CN103992586B - 一种利用农林三剩物生产pvc木塑型材的配方及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种PVC木塑型材及其制备方法。本发明研究了各种农林三剩物，包括采伐剩余物、造材剩余物和加工剩余物及农作物秸秆等，通过其不同的物理和化学性质，将其配比，随后与PVC塑料熔融混炼，制备出性能优良的木塑材料型材。与现有技术相比，本发明能够充分利用农林三剩物，且根据各种三剩物的特点进行加工和配比，填充密度大，比表面积大，容易与PVC熔融混合，有利于节约资源，保护环境，制备的木塑型材的物理性能好；制得的木塑型材易于加工，其加工长度不受限制，且生产效率高、性能优良，使用数年后，可100％回收再利用。

Description

一种利用农林三剩物生产PVC木塑型材的配方及其制备工艺

技术领域

本发明涉及一种木塑复合材料，具体的说，涉及一种利用农林三剩物制得的PVC木塑型材及其制备方法。

背景技术

农林三剩物主要分为森林三剩物和农业废弃物。森林三剩物主要是指：采伐剩余物(指枝、丫、树梢、树皮、树叶、树根及藤条、灌木等)；造材剩余物(指造材截头)以及加工剩余物(指板皮、板条、木竹截头、锯沫、碎单板、木芯、刨花、木块、边角余料等)。目前，采伐剩余物和造材剩余物约占林木生物量的30％左右，按照国务院批准的十一五期间森林采伐限额215亿m³/a，我国每年将产生约111亿吨的采伐、造材剩余物，另外加工剩余物也预计会有高达3210万m³的年产量。农业废弃物主要包括农作物秸秆，其作为农业生产的副产物，产量大、分布广，据统计目前我国农作物秸秆产生量每年约8～10亿吨。

目前虽然农林三剩物的利用已经引起人们的重视，但在世界范围内发展水平并不平衡，中国等发展中国家的木材综合利用率仅为50％～60％，而发达国家的木材综合利用率已达80％～90％。

现阶段，对森林三剩物的利用主要是将造材剩余物和加工剩余物制成各种人造板材，如纤维板、刨花板、木丝板、木屑板等。

其中，纤维板是将木材加工下来的板皮、刨花、树枝等边角废料，经破碎、浸泡、研磨成木浆，再加入一定的胶料，经热压成型、干燥处理而成的人造板材，一般用作保温隔热材料。

刨花板、木丝板、木屑板是分别以刨花木渣、边角料刨制的木丝、木屑等为原料，经干燥后拌入胶粘剂，再经热压成型而制成的人造板材。所用黏结剂为合成树脂，也可以用水泥、菱苦土等无机的胶凝材料。这类板材一般表观密度较小，强度较低，主要用作绝热和吸声材料。

但上述人造板主要采用造材的废料，对森林的其他废弃物没有综合利用，而且采用了大量的胶粘剂，导致木材的浪费和人造板的高甲醛释放，不符合人们日益提高的环保要求，因此迫切需要一种具有节能、低耗费、易于打理的新型的建筑材料。

木塑复合材料是利用植物粉和热塑性塑料为主要原料，加入一定量的添加剂后，经混合和挤出机加工后形成的一种新型复合材料。该材料可以减少石油用量，同时大量使用废弃的农林三剩物，既能缓解现代社会对石油资源的消耗，又能减少木材资源的消耗，是保护环境和降低能耗的有效手段。木塑复合材料与木材相比，具有耐用、尺寸稳定性好、易成型、吸水性小、耐腐蚀的优点；与塑料相比具有成本低、刚性高的特点。而且木塑复合材料的研制和开发有助于减少塑料的“白色污染”，也有助于减轻农林废弃物对环境带来的影响，并充分利用自然资源和塑料膜，能够广泛用于农业、包装、家庭日用品等方面。

目前，木塑材料所用的植物粉包括木屑粉、果壳粉、竹粉、秸杆粉、糠壳粉、其它农作物或植物茎叶粉等，其来源十分广阔且价格低廉，充分利用这些材料本身就是治理环境美化环境的的一种途径。

基于上述需求，本发明提出一种综合利用农林三剩物制备的木塑型材并提供其制备方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用农林三剩物生产的PVC木塑型材及其制备方法。

本发明研究了各种农林三剩物，包括采伐剩余物(枝丫、树梢、树皮、树叶、树根及藤条、灌木等)、造材剩余物(指造材截头)和加工剩余物(指板皮、板材、木竹截头、锯沫、碎单板、木芯、刨花、木块、边角余料)及农作物秸秆等，通过其不同的物理和化学性质，将其配比，随后与PVC塑料熔融混炼，制备出性能优良的木塑材料型材。

本发明所述的PVC木塑型材，其原料的重量配比为：

PVC树脂粉：100份；

植物纤维粉：20～40份；

钙质填充剂：30～50份；

稳定剂：2～5份；

PE蜡：0.9～1.1份；

硬脂酸：0.7～0.9份；

发泡调节剂：5～8份；

发泡剂：0.5～1.5份；

其中，所述植物纤维粉是由农林三剩物生产的，将农林三剩物分为四类：1)枝丫、树梢、树皮、树叶；2)树根，灌木和藤条；3)造材剩余物(指造材截头)以及加工剩余物；4)秸秆。不同种类的三剩物的纤维素，半纤维素和木质素的含量都具有较大的差别，其各组分的含量范围(质量百分比)为(一般还含有少量的其他物质，一般可称为灰分)：

(1)枝丫、树梢、树皮、树叶:纤维素大于等于90％；半纤维素和木质素的含量较低；

(2)树根，灌木和藤条：纤维素44％-55％；半纤维素20％-25％；木质素：20％-25％；

(3)造材剩余物(指造材截头)以及加工剩余物：纤维素40％-50％；半纤维素20％-25％；木质素：15％-35％；

(4)秸秆：纤维素18％-20％；半纤维素20％30％；木质素：50％-62％。

其中，(2)和(3)类的成分接近，且木质素的形态较好，能够较好的与PVC熔融混合；但(4)类的木质素含量虽然很高，但形态较(2)和(3)类差，不易与PVC熔融混合。纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖，半纤维素是单糖构成的异质多聚体，木质素是有氧代苯丙醇或其衍生物结构单元的芳香性高聚物，木质素的亲水性、吸水性和润胀度都小于半纤维素和纤维素，更容易与PVC熔融混炼成型。

因此，本发明将上述四类物质分别制成木质纤维粉；然后按下述的重量配比进行配合使用：1-2∶2-3.5∶2-5：2-5。

优选的，所述农林三剩物的各类材料的重量配比为1-2∶2-3∶4-5：2-3。

采用上述配比制备的植物纤维粉的木质素含量较高，且形态也较好，纤维素和半纤维素的含量适中，能够较好地与PVC熔融混合。为保证制得的木塑材料的强度，还可以依据上述植物纤维的特点，将其加工成不同的形态和粒径，使其具有较大的比表面积，混合时也能够达到较大的填充密度。

优选的，将(1)枝丫、树梢、树皮、树叶处理为片状颗粒，颗粒的长径和厚度比为3-5:1；平均粒径为10-1000μm；

将(2)树根，灌木和藤条处理为近球形颗粒，长短径比1:1.05-1.1；平均粒径为10-100μm；

将(3)造材剩余物以及加工剩余物也处理为近球形颗粒，长短径比1:1.05-1.1；平均粒径为50-500μm；

将(4)秸秆处理为片状颗粒，颗粒的长径和厚度比为5-10:1；平均粒径为10-100μm。

另外，其中PVC树脂粉可选用本领域常用的PVC树脂粉。

所述钙质填充剂可选用碳酸钙。向木塑材料中加入适量的填充剂，会使其具有较好的手感，光面干燥而不显光亮，且耐热压性高，永久形变小。优选轻质碳酸钙粉或轻度活化碳酸钙。所述轻质碳酸钙是沉降体积为2.4-2.8mL/g的碳酸钙，一般是将石灰石等原料煅烧生成石灰(主要成分为氧化钙)和二氧化碳，再加水消化石灰生成石灰乳(主要成分为氢氧化钙)，然后再通入二氧化碳碳化石灰乳生成碳酸钙沉淀，最后经脱水、干燥和粉碎而制得；或先用碳酸纳和氯化钙进行复分解反应生成碳酸钙沉淀，然后经脱水、干燥和粉碎而制得。所述轻质碳酸钙的粒度为2-1000nm；优选粒度为2-50nm的超微细轻质碳酸钙。所述活化碳酸钙是改进工艺条件制备的轻质碳酸钙粉，可选用市场上常见的活化碳酸钙产品，如石家庄井陉碳酸钙厂生产的钙粉。

PVC在高温下加工，极易放出HCL，形成不稳定的聚烯结构。同时，HCL具有自催化作用，会使PVC进一步降解。另外，如果有氧存在或有铁、铝、锌、锡、铜和镉等离子存在，都会对PVC降解起催化作用，加速其老化。因此塑料将出现各种不良现象，如变色、变形、龟裂、机械强度下降、电绝缘性能下降、发脆等。为了解决这些问题，配方中必须加入稳定剂，尤其热稳定剂更是必不可少。PVC用的稳定剂包括热稳定剂、抗氧剂、紫外线吸收剂和螯合剂。配方设计时根据制品使用要求和加工工艺要求选用不同品种，不同数量的稳定剂。本发明中，所述稳定剂为钙锌系列稳定剂或稀土类稳定剂，可采用本领域市购的上述稳定剂，如深圳市森德利塑料助剂有限公司的CZX系列无毒钙锌稳定剂等；稀土稳定剂的加工性能极好，可选用济南金昌顺化工有限公司生产的PVC无尘稀土复合热稳定剂。

PE蜡即聚乙烯蜡，分子量一般为1500～50000，平均不超10000，为蜡状树脂。外观是白色或黄色小颗粒。聚乙烯蜡热稳定性、化学稳定性和电性能都很好，熔融粘度和硬度均接近于石蜡，具有较强的内部润滑作用。

硬脂酸也是一种常用的润滑剂，它可以充当外润滑剂，主要通过与木粉混合，均匀地覆盖在木粉表面，从而提高其与聚合物基体的粘接。所述硬脂酸选用本领域常用的硬脂酸即可。

发泡调节剂为聚丙烯酸酯类发泡调节剂，可选用本领域常用的类型，如型号为ZB-530的发泡调节剂。

所述发泡剂为偶氮酰胺类放热型发泡剂，如本领域常用的偶氮二甲酰胺。

优选的，所述PVC木塑型材的原料的重量配比为：

PVC树脂粉：100份；

植物纤维粉：30～40份；

钙质填充剂：30～35份；

稳定剂：4～5份；

PE蜡：0.9～1.1份；

硬脂酸：0.7～0.9份；

发泡调节剂：5～6份；

发泡剂：1～1.5份。

本发明还提供了一种利用农林三剩物生产的PVC木塑型材的制备方法，包括如下步骤：

1)将植物纤维粉加入搅拌混料机混合，所述植物纤维粉包括(1)枝丫、树梢、树皮、树叶；(2)树根，灌木和藤条；(3)造材剩余物以及加工剩余物；(4)秸秆，其重量配比为：1-2∶2-3.5∶2-5：2-5；

2)然后加入钙质填充剂、PE蜡和硬脂酸，加热到60～80℃，将植物纤维粉与之均匀混合，然后加入PVC树脂粉，稳定剂，发泡调节剂和发泡剂，加热到130～150℃，再冷却至70～80℃放出；

3)将混合好的原料加入挤出机，加热至140～180℃挤出，经磨具定型、冷却、牵引、定尺、切割成型材。

型材的长度、宽度、厚度可根据客户要求任意确定。

其中，步骤1)中，所述重量配比优选为1-2∶2-3∶4-5：2-3。

所述钙质填充剂可选用碳酸钙。向木塑材料中加入适量的填充剂，会使其具有较好的手感，光面干燥而不显光亮，且耐热压性高，永久形变小。优选轻质碳酸钙粉或轻度活化碳酸钙。所述轻质碳酸钙是沉降体积为2.4-2.8mL/g的碳酸钙，一般是将石灰石等原料煅烧生成石灰(主要成分为氧化钙)和二氧化碳，再加水消化石灰生成石灰乳(主要成分为氢氧化钙)，然后再通入二氧化碳碳化石灰乳生成碳酸钙沉淀，最后经脱水、干燥和粉碎而制得；或先用碳酸纳和氯化钙进行复分解反应生成碳酸钙沉淀，然后经脱水、干燥和粉碎而制得。所述轻质碳酸钙的粒度为2-1000nm；优选粒度为2-50nm的超微细轻质碳酸钙。所述活化碳酸钙是改进工艺条件制备的轻质碳酸钙粉，可选用市场上常见的活化碳酸钙产品，如石家庄井陉碳酸钙厂生产的钙粉。

PVC在高温下加工，极易放出HCL，形成不稳定的聚烯结构。同时，HCL具有自催化作用，会使PVC进一步降解。另外，如果有氧存在或有铁、铝、锌、锡、铜和镉等离子存在，都会对PVC降解起催化作用，加速其老化。因此塑料将出现各种不良现象，如变色、变形、龟裂、机械强度下降、电绝缘性能下降、发脆等。为了解决这些问题，配方中必须加入稳定剂，尤其热稳定剂更是必不可少。PVC用的稳定剂包括热稳定剂、抗氧剂、紫外线吸收剂和螯合剂。配方设计时根据制品使用要求和加工工艺要求选用不同品种，不同数量的稳定剂。本发明中，所述稳定剂为钙锌系列稳定剂或稀土类稳定剂，可采用本领域市购的上述稳定剂，如深圳市森德利塑料助剂有限公司的CZX系列无毒钙锌稳定剂等；稀土稳定剂的加工性能极好，可选用济南金昌顺化工有限公司生产的PVC无尘稀土复合热稳定剂。

PE蜡即聚乙烯蜡，分子量一般为1500～50000，平均不超10000，为蜡状树脂。外观是白色或黄色小颗粒。聚乙烯蜡热稳定性、化学稳定性和电性能都很好，熔融粘度和硬度均接近于石蜡，具有较强的内部润滑作用。

硬脂酸也是一种常用的润滑剂，它可以充当外润滑剂，主要通过与木粉混合，均匀地覆盖在木粉表面，从而提高其与聚合物基体的粘接。所述硬脂酸选用本领域常用的硬脂酸即可。

发泡调节剂为聚丙烯酸酯类发泡调节剂，可选用本领域常用的类型，如型号为ZB-530的发泡调节剂；如山东瑞丰高分子有限公司生产的ACR发泡调节剂。

所述发泡剂为偶氮酰胺类放热型发泡剂，如本领域常用的偶氮二甲酰胺。

本发明的木塑型材具有如下优点：

1)本发明能够充分利用农林三剩物，且根据各种三剩物的特点进行加工和配比，填充密度大，比表面积大，容易与PVC熔融混合，有利于节约资源，保护环境，制备的木塑型材的物理性能好；

2)本发明的木塑型材，易于加工，其加工长度不受限制，且生产效率高、性能优良(零甲醛、防水、防潮、防霉、防蛀)；将来是取代普通密度板、多层板材的理想装饰材料，使用数年后，可100％回收再利用；

3)本发明的木塑型材，其生产工艺简单、易于操作，稳定性好、易于加工。

具体实施方式

以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的发明范围。该领域的技术工程师可根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。

如无特别说明，所采用的方法是本领域常用的方法。本实施例采用本领域常用的设备。其中实施例1-4所用的各原料的名称和生产厂家如表1和表2所示：

表1实施例1-4的原料及厂家

其中，PE蜡选用江阴红盛塑料助剂厂的聚乙烯蜡。

表2实施例1-4的植物纤维粉原料成分

实施例1

按照以下重量配比称取原料：

PVC树脂粉：100份；

植物纤维粉：30份；钙质填充剂：30份；稳定剂：5份；PE蜡：0.9份；硬脂酸：0.7份；发泡调节剂：5份；发泡剂：1份。

然后利用以下方法制备木塑建筑模板：

1)将植物纤维粉加入搅拌混料机混合，所述植物纤维粉的重量配比和粒度分布见表2所示；

2)然后加入钙质填充剂、PE蜡和硬脂酸，加热到80℃，将植物纤维粉与之均匀混合，然后加入PVC树脂粉，稳定剂，发泡调节剂和发泡剂，加热到150℃，再冷却至80℃放出；

3)将混合好的原料加入挤出机，加热至180℃挤出，经磨具定型、冷却、牵引、定尺、切割成型材，型材规格130mmx77mm立柱。

实施例2

按照以下重量配比称取原料：

PVC树脂粉：100份；

植物纤维粉：40份；

钙质填充剂：35份；

稳定剂：5份；

PE蜡：0.9份；

硬脂酸：0.9份；

发泡调节剂：6份；

发泡剂：1.5份。

然后利用以下方法制备木塑建筑模板：

1)将植物纤维粉加入搅拌混料机混合，所述植物纤维粉的重量配比和粒度分布见表2所示；

2)然后加入钙质填充剂、PE蜡和硬脂酸，加热到60℃，将植物纤维粉与之均匀混合，然后加入PVC树脂粉，稳定剂，发泡调节剂和发泡剂，加热到150℃，再冷却至70℃放出；

3)将混合好的原料加入挤出机，加热至140℃挤出，经磨具定型、冷却、牵引、定尺、切割成型材，型材规格130mmx77mm立柱。

实施例3

按照以下重量配比称取原料：

PVC树脂粉：100份；

植物纤维粉：40份；

钙质填充剂：30份；

稳定剂：4份；

PE蜡：1份；

硬脂酸：0.8份；

发泡调节剂：5份；

发泡剂：1.2份。

然后利用以下方法制备木塑建筑模板：

1)将植物纤维粉加入搅拌混料机混合，所述植物纤维粉的重量配比和粒度分布见表2所示；

2)然后加入钙质填充剂、PE蜡和硬脂酸，加热到70℃，将植物纤维粉与之均匀混合，然后加入PVC树脂粉，稳定剂，发泡调节剂和发泡剂，加热到150℃，再冷却至75℃放出；

3)将混合好的原料加入挤出机，加热至160℃挤出，经磨具定型、冷却、牵引、定尺、切割成型材，型材规格130mmx77mm立柱。

实施例4

按照以下重量配比称取原料：

PVC树脂粉：100份；

植物纤维粉：20份；

钙质填充剂：45份；

稳定剂：2份；

PE蜡：1.1份；

硬脂酸：0.7份；

发泡调节剂：8份；

发泡剂：0.5份。

然后利用以下方法制备木塑建筑模板：

1)将植物纤维粉加入搅拌混料机混合，所述植物纤维粉的重量配比和粒度分布见表2所示；

2)然后加入钙质填充剂、PE蜡和硬脂酸，加热到80℃，将植物纤维粉与之均匀混合，然后加入PVC树脂粉，稳定剂，发泡调节剂和发泡剂，加热到140℃，再冷却至80℃放出；

3)将混合好的原料加入挤出机，加热至180℃挤出，经磨具定型、冷却、牵引、定尺、切割成型材，型材规格130mmx77mm立柱。

实施例1-4制备的产品性能如表3所示：

表3木塑型材的性能

显然，与现有技术中的木塑复合材料相比，本发明所述的木塑材料建筑模板的强度高、韧性大，且生产效率高，使用数年后，可100％回收再利用。

Claims (8)

1.一种PVC木塑型材，其特征在于，其原料的重量配比为：

PVC树脂粉：100份；

植物纤维粉：30～40份；

钙质填充剂：30～35份；

稳定剂：4～5份；

PE蜡：0.9～1.1份；

硬脂酸：0.7～0.9份；

发泡调节剂：5～6份；

发泡剂：1～1.5份；其中，所述植物纤维粉包括：1)枝丫、树梢、树皮、树叶；2)树根，灌木和藤条；3)造材剩余物以及加工剩余物；4)秸秆，其按下述的重量配比进行配合使用：1-2∶2-3.5∶2-5：2-5；

所述钙质填充剂为轻质碳酸钙粉或轻度活化碳酸钙；

所述稳定剂为钙锌系列稳定剂；

发泡调节剂为聚丙烯酸酯类发泡调节剂；

所述发泡剂为偶氮酰胺类放热型发泡剂。

2.如权利要求1所述的木塑型材，其特征在于，所述农林三剩物：1)枝丫、树梢、树皮、树叶；2)树根，灌木和藤条；3)造材剩余物以及加工剩余物；4)秸秆的重量配比为1-2∶2-3∶4-5：2-3。

3.如权利要求1或2所述的木塑型材，其特征在于，所述(1)枝丫、树梢、树皮、树叶为片状颗粒，颗粒的长径和厚度比为3-5:1；平均粒径为10-1000μm。

4.如权利要求1或2所述的木塑型材，其特征在于，所述(2)树根，灌木和藤条为近球形颗粒，长短径比1:1.05-1.1；平均粒径为10-100μm。

5.如权利要求1或2所述的木塑型材，其特征在于，所述(3)造材剩余物以及加工剩余物为近球形颗粒，长短径比1:1.05-1.1；平均粒径为50-500 μm。

6.如权利要求1或2所述的木塑型材，其特征在于，所述(4)秸秆为片状颗粒，颗粒的长径和厚度比为5-10:1；平均粒径为10-100μm。

7.一种如权利要求1-6任意一项所述的木塑型材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将植物纤维粉加入搅拌混料机混合，所述植物纤维粉包括(1)枝丫、树梢、树皮、树叶；(2)树根，灌木和藤条；(3)造材剩余物以及加工剩余物；(4)秸秆，其重量配比为：1-2∶2-3.5∶2-5：2-5；

2)然后加入钙质填充剂、PE蜡和硬脂酸，加热到60～80℃，将植物纤维粉与之均匀混合，然后加入PVC树脂粉，稳定剂，发泡调节剂和发泡剂，加热到130～150℃，再冷却至70～80℃放出；

3)将混合好的原料加入挤出机，加热至140～180℃挤出，经磨具定型、冷却、牵引、定尺、切割成型材。

8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述重量配比为1-2∶2-3∶4-5：2-3。