度为160℃～240℃，喷嘴温度为160℃～240℃，注射压力为30MPa～60MPa；当所述的成型加工为热压成型时，热压温度为140℃～200℃，压力为1.5MPa～7.5MPa，冷却后定型。其它与具体实施方式六至九相同。

本实施方式所述的挤出成型使用单螺杆挤出机或双螺杆挤出机。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例所述的一种热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃基木塑复合材料的制备方法，具体是按照以下步骤进行的：

一、称取：按质量份数称取40份聚烯烃、55份植物纤维粉料、3份相容剂、2份润滑剂和1.2份热致性液晶；

二、将步骤一称取的40份聚烯烃、3份相容剂及1.2份热致性液晶混合均匀，得到混合物A，将混合物A用双螺杆挤出机进行造粒，造粒温度一到七区依次为195℃、200℃、210℃、220℃、220℃、215℃及205℃，螺杆转速为30r/min，得到液晶增强聚烯烃复合材料；

三、将步骤一称取的55份植物纤维粉料、2份润滑剂和液晶增强聚烯烃复合材料在高混机中混合均匀，得到混合物B，然后将混合物B通过双螺杆挤出机进行造粒，造粒温度一到七区依次为145℃、150℃、155℃、160℃、165℃、160℃及155℃，螺杆转速为30r/min，得到木塑粒料；

四、将木塑粒料进行成型加工，得到热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃基木塑复合材料。

步骤一中所述的聚烯烃为聚乙烯：牌号5000S，大庆石化；

步骤一中所述的相容剂为马来酸酐接枝的聚乙烯，接枝率为1wt％，熔融指数≥50g/10min，上海日之升新技术发展有限公司；

步骤一中所述的热致性液晶型号为A950，为对羟基苯甲酸对羟基萘甲酸共聚物的Vectra系列液晶，东莞市樟木头华心塑胶原料有限公司；

步骤一中所述的润滑剂为石蜡，市售；

步骤一中所述的植物纤维粉料为杨木粉，20目～80目，含水率≤3％。

步骤四中所述的成型加工为单螺杆挤出成型时，设定一区到四区温度依次为145℃、150℃、160℃及165℃，模温度为170℃，螺杆转速为15r/min。

实施例二：本实施方式与实施例一不同的是：步骤一中按质量份数称取40份聚烯烃、55份植物纤维粉料、3份相容剂、2份润滑剂和2.4份热致性液晶。其它与实施例一相同。

实施例三：本实施方式与实施例一不同的是：步骤一中按质量份数称取40份聚烯烃、55份植物纤维粉料、3份相容剂、2份润滑剂和3.6份热致性液晶。其它与实施例一相同。

对比试验一：实施例一至三的对比试验，本实施方式与实施例一不同的是：步骤一中按质量份数称取40份聚烯烃、55份植物纤维粉料、3份相容剂和2份润滑剂。其它与实施例一相同。

实施例四：

本实施例所述的一种热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃复合材料，具体是按照以下步骤进行的：

一、称取：按质量份数称取40份聚烯烃、3份相容剂和1.2份热致性液晶；

二、将步骤一称取的40份聚烯烃、3份相容剂及1.2份热致性液晶混合均匀，得到混合物A，将混合物A用双螺杆挤出机进行造粒，造粒温度一到七区依次为195℃、200℃、210℃、220℃、220℃、215℃及205℃，螺杆转速为30r/min，得到液晶增强聚烯烃复合材料；

三、将液晶增强聚烯烃复合材料进行成型加工，得到热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃复合材料。

步骤一中所述的聚烯烃为聚乙烯：牌号5000S，大庆石化；

步骤一中所述的相容剂为马来酸酐接枝的聚乙烯，接枝率为1wt％，熔融指数≥50g/10min，上海日之升新技术发展有限公司；

步骤一中所述的热致性液晶型号为A950，为对羟基苯甲酸对羟基萘甲酸共聚物的Vectra系列液晶，东莞市樟木头华心塑胶原料有限公司；

步骤三中所述的成型加工为单螺杆挤出成型时，设定一区到四区温度依次为145℃、150℃、160℃及165℃，模温度为170℃，螺杆转速为15r/min。

实施例五：本实施方式与实施例四不同的是：步骤一中按质量份数称取40份聚烯烃、3份相容剂和2.4份热致性液晶。其它与实施例四相同。

实施例六：本实施方式与实施例四不同的是：步骤一中按质量份数称取40份聚烯烃、3份相容剂和3.6份热致性液晶。其它与实施例四相同。

对比试验二：实施例四至六的对比试验，本实施方式与实施例四不同的是：步骤一中按质量份数称取40份聚烯烃和3份相容剂。其它与实施例四相同。

对实施例一至三制备的热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃基木塑复合材料及对比试验一制备的复合材料进行静态力学性能测试，拉伸、弯曲和冲击强度测试，结果如表1所示。

对实施例四至六制备的热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃复合材料及对比试验二制备的复合材料进行静态力学性能测试，拉伸、弯曲和冲击强度测试，结果如表2所示。

表1：热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃基木塑复合材料力学性能测试结果

测试项目抗拉强度(MPa)抗弯强度(MPa)抗冲强度(kJ/m²)测试方法ASTM D638-03ASTM D790-03ASTM D4812实施例一38.76±0.4064.32±0.8811.95±0.77实施例二39.40±0.5966.00±1.7312.09±0.77实施例三40.33±0.4466.44±2.4311.98±1.03对比试验一30.13±1.0352.12±2.208.75±0.44

表2：热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃复合材料力学性能测试结果

测试项目抗拉强度(MPa)抗弯强度(MPa)抗冲强度(kJ/m²)测试方法ASTM D638-03ASTM D790-03ASTM D256实施例四32.32±1.649.57±4.5425.36±0.97实施例五31.23±1.9355.09±2.1126.24±1.77实施例六32.17±3.0455.21±4.4326.5±1.33对比试验二29.98±1.3946.06±1.822.05±1.12

由表可知，实施例一、二、三与对比试验一均在相同的实验条件下造粒挤出，当热致性液晶分别添加1.2、2.4、3.6份时，热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃基木塑复合材料抗拉强度分别提高28.64％、30.77％、33.85％；抗弯强度分别提高23.41％、26.63％、27.48％；抗冲强度分别提高36.57％、38.17％、36.91％；实施例四、五与六均在相同的实验条件下造粒挤出，不加入植物纤维粉料，制备出的热致性高分子液晶增强增韧聚烯烃复合材料抗拉强度与实施例一、二及三相比较基本不变；抗弯强度分别提高7.6％、19.6％、19.87％；抗冲强度分别提高15.01％、19.0％、20.18％。由以上可知，添加热致性液晶可以改善聚烯烃材料的强度和韧性，而加入植物纤维粉料，由于液晶微纤与木塑增强相的植物纤维可以起到协同增强聚烯烃树脂基体的作用，所以添加热致性液晶可以同时改善木塑复合材料的强度和韧性，且性能改善更佳，对其力学性能的提高有重要的意义。