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解讀WPC木塑高效改性與擠出技術(shù)

2014-6-20 17:34:41??????點(diǎn)擊:

一、改性技術(shù)

植物纖維與塑料之間的相容性對木塑產(chǎn)品力學(xué)性能有直接影響。植物纖維與基體樹(shù)脂復合時(shí),雖然通過(guò)混料得到宏觀(guān)上均勻混合,但由于植物纖維上含有很多羥基,具有很強的吸水性和極性,而PVC樹(shù)脂屬于非極性、吸油類(lèi)物質(zhì),微觀(guān)上兩者呈均相結構,之間有非常清晰的界面,分散效果和相容性較差,粘接力不好。

植物纖維中各種小分子成分對界面的相容性也有不良影響,使用前對植物纖維進(jìn)行處理,以及采用和選擇合適的生產(chǎn)工藝參數,都是提高木塑復合材料界面結合性能,改善復合材料物理力學(xué)性能的有效途徑。

木塑材料改性技術(shù)包含:木粉偶聯(lián)處理、木粉品種、粒度選擇和配比、PVC/木塑材料發(fā)泡等內容。

木粉偶聯(lián)處理

木粉偶聯(lián)處理好壞對木塑復合材料的發(fā)泡性能有重要影響。目前國內木粉纖維偶聯(lián)處理大致有物理和化學(xué)兩種方法。物理處理不改變纖維化學(xué)成分,但改變纖維結構和表面性能,改善纖維與基體聚合物的物理粘合。

熱處理能除去植物纖維吸附的水分和低沸點(diǎn)物質(zhì),但不能除去大部分的果膠、木質(zhì)素及半纖維素。由于植物纖維各成分熱膨脹系數的差別和水分等物資的揮發(fā),使纖維產(chǎn)生空洞和缺陷,導致木纖維拉伸強度、彈性模量和韌性隨熱處理溫度升高而下降。

堿處理不改變纖維素化學(xué)結構,但植物纖維素中的果膠、木質(zhì)素及半纖維等低分子雜質(zhì)能被堿溶解,表面變粗糙,在不使用相容劑的情況下,塑料基質(zhì)對木粉的浸潤性差,較高的表面粗糙度會(huì )使復合材料的截面處理更易形成空洞缺陷,使復合材料力學(xué)性能下降。使用相容劑可改善塑料對木粉的浸潤性,提高材料的拉伸強度和沖擊強度。先將木粉在不同溫度干燥,再用丙酮萃取大部分揮發(fā)物,去除揮發(fā)物后有更好的泡孔狀態(tài)。

化學(xué)改性通過(guò)改變木粉或PVC表面化學(xué)結構,改善極性,提高纖維素在基體的分散性,增強纖維與基體樹(shù)脂界面結合強度。目前國內木粉處理大多采用化學(xué)處理方法。常用方法有:

A、鋁酸酯偶聯(lián)劑處理,以提高樹(shù)脂和木粉之間的界面結合力,提高PVC木塑發(fā)泡板材拉伸強度和沖擊強度,用丙烯酸丁酯預聚物處理以改善熔體流動(dòng)性。

B、用表面接枝甲基丙烯酸甲酯處理木纖維,用硝酸鈰胺作引發(fā)劑在木纖維表面羥基處形成自由基,與甲級丙烯酸甲酯發(fā)生反應,形成接枝物,增強與PVC樹(shù)脂的界面粘合性。

C、用氨基硅烷處理過(guò)的木纖維具有很強的堿性和供電子能力,而PVC經(jīng)與氨基硅烷處理后具有更強的酸性,使PVC與木粉界面發(fā)生化學(xué)反應,有效提高兩者界面粘合性。

D、用鈦酸酯偶聯(lián)劑、油酸烯胺、聚氨脂預聚物三種表面改性劑對木粉處理,PVC/木粉力學(xué)性能均有不同程度提高;聚氨脂預聚物對木粉表面處理還能明顯提高復合體系流變性能。

有學(xué)者分別采用鋁酸酯和鈦酸酯對PVC/木粉復合材料進(jìn)行改性試驗發(fā)現后者比前者效果要好的多。鈦酸酯一般添加量為樹(shù)脂的1.5%,復合材料綜合性能較佳。

多種木粉表面處理方法相結合,利用組分之間的協(xié)同作用,往往可以獲得更好的界面性能。用適當質(zhì)量分數的NaOH溶液侵泡木粉,再用硅烷偶聯(lián)劑處理木粉。堿溶液清除了木粉表面油脂和灰分,降低了木粉的親水性,提高了木粉的疏松程度,使硅烷偶聯(lián)劑更容易與木粉中的羥基發(fā)生反應,界面性能比只用硅烷偶聯(lián)劑處理木粉更好。

相容劑的最佳用量和塑料基體品種、木粉和相容劑品種有關(guān)。PVC的極性比PP、PE大,少量的增容劑也能夠提高基體與木質(zhì)材料的界面粘合。

木粉品種、粒度選擇和配比

木粉除各類(lèi)樹(shù)木廢棄的木屑與下腳料,還包括非樹(shù)木植物,如秸稈粉、甘蔗渣粉、稻殼粉、花生殼粉等經(jīng)粉碎而得顆粒。選用植物纖維作為木塑復合材料的填充物,除廉價(jià)、易得、易降解、密度小外,植物纖維還具有多孔結構,在一定工藝條件下,熔融的塑料基體可滲入到植物纖維的細胞空腔中,增加材料剛度和強度。

由于不同來(lái)源的木粉含量有所不同,生產(chǎn)的木塑復合材料性能亦有明顯區別。同樣目數的木粉,云杉木粉比楊木粉有更多的細胞腔裸露在表面,與塑料界面接觸更充分,木塑復合材料力學(xué)性能更高,竹粉制得的木塑復合材料性能次之,花生殼粉制得的木塑復合材料性能比竹粉差一些,稻殼粉制得木粉力學(xué)性能更差。但由于稻殼外表有光滑的角質(zhì)化二氧化硅,形成一種非極性的表層結構,在木塑擠出過(guò)程中有一定潤滑作用。采取稻殼粉和松木粉并用,生產(chǎn)的木塑復合材料性能好于單獨使用松木粉。

有學(xué)者指:隨著(zhù)木粉粒度減少,與樹(shù)脂的接觸面積越大,越容易混合,均一性越好,可以增加基體的結合力,力學(xué)性能越好。實(shí)際上木粉粒徑減少,則體系表觀(guān)粘度增加,雖然發(fā)泡較容易,但是顆粒過(guò)小則容易團聚,且物理性能變差。木材的強度主要取決于纖維素長(cháng)度與取向度,纖維素長(cháng)度與取向度越長(cháng),基體強度越高,剛度越好。在木塑材料中,纖維有一個(gè)臨界長(cháng)度,當纖維素長(cháng)度與取向度小于臨界長(cháng)度時(shí),則材料受到的外力無(wú)法傳遞到纖維上,起不到增強的作用。木粉一般粒徑選擇150μm左右或目數在80-120目范圍為宜。

木粉屬于輕而硬質(zhì)的顆粒材料,少量添加,木塑產(chǎn)品沒(méi)有木材的質(zhì)感,而且配方成本高,只有添加量較大時(shí),才能顯示出木塑復合材料產(chǎn)品的性能和價(jià)格優(yōu)勢。雖然木粉在PE為基體的木塑中可大量添加,最高達75-80%,在PVC基體的木塑中,隨著(zhù)木粉量增加,樹(shù)脂與木粉之間作用力加大,不容易傳遞和擴散應力,降低PVC基體吸收沖擊能量和變形的能力,韌性變差。假若植物纖維剛性材料添加量過(guò)多,流動(dòng)性差,植物纖維素在基體中分散性不好,擠出困難。若熔體粘度低,植物纖維素在熔體中分散性就好,若熔體粘度高,則纖維易凝結成團。增加木粉含量會(huì )使木塑復合材料的加工溫度升高,木粉的填充量越高,越不容易發(fā)泡。

生產(chǎn)木塑應依據各類(lèi)產(chǎn)品標準指標要求,選擇木粉品種和目數,并通過(guò)擠出生產(chǎn)試驗,在保證產(chǎn)品所需質(zhì)量性能的前提下,對應調試木粉的最佳添加量,一般在30份左右為宜。

PVC/木塑材料發(fā)泡

WPC發(fā)泡后可降低復合材料密度、成本更低,還使材料具有木質(zhì)感,提高PVC/木塑復合材料的彈性,減少脆性,降低導熱系數,且泡孔可鈍化材料裂紋尖端,阻止裂紋的進(jìn)一步擴展,使添加木粉后所損失的沖擊性能得以提高。但經(jīng)過(guò)發(fā)泡的產(chǎn)品對拉伸強度有一定影響。要獲得外觀(guān)形態(tài)良好,內在性能皆?xún)?yōu)的微發(fā)泡木塑材料,生產(chǎn)配方設計除穩定劑外,還需加入適當的發(fā)泡劑、助發(fā)泡劑、發(fā)泡調節劑、沖擊改性劑、偶聯(lián)劑、增塑劑、潤滑劑等,通過(guò)調節配方,以獲得適當的熔體強度、粘度和彈性。

發(fā)泡劑

生產(chǎn)實(shí)踐驗證:分別使用放熱性發(fā)泡劑AC和吸熱性發(fā)泡劑NaHCO3或OBSH(4.4-氧代雙苯磺銑胺)。擠出發(fā)泡的PVC/木塑材料,比沒(méi)有采用AC/NaHCO3復合發(fā)泡劑制得發(fā)泡PVC/木塑復合材料綜合性能優(yōu),得到的泡孔尺寸小。因為AC在加工過(guò)程中放熱造成熔體局部過(guò)熱、粘度降低、使分解生成的氣體易逸出、難以飽和,使用AC/NaHCO3復合發(fā)泡劑可改善這一情況。AC用量為0.5-1%時(shí)最佳,NaHCO3大約是AC用量?jì)杀丁?

助發(fā)泡劑

要獲得泡孔均勻的發(fā)泡材料,首先發(fā)泡劑的分解溫度與樹(shù)脂的熔融溫度接近,其次是發(fā)泡劑應在樹(shù)脂達到適宜粘度的溫度范圍均勻放氣;發(fā)泡劑AC的分解溫度高于PVC的成型溫度。因此必須將AC分解溫度下降到PVC的成型溫度附近,并有較大的發(fā)氣量。有關(guān)專(zhuān)家介紹:可使用納米ZnO粒子作為AC的助發(fā)泡劑,將AC突發(fā)溫度降低到130-160℃的范圍內,且發(fā)氣穩定、迅速,用量為AC的10-30%;使用尿素、碳酸鋅、檸檬酸、烯酸絡(luò )和甘油等助發(fā)泡劑經(jīng)活化后通常能夠增加AC的發(fā)氣量。

發(fā)泡調節劑

發(fā)泡調節劑的作用是提高發(fā)泡熔體強度,抑制發(fā)泡制品的泡孔破孔或竄孔。目前國內生產(chǎn)木塑發(fā)泡產(chǎn)品的泡孔調節劑有ZB530、K400等品種,除可提高木塑發(fā)泡體系熔體強度外,還有促進(jìn)塑化,提高延展度,改善表觀(guān)質(zhì)量的作用。需注意的是,添加發(fā)泡調節劑過(guò)多在抑制泡孔同時(shí)也增加了制品粘度和生產(chǎn)難度。因此在抑制木塑發(fā)泡材料制品泡孔破裂情況下,發(fā)泡調節劑盡可能少加為宜。

沖擊改性劑

由于木纖維本身剛性較大,且木質(zhì)填料與PVC樹(shù)脂相容性差,木塑沖擊強度一般都會(huì )低于硬質(zhì)PVC-U產(chǎn)品。木塑發(fā)泡材料生產(chǎn)時(shí)須添加沖擊改性劑,以改善材料韌性差的缺陷。

木塑發(fā)泡材料產(chǎn)品使用的沖擊改性劑有CPE、ACR、EVA、MBS等,其中CPE、ACR是目前國內木塑發(fā)泡材料常用沖擊改性劑。CPE可提高PVC/木塑材料沖擊強度、彎曲強度、壓縮強度,價(jià)格適中;ACR與CPE相比,具有優(yōu)良的耐沖擊性,加工溫度寬,生產(chǎn)穩定性好,產(chǎn)品表面光滑,尺寸穩定性好,且用量較少,適應高速擠出。

應予指出的是,任何類(lèi)型的抗沖擊改性劑劑量對PVC/木塑材料發(fā)泡孔隙率及CO2吸收性能均有影響,都會(huì )加速發(fā)泡過(guò)程中氣體的散失,阻止泡孔核的生長(cháng),對制品孔隙率不利。具體用量依產(chǎn)品類(lèi)型不同,約為5-9份。

增塑劑

木塑發(fā)泡材料除了需要添加相容劑對木粉偶聯(lián)改性外,采用增塑劑對產(chǎn)品進(jìn)行增塑,也是改善其加工性能必不可少的一項技術(shù)措施。

木塑產(chǎn)品中,中國目前使用的增塑劑主要品種為DOP,即鄰苯二甲酸二辛酯。添加增塑劑有利于降低PVC/木粉復合材料粘度,有利于氣體在基體中的擴散和泡孔的生長(cháng),有助于降低PVC/木塑材料的加工溫度,減少木粉分解和發(fā)煙,改善PVC和木粉的親和性以及熔體流動(dòng)性能。但若用量過(guò)大會(huì )導致粘度過(guò)低,加速氣體從發(fā)泡材料表面溢出,反而不利于形成較高的孔隙度。隨增塑劑含量增加,復合材料的拉伸強度會(huì )降低,而斷裂伸長(cháng)率增加。因此其加量也應當嚴格控制。其它增塑劑品種有丙烯酸、鄰苯二甲酸二丁酯等,用量大致為6-8%。

潤滑劑

在木塑材料中應比單純塑料材料相應多加適量潤滑劑,以提高熔體流動(dòng)性和產(chǎn)品表面光澤,促進(jìn)發(fā)泡氣體在熔體中的混合與分布,從而改善泡孔結構。若潤滑劑過(guò)少物料流動(dòng)性差,容易過(guò)熱分解,發(fā)泡后易拉傷制品表面,熔體應力分布不均,板面易彎曲;但潤滑劑加的過(guò)多,物料流動(dòng)性則過(guò)大,擠出壓力過(guò)小,不利于泡孔成核。PVC/木塑發(fā)泡中常用的潤滑劑有聚乙烯蠟、硬脂酸、硬脂酸鉛、硬脂酸鋅、石蠟等,一般用量為2-4份??梢罁锪蠑D出時(shí)在真空孔內的塑化狀態(tài),進(jìn)行適當調配。

除上述助劑外,還需適當添加紫外線(xiàn)吸收劑、抗氧劑、防霉劑、著(zhù)色劑、阻燃劑等,以提高木塑的老化與氧化、防霉變、防脫色及阻燃性能等。這些材料對PVC/木塑材料發(fā)泡性能的影響也不容忽視。

各組分對發(fā)泡的影響不是孤立的。木粉不經(jīng)過(guò)表面處理,增塑劑則對復合材料孔隙率幾乎沒(méi)有影響;因為PVC與纖維之間的界面間的通道很快散失,各組分的作用也不是單一的,硬脂酸鋅既是很好的潤滑劑,又是穩定劑和AC的助發(fā)泡劑,應系統的,綜合的考慮各組分含量。

二、設備選擇與工藝優(yōu)化

配方中增加木粉含量是保證PVC/木塑材料產(chǎn)品質(zhì)量前提下,降低產(chǎn)品價(jià)格的關(guān)鍵。但木粉含量越高,越不易發(fā)泡,木粉和PVC越容易分解。選擇適宜的加工設備和工藝,可保證熔體在機頭一定壓力下均勻發(fā)泡,獲得小而密實(shí)泡孔形態(tài)的木塑發(fā)泡產(chǎn)品,并保持長(cháng)期穩定生產(chǎn)。

生產(chǎn)木塑發(fā)泡材料產(chǎn)品一般采用單螺桿擠出機或雙螺桿擠出機。單螺桿擠出機雖價(jià)格便宜,但需分兩步成型,且剪切效率低,物料塑化不好,因此國內木塑發(fā)泡材料產(chǎn)品一般均采用錐形雙螺桿擠出機生產(chǎn)。

錐形雙螺桿擠出加料段螺桿直徑和表面積大,有利于蓬松的PVC、木粉混合物壓實(shí)和輸送,低速條件下,錐形螺桿的高扭矩形成對物料的壓縮以及柔和塑化,改善了木粉和樹(shù)脂之間的濕潤性;計量段直徑小,保證了粘性熔體在一定熔壓狀態(tài)下均勻從口模擠出,抑制物料過(guò)熱分解。具有物料停留時(shí)間短,停留時(shí)間分布窄,熔體溫度控制好的特點(diǎn),減少了木塑材料熔體的分解,對加工非常有利。

優(yōu)化擠出溫度

混料應通過(guò)不同組分之間的均勻接觸與混煉。各組分分散性主要由加料程序、加料溫度、卸料溫度與時(shí)間等因素決定。

木粉料蓬松,加料過(guò)程中易出現“架橋”和“抱桿”現象。木塑發(fā)泡材料產(chǎn)品擠出一般采用強制加料裝置或饑餓式喂料,以保證生產(chǎn)穩定性。

優(yōu)化擠出溫度主要應考慮到物料在擠出過(guò)程中物理作用和化學(xué)作用。加料段溫度既要保證物料快速熔融,又要防止發(fā)泡劑提前分解、逃逸。一般植物纖維在200℃以上時(shí)開(kāi)始分解焦化。設定溫度不但要低于分解焦化溫度,又要接近塑料基體熔融溫度,使物料能良好塑化。加料段溫度應控制在165℃以下,壓縮段和均化段應控制在160-180℃之間,機頭和口模設定在160℃以下比較適宜。機頭溫度和壓力應使熔體保持良好流動(dòng)性同時(shí),具有足夠的熔體粘度,以維持機頭熔體處于較高壓力下在機頭內不發(fā)泡為宜。

優(yōu)化給料/擠出速度比

給料/擠出速度比也一定程度決定物料的塑化質(zhì)量。

給料/擠出速度比越大,物料在機內停留時(shí)間越短,剪切熱越大,物料得不到充分混合,越易產(chǎn)生局部過(guò)熱分解;給料/擠出速度比越小,雖能使植物纖維與塑料基體之間充分混合,但植物纖維在機內高溫條件下停留時(shí)間過(guò)長(cháng),也易出現物料降解及焦化,并影響生產(chǎn)效率。

擠出機給料/擠出速度比還對擠出發(fā)泡的有一定影響。一是給料/擠出速度比越大,物料在擠出機內壓力越高,越有利于成核,成核的泡孔數目也越多,發(fā)泡率也越高,但若壓力過(guò)高,成核的泡孔生長(cháng)受到抑制,影響泡孔的充分生長(cháng);二是螺桿給料/擠出速度比越大,剪切作用越強,塑化也就越好,但若剪切作用過(guò)強,容易使泡孔合并或破裂,影響發(fā)泡體質(zhì)量和低密度塑料熔體形成;三是給料/擠出速度比過(guò)高或過(guò)低,物料在機內停留時(shí)間過(guò)短或過(guò)長(cháng),容易發(fā)生提前發(fā)泡或發(fā)泡劑分解不充分等現象,不利于形成均勻細密的泡孔結構。

在其他因素不變時(shí),給料和擠出速度應有一個(gè)最佳值區域,擠出速度一般控制在12-18r/min之間為宜。

適宜的型坯出口壓力

木塑熔融體系從口模擠出時(shí),沒(méi)有一定壓力會(huì )導致產(chǎn)品強度低,不利于熔體的成型和定型。

型坯壓力不足會(huì )造成制品表面粗糙,密度和強度低;而較高的擠出壓力不僅能控制機頭內的含氣熔體不提前發(fā)泡,也使機頭口模內外壓差大,從而使壓降速率高,有利于得到均勻細密的泡孔結構。但擠出壓力過(guò)高對泡孔生長(cháng)不利。要得到適宜的機頭壓力,可以通過(guò)調節機頭溫度或口模壓縮比和平直段長(cháng)度來(lái)實(shí)現。

關(guān)于WPC木塑擠出相關(guān)技術(shù)設備請瀏覽http://www.minshigroup.cn/cnproduct/WPCline/,或致電13864210210垂詢(xún)。

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