CN105479565B - 一种制备木塑复合材料的水下辐照方法及水下辐照装置 - Google Patents

Abstract

一种制备木塑复合材料的水下辐照方法，包括前处理工序、单体浸渍工序、辐照工序和后处理工序，所说的辐照工序是在水下辐照装置中进行的，具体步骤为：将装满浸渍单体木质基材的承压辐照箱送到水下辐照装置水井底部的过源机械上，依次经过一号辊道、一号移行机、二号辊道、二号移行机、三号辊道三号移行机和四号辊道接受辐照，同时完成两次换面，以使辐照均匀，承压辐照箱运进和运出水井是通过入口辊道、入口出口升降框和出口辊道完成的；承压辐照箱在环绕放射源的运行过程中，浸渍在木材中的单体充分聚合、交联、接枝，通过在水下辐照可以带走聚合热量，温度很容易控制在20℃～60℃范围内，可以实现大规模的产业化、连续化生产。

Description

一种制备木塑复合材料的水下辐照方法及水下辐照装置

技术领域

本发明涉及木塑复合材料技术领域，具体地说是一种制备木塑复合材料的水下辐照方法及水下辐照装置。

背景技术

木塑复合材料WPC(wood-plastic composites)是一类由木材纤维素与塑料(一种或多种塑料)共混或由普通低密度木材浸渍有机单体后通过聚合反应而制得的复合材料。聚合、接枝过程可采用化学法(触媒法)或辐射的方法引发反应。现有技术中公开了一种生产WPC的方法，其采用有机单体浸渍木材，再通过辐射的方法引发单体聚合、交联、接枝的方法制成WPC。该方法具有无需加热，聚合交联接枝过程易于控制，单体的转化率高(100％)、产品的理化性能优越等优点，属于高科技、绿色加工产业。该方法辐照时温度的控制比较困难，影响了产品的质量和大批量的工业化生产。

发明内容

本发明的目的在于给出一种解决辐照时聚合热量产生的高温问题，使辐照时的温度较低，且温度稳定，以实现高质量、大批量的产业化、连续化生产。

本发明的技术方案是：

一种制备木塑复合材料的水下辐照方法，包括前处理工序、单体浸渍工序、辐照工序和后处理工序，其特征在于所说的辐照工序是在水下辐照装置中进行的，具体步骤为：

①将前处理工序、单体浸渍工序处理好的装满浸渍单体木质基材的承压辐照箱1送到水下辐照装置的输送系统的入口辊道21，通过入口升降框19、入口导轨23将承压辐照箱吊入水下辐照装置水井24底部过源机械的一号辊道28上，然后承压辐照箱沿着一号辊道前行，采用γ辐射源26进行辐照，

②承压辐照箱到达一号移行机32时，被传送到二号辊道29上继续接受辐照，同时完成一次换面；

③承压辐照箱到达二号移行机33时，被传送到三号辊道30上继续接受辐照；

④承压辐照箱到达三号移行机34处时，被传送到四号辊道31上继续接受辐照，同时完成第二次换面；

⑤承压辐照箱到达出口辊道22时，通过出口升降框20提出水面，由出口辊道22带出辐照室，进入后处理工序；

在承压辐照箱环绕放射源26的运行过程中，浸渍在木材中的单体充分聚合、交联、接枝。

进一步地，所说的承压辐照箱1中充有氮气，其压力范围为0.2～0.4MPa，所说的放射源26为平面板状钴-60γ源，所说的水下辐照装置水井24中的水为去离子水，水温控制在20℃～60℃范围内。

一种水下辐照装置，包括γ辐射源、操作系统、水井、水冷却循环系统、输送系统和过源机械、通风系统，其特征在于：

①所说的水井24位于辐照室25内，水井为长方体型，井的基础为高强度混凝土，井壁为不锈钢材质，水井中的水为去离子水；

②所说的辐照用的放射源26为平面板状钴-60γ源，钴-60γ源采用钴-60源棒13，源棒插载在放射源架26上，放射源架固定安装在水井24的底部，放射源架包括框架12、可装卸的源棒13、可抽出和插入的插杆14、门轴16、可以绕门轴打开或关闭的门15和插载源棒的孔板17；

③所说的输送系统包括吊装梁18、入口升降框19、出口升降框20、入口辊道21、出口辊道22和导轨23，入口辊道、出口辊道安装在水井边的地面上，导轨固定安装在吊装梁和一号辊道、四号辊道之间，入口升降框、出口升降框分别安装导轨上；

④所说的过源机械包括设置在水井底部的依次互相连接的一号辊道28、一号移行机32、二号辊道29、二号移行机33、三号辊道30、三号移行机34和四号辊道31，一号辊道和四号辊道设置在放射源的一侧，二号辊道和三号辊道设置在放射源的另一侧。

本发明的γ辐射源和装有浸渍木材的承压辐照箱均设置在水池中，辐照箱接近辐射源处接受辐照，射线充分作用于单体使之聚合，聚合的放热反应热量被水池中的水吸收，不会使木材的温度升高到木材中水分湿气的汽化温度；辊道和移行机的设置可以使承压辐照箱一个接一个按照预定程序变换被照射面连续进行，既可以使辐照箱中木材的单体完全聚合、交联、接枝，又不会使木材的温度升高到木材中水分湿气挥发的程度。

本发明的本质精华在于：通过在水下辐照可以带走聚合热量，温度很容易控制在20℃～60℃范围内，木材的温度不会升高到其所含湿气挥发的温度，可以解决现有技术温度升高不易控制，木材中水分湿气挥发影响产品质量的问题，可以实现本发明工艺方法的产业化、连续化生产。

附图说明

本发明有如下附图：

图1 辐照室结构示意图

图2 辐照室俯视示意图

图3 承压辐照箱侧视示意图

图4 承压辐照箱俯视示意图

图5 源架示意图

附图中零部件的编号如下：1.承压辐照箱 2.抽真空管 3.氮气加压管 4.加料管5.排料管 6.顶盖 7.螺栓和螺母 8.密封圈 9.箱体 10.吸水衬板 12.框架 13.源棒 14.插杆 15.门 16.门轴 17.孔板 18.吊装梁 19.入口升降框 20.出口升降框 21.入口辊道22.出口辊道 23.导轨 24.水井 25.辐照室 26.源架 27.井盖 28.一号辊道 29.二号辊道30.三号辊道 31.四号辊道 32.一号移行机 33.二号移行机 34.三号移行机 35.通风系统36.水处理及冷却系统

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详细说明。

一种制备木塑复合材料的水下辐照方法，包括前处理工序、单体浸渍工序、辐照工序和后处理工序，所说的前处理工序、单体浸渍工序和后处理工序可以按照现有技术进行。例如，将准备好的木材烘干后，加工成规定的尺寸，装至承压辐照箱中。辐照箱一旦装填好木质基材后，就被密封，并被转移到浸渍站进入单体浸渍工序。在浸渍站，需要将辐照箱和其中木质基材孔隙中的空气、水分抽出来，然后填充氮气等惰性气体，然后再抽真空，浸渍单体，例如混合着催化剂的甲基丙烯酸甲酯等，并加压，在压力作用下浸入木质基材中。经过预定的时间达到要求的浸渍度后，多余的单体，用惰性气体从辐照箱中排出回送到配料罐中。木材浸渍后，辐照箱被运输到辐照室25的水下辐照装置的水井中，水井24可以设有井盖27，通过γ射线辐照，木质基材中的单体聚合、交联、接枝后，木材变成木材-塑料的合成物，然后将辐照箱转移到卸载站，将木塑复合材料卸出辐照箱被进一步加工，按要求打磨、抛光等。将辐照箱清理一下，以备再用。

承压辐照箱：

本发明的承压辐照箱1可以采用现有技术，例如可以为矩形箱体9，长×宽×高的尺寸为：(1-1.2)米×(0.15-0.6)米×(2-2.5)米，具体按照木质基材的尺寸选定；承压辐照箱结构参见图3、图4，其上部设有抽真空管2和氮气加压管3，下部设有加料管4和排料管5，其上部开口由顶盖6、螺栓螺母7和密封圈8密封，箱体内设有吸水衬板10；由于承压辐照箱必须是密封的，因此辐照箱内设有密封圈，且需要定期更换，防止辐照后老化，影响密封效果；辐照箱必须是承压、耐腐蚀的，当单体浸渍和在水中辐照时，材料必须有足够的强度来承受这部分压力，而且在水中辐射环境下，材料应有较高的耐腐蚀性和较低的γ射线吸收性，这就要求材料密度低，且厚度薄。例如薄不锈钢板或者铝合金板；在辐照加工过程中，水分会从木材中排出，逐步冷凝在器壁上，如果产品与水接触将会导致变色，为了减少或者阻止变色，辐照箱的内壁设有吸水衬板或者易于水分向底部流淌的材料。

浸渍站：

本发明所说的浸渍站可以采用现用技术，承压辐照箱内装入木质基材后，通过悬挂或辊道系统运至浸渍站，然后承压辐照箱里面的空气通过抽真空管2被真空泵被抽出来，形成真空。接着，通过加料管4单体被通入承压辐照箱中，如果承压辐照箱中被单体完全充满并且通入惰性气体加压，会加快浸渍过程，根据浸渍流体的黏度和浸渍木材的孔数决定浸渍压力，对于通常情况来说，2～5个大气压是比较合适的，具体可以参照现有技术进行浸渍；经过预定时间的浸渍，达到所需浸渍度后，多余的单体将会通过排料管5被排出来，这样既可以节省单体又防止辐照过程中，单体与器壁粘在一起；辐照加工过程中可能产生许多变化，将会影响到木材中单体的浓度和分布；而对这种影响起决定性作用的参数是在第二个抽真空阶段处理真空的程度，使用的惰性气体的压力和排除多余单体后压力所持续的时间，浸渍压力，时间以及浸渍流体的黏度。

我们通过改变真空度和压力来调整单体装填程度，对木材进行部分装填。可以减少单体数量和成本，而又不影响最终产品的性能。

浸渍后，需要排出杂物(剩余单体等)。在排杂过程中，需要添加惰性气体，以防止辐照箱内真空，同时，辐照处理时，防止氧化反应。

单体：

本发明所说的单体也可以采用现有技术，例如采用α取代丙烯酸酯，这类酯能够迅速的聚合成硬的聚合物，这是我们特别想要的。可以使用的典型的α取代丙烯酸酯类包括以下几种：

甲基丙烯酸甲酯，甲基丙烯酸乙酯，甲基丙烯酸丁酯，甲基丙烯酸异丁酯，二甲基丙烯酸丁酯，甲基丙烯酸叔戊酯，甲基丙烯酸苯酯，二甲基丙烯酸乙二醇酯，甲基丙烯酸环己酯，甲基丙烯酸对苯环己酯，十氢β-萘酚甲酯，二异丙基甲醇甲酯，甲基丙烯酸糠酯，甲基丙烯酸甲代烯丙酯，甲基丙烯酸四氢化糠酯，乙基α-丙烯酸丁酯，乙基α-氯代丙烯酸，乙基α-氰基丙烯酸酯，甲基α-氰基丙烯酸酯，甲基α-甲氧基丙烯酸酯。在这些酯类中，α取代可能是一个烷基自由基，一个卤素原子，一个氰基自由基，一个烷氧基自由基，一个被取代的烷基自由基或者其他的。乙烯基聚合物包括另一个属的亚乙烯基化合物，并且也可以在这个发明中应用，特别是那些可以形成硬树脂的聚合物，如苯乙烯，一氯和二氯苯乙烯，联苯乙烯，萘乙烯，甲基乙烯基酮，乙二醇二丙烯酸酯，丙烯腈，醋酸乙烯酯，丁酸乙烯酯等。

为了使木塑复合材料具有不同的颜色和性能例如耐温阻燃等，还可以添加一些有机单体。

辐照温度：

本发明辐照的温度由具体单体和所用催化剂来决定，无论如何，温度必须控制在20℃～60℃范围内，其中，20、25、30、35、40、45、50、55、60℃都是可以选用的工作温度，并且在任何情况下都应低于单体沸点和木材中湿气的挥发温度。

辐射引发聚合比使用自由基催化剂更有利。如不需加热，温度可控等。

放射源：

本发明的放射源为平面板状钴-60γ源(参见图5)，根据辐照箱长度，设计板源架长度，沿长度方向，板源架上有很多一定间隔的安放钴-60源棒的孔，根据辐照箱的高度设计源架的层数，通常为3、4或5层。源架长度和高度会略大于辐照箱的尺寸，便于辐照均匀。本发明的放射源可以采用现有技术，例如，钴-60γ源采用钴-60源棒13，源棒插载在放射源架26上，放射源架固定安装在水井24的底部，放射源架包括框架12、可装卸的源棒13、可抽出和插入的插杆14、门轴16、可以绕门轴打开或关闭的门15和插载源棒的孔板17。

辐照箱浸在水池中接受辐照至完全聚合、交联、接枝的总时间约为6～30个小时，通常为8～15个小时，这要根据放射源源强及辐照箱距离源架的距离来决定，具体可以参照现有技术进行。当辐射源最大限度的利用时，每居里每年可生产特定的木材和单体总量在1～3平方米，1cm厚的木塑复合材料。

通风系统：

水被辐照会产生氢气，空气被辐照会产生臭氧，因此必须有通风系统，将有害气体排走。本发明所说的通风系统可以采用现有技术，按照国家标准和现有技术进行设计。

水冷却循环系统：

本发明辐照的温度控制在20℃～60℃范围内，并且在任何情况下都应低于单体沸点和木材中湿气的挥发温度，本发明的水池水采用去离子水，电导率要保持在一定范围内，因此要配备水处理、循环、冷却系统，本发明的水冷却循环系统也可以可以采用现有技术，按照国家标准和现有技术进行设计。

本发明的辐照工序是在水下辐照装置中进行的，具体步骤为：

①将前处理工序、单体浸渍工序处理好的装满浸渍单体木质基材的承压辐照箱1送到水下辐照装置的输送系统的入口辊道21，通过入口升降框19、入口导轨23将承压辐照箱吊入水下辐照装置水井24底部过源机械的一号辊道28上，然后承压辐照箱沿着一号辊道前行，采用γ辐射源26对辐照箱的一面进行辐照，

②承压辐照箱到达一号移行机32时，被平移传送到二号辊道29上继续接受辐照，同时完成一次换面，即对辐照箱的另一面进行辐照，以使照射均匀；

③承压辐照箱到达二号移行机33时，被传送到三号辊道30上继续接受辐照；

④承压辐照箱到达三号移行机34处时，被传送到四号辊道31上继续接受辐照，同时完成第二次换面，再次对第一次的辐照面进行辐照；

⑤承压辐照箱到达出口辊道22时，通过出口升降框20提出水面，由出口辊道22带出辐照室，进入后处理工序；

在承压辐照箱环绕放射源26的运行过程中，浸渍在木材中的单体充分聚合、交联、接枝。参照图1、图2可以帮助理解以上步骤。

辐照箱和吊架在源架两侧的运动是步进式的，例如，对于4排辊道的设计方案，每排可以有5个工位，总共20工位，每个箱子都要停顿20次，每次停顿时间相同，停顿时间由工艺人员确定，自控人员编制预定程序。

本发明的其余工序均可按照现有技术进行。

本发明的承压辐照箱1中所冲氮气，其压力范围为0.2～0.4MPa，例如可以选用0.2、0.25、0.3、0.35、0.4MPa；

本发明给出了一种水下辐照装置，包括γ辐射源、操作系统、水井、水冷却循环系统36、输送系统和过源机械(包括吊装梁、升降框、各种辊道和移行机等)、通风系统35，具体参见图1、图2。

①所说的水井24位于辐照室25内，水井为长方体型，井的基础为高强度混凝土，井壁为不锈钢材质，水井中的水为去离子水；

②所说的辐照用的放射源26为平面板状钴-60γ源，采用钴-60源棒13，源棒插载在放射源架26上，放射源架固定安装在水井24的底部，放射源架包括框架12、可装卸的源棒13、可抽出和插入的插杆14、门轴16、可以绕门轴打开或关闭的门15和插载源棒的孔板17；

③所说的输送系统包括吊装梁18、入口升降框19、出口升降框20、入口辊道21、出口辊道22和导轨23，入口辊道、出口辊道安装在水井边的地面上，导轨固定安装在吊装梁和一号辊道、四号辊道之间，入口升降框、出口升降框分别安装导轨上；

④所说的过源机械包括设置在水井底部的依次互相连接的一号辊道28、一号移行机32、二号辊道29、二号移行机33、三号辊道30、三号移行机34和四号辊道31，一号辊道和四号辊道设置在放射源的一侧，二号辊道和三号辊道设置在放射源的另一侧。

Claims (2)

1.一种制备木塑复合材料的水下辐照方法，包括前处理工序、单体浸渍工序、辐照工序和后处理工序，其特征在于所说的辐照工序是在水下辐照装置中进行的，具体步骤为：

①将前处理工序、单体浸渍工序处理好的装满浸渍单体木质基材的承压辐照箱(1)送到水下辐照装置的输送系统的入口辊道(21)，通过入口升降框(19)、入口导轨(23)将承压辐照箱吊入水下辐照装置水池(24)底部过源机械的一号辊道(28)上，然后承压辐照箱沿着一号辊道前行，采用γ辐射源(26)进行辐照，

②承压辐照箱到达一号移行机(32)时，被传送到二号辊道(29)上继续接受辐照，同时完成一次换面；

③承压辐照箱到达二号移行机(33)时，被传送到三号辊道(30)上继续接受辐照；

④承压辐照箱到达三号移行机(34)处时，被传送到四号辊道(31)上继续接受辐照，同时完成第二次换面；

⑤承压辐照箱到达出口辊道(22)时，通过出口升降框(20)提出水面，由出口辊道(22)带出辐照室，进入后处理工序；

在承压辐照箱环绕放射源(26)的运行过程中，浸渍在木材中的单体充分聚合、交联、接枝，

所说的承压辐照箱( 1) 中充有氮气，其压力范围为0.2～0.4MPa，所说的辐照用的放射源(26)为平面板状钴-60γ源，所说的水下辐照装置水池 (24)中的水为去离子水，水温控制在20℃～60℃范围内。

2.一种用于权利要求1的水下辐照装置，包括γ辐射源、操作系统、水池、水冷却循环系统、输送系统和过源机械、通风系统，其特征在于：

①所说的水池(24)位于辐照室(25)内，水池为长方体型，池的基础为高强度混凝土，池壁为不锈钢材质，水池中的水为去离子水；

②所说的辐照用的放射源(26)为平面板状钴-60γ源，钴-60γ源采用钴-60源棒(13)，源棒插载在放射源架(26)上，放射源架固定安装在水池(24)的底部，放射源架包括框架(12)、可装卸的源棒(13)、可抽出和插入的插杆(14)、门轴(16)、可以绕门轴打开或关闭的门(15)和插载源棒的孔板(17)；

③所说的输送系统包括吊装梁(18)、入口升降框(19)、出口升降框(20)、入口辊道(21)、出口辊道(22)和导轨(23)，入口辊道、出口辊道安装在水池边的地面上，导轨固定安装在吊装梁和一号辊道、四号辊道之间，入口升降框、出口升降框分别安装导轨上；

④所说的过源机械包括设置在水池底部的依次互相连接的一号辊道(28)、一号移行机(32)、二号辊道(29)、二号移行机(33)、三号辊道(30)、三号移行机(34)和四号辊道(31)，一号辊道和四号辊道设置在放射源的一侧，二号辊道和三号辊道设置在放射源的另一侧。