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CN101168311B - 一种新型复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种以木粉和高分子树脂为主要原料制备的新型复合材料；该复合材料由内置的基层和外置的包覆层构成，所述的基层和包覆层连为一体，其中基层包括以下重量百分比的成份：可塑性塑胶材料：55％～75％；碳酸钙：10％～20％；有机锡：0.5％～5％；氯化聚乙烯：5％～15％；丙烯酸酯类共聚物：1％～5％；包覆层包括以下重量百分比的成份：可塑性塑胶材料：50％70％；木粉：5％～10％；碳酸钙：10％～20％；有机锡0.5％～5％；氯化聚乙烯：5％～10％；丙烯酸酯类共聚物：1％～5％；此外还涉及了该复合材料的制备方法；本发明的新型复合材料既保留树脂材料抗腐蚀性能高、耐候性能好机械强度大和具有防水、防潮的特性外，又保留了原木的外观特性和原木材料的固有滋气味。

Description

一种新型复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料，具体地说是以木粉和高分子树脂为主要原料制备的新型复合材料，本发明还涉及该新型复合材料的制备方法，属于建筑和户外装潢材料技术领域。
背景技术
现有的建筑和户外装潢材料大量依赖木材制品，导致森林砍伐量剧增，生态环境恶化，开发保护环境、节约资源的新技术和新产品具有重要现实意义，后来人们开发树脂材料来替代木材制品，虽然树脂材料具有抗冲击、抗老化、防腐蚀、防水防潮及阻燃的特点；但是树脂材料缺乏原木的外观特性和原木材料的固有滋气味，也无法适应现代人们对美学的需求。
中国专利申请(95117967.5)涉及复合式板材、型材制造方法，该方法主要是将废弃木料、木屑等先行破碎、研磨成较小粒径的木粉状，再加入隅合剂、增黏剂、安定剂及热可塑性胶原料，投入高速混合机，经充分均匀混合并使水气蒸发脱除后，成为芯材材料，喂入复合式压出生产线；其中的主压出机经共压出模具成型为制品的芯材。依制品所需选择相容性较佳的热可塑性塑胶粉(粒)喂入复合式压出生产线的副压出机，经共压出模具在芯材外缘局部或全部成型为包覆皮层，制成板材、型材制品；该方法虽然解决了传统方法采用木材来制作板材和型材。从而造成大量木材消耗的缺陷，但是其在外包覆皮层采用的是PVC、PP、PE、ABS、PS等塑胶材料，仍然缺乏原木的外观特性和原木材料的固有滋气味，无法适应现代人们对美学的需求。此外该方法采用了20％～80％的木粉填充料和80％～20％的可塑性塑胶粉，难以使两者之间混合均匀，从而制成具有高标准的板材、型材。
而中国专利申请(02129412.7)涉及塑木板材，该板材组份包括聚氯乙烯(PVC)、木粉、无机填料、润滑剂、热稳定剂、交联剂、增溶剂和着色剂，其特征在于：聚氯乙烯为45％～48％；木粉为38％～40％；无机填料是二氧化钛或碳酸钙，用量为6％～7％；乙交基双硬脂酸酰胺用量为0.8～1％，或者聚乙烯蜡0.3～0.5，AC629即氧化乙烯0.5％～0.8％；硬脂酸钙为0.7％～0.8％；硫基乙酸异辛酯二正辛基锡为0.9％～1％；ACR-401为3％～4％；着色剂任意；该塑木板材采用多种成份进行组合虽然解决了木粉和聚氯乙稀之间混合均匀的问题，但是该塑木板材采用大量的木材38％～40％，仍然无法达到绿色环保的目的，而且该塑木板材依然无法保持原木的外观特性和原木材料的固有滋气味。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷提供一种新型复合材料；该新型复合材料既保留树脂材料抗腐蚀性能高、耐候性能好、机械强度大和具有防水、防潮的特性外，又保留了原木的外观特性和原木材料的固有滋气味。
本发明的另一个目的还提供了该新型复合材料的制备方法，该方法解决了木粉和树脂材料之间相溶性差、加工性能差、产品密度大的缺点。
本发明的上述技术问题是通过以下技术方案得以实施的：一种新型复合材料，该复合材料由内置的基层和外置的包覆层构成，所述的基层和包覆层连为一体，其中基层包括以下重量百分比的成份：可塑性塑胶材料：55％～75％；碳酸钙：10％～20％；有机锡：0.5％～5％；氯化聚乙烯：5％～15％；丙烯酸酯类共聚物：1％～5％；包覆层包括以下重量百分比的成份：可塑性塑胶材料：50％～70％；木粉：5％～10％；碳酸钙：10％～20％；有机锡0.5％～5％；氯化聚乙烯：5％～10％；丙烯酸酯类共聚物：1％～5％。
本发明的复合材料的基层采用可塑性塑胶材料如PVC、PP、PE、ABS、PS等是一类高分子树酯，具有较强的可塑性，可以构成复合材料的基本框架，而碳酸钙可以增加可塑性塑胶材料的机械强度，从而提高复合材料的抗冲击性能，此外在复合材料的基层中添加碳酸钙还能够提高其阻燃性能，而有机锡如硫醇甲基锡HTM-2010是一类复合热稳定剂，能够提高复合材料的抗老化和抗腐蚀性能；而氯化聚乙烯(CPE)和丙烯酸酯类共聚物(ACR)能够调整复合材料的分子结构，其中CPE能够增加复合材料韧性、提高其机械强度，而ACR能够提高整个原料的流动性，从而改善整个产品的流动性能；本发明采用可塑性塑胶材料、碳酸钙、有机锡、氯化聚乙烯、丙烯酸酯类共聚物可以保持抗冲击、抗老化、防腐蚀、防水防潮及阻燃的特点；而包覆层在上述成分的基础上添加了重量百分比为5％～10％木粉，所述的木粉的颗粒大小在1000目-2000目左右；由于木粉是亲水性材料，而可塑性塑胶材料是疏水性材料，两者之间混合时难以达到均匀；而在本发明中采用的木粉含量较少，并降低了可塑性塑胶材料和氯化聚乙烯的用量，木粉与可塑性塑胶材料等材料能够高度熔融，由于包覆层的成分和基层的成分大都属于同一类型的材料，因此它们通过挤出后很容易连为一体，包覆面与基面紧密融合，绝对不会出现剥离现象；本发明的复合材料既保留树脂材料抗腐蚀性能高、耐候性能好、机械强度大和具有防水、防潮的特性外，又保留了原木的外观特性和原木材料的固有滋气味。
在上述的新型复合材料中，所述的基层还包括以下重量百分比的成份：聚乙烯蜡：0.2％～0.8％；硬脂酸：0.2％～0.8％；硬脂酸钙：1.0％～2.0％；硅烷：0.1％～0.4％；钛白粉：5％～10％。聚乙烯蜡(PE蜡)、硬脂酸、硬脂酸钙均为润滑剂类物质，在本发明复合材料的基层中加入这三种物质可以增加基层原料在挤出过程中的润滑性，便于和包覆层同步包覆挤出使其连为一体形成复合材料；此外这三种材料还可以提高复合材料的光洁度；而硅烷不仅可以改善基层原料在挤出过程中的润滑性，而且还能大幅度提高成型后复合材料的阻燃性能；钛白粉是一种阻光剂，在基层中加入可以改善整个复合材料的透光性能，降低其透明度。
在上述的新型复合材料中，所述的包覆层还包括以下重量百分比的成份：聚乙烯蜡：0.2％～0.8％；硬脂酸：0.2％～0.8％；硬脂酸钙1.0％～2.0％；硅烷：0.2％～0.6％；钛白粉：5％～10％。在本发明复合材料的包覆层中加入这三种物质可以增加包覆层原料在挤出过程中的润滑性，便于和基层同步包覆挤出使其连为一体形成复合材料；由于包覆层包覆在基层的外面，因此容易引起燃烧，从而在包覆层的成份中加入其重量百分比为0.2％～0.6％的硅烷，大大提高了复合材料包覆层的阻燃性能；钛白粉是一种阻光剂，在包覆层中加入可以改善整个复合材料的透光性能，降低其透明度。
在上述的新型复合材料中，所述的包覆层还包括以下重量百分比的成份：紫外线吸收剂：0.1％-0.4％。而紫外线吸收剂是一类物质如UV-531、UV-P、UV-326、UV-327、UV-328等；由于本发明的复合材料主要用于外建筑装璜材料，要长时间放在户外，在包覆层中加入能明显提高产品抗击紫外线的性能，在长时间阳光曝晒的环境下有效的防止整个复合材料的变色和老化。
作为优选，在上述的新型复合材料中，所述的基层和包覆层的厚度比例为：3～4∶1。
为了便于调色，在本发明的新型复合材料的包覆层还可以加入增白剂、群青等颜料类物质。
此外本发明还提供了该新型复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
A、配料、混料：根据上述基层和包覆层的成份及其重量配比进行配制原料，配料后将其分别加入到混料机进行混料10～15分钟；
B、同步包覆挤出：将上述经过混料后的复合材料基层的成份加入主挤出机中，将上述经过混料后的复合材料包覆层的成份加入辅挤出机中；通过两种挤出机同步包覆挤出后使包覆层和基层连为一体形成复合材料半成品；
C、冷却、定型：将上述经过同步包覆挤出的复合材料半成品，经牵引机牵引，在温度20℃以下进行冷却、定型；
D、切割、返真打磨：将上述经过冷却、定型后的复合材料半成品进行切割，切割后放入打磨机中进行返真打磨，打磨后即得复合材料成品。
上述的新型复合材料的制备方法中，在步骤A中混料过程中混料10～15分钟温度升至120℃时对原料进行冷却，待原料温度降至50℃～70℃时出料。由于基层主要采用可塑性塑胶材料及其添加剂，而包覆层中主要采用可塑性塑胶材料、木粉及其添加剂；因此当温度升至120℃这些物质基本上都融化，从而达到混料均匀。
上述的新型复合材料的制备方法中，在步骤B中所述主挤出机挤出各段的温度控制在100℃～190℃，挤出口的温度控制在110℃～170℃，主挤出机螺杆转速控制在10～50red/min。将主挤出机挤出各段和挤出口的温度控制在100℃～190℃主要是控制基层各种成份的流动性，使主原料PVC能够充分塑化，保证产品质量，提高加工性能；而将主挤出机螺杆转速控制在10～50red/min是为了让基层成份和包覆层成份的流速保持一致，便于同步包覆挤出。
上述的新型复合材料的制备方法中，在步骤B中所述辅挤出机挤出各段的温度控制在80℃～170℃，挤出口的温度控制在110℃～170℃，辅挤出机螺杆转速控制在10～30red/min。将辅挤出机挤出各段和挤出口的温度控制在80℃～150℃主要是控制包覆层各种成份的流动性，使主原料PVC能够充分塑化，与木粉高度熔融，以保证产品质量，提高加工性能；而将辅挤出机螺杆转速控制在10～30red/min是为了让包覆层成份和基层成份的流速保持一致，便于同步包覆挤出。
综上所述：本发明的复合材料及其制备方法具有以下优点：
1、本发明的新型复合材料既具有百分百原木的特性和滋气味，又具有高分子材料抗冲击、抗老化、防腐蚀、防水防潮及阻燃的特性，可作为一种性能较好的室内外建筑装璜材料。
2、本发明的新型复合材料的基层和包覆层的成份均为环保型，不会对环境造成污染，且可多次重复使用，并可回收利用；而成份中的木粉是木材加工过程中的下脚料(即锯木粉)经进一步深加工后制成，是木材废料的再生利用，对保护林木资源和自然环境具有重要意义。
3、本发明的新型复合材料的制备方法将木粉与高分子成份经过包覆挤出工艺制作，木粉与高分子成份高度熔融，包覆层与基层紧密融合成一体，不会出现剥离现象。
4、本发明的新型复合材料的制备方法采用挤出工艺生产，制作的新型复合材料产品中空，挤出能力大，产量高，既节约了能源，又有较高的经济效益和社会效应。
5、本发明的新型复合材料的制备方法不仅解决了现有技术中的木粉与高分子材料相溶性差、加工性能差、产品密度大的现象；而且克服原木的防腐蚀性、防水性及阻燃性能差的缺点，而保留了原木固有的特性、纹理及滋气味。
6、本发明的新型复合材料的制备方法的工艺流程简单，生产成本低；制作出新型复合材料具有优良的物理和力学性能，各项性能指标均达到或超过GB/T8814-2004标准。
附图说明
图1是本发明新型复合材料的剖面结构示意图。
图中：1、包覆层；2、基层。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例；这些实施例可以对本发明作进一步的补充和说明；但本发明并不限于这些实施例。
实施例1：新型复合材料(板材)的制作过程：
A、配料、混料：根据表1所述的基层和包覆层成份及其重量配比进行配制原料，配料后将其分别加入至混料机组(张家港杰达SRL-Z 500/1000)进行混料，混料时间为10分钟，混料温度上升至120℃时将原料放入冷却锅(张家港杰达SRL-Z 500/1000混料机组配套设备)进行冷却，冷却至料温为50℃时出料；
B、同步包覆挤出：将上述混合的基层成份加入主挤出机组(上海金纬65型)中，主挤出机的各段的温度控制在100-190℃，合流口的温度控制在160℃，主挤出机螺杆转速为20red/min，基层成份经预先按板材形状设计的成型模具挤出；同时将上述混合的包覆层成份加入辅挤出机(上海金纬JWM-50)中，辅挤出机的各段的温度控制在80-160℃，合流口的温度控制在160℃，辅挤出机螺杆转速为20red/min，包覆层成份经辅挤出机流道与上述的成型模具流道中基层成份汇合后实现同步包覆挤出形成复合材料半成品；其中所述的基层和包覆层的厚度比例为：3∶1。
C、冷却、定型：将上述经过同步包覆挤出的复合材料半成品经牵引机(上海金纬65型挤出机组配套设备)牵引进入按照板材形状制作的定型模具实现定型并在温度为20℃以下的循环水中冷却，其中牵引机速度要求基本与同步包覆挤出的速度同步。
D、切割、返真打磨：将上述冷却、定型后的复合材料半成品按照板材规格的要求进行切割，其中切割长度误差要求≤±1％；然后根据需要打磨的板材形状特点调整打磨机(杭州祥生400)，对产品进行返真打磨；打磨后即得新型复合材料(板材)。
如图1所示：本发明的新型复合材料(板材)由内置的基层1和外置的包覆层2构成，所述的基层和包覆层连为一体。
通过上述制备方法及表1中的成份制备而成新型复合材料(板材)测得其性能指标如表4所示(其中的数据部分参照GB/T8814-2004标准)
表1：实施例1的新型复合材料(板材)的组分(％)
Figure GSB00000081755100081
其中上述的可塑性塑胶材料为PVC，所述的紫外线吸收剂为UV-531；所述的有机锡为硫醇甲基锡HTM-2010；所述纯木粉末的颗粒大小为1000目-2000目。
实施例2：新型复合材料(横档)的制作过程：
A、配料、混料：根据表2所述的基层和包覆层成份及其重量配比进行配制原料，配料后将其分别加入至混料机组(张家港杰达SRL-Z 500/1000)进行混料，混料时间为12分钟，混料温度上升至120℃时将原料放入冷却锅(张家港杰达SRL-Z 500/100混料机组配套设备)进行冷却，冷却至料温为55℃时出料；
B、同步包覆挤出：将上述混合的基层成份加入主挤出机组(上海金纬65型)中，主挤出机的各段的温度控制在100-190℃，合流口的温度控制在165℃，主挤出机螺杆转速为30red/min，基层成份经预先按横档形状设计的成型模具挤出；同时将上述混合的包覆层成份加入辅挤出机(上海金纬JWM-50)中，辅挤出机的各段的温度控制在80-145℃，合流口的温度控制在145℃，辅挤出机螺杆转速为25red/min，包覆层成份经辅挤出机流道与上述的成型模具流道中基层成份汇合后实现同步包覆挤出形成复合材料半成品；其中所述的基层和包覆层的厚度比例为：3∶1。
C、冷却、定型：将上述经过同步包覆挤出的复合材料半成品经牵引机(上海金纬65型挤出机组配套设备)牵引进入按照横档形状制作的定型模具实现定型并在温度为20℃以下的循环水中冷却，其中牵引机速度要求基本与同步包覆挤出的速度同步。
D、切割、返真打磨：将上述冷却、定型后的复合材料半成品按照横档规格的要求进行切割，其中切割长度误差要求≤±1％；然后需要打磨的板材形状特点调整打磨机(杭州祥生400)，对产品进行返真打磨；打磨后即得新型复合材料(横档)。
通过上述制备方法及表2中的成份制备而成新型复合材料(横档)测得其性能指标如表4所示(其中的数据部分参照GB/T8814-2004标准)
表2：实施例2的新型复合材料(板材)的组分(％)
Figure GSB00000081755100091
其中上述的可塑性塑胶材料为PVC，所述的紫外线吸收剂为UV-P；所述的有机锡为硫醇甲基锡HTM-2010；所述纯木粉末的颗粒大小为1000目-2000目。
实施例3：新型复合材料(方柱)的制作过程：
A、配料、混料：根据表3所述的基层和包覆层成份及其重量配比进行配制原料，配料后将其分别加入至混料机组(张家港杰达SRL-Z 500/1000)进行混料，混料时间为15分钟，混料温度上升至120℃时将原料放入冷却锅(张家港杰达SRL-Z 500/100混料机组配套设备)进行冷却，冷却至料温为60℃时出料；
B、同步包覆挤出：将上述混合的基层成份加入主挤出机组(上海金纬65型)中，主挤出机的各段的温度控制在100-185℃，合流口的温度控制在150℃，主挤出机螺杆转速为40red/min，基层成份经预先按方柱形状设计的成型模具挤出；同时将上述混合的包覆层成份加入辅挤出机(上海金纬JWM-50)中，辅挤出机的各段的温度控制在100-145℃，合流口的温度控制在150℃，辅挤出机螺杆转速为30red/min，包覆层成份经辅挤出机流道与上述的成型模具流道中基层成份汇合后实现同步包覆挤出形成复合材料半成品；其中所述的基层和包覆层的厚度比例为：4∶1。
C、冷却、定型：将上述经过同步包覆挤出的复合材料半成品经牵引机(上海金纬65型挤出机组配套设备)牵引进入按照方柱形状制作的定型模具实现定型并在温度为20℃以下的循环水中冷却，其中牵引机速度要求基本与同步包覆挤出的速度同步。
D、切割、返真打磨：将上述冷却、定型后的复合材料半成品按照方柱规格的要求进行切割，其中切割长度误差要求≤±1％；然后需要打磨的板材形状特点调整打磨机(杭州祥生400)，对产品进行返真打磨；打磨后即得新型复合材料(方柱)。
通过上述制备方法及表3中的成份制备而成新型复合材料(方柱)测得其性能指标如表4所示(其中的数据部分参照GB/T8814-2004标准)
表3：实施例3的新型复合材料(板材)的组分(％)
Figure GSB00000081755100111
其中上述的可塑性塑胶材料为PVC，所述的紫外线吸收剂为UV-328；所述纯木粉末的颗粒大小为1000目-2000目。
表4：实施例1～3检测的物理和力学性能指标
Figure GSB00000081755100112
从表4可以看出，本发明的新型复合材料既保留树脂材料抗腐蚀性能高、耐候性能好、机械强度大和具有防水、防潮的特性外，又保留了原木的外观特性和原木材料的固有滋气味。
本发明中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (9)

1.一种新型复合材料，该复合材料由内置的基层和外置的包覆层构成，所述的基层和包覆层连为一体，其中基层包括以下重量百分比的成份：可塑性塑胶材料：55％～75％；碳酸钙：10％～20％；有机锡0.5％～5％；氯化聚乙烯：5％～15％；丙烯酸酯类共聚物：1％～5％；包覆层包括以下重量百分比的成份：可塑性塑胶材料：50％～70％；木粉：5％～10％；碳酸钙：10％～20％；有机锡0.5％～5％；氯化聚乙烯：5％～10％；丙烯酸酯类共聚物：1％～5％；所述的基层和包覆层的厚度比例为3～4∶1。
2.根据权利要求1所述的一种新型复合材料，其特征在于：所述的基层还包括以下重量百分比的成份：聚乙烯蜡：0.2％～0.8％；硬脂酸：0.2％～0.8％；硬脂酸钙1.0％～2.0％；硅烷：0.1％～0.4％；钛白粉：5％～10％。
3.根据权利要求1或2所述的一种新型复合材料，其特征在于：所述的包覆层还包括以下重量百分比的成份：聚乙烯蜡：0.2％～0.8％；硬脂酸：0.2％～0.8％；硬脂酸钙1.0％～2.0％；硅烷：0.2％～0.6％；钛白粉：5％～10％。
4.根据权利要求1或2所述的一种新型复合材料，其特征在于：所述的包覆层还包括以下重量百分比的成份：紫外线吸收剂：0.1％～0.4％。
5.根据权利要求3所述的一种新型复合材料，其特征在于：所述的包覆层还包括以下重量百分比的成份：紫外线吸收剂：0.1％～0.4％。
6.一种新型复合材料的制备方法：该方法包括以下步骤：
A、配料、混料：根据权利要求1～5中任一项的基层和包覆层的成份及其重量配比进行配制原料，配料后将其分别加入到混料机进行混料10～15分钟；
B、同步包覆挤出：将上述经过混料后的复合材料基层的成份加入主挤出机中，将上述经过混料后的复合材料包覆层的成份加入辅挤出机中；通过两种挤出机同步包覆挤出后使包覆层和基层连为一体形成复合材料半成品；
C、冷却、定型：将上述经过同步包覆挤出的复合材料半成品，经牵引机牵引，在温度20℃以下进行冷却、定型；
D、切割、返真打磨：将上述经过冷却、定型后的复合材料半成品进行切割，切割后放入打磨机中进行返真打磨，打磨后即得复合材料成品。
7.根据权利要求6所述的新型复合材料的制备方法，其特征在于：步骤A中混料过程中混料10～15分钟温度升至120℃时对原料进行冷却，待原料温度降至50℃～70℃时出料。
8.根据权利要求6或7所述的新型复合材料的制备方法，其特征在于：步骤B中所述主挤出机挤出各段的温度控制在100℃～190℃，挤出口的温度控制在110℃～170℃，主挤出机螺杆转速控制在10～50red/min。
9.根据权利要求6或7所述的新型复合材料的制备方法，其特征在于：步骤B中所述辅挤出机挤出各段的温度控制在80℃～170℃，挤出口的温度控制在110℃～170℃，辅挤出机螺杆转速控制在10～30red/min。
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