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木塑复合材料的关键技术、生产工艺及挤出设备 

发布时间:2019/08/02

  一、木塑复合材料的关键技术
  木塑复合材料的关键技术之一是对木粉的处理,影响木粉填充塑料的因素很多,如木粉的填充量、木粉的粒径、木粉的含水量、基体塑料的性能、相容剂的类型、加工工艺等。通常对木粉的处理有以下几种:
  1、物理方法
  物理方法主要包括加热烘干、蒸汽喷发和放电处理等。
  加热烘干是处理木粉最常见的方法,国内木塑生产厂家都采用这种方法。通过加热使木纤维表面羟基含量降低,有利于其与聚合物基体的粘接;但高温会导致木粉发生各向异性收缩,破裂甚至破坏木纤维的细胞壁结构。
  蒸汽喷发是处理天然纤维的一种新方法。它能引起木纤维的形态和结构发生变化,从而使木纤维的强度和表面积增加。
  放电处理包括低温等离子处理、离子溅射法和电晕放电法。用低温等离子轰击纤维表面,可以增加纤维表面极性,从而提高其与聚合物基体的粘接。
  2、化学方法
  化学方法是通过化学反应减少木纤维表面的羟基数目,在木粉/聚合物之间建立物理和化学交联。通过在木粉表面形成一层憎水性薄膜从而提高其与聚合物的相溶性和促进木粉的分散。目前常用的方法有润滑剂法、偶联剂法、相容剂法等方法。
  (1)润滑剂法
  常用的润滑剂有HSt、白油、石蜡等。主要通过与木粉混合,均匀的覆盖在木粉表面,从而提高其与聚合物基体的粘接。
  (2)偶联剂法
  偶联剂可以提高无机填料、无机纤维与基体树脂之间的相容性,同时也可改善木粉与聚合物之间的界面状况。硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂是应用最广泛的两类偶联剂。实验表明,这两种偶联剂都能改善填料与树脂的相容性,它们可引起木塑复合材料力学性能的提高且具有环保效果。另外,同时使用偶联剂和NaOH对木粉进行表面处理可以达到最佳效果。其中NaOH起到提高木纤维的分散性作用,偶联剂处理既提高木纤维的分散性又提高了木纤维与聚合物基体的粘接性。
  (3)相容剂法
  在各种表面改性中,直接加入官能团化聚烯烃相容剂的方法最为简便和高效。主要的官能团单体有马来酸酐(MA)、丙烯酸(AA)、缩水甘油基甲基丙烯酸(GMA)等,目前各种接枝改性聚烯烃共聚物已有一系列的商品化产品,这些产品主要采用马来酸酐或丙烯酸接枝改性的低分子量乙烯类聚合物,包括PE、PP、SEBS等。
  在生产木塑复合材料过程中,一般先对木粉进行烘干处理,再用偶联剂对木粉进行表面处理,然后将木粉、相容剂、聚合物在挤出机中进行熔融共混挤出。在熔融温度下,马来酸酐相容剂的酸酐官能团与木纤维表面的羟基发生酯化反应,相容剂另一端的非极性分子与聚合物基体发生缠结,增大了木纤维与聚合物基体之间的相互作用,从而提高木塑复合材料的力学性能和尺寸稳定性。
  二、木塑复合材料的生产工艺
  木塑复合材料大部分为挤出成型,也有注塑成型、热压成型。在挤出成型工艺中,可以先配混成中间木塑粒料,然后再经挤出机加工成型材,也可越过造粒阶段,配料混合(包括脱挥)、挤出型材(板材)在一个设备或一组设备内连续完成。注塑和热压成型一般需要先配混成中间木塑粒料,再通过专用的模具和设备加工成型。
  三、木塑复合材料的挤出设备
  木塑复合材料(包括制品)的生产过程对其性能影响很大,实验表明:加工的能力不够会引起纤维分散和浸润不均匀,而过分的加工则会使纤维破损和断裂,两者都会降低木塑材料的力学性能。另外,要防止过分剪切或高温产生糊料等问题,一步法连续工艺若脱挥(主要脱水)不充分将影响下一步的加工生产,并使产品有气泡而性能降低。目前,主要的加工设备为单螺杆挤出机和双螺杆挤出机,双螺杆挤出机又可分为同向平行双螺杆挤出机和异向锥型双螺杆挤出机。
  (1)单螺杆挤出机
  在木塑复合材料加工业中,单螺杆挤出机由于速度慢,能耗低,主要适合于生产规模小的企业。在国外,单螺杆挤出机基本上已经被淘汰了。
  (2)同向平行双螺杆挤出机
  木塑复合材料加工业称同向平行双螺杆挤出机为高速、高能耗型设备,一般为组合式螺杆,可调节螺杆长径比和构型(捏合块角度及其块数、不同捏合块组合方法),灵活设置排气口,可以直接加工木粉或植物纤维,完成木粉干燥后与熔融的树脂混合再连续挤出,即木粉干燥和树脂熔融分开进行,因此往往是由双阶挤出机组成。这种工艺要求木粉水含量低,并在严格条件下运输和贮存。美国Andex公司在木塑复合材料加工设备方面居领先地位,已经进行了近10年的工作,并在美国、加拿大、日本获得了8个专利许可证。意大利ICMA公司有其挤出三层板的专利技术,美国Davis-Standard、KruppW&P等公司也生产塑木加工用同向双螺杆挤出机。
  (3)异向锥型双螺杆挤出机
  与同向平行双螺杆挤出机比,异向锥型双螺杆机被称之为低速、低能耗型设备,非组合式螺杆。与一般锥型双螺杆机比,为适应热敏树脂加工需要,要求螺杆设计适应较宽的加工范围,对木纤维的切断作用少,树脂少时仍能均匀分散并与物料完全熔融。由于木粉、植物纤维比重小、填充量大,加料区体积比常规型号要大、要长。若木粉、植物纤维加入量大,熔融树脂刚性大,还要求耐高背压齿轮箱,采用压缩和熔融快、计量段短的螺杆,以确保木纤维停留时间短,防止其断裂和焦化糊料。

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