影响pe木塑复合材料木粉分散的因素及解决方法

影响pe木塑复合材料木粉分散的因素及解决方法

木塑材料（wpc）是一种以塑料为基础的新型绿色环保材料。它以塑料为基础，以木质纤维（如木材、竹、花壳、椰子壳、亚麻、蝗虫等）为增强材料。它具有木材和环保材料的许多优点。木塑材料具有广阔的市场和应用前景。为追求理想的木质效果和较低的价格,在生产过程添加了大量的木粉,大量木粉的加入导致分散困难,木塑型材出现木粉成团的现象以致性能严重下降,这是木塑生产面临的一个主要问题。本文讨论以木粉和回收HDPE为主要原料生产木塑型材的木粉分散问题,根据木塑企业的生产情况,在原料、工艺、设备和配方等方面提出解决木粉难分散问题的措施和建议。1pe塑料生产的简要介绍1.1主要原材料和添加剂1.1.1塑料塑料木塑生产木塑生产采用的塑料是热塑性塑料,塑料的选择主要考虑植物纤维的加工温度,植物纤维在200℃以上的加工温度下将容易碳化,任何可以在植物纤维的碳化点(200℃)以下熔化和加工的塑料均可以用作木塑的生产原料,通常选用聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯等热塑性塑料作为木塑生产的塑料。考虑到成本、木塑材料更多应用于户外,需要更好的耐候性,更高的力学性能,本文选择高密度聚乙烯(HDPE)回收料为木塑复合材料生产原料。1.1.2颗粒度、木材料木塑采用的植物纤维主要有木粉、竹粉和谷糠等,按照颗粒度大小分成不同等级,颗粒度一般在40~80目之间,含水率低于8%。一般以木粉为主,其主要来源有:(1)制材厂的木材废料;(2)二次加工产生的木材废料,指工业化生产过程中制造家具和门窗时产生的木材剩余物;(3)消费性木材废料。1.1.3主要涂料助剂作为木塑生产过程的必要元素,包括相容剂、光稳定剂、热稳定剂、润滑剂、防霉剂和着色剂。表1列出了不同助剂在生产过程中的作用。1.2传输设备目前,木塑生产采用的挤出工艺有一步法和两步法。1.2.1模具冷却、模具挤出、冷却、定型成一步法是指物料高速混料后,直接加入型材挤出机,物料在挤出机内被熔融、塑化,通过模具挤出、冷却、定型成具有特定几何形状的产品的过程。一步法对高混机混料质量要求较高,物料要求混合均匀、熟化、水份低于2%,才能保证木粉分散均匀,对挤出机要求有独特的压缩和低速剪切混合能力,才能保证型材的质量。1.2.2木粉分散、塑造成工序两步法是指物料高速混料后,经过造粒挤出机熔融、塑化、挤出、造粒,粒料再加入型材挤出机通过模具挤出、冷却、定型成具有特定几何形状的产品的过程。在造粒工序,木粉被均匀分散到塑料之中,其所含水分、低分子挥发物得到排放,水份含量降至1%以下,塑料塑化完全,挤出成型工序进一步塑化,木粉分散得到保证,挤出速度、产品质量更稳定。两步法可以明显提高型材的抗冲击性能和弯曲性能,且生产速度快,产品稳定性好、成品率高,是目前木塑生产的主要工艺方法。2木材粉不易分散的原因和影响2.1木粉、塑料的结合剂性能在木塑生产中,为追求理想的木质效果和低成本,添加了大比例的木粉,木粉比例通常在50%以上甚至达到65%,塑料比例在30%左右,有些低至20%。木粉塑料两相是典型的海岛结构,如图1,木粉是分散相,塑料是连续相,木粉分散于塑料中被塑料包裹,在化学结构上,木质纤维材料分子中存在大量羟基基团,使得纤维素大分子链之间及其内部有强烈氢键作用,加上单纤维在物理结构上的各向异性共同导致了单纤维整体结构上的不对称性,单纤维具有较强的表面化学极性,使纤维具有较强的吸水性,而PE塑料为非极性,具有疏水性,使两者的界面润湿性和黏合性极差。木粉的难分散性,使得木粉容易聚集成团,木粉成团是木塑生产常见的质量问题,正常产品表面光滑,横截面两相分布均匀,若有木粉团,产品表面有麻皮、斑点等现象,横截面及表面处理后有明显的木粉团。造成木粉成团的内部原因是木粉和塑料性质所决定:(1)木粉较强的分子内氢键使得木质纤维材料和塑料共混时易聚集成团,分散难;(2)木质纤维材料有较强的吸水性,易吸水后与水分子之间形成氢键,而聚集成团;(3)木粉具有很强的极性,PE塑料为非极性,两者难以分散均匀,必须依靠强的剪切力;外部原因是由于生产过程物料受到的剪切力不强,没能将木粉均匀分散于塑料中,体系水分含量高导致木粉吸水形成氢键而聚集成团。2.2木粉成分配比的观察和冻融试验型材出现木粉成团后,其抗弯曲性能和抗冲击性能明显下降,试验表明(表2),木粉成团的型材比正常型材整体性能明显下降,弯曲强度下降近25%,弯曲模量下降31%,落锤冲击强度下降47%,这是因为应力作用于型材后,塑料基体并不能有效地、均匀地把应力传递给木粉,而是应力被集中传递到型材较弱的地方,也就是木粉成团的地方,使型材很快发生断裂,从断面可以观察到成团的木粉。将木粉成团的型材和正常型材,制成小样条液氮低温萃断,用扫描电镜观察断面形貌,如图2是木粉成团的型材断面形貌,可以明显看出断面分布很不均匀,说明木粉并没能在塑料中很好的分散,且出现一些小空洞,可能是由于木粉没被塑料很好包裹造成,对比图3正常型材断面形貌,断面分布均匀,并没有出现小空洞,说明木粉在塑料中均匀分散,两相结合良好。将正常的型材和木粉成团的型材做冻融试验,参考ASTM7032-08标准,按(1)室温水中浸泡24h,(2)-29℃冷冻24h,(3)80℃烘烤24h完成一个冻融循环。图4是经过两个循环后木粉成团的型材和正常型材的外观对比,图4(a)木粉团吸水后体积增大膨胀,破坏了木粉和塑料基体的界面,在型材表面出现麻点;图4(b)木粉分散正常的型材两轮冻融循环后表面正常。表3是冻融循环前后弯曲性能比较,可以看出,有木粉团的型材弯曲强度和模量下降明显,分别下降11.7%和8.33%,而正常型材仅下降了5.96%和2.90%,所以木粉成团对材料力学性能影响较大。3木粉的分子间作用解决木粉分散问题,须从木粉和塑料的固有性质出发,首先要破坏木粉分子间的氢键,减少原料木粉的水份,防止木粉与水的结合而团聚;其次加强混料和挤出过程的剪切作用,使木粉更好分散于塑料中;再次改变木粉和塑料的界面成分,提高两相的结合力。3.1提高木材和边角料质量塑料基体和助剂含水量较低,而木粉有较强的吸水性,易与水分子形成氢键,木粉由废旧木材和边角料研磨而成,在回收过程易吸潮,市售木粉水份一般在6%~10%之间,可采用微波、油加热、天然气加热等方法干燥,可使木粉的含水率降至3%以下,在混料工序提高温度、延长混料时间也可有效降低体系的水分含量,极大降低木粉成团的可能。3.2树粉、木粉的剪切力一步法在高速混料时易存在混料质量差,物料水份无法正常排出,有时水分高达2%以上,在挤出机内因转速低,物料与螺杆、机筒的剪切力小,木粉难均匀分散,木粉容易成团。而两步法增加造粒工序,物料通过平行双螺杆挤出机高速剪切塑化后,破坏木粉分子内的氢键,将木粉所含水份排出,并将木粉均匀分散于塑料中,被塑料所包裹,造粒挤出机要求塑化好,排气好,最好有抽真空设备在造粒过程将水分排出,造粒料水分控制在1.0%以下,较好解决木粉了难分散的问题,同时有效提高型材的性能及生产稳定性。3.3木粉和塑料的分散性木质纤维材料具有较强的表面化学极性,而PE塑料为非极性,两者的界面润湿性和黏合性极差,通过改善两者界面结合力,在一定程度上也能提高木粉的分散性,研究者对木质纤维材料进行预处理或表面改性,降低其表面极性或引入合适的界面相容剂,或对塑料基体进行改性,提高表面极性,使木粉和塑料在混合过程中容易分散和融合,形成稳定、牢固、均匀的界面层。从适用性和成本上的考虑,通过添加界面相容剂是最简单而且最有效的方法,如添加马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE),MAPE相对回收的HDPE有较高的熔融指数,流动性好,能改善木粉的分散性和界面结合力。3.4木粉成分配产业设备老化、磨损,是影响木粉分散的一个重要因素,如高混机桨叶磨损后,桨叶和缸体间隙增大,物料所受摩擦减弱,摩擦使温度升高缓慢,水分无法蒸出;剪切不强