影響pe木塑復合材料木粉分散的因素及解決方法

影響pe木塑復合材料木粉分散的因素及解決方法

木塑材料（wpc）是一種以塑料為基礎的新型綠色環(huán)保材料。它以塑料為基礎，以木質纖維（如木材、竹、花殼、椰子殼、亞麻、蝗蟲等）為增強材料。它具有木材和環(huán)保材料的許多優(yōu)點。木塑材料具有廣闊的市場和應用前景。為追求理想的木質效果和較低的價格,在生產過程添加了大量的木粉,大量木粉的加入導致分散困難,木塑型材出現(xiàn)木粉成團的現(xiàn)象以致性能嚴重下降,這是木塑生產面臨的一個主要問題。本文討論以木粉和回收HDPE為主要原料生產木塑型材的木粉分散問題,根據(jù)木塑企業(yè)的生產情況,在原料、工藝、設備和配方等方面提出解決木粉難分散問題的措施和建議。1pe塑料生產的簡要介紹1.1主要原材料和添加劑1.1.1塑料塑料木塑生產木塑生產采用的塑料是熱塑性塑料,塑料的選擇主要考慮植物纖維的加工溫度,植物纖維在200℃以上的加工溫度下將容易碳化,任何可以在植物纖維的碳化點(200℃)以下熔化和加工的塑料均可以用作木塑的生產原料,通常選用聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯等熱塑性塑料作為木塑生產的塑料。考慮到成本、木塑材料更多應用于戶外,需要更好的耐候性,更高的力學性能,本文選擇高密度聚乙烯(HDPE)回收料為木塑復合材料生產原料。1.1.2顆粒度、木材料木塑采用的植物纖維主要有木粉、竹粉和谷糠等,按照顆粒度大小分成不同等級,顆粒度一般在40~80目之間,含水率低于8%。一般以木粉為主,其主要來源有:(1)制材廠的木材廢料;(2)二次加工產生的木材廢料,指工業(yè)化生產過程中制造家具和門窗時產生的木材剩余物;(3)消費性木材廢料。1.1.3主要涂料助劑作為木塑生產過程的必要元素,包括相容劑、光穩(wěn)定劑、熱穩(wěn)定劑、潤滑劑、防霉劑和著色劑。表1列出了不同助劑在生產過程中的作用。1.2傳輸設備目前,木塑生產采用的擠出工藝有一步法和兩步法。1.2.1模具冷卻、模具擠出、冷卻、定型成一步法是指物料高速混料后,直接加入型材擠出機,物料在擠出機內被熔融、塑化,通過模具擠出、冷卻、定型成具有特定幾何形狀的產品的過程。一步法對高混機混料質量要求較高,物料要求混合均勻、熟化、水份低于2%,才能保證木粉分散均勻,對擠出機要求有獨特的壓縮和低速剪切混合能力,才能保證型材的質量。1.2.2木粉分散、塑造成工序兩步法是指物料高速混料后,經過造粒擠出機熔融、塑化、擠出、造粒,粒料再加入型材擠出機通過模具擠出、冷卻、定型成具有特定幾何形狀的產品的過程。在造粒工序,木粉被均勻分散到塑料之中,其所含水分、低分子揮發(fā)物得到排放,水份含量降至1%以下,塑料塑化完全,擠出成型工序進一步塑化,木粉分散得到保證,擠出速度、產品質量更穩(wěn)定。兩步法可以明顯提高型材的抗沖擊性能和彎曲性能,且生產速度快,產品穩(wěn)定性好、成品率高,是目前木塑生產的主要工藝方法。2木材粉不易分散的原因和影響2.1木粉、塑料的結合劑性能在木塑生產中,為追求理想的木質效果和低成本,添加了大比例的木粉,木粉比例通常在50%以上甚至達到65%,塑料比例在30%左右,有些低至20%。木粉塑料兩相是典型的海島結構,如圖1,木粉是分散相,塑料是連續(xù)相,木粉分散于塑料中被塑料包裹,在化學結構上,木質纖維材料分子中存在大量羥基基團,使得纖維素大分子鏈之間及其內部有強烈氫鍵作用,加上單纖維在物理結構上的各向異性共同導致了單纖維整體結構上的不對稱性,單纖維具有較強的表面化學極性,使纖維具有較強的吸水性,而PE塑料為非極性,具有疏水性,使兩者的界面潤濕性和黏合性極差。木粉的難分散性,使得木粉容易聚集成團,木粉成團是木塑生產常見的質量問題,正常產品表面光滑,橫截面兩相分布均勻,若有木粉團,產品表面有麻皮、斑點等現(xiàn)象,橫截面及表面處理后有明顯的木粉團。造成木粉成團的內部原因是木粉和塑料性質所決定:(1)木粉較強的分子內氫鍵使得木質纖維材料和塑料共混時易聚集成團,分散難;(2)木質纖維材料有較強的吸水性,易吸水后與水分子之間形成氫鍵,而聚集成團;(3)木粉具有很強的極性,PE塑料為非極性,兩者難以分散均勻,必須依靠強的剪切力;外部原因是由于生產過程物料受到的剪切力不強,沒能將木粉均勻分散于塑料中,體系水分含量高導致木粉吸水形成氫鍵而聚集成團。2.2木粉成分配比的觀察和凍融試驗型材出現(xiàn)木粉成團后,其抗彎曲性能和抗沖擊性能明顯下降,試驗表明(表2),木粉成團的型材比正常型材整體性能明顯下降,彎曲強度下降近25%,彎曲模量下降31%,落錘沖擊強度下降47%,這是因為應力作用于型材后,塑料基體并不能有效地、均勻地把應力傳遞給木粉,而是應力被集中傳遞到型材較弱的地方,也就是木粉成團的地方,使型材很快發(fā)生斷裂,從斷面可以觀察到成團的木粉。將木粉成團的型材和正常型材,制成小樣條液氮低溫萃斷,用掃描電鏡觀察斷面形貌,如圖2是木粉成團的型材斷面形貌,可以明顯看出斷面分布很不均勻,說明木粉并沒能在塑料中很好的分散,且出現(xiàn)一些小空洞,可能是由于木粉沒被塑料很好包裹造成,對比圖3正常型材斷面形貌,斷面分布均勻,并沒有出現(xiàn)小空洞,說明木粉在塑料中均勻分散,兩相結合良好。將正常的型材和木粉成團的型材做凍融試驗,參考ASTM7032-08標準,按(1)室溫水中浸泡24h,(2)-29℃冷凍24h,(3)80℃烘烤24h完成一個凍融循環(huán)。圖4是經過兩個循環(huán)后木粉成團的型材和正常型材的外觀對比,圖4(a)木粉團吸水后體積增大膨脹,破壞了木粉和塑料基體的界面,在型材表面出現(xiàn)麻點;圖4(b)木粉分散正常的型材兩輪凍融循環(huán)后表面正常。表3是凍融循環(huán)前后彎曲性能比較,可以看出,有木粉團的型材彎曲強度和模量下降明顯,分別下降11.7%和8.33%,而正常型材僅下降了5.96%和2.90%,所以木粉成團對材料力學性能影響較大。3木粉的分子間作用解決木粉分散問題,須從木粉和塑料的固有性質出發(fā),首先要破壞木粉分子間的氫鍵,減少原料木粉的水份,防止木粉與水的結合而團聚;其次加強混料和擠出過程的剪切作用,使木粉更好分散于塑料中;再次改變木粉和塑料的界面成分,提高兩相的結合力。3.1提高木材和邊角料質量塑料基體和助劑含水量較低,而木粉有較強的吸水性,易與水分子形成氫鍵,木粉由廢舊木材和邊角料研磨而成,在回收過程易吸潮,市售木粉水份一般在6%~10%之間,可采用微波、油加熱、天然氣加熱等方法干燥,可使木粉的含水率降至3%以下,在混料工序提高溫度、延長混料時間也可有效降低體系的水分含量,極大降低木粉成團的可能。3.2樹粉、木粉的剪切力一步法在高速混料時易存在混料質量差,物料水份無法正常排出,有時水分高達2%以上,在擠出機內因轉速低,物料與螺桿、機筒的剪切力小,木粉難均勻分散,木粉容易成團。而兩步法增加造粒工序,物料通過平行雙螺桿擠出機高速剪切塑化后,破壞木粉分子內的氫鍵,將木粉所含水份排出,并將木粉均勻分散于塑料中,被塑料所包裹,造粒擠出機要求塑化好,排氣好,最好有抽真空設備在造粒過程將水分排出,造粒料水分控制在1.0%以下,較好解決木粉了難分散的問題,同時有效提高型材的性能及生產穩(wěn)定性。3.3木粉和塑料的分散性木質纖維材料具有較強的表面化學極性,而PE塑料為非極性,兩者的界面潤濕性和黏合性極差,通過改善兩者界面結合力,在一定程度上也能提高木粉的分散性,研究者對木質纖維材料進行預處理或表面改性,降低其表面極性或引入合適的界面相容劑,或對塑料基體進行改性,提高表面極性,使木粉和塑料在混合過程中容易分散和融合,形成穩(wěn)定、牢固、均勻的界面層。從適用性和成本上的考慮,通過添加界面相容劑是最簡單而且最有效的方法,如添加馬來酸酐接枝聚乙烯(MAPE),MAPE相對回收的HDPE有較高的熔融指數(shù),流動性好,能改善木粉的分散性和界面結合力。3.4木粉成分配產業(yè)設備老化、磨損,是影響木粉分散的一個重要因素,如高混機槳葉磨損后,槳葉和缸體間隙增大,物料所受摩擦減弱,摩擦使溫度升高緩慢,水分無法蒸出;剪切不強