聚合物基木塑復(fù)合材料材料配方的確定

時(shí)間：2022-04-29作者：七真（東營(yíng)）新材料科技有限公司瀏覽：323

用于WPC加工中的樹(shù)脂可以是熱固性和熱塑性的。熱固性樹(shù)脂如環(huán)氧樹(shù)脂，酚醛樹(shù)脂。熱塑性樹(shù)脂如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)及聚氯乙烯(PVC)。但 是，由于木纖維熱穩(wěn)定性較差，只有加工溫度在200℃以下的熱塑性樹(shù)脂才被作為WPC的基體樹(shù)脂而廣泛使用，尤其是聚乙烯。樹(shù)脂的選擇主要依據(jù)有：樹(shù)脂的 固有特性、產(chǎn)品需要、原料易得性、成本及對(duì)其熟知的程度。如：聚丙烯主要用于汽車制品和生活品等，聚氯乙烯主要用于建筑門窗、鋪蓋板等。此外，樹(shù)脂的熔體 流動(dòng)速率(MFR)對(duì)復(fù)合材料性能也有一定影響，在相同加工工藝條件下，樹(shù)脂的MFR較高，木粉的總體浸潤(rùn)性較好，木粉的分布也越均勻，而木粉的浸潤(rùn)性和 分布影響復(fù)合材料的機(jī)械性能，尤其是沖擊強(qiáng)度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前市場(chǎng)上仍以PE木塑復(fù)合材料為主，大約占65％，PVC木塑復(fù)合材料占16％左右，PP木塑復(fù)合材料占14％左右。
3.2 添加劑的選擇
由于植物纖維性很強(qiáng)，具有較強(qiáng)的吸水性，而熱塑性樹(shù)脂多數(shù)為非性的，具有疏水性，所以兩者之間的相容性較差，界面的粘結(jié)力很小。常需使用適當(dāng)?shù)奶砑觿?nbsp;來(lái)改變樹(shù)脂和植物纖維的表面性質(zhì)，以提高植物纖維與樹(shù)脂之間的界面親和力。而且，高填充量植物纖維在熔融的熱塑性樹(shù)脂中分散效果差，常以聚集狀態(tài)存在，使 得熔體流動(dòng)性差，擠出成型加工困難，需加入潤(rùn)滑劑來(lái)改善流動(dòng)性以利于成型加工。同時(shí)，樹(shù)脂基體還需要加入各種助劑來(lái)改善其加工性能及其成品的使用性能。
3.2.1 界面改性劑
界面改性劑能使樹(shù)脂與植物纖維表面之間產(chǎn)生強(qiáng)的界面結(jié)合，同時(shí)能降低植物纖維的吸水性，提高植物纖維與樹(shù)脂的相容性及分散性，所以能明顯提高復(fù)合材料的力 學(xué)性能。常用的界面改性劑主要有：異氰酸鹽、鋁酸酯、鈦酸酯、硅烷偶聯(lián)劑（如γ一氨丙基**氧基硅烷）、乙烯－丙烯酸酯共聚物(EAA)、酚醛樹(shù)脂、馬來(lái) 酸酐接枝聚丙烯蠟( Licomont AR504)。一般界面改性劑的添加量為植物纖維量的1~8 wt％。需注意的是馬來(lái)酸鹽類界面改性劑與硬脂酸鹽潤(rùn)滑劑會(huì)發(fā)生相斥的反應(yīng)，一起使用時(shí)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的降低。
3.2.2 潤(rùn)滑劑
WPC常常需要加入潤(rùn)滑劑來(lái)降低熔體與加工機(jī)械之間以及熔體內(nèi)部的摩擦與粘附，改善流動(dòng)性，促進(jìn)加工成型，提高制品的表面質(zhì)量。潤(rùn)滑劑分為外潤(rùn)滑劑和內(nèi)潤(rùn) 滑劑。外潤(rùn)滑劑附著在熔體或加工機(jī)械、模具的表面，形成潤(rùn)滑界面，降低熔體與加工機(jī)械之間的摩擦力。內(nèi)潤(rùn)滑劑的選擇與所用的基體樹(shù)脂有關(guān)，它必須與樹(shù)脂在 高溫下具有很好的相容性，削弱分子鏈之間的相互作用力，促進(jìn)分子鏈運(yùn)動(dòng)，降低樹(shù)脂內(nèi)分子間的內(nèi)聚能。潤(rùn)滑劑對(duì)模具、料筒、螺桿的使用壽命，擠出機(jī)的生產(chǎn)能 力，生產(chǎn)過(guò)程中的能耗，制品表面的光潔度及型材的低溫沖擊性能都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。通常一種潤(rùn)滑劑往往兼?zhèn)鋬?nèi)、外兩種潤(rùn)滑性能。常用的潤(rùn)滑劑有：硬脂酸 鋅、乙撐雙脂肪酸酰胺、聚酯蠟、硬脂酸、硬脂酸鉛、聚乙烯蠟、石蠟、氧化聚乙烯蠟等。
3.2.3 增塑劑
當(dāng)植物纖維與一些玻璃化溫度和熔融流動(dòng)粘度較高的樹(shù)脂進(jìn)行復(fù)合時(shí)，往往加工困難，常常需要添加增塑劑來(lái)改善其加工性能。增塑劑可以使高分子制品的塑性增 加，改進(jìn)其柔性、延伸性和加工性。如在PVC木粉復(fù)合材料中，加入增塑劑可以降低加工溫度，減少植物纖維分解和發(fā)煙；但增塑劑的加入對(duì)WPC的機(jī)械性能產(chǎn) 生影響，一般隨著增塑劑含量的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度下降而斷裂伸長(zhǎng)率增加。常見(jiàn)增塑劑分子結(jié)構(gòu)中含有性和非性兩種基團(tuán)，在高溫剪切作用下，它能進(jìn) 入聚合物分子鏈中，通過(guò)性基團(tuán)與聚合物上的性基團(tuán)互相吸引形成均勻穩(wěn)定體系，而它非性部分的插入則可減弱聚合物分子的相互吸引，增加高分子鏈段的活 動(dòng)空間，從而使加工容易進(jìn)行。常用的增塑劑有：鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)、鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)、癸二酸二辛酯(DOS)等。
3.2.4 紫外線穩(wěn)定劑
在室外使用的高分子材料，由光引起的光降解作用是不容忽視的。隨著人們對(duì)WPC質(zhì)量和性要求的提高，紫外線穩(wěn)定劑的應(yīng)用得到迅速發(fā)展。它能大大減緩復(fù)合材料中聚合物降解和力學(xué)性能的下降。常用的有受阻胺類光穩(wěn)定劑和紫外線吸收劑。
3.2.5 著色劑
在WPC使用過(guò)程中，植物纖維中的可溶性物質(zhì)易遷移到產(chǎn)品表面，使產(chǎn)品脫色，并較終變成灰色。有時(shí)在一定使用環(huán)境下，還會(huì)產(chǎn)生黑斑或銹斑。著色劑可以賦予 制品色澤，起美觀、易于辯識(shí)和提高耐侯性等作用。所以，著色劑在WPC生產(chǎn)中也有著較為廣泛的應(yīng)用。它能使制品有均勻穩(wěn)定的顏色，且脫色慢。美國(guó) Ferro公司已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)了多種著色劑，并不斷對(duì)其進(jìn)行著改進(jìn)。
3.2.6 抗氧劑
高分子材料暴露在空氣中，在氧的作用下會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，這類反應(yīng)通常發(fā)生在室溫到成型加工溫度之間，按典型的鏈?zhǔn)阶杂苫鶛C(jī)理進(jìn)行，具有自動(dòng)催化特征，故常 稱為自動(dòng)氧化反應(yīng)。因此，在WPC中也經(jīng)常加入抗氧劑來(lái)舒緩或緩解自動(dòng)氧化速度，延長(zhǎng)使用壽命。常用的抗氧劑有醛胺類和酮胺類等。
3.2.7 防菌劑
為了使復(fù)合材料能保持良好的外觀和無(wú)缺的性能，免受微生物對(duì)植物纖維的不利影響常常需要加入防菌劑。防菌劑的選擇要考慮植物纖維的種類、添加量、復(fù)合材料使用環(huán)境中的菌類、產(chǎn)品的含水量等多種因素。如硼酸鋅可以防腐但不能防藻類。
4 WPC的成型設(shè)備
4.1 主要擠出成型設(shè)備
目前可用于WPC擠出成型的設(shè)備主要有單螺桿擠出機(jī)、雙螺桿擠出機(jī)等。
4.1.1 單螺桿擠出機(jī)
常規(guī)的單螺桿擠出機(jī)不適合于WPC的成型加工，這是因?yàn)閱温輻U擠出機(jī)的物料輸送和塑化能力較弱。單螺桿擠出機(jī)的輸送作用主要是靠摩擦，由于木粉結(jié)構(gòu)蓬松， 不易喂料，而且木粉的填充使聚合物熔體粘度加大，增加了擠出難度，造成物料在料筒中停留時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)其排氣效果不佳，不能對(duì)含水率較高的植物纖維進(jìn)行加 工。所以，常規(guī)的單螺桿擠出機(jī)在木塑復(fù)合材料擠出中受到較大的限制?？捎糜赪PC的成型加工單螺桿擠出機(jī)必須采用特殊設(shè)計(jì)的螺桿，螺桿應(yīng)具有較強(qiáng)的物料輸 送和混煉塑化能力，而且在擠出之前常常對(duì)物料進(jìn)行混煉制粒。
4.2.1 雙螺桿擠出機(jī)
目前WPC的主要加工設(shè)備為雙螺桿擠出機(jī)，這是因?yàn)殡p螺桿擠出機(jī)依靠正位移原理輸送物料，沒(méi)有壓力回流，加料容易；排氣效果好，能夠充分地排除木粉中的可 揮發(fā)成分；螺桿互相嚙合，強(qiáng)烈的剪切作用使物料的混合、塑化效果好。木粉用量相對(duì)較低時(shí)，物料在雙螺桿中停留時(shí)間短，不會(huì)出現(xiàn)木粉燒焦。因此，由于雙螺 桿擠出機(jī)良好的加料、混合效果，可使用粉料生產(chǎn)WPC。雙螺桿擠出機(jī)可分為同向平行雙螺桿擠出機(jī)和異向錐型雙螺桿擠出機(jī)。
4.2.1.1 同向平行雙螺桿擠出機(jī)
同向平行雙螺桿擠出機(jī)往往是由雙階擠出機(jī)組成，將木粉干燥和樹(shù)脂熔融分開(kāi)進(jìn)行?？梢灾苯蛹庸つ痉刍蛑参锢w維，在完成木粉干燥后，再與熔融的樹(shù)脂混合連續(xù)擠 出，這種雙階擠出機(jī)稱之為“木材用擠出機(jī)”。盡管這種雙階擠出機(jī)可以進(jìn)行木粉的干燥，但對(duì)原料木粉的含水量有一定要求，一般為4%～8% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))。另一種類似的形式是木粉加入擠出機(jī)主料口，擠出機(jī)前段為脫水、脫揮裝置，然后通過(guò)側(cè)加料器加入塑料樹(shù)脂、添加劑，因此擠出機(jī)螺桿相對(duì)長(zhǎng)，螺 桿長(zhǎng)徑比(L／D)可達(dá)44~48，其中2／3用于除水和脫揮。木塑材料加工業(yè)稱同向平行雙螺桿擠出機(jī)為高速、高能耗“配混”型設(shè)備，一般為組合式螺桿，可調(diào)節(jié)螺桿長(zhǎng)徑比和構(gòu)型(捏合塊角度及其塊數(shù)、不同捏合塊組合方法)，靈活設(shè)置脫氣口。美國(guó)Davis—Standard、Krupp W＆P等**塑料機(jī)械廠有生產(chǎn)這種同向雙螺桿擠出機(jī)。

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