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木塑材料专用相容剂

日期:2016-11-12 14:34 作者:同盛木塑

前世界各国对各种废旧塑料污染进行了全方位治理,并已取得了一定的成效,其中用木粉或植物纤维填充,经专用设备挤出、压制或注塑成型,可用来在某些场合替代木材制品的塑木制品尤为实用。该成果是近年来国外发展较快且经济效益显著的实用型新技术,可广泛用于包装、建筑等行业,产品可制成板材、型材、片材、管材等,并具有木材的加工优点。
    木粉与废旧塑料复合材料的开发与研究不但可以提供充分利用自然资源的机会,而且也可以减轻由于废旧塑料而引起的环境污染,因此,这种塑木复合材料是一种节约能源、保护环境的绿色环保材料。其应用范围也很广,主要应用在建材、汽车工业、货物的包装运输、装饰材料及日常生活用具等方面,有广阔的发展前景。木粉作为塑料的一种有机填料,具有许多其他的无机填料所无法比拟的优良性能:来源广泛、价格低廉、密度低、绝缘性好、对加工设备磨损小。但它并没有像无机填料那样得到广泛应用,原因主要有与基体树脂的相容性差、在熔融的热塑性塑料中分散效果差、流动性差、挤出成型加工困难等。
    随着塑木技术的不断发展和环保需求的日益提高,塑木技术已由单一组分的废旧塑料和木粉共混合生产塑木制品,向多组分废旧塑料和木粉共混合生产塑木制品过渡,这样多组分的废旧塑料间的相容性就变得十分重要。
    由于木粉中主要成分是纤维素,纤维素中含大量的羟基,这些羟基形成分子间氢键或分子内氢键,使木粉具有吸水性,吸湿率可达8%~12%,且极性很强;而热塑性塑料多数为非极性的,具有疏水性,所以两者之间的相容性较差,界面的粘结力很小。使用适当的添加剂来改性聚合物—木粉表面,可以提高木粉与树脂之间的界面亲和能力,且改性的木粉填料具有增强的性质,能够很好地传递填料与树脂之间的应力,从而达到增强复合材料强度的作用。因此,要得到性能优良、符合条件的塑木复合材料,首先要解决的是材料相容性的问题。
    相容性问题主要靠加入各种添加剂来解决。
    (1) 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。美国专利US 518802介绍了相关处理方法。US 5480602还介绍了聚亚胺酯类偶联剂的应用。
    (2) 相容剂法
    加入相容剂是最简单而且很有效的方法。据报道,合适的相容剂有马来酸酐等接枝的植物纤维或马来酸酐改性的聚烯烃树脂、丙烯酸酯共聚物、乙烯丙烯酸共聚物。这些相容剂中大部分含有羧基或酐基,能够与木粉中的羟基发生酯化反应,从而降低木粉的极性和吸湿性,使其与树脂有很好的相容性。美国专利US 5120776、US 5886078、US 5773138、US 5516472讨论了相关的相容剂。
    不同的添加剂的用量对复合材料的拉伸强度、相容性都有不同程度的影响,故筛选合适的添加剂至关重要。
    偶联剂的用量与填料的活化效果并非成正比关系,而是与偶联剂在木粉颗粒表面的状况有关。木粉颗粒在基体中并不是理想的单独分散状态,而以某种聚集状态的形式存在。呈聚集态的木粉对填充体系流动性能的影响是不利的,可加人适量的硬脂酸来降低木粉颗粒的集聚数量,改善成团现象,使其向基体树脂中充分分散。此外,塑木复合材料在熔融状态时属于假塑性流体。,随着剪切速率的增加,表观粘度下降。所以为了使填充体系具有良好的加工流动性能,应当尽可能采用较高的剪切应力,以降低填充体系的剪切粘度,使之适合于挤出成型加工。
    针对塑木加工工艺而开发专用相容剂是塑木生产技术的一个重要方面。
    较为实用的塑木用相容剂
    现介绍四种用于塑木加工的复配相容剂:
    A一氯化聚乙烯体系;
    B——丙烯酸酯类体系;
  在实际生产和试验中使用不同种类相容剂体系,加入份数不同,对塑木材料的冲击强度、弯曲强度和弯曲模量及热变形温度等指标都有一定影响。
    氯化聚乙烯体系综合性能较好,在使用最低份数相容剂的条件下,基本达到生产和试验要求的各项技术要求。在只添加较少的相容剂条件下就能达到实际的使用要求,这是较为理想的结果,且经济成本低,更有利于工业化生产。
    丙烯酸酯体系改性塑木材料体系的性能也较好,各项指标可满足使用要求,但在相同份数基础上,与A相容剂价格相差较大,这样经济效益就无优势可言,因此,这类相容剂可作为备用替代晶;C和D相容剂的其他技术指标尚可,但热变形温度一项较差,不能达到塑木产品在某些场合的使用要求,而这又是很重要的一项指标,所以这两种相容剂还不很适用。另外,这两种相容剂加人后材料的弹性模量和弯曲强度都表现为高加入量才好,这不利于成本核算。
    可见,以上四种相容剂中前两者较为理想,应优先考虑在塑木制品中使用。
    应用情况:
    目前世界上普遍利用消费者废塑料或称‘用后废弃物’(postcon,sumerwastes,PCW),即混合废料来生产仿木料。混合废料由多种材料组成,包含多种塑料、纸、软金属(如A1)等。这种废料通过挤出模压可直接加工成塑料木头(plasticlumber)。大多数塑料木头在颜色上是不均一的,故常常加工成深颜色如绿、棕、灰色。 塑料木头有许多优点:①耐酸碱、耐化学晶、耐盐水性好;②对 低温有优势;③耐紫外光;④不腐烂、不开裂或翘曲;⑤耐振动 等。塑料木头可获得广泛应用,停车点、马厩、野外餐桌、防腐柱子等都可用塑料木头制造;用塑料木头制猪圈和羊房的地板,可保温、耐动物尿、不繁殖细菌。但塑料木头比较贵。Klobie系统就是 以制塑料木头为目的而发展起来的。这里介绍两个应用实例。
    例1 先进循环技术公司(Advanced Recycling Technology,ART)
    ART系统(分ET/1型和ET/2型)主要用于生产塑料木头和类似产品,其原料主要是90%的用后废弃物和工业废料。一般来说废料要进行适当的前处理,如泥土、耐磨材料等要除去。造粒后的混合塑料进入挤出机,熔化并在低压下进入一定形状(如管状) 的模具。挤出机是绝热的,具有短、可变高速、水力驱动的螺杆,螺杆设计成低长径比、高转速。聚合物在高剪切下熔化,停留时间短,以保证聚合物不至于降解;熔体温度大约177~190C,PS、PVC、PA等易熔化,而PET、PC等不易熔化,与固体污物、热 固性材料、金属一起被低熔点组分所包覆。空心模安装在升降机室 或旋转台中,当物料进入后就进行工作。模具在水浴中旋转冷却。注意避免带人湿气,否则会给制品带来气孔。
    例2 超级木料公司(Superwood)Superwood公司采用的绝热过程亦称为超级流动(Superflow) 过程,用于制造塑料木头。该过程类似ART技术,由电驱动螺杆 引起物料摩擦,以熔化塑料;塑化的材料通过较大的注口进人钢 模,不同横截面的模具(具有相同长度)安装在转盘上,并在水浴中旋转冷却;模制品用空气脱开。采用的原材料主要是PE和PP,PET和PS等在一定控制条件下也可用于制造木料,PVC仅在有特殊添加剂存在下少量使用。用后废弃物虽然也 可用来加工,但大多使用工业废料。

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