一种天然纤维填充聚乙烯复合材料及制备方法

摘要

本发明提供一种天然纤维填充聚乙烯复合材料及该天然纤维填充聚乙烯复合材料的制备方法；所述天然纤维填充聚乙烯复合材料的成分包括：20-50％得高密度聚乙烯；40-70％的天然纤维粉；1-6％的脂肪酸聚乙烯亚胺缩合物；1-15％的无机矿物填料；1-6％的润滑剂；其制备方法包括以下步骤：将计量所述天然纤维粉粒投入高速混合机，于2000r/min速度搅拌20-30分钟；按比例加入其他成分，既相互混合搅拌10-20分钟，然后投入同向平行双螺杆挤出机；进行造粒，得到天然纤维填充聚乙烯复合材料的粒料。本发明解决了普通WPC材料存在着力学性能差以及防潮性能差的缺陷。

说明书

技术领域

本发明涉及高分子复合材料制备技术，尤其是一种高性能天然纤维填充聚 乙烯复合材料和制备方法。

背景技术

国内外近年蓬勃兴起的一类新型复合材料，由聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯 等，代替普通的树脂胶粘剂，与超过50％以上的木粉、稻壳、秸秆等废植物纤 维混合成新的木质材料，再经挤压、模压、注射成型等塑料加工工艺，生产出 的木塑复合材料型材(简称WPC)。WPC具有原料多样化、产品环保化、应用经济 化和再生低碳化等五大特性，是“节材伐木”的理想材料。WPC不仅具备塑料以 及木材的许多优点，同时还具备其他的新特性，比如：良好的加工性能、良好 的强度性能、优良的可调整性能、具有耐水、耐腐性能，使用寿命长等优点； 在各个领域有着广泛的用途。

由于聚乙烯的环保性以及耐候性更优，大部分生产商更多采用聚乙烯作为WPC 的塑料基料。随着WPC材料应用领域的扩展，对WPC的力学性能要求越来越高。 提高WPC力学性能的关键是解决极性天然纤维与非极性聚烯烃之间相容性问题。 美国专利US7041716、US7348371、US7781500、US20110071237都提出加入马来 酸酐接枝聚烯烃(MAH-g-HDPE或MAH-g-PP)来提高天然纤维和聚烯烃之间的相 容性，来提高WPC的力学性能。

然而马来酸酐接枝聚烯烃接种率低(接种率低于2％)，熔点高，熔融粘度大，难 于渗透到天然纤维中，同时容易与硬脂酸皂盐类润滑剂反应失效，因此其相容 促进效果有限，难以获得理想力学性能的WPC材料，从而限制了WPC材料的应 用。

发明内容

针对上述WPC力学性能差的缺陷，本发明提供一种天然纤维填充聚乙烯复合 材料，所述天然纤维填充聚乙烯复合材料的成分包括：

20-50％的高密度聚乙烯；

40-70％的天然纤维粉；

1-6％的脂肪酸聚乙烯亚胺缩合物；

1-15％的无机矿物填料；

1-6％的润滑剂。

所述高密度聚乙烯为新料、回收料或所述新料和回收料的组合，所述高密 度聚乙烯熔融指数小于10，优选其熔融指数小于5；所述高密度聚乙烯优选用 量为30-40％重量比。

所述天然纤维为木粉、竹粉、稻麦壳粉或所述为木粉、所述竹粉以及所述 稻麦壳粉的任何组合；所述天然纤维粉的粒径为40-200目，优选粒径为80-120 目；所述天然纤维粉优选用量为30-40％重量比。

所述脂肪酸聚乙烯亚胺缩合物(m-PEI)是脂肪酸与聚乙烯亚胺在一定温度下脱 水反应形成的缩合物，其示意结构式其中R 为(CH₂)_n-，n＝10-25，优选为n＝12-20；m是20-200，优选为；m＝50-100，m-PEI 在所述复合材料中优选用量为2-4％重量比。

所述无机矿物填料为碳酸钙、滑石粉、硅土、高岭土、云母或其中的一种 或其多种的组合；所述无机矿物填料优选用量为5-10％重量比。

所述润滑剂为硬脂酸锌、硬脂酸钙、乙撑双硬脂酰胺、硬脂酰胺或所述硬 脂酸锌、所述硬脂酸钙、所述乙撑双硬脂酰胺以及所述硬脂酰胺的任何组合； 所述润滑剂优选用量为2-4％重量比。

本发明还提出一种天然纤维填充聚乙烯复合材料制备方法，所述方法包括 以下步骤：

一种天然纤维填充聚乙烯复合材料制备方法，其特征在于：所述方法包括 以下步骤：

步骤1：计量所述天然纤维粉粒的重量，并投入高速混合机，于2000r/min 速度搅拌20-30分钟；

步骤2：按比例加入其他成分，相互混合搅拌10-20分钟，然后投入同向 平行双螺杆挤出机；

步骤3：进行造粒，从所述同向平行双螺杆挤出机中挤出，得到天然纤维 填充聚乙烯复合材料的材料。

所述步骤3所得材料为粒料。

所述步骤1中的搅拌温度T1的范围为：100℃≤T1≤120℃。

所述步骤3中的造粒温度T2的范围为：160℃≤T2≤180℃。

根据本发明所述的改进方案，本发明主要的有益效果有：

本发明得到天然纤维填充聚乙烯复合材料方法是将天然纤维粉粒以及添加 助剂按一定的配比混合，经过捏合、造粒，并由锥形螺杆挤出，最终冷却成型。 用此方法得到的天然纤维填充聚乙烯复合材料加工性能好，具有同木材相类似 的加工性能，可锯、可钉、可刨，使用木工器具即可完成，且握钉力明显优于 其他合成材料。机械性能优于木质材料；另外，强度高，由于内含纤维并经与 塑料充分混合，因而具有与硬木相当的抗压、抗弯曲等物理机械性能，并且其 耐用性明显优于普通木质材料；可调整性能好，通过助剂，塑料可以发生聚合、 发泡、固化、改性等改变，从而改变木塑材料的密度、强度等特性，还可以达 到抗老化、防静电、阻燃等特殊要求；其最大优点就是变废为宝，利用率高并 可100％回收再生产；可以分解，不会造成“白色污染”，是真正的绿色环保产 品。

具体实施方式

本发明提供一种天然纤维填充聚乙烯复合材料，所述天然纤维填充聚 乙烯复合材料的成分包括：

20-50％重量比得高密度聚乙烯；

40-70％重量比的天然纤维粉；

1-6％重量比的脂肪酸聚乙烯亚胺缩合物；

1-15％重量比的无机矿物填料；

1-6％重量比的润滑剂

所述高密度聚乙烯为新料、回收料或所述新料和回收料的组合，所述高密 度聚乙烯熔融指数小于10，优选其熔融指数小于5；所述高密度聚乙烯优选用 量为30-40％重量比。

所述天然纤维为木粉、竹粉、稻麦壳粉或所述为木粉、所述竹粉以及所述 稻麦壳粉的任何组合；所述天然纤维粉的粒径为40-200目，优选粒径为80-120 目；所述天然纤维粉优选用量为30-40％重量比。

所述脂肪酸聚乙烯亚胺缩合物(m-PEI)是脂肪酸与聚乙烯亚胺在一定温度下脱 水反应形成的缩合物，其示意结构式其中R 为(CH₂)_n-，n＝10-25，优选为n＝12-20；m是20-200，优选为；m＝50-100，m-PEI 在所述复合材料中优选用量为2-4％重量比。

m-PEI熔点低，熔融粘度小，容易渗透到纤维粉中，有较高的反应活力， 能与纤维素中的羟基反应并交联聚合，充分接触；m-PEI含有长碳链疏水基和大 量的活性-NH基团，其活性NH基团能够与天然纤维粉中羟基反应，有效封闭强 极性羟基，而长碳链疏水基能够渗入缠结在聚乙烯基体中，从而极大改善极性 纤维与非极性塑料基体的界面，强化了界面的键合，促进纤维粉在聚乙烯基体 的均匀分散，使熔体具有更好的流动性，提高熔体弹性和熔体强度，从而增强 了复合材料的力学性能和防潮性能。

所述无机矿物填料为碳酸钙、滑石粉、硅土、高岭土、云母或其中的一种 或其多种的组合；所述无机矿物填料优选用量为5-10％重量比。

所述润滑剂为硬脂酸锌、硬脂酸钙、乙撑双硬脂酰胺、硬脂酰胺或所述硬 脂酸锌、所述硬脂酸钙、所述乙撑双硬脂酰胺以及所述硬脂酰胺的任何组合； 所述润滑剂优选用量为2-4％重量比。

本发明还提出一种天然纤维填充聚乙烯复合材料制备方法，所述方法包括 以下步骤：

步骤1：计量所述天然纤维粉粒的重量，并投入高速混合机，于2000r/min 速度搅拌20-30分钟；

步骤2：按比例加入其他成分，相互混合搅拌10-20分钟，然后投入同向 平行双螺杆挤出机；

步骤3：进行造粒，从所述同向平行双螺杆挤出机中挤出，得到天然纤维 填充聚乙烯复合材料的材料。

所述步骤3所得材料为粒料。

所述步骤1中的搅拌温度T1的范围为：100℃≤T1≤120℃。

所述步骤3中的造粒温度T2的范围为：160℃≤T2≤180℃。

实施例一：

步骤1：进行计量，将计量的天然天然纤维粉粒木粉粒(80目)投入高速混 合机，加热至100-120℃，于2000r/min速度搅拌20-30分钟；

步骤2：按比例加入高密度高密度聚乙烯(MI＝3)、碳酸钙、硬脂酸-PEI缩 合物硬脂酸锌以及EBSwax，所述优选用量分别为为30％重量比、 6％重量比、1.5％重量比、1.5％重量比以及1％重量比，既相互混合搅拌10-20分 钟，将混合搅拌完成后的成品投入同向平行双螺杆挤出机；

步骤3：进行造粒，此时所需温度为在160-180℃，在此温度条件下得到 天然纤维填充聚乙烯复合材料的粒料。

所述步骤3所得粒料通过锥形螺杆挤压而出，可制成各种形状的型材制件。

实施例二：

步骤1：进行计量，将计量的天然天然纤维粉粒竹粉粒(100目)投入高速 混合机，加热至100-120℃于2000r/min速度搅拌20-30分钟；

步骤2：按比例加入高密度高密度聚乙烯(MI＝5)、滑石粉、月桂酸-PEI 缩合物硬脂酸锌以及EBSwax，所述优选用量分别为为25％ 重量比、5％重量比、2.5％重量比、1.5％以及重量比1％重量比，既相互混合 搅拌10-20分钟，将混合搅拌完成后的成品投入同向平行双螺杆挤出机；

步骤3：进行造粒，此时所需温度为在160-180℃，在此温度条件下得到 天然纤维填充聚乙烯复合材料的粒料。

所述步骤3所得粒料通过锥形螺杆挤压而出，可制成各种形状的型材制件。

实施例三：

步骤1：进行计量，将计量的天然天然纤维粉粒木粉粒(100目)投入高速 混合机，加热至100-120℃，于2000r/min速度搅拌20-30分钟；

步骤2：按比例加入高密度高密度聚乙烯(MI＝1)、碳酸钙、滑石粉、月桂 酸-PEI缩合物硬脂酸锌以及EBSwax，所述优选用量分别为 为32％重量比、3％重量比、3％重量比、1％重量比、1.5％重要比以及1％重量 比，既相互混合搅拌10-20分钟，将混合搅拌完成后的成品投入同向平行 双螺杆挤出机；

步骤3：进行造粒，此时所需温度为在160-180℃，在此温度条件下得到 天然纤维填充聚乙烯复合材料的粒料。

所述步骤3所得粒料通过锥形螺杆挤压而出，可制成各种形状的型材制件。

根据所述的改进方案的实施例，本发明还可达到如下有益效果：

1、所述天然纤维填充聚乙烯复合材料包括易加工、可回收、质轻高强，是 木材的优良替代品，而且因为其生产的原材料来源广泛，可利用回收的大量废 旧塑料和木材、秸秆等，所以是一种非常环保的建筑、装饰材料。

2、天然纤维填充聚乙烯复合材料与木材相比，可抗强酸碱、耐水、耐腐蚀， 并且不繁殖细菌，不易被虫蛀、不长真菌。具有耐水、耐腐性能，使用寿命长 的优点。

3、天然纤维填充聚乙烯复合材料可以根据需要，制成任意形状和尺寸大小。

4、天然纤维填充聚乙烯复合材料适用范围广泛，可以应用于草坪甬道、外 墙装饰板、遮阳板、百页窗条、标志牌、指示牌、宣传栏、花箱、树池、篱笆、 垃圾桶等场所。

综上所述，实施例不过是本发明的优选最佳实施方案，不可理解为对本发 明的保护范围限定，对于本领域的技术工作人员根据本发明所做的不超出本发 明技术方案的调整和改动，应该认为落在本发明的保护范围内。

根据是实施例一、实施例二、实施例三、将制备出得复合材料粒子按相应 标准制成测试样条，根据表2的测试项目和标准进行性能测试，测试结果如表

表1为不同配方的复合材料实施例以及比较例

表2为性能测试项目和标准

  测试项目   测试标准   拉伸强度Mpa   ASTMD-638   断裂伸长率％   ASTMD-790   弯曲强度Mpa   ASTMD-790   弯曲模量Mpa   ASTMD-790   缺口冲击强大J/m   ASTMD-256   吸水率％   ASTMD-1037

表3为不同配方的复合材料性能测试结果