本發(fā)明屬于高分子材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種橡膠籽殼基高強度、高耐候性能的木塑復合材料及制備方法。

背景技術(shù)：

木塑復合材料一直以來以聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯熱塑性樹脂為市場主導，然而由于木塑復合材料中所中所用的熱塑性樹脂大多數(shù)均為回收塑料，且回收塑料的循環(huán)次數(shù)不定，導致熱塑性樹脂基體自身質(zhì)量較差，同時又由于回收的農(nóng)林廢棄物通過不經(jīng)過清洗，含有大量雜質(zhì)且木質(zhì)纖維與樹脂間界面相容性差，造成了木塑復合材料綜合力學性能不高的缺點，僅僅局限在一些強度和耐用性要求不高的非結(jié)構(gòu)件方面的制品，在一定程度上制約了其應用領(lǐng)域的拓廣和高端產(chǎn)品的開發(fā)。目前已經(jīng)有人將kevlar纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維等力學性能較好的纖維經(jīng)改性后添加到木塑復合材料中，以提高其拉伸強度、彎曲強度及抗沖擊強度等。但這些纖維材料的價格使木塑復合材料的成本大幅度提升，同時，這些纖維的加入對木塑復合材料界面結(jié)合又提出新的挑戰(zhàn)。

同時提升木塑復合材料的耐候性能也是一個難題。木塑復合材料的吸水性強，不僅在濕度變化時造成材料的伸縮變形，而且容易讓微生物以及微生物分泌的酶類物質(zhì)隨著水分深入到材料內(nèi)部，發(fā)生自內(nèi)向外的腐蝕與解體，嚴重影響產(chǎn)品的耐候性。木塑的耐候性問題在高熱、高濕、高霉菌、白蟻高發(fā)的熱帶雨林地區(qū)尤其嚴重。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提供一種橡膠籽殼基高強度、高耐候性能的木塑復合材料及制備方法，使得木塑復合材料的力學性能與耐候性能大幅提升。

本發(fā)明的上述目的通過如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：一種橡膠籽殼基高強度、高耐候性能的木塑復合材料，由下列質(zhì)量份的組分制成：

改性合金樹脂20～60份、

橡膠籽殼基碳纖維5～20份、

橡膠籽殼20～80份、

復合加工助劑5～20份、

復合無機填料1～30份。

所述改性合金樹脂是通過下列步驟制得：

a、按以下質(zhì)量份的組分備料：

廢舊hdpe20～60份、

廢舊ldpe20～40份、

pa610～30份、

pa10105～15份、

復合相容劑10～25份；

b、將步驟a的廢舊hdpe、廢舊ldpe、pa6、pa1010及復合相容劑混合后在溫度170～240℃、螺桿轉(zhuǎn)速260～300r/min下進行造粒，即得到改性合金樹脂。

所述復合相容劑包括以下質(zhì)量份的組分：

hdpe接枝馬來酸酐5～10份、

聚甲基丙烯酸縮水甘油酯1～8份、

硅烷偶聯(lián)劑2～10份、

鋁酸酯偶聯(lián)劑1～5份。

所述橡膠籽殼基碳纖維通過下列步驟制得：

（1）將橡膠籽殼洗凈，控制含水率為15～40%，再以蒸汽爆破法預處理10min；

（2）用質(zhì)量濃度為2～15%的naoh溶液對步驟（1）的橡膠籽殼進行攪拌混合處理15～30min，再用硫酸溶液調(diào)節(jié)ph值至2～4后過濾，濾渣烘干；再按橡膠籽殼與苯酚質(zhì)量比為1:（3～5），在濾渣中加入苯酚得到碳纖維前驅(qū)體，然后將碳纖維前驅(qū)體在單螺桿擠出機中配合絲狀口模經(jīng)熔融紡絲得到橡膠籽殼基碳纖維原絲；

（3）將步驟（2）所得橡膠籽殼基碳纖維原絲在700～1000℃的n2保護下碳化10～20min，得到橡膠籽殼基碳纖維。

所述步驟（2）的苯酚為市購分析純。

所述復合加工助劑包括以下質(zhì)量份的組分：

環(huán)氧橡膠籽油1～15份、

工業(yè)白油1～5份、

環(huán)氧大豆油1～15份。

所述復合無機填料包括輕質(zhì)碳酸鈣、重質(zhì)碳酸鈣、硅藻土中的兩種或兩種以上。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種橡膠籽殼基高強度、高耐候性能的木塑復合材料的制備方法，經(jīng)過下列各步驟：

a、按下列質(zhì)量份的組分備料：

改性合金樹脂20～60份、

橡膠籽殼基碳纖維5～20份、

橡膠籽殼20～80份、

復合加工助劑5～20份、

復合無機填料1～30份；

b、將步驟a的改性合金樹脂、橡膠籽殼、復合加工助劑和復合無機填料進行混合，所得混合物料在螺桿轉(zhuǎn)速為300～350r/min下進行碳化造粒，再加入橡膠籽殼基碳纖維后，經(jīng)高溫擠出成型、冷卻、牽引、切割，即得到高強度、高耐候性能的木塑復合材料，所述碳化造粒和高溫擠出成型是在常規(guī)的多段造粒和多段擠壓工序中，將其中溫度最高段的溫度均提升為250～290℃。

本發(fā)明從基體樹脂和木質(zhì)纖維雙方面著手以有效提升傳統(tǒng)木塑復合材料的力學性能。

1、基體樹脂方面，采用高強度改性合金樹脂作為基體，樹脂中既包括了疏水性的聚乙烯，也包括了親水性的尼龍，以及將二者融合起來的復合相容劑。尼龍具有很高的強度，顯著提升了材料的力學性能。

2、木質(zhì)纖維方面，選擇木素質(zhì)含量高達35-50%的橡膠籽殼為原料，讓木質(zhì)素成為主要的雙親性粘合劑，連接木塑中的疏水性物質(zhì)（比如塑料）與親水性物質(zhì)（比如木質(zhì)纖維中的纖維素、半纖維素與無機填料），進而增加木塑的力學性能。

3、碳纖維添加方面，碳纖維具有優(yōu)良的力學性能與耐候性能。通過橡膠籽殼自身所制備的碳纖維少量添加，使得木塑復合材料的力學性能大幅提升。

4、生產(chǎn)方法上，通過提高造粒與擠壓成型的溫度至250～290℃進行受控的快速超高溫碳化。受控碳化既可以提升木塑材料的耐候性能，也能提升力學性能。一方面，受控碳化產(chǎn)生了大量的碳元素，碳元素的穩(wěn)定性與耐候性顯著高于一般的有機物，使得木塑材料的耐紫外線、抗氧化、抗霉菌、抗白蟻等耐候性能顯著提升。另一方面，在受控碳化中，木質(zhì)纖維部分脫除了氧元素，由親水性變?yōu)槭杷?，與疏水性的熱塑性塑料或纖維間的范德華力（主要為色散力與疏水作用）明顯增強，可以提升材料的力學性能。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明通過樹脂基體改進，橡膠籽殼以及碳纖維的添加，以及在生產(chǎn)過程中受控的超高溫快速碳化的四重協(xié)同增強作用，制備出橡膠籽殼基高強度、高耐候性能的木塑復合材料，表面與斷面烏黑，有金屬光澤，敲擊有金屬聲，較常規(guī)木塑復合材料在力學性能方面：彎曲強度和模量提升150～180%，拉伸強度和模量提升100～160%，抗沖擊強度提升150～200%，耐磨性提升100～150%，熱變形溫度提升30-40℃，吸水率降低50～70%；在耐候性能方面：吸水性能顯著下降，耐紫外線，抗氧化，耐表面與內(nèi)部腐蝕，防霉，防白蟻的性能顯著提升。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步說明。本發(fā)明的實施方式不局限于以下所列舉的實施方式，還包括各具體實施方式間的任意組合。

實施例1

a、按下列質(zhì)量份的組分備料：

改性合金樹脂60份、

橡膠籽殼基碳纖維5份、

橡膠籽殼40份、

復合加工助劑18份（環(huán)氧橡膠籽油1份、工業(yè)白油2份、環(huán)氧大豆油15份）

復合無機填料（輕質(zhì)碳酸鈣和重質(zhì)碳酸鈣）5份；

其中，改性合金樹脂是通過下列步驟制得：

a、按以下質(zhì)量份的組分備料：

廢舊hdpe30份、

廢舊ldpe30份、

pa610份、

pa10105份、

復合相容劑21份（hdpe接枝馬來酸酐10份、聚甲基丙烯酸縮水甘油酯8份、硅烷偶聯(lián)劑2份、鋁酸酯偶聯(lián)劑1份）；

b、將步驟a的廢舊hdpe、廢舊ldpe、pa6、pa1010及復合相容劑加入到高速混合機中，在120℃，以1000r/min轉(zhuǎn)速混合10min，將混合好的物料放入造粒機進行造粒，造粒機各區(qū)溫度分別為170℃、185℃、200℃、210℃、220℃、230℃、230℃、210℃、200℃，螺桿轉(zhuǎn)速為260r/min，進行造粒，即得到改性合金樹脂。

其中，橡膠籽殼基碳纖維通過下列步驟制得：

（1）將橡膠籽殼洗凈，控制含水率為30%，再以蒸汽爆破法預處理10min；

（2）用質(zhì)量濃度為10%的naoh溶液對步驟（1）的橡膠籽殼進行攪拌混合處理20min，再用硫酸溶液調(diào)節(jié)ph值至3后過濾，濾渣烘干；再按橡膠籽殼與苯酚質(zhì)量比為1:4，在濾渣中加入分析純苯酚得到碳纖維前驅(qū)體，然后將碳纖維前驅(qū)體在單螺桿擠出機中配合絲狀口模經(jīng)熔融紡絲得到橡膠籽殼基碳纖維原絲；

（3）將步驟（2）所得橡膠籽殼基碳纖維原絲在700℃的n2保護下碳化20min，得到橡膠籽殼基碳纖維。

b、將步驟a的改性合金樹脂、橡膠籽殼、復合加工助劑和復合無機填料加入高速混合機中，在常溫下，轉(zhuǎn)速500～800r/min進行共混5～10min，所得混合物料在螺桿轉(zhuǎn)速300r/min下進行碳化造粒，再加入橡膠籽殼基碳纖維后，在錐形雙螺桿擠出機中擠出成型，主機轉(zhuǎn)速為20r/min，喂料機轉(zhuǎn)速為30r/min，經(jīng)高溫擠出成型、冷卻、牽引、切割，即得到高強度、高耐候性能的木塑復合材料，所述碳化造粒和高溫擠出成型是在常規(guī)的多段造粒和多段擠壓工序中，將其中溫度最高段的溫度均提升為250℃。

實施例2

a、按下列質(zhì)量份的組分備料：

改性合金樹脂50份、

橡膠籽殼基碳纖維10份、

橡膠籽殼80份、

復合加工助劑20份（環(huán)氧橡膠籽油15份、工業(yè)白油4份、環(huán)氧大豆油1份）、

復合無機填料1份（輕質(zhì)碳酸鈣和硅藻土）；

其中，所述改性合金樹脂是通過下列步驟制得：

a、按以下質(zhì)量份的組分備料：

廢舊hdpe60份、

廢舊ldpe20份、

pa620份、

pa101010份、

復合相容劑10份（hdpe接枝馬來酸酐5份、聚甲基丙烯酸縮水甘油酯1份、硅烷偶聯(lián)劑3份、鋁酸酯偶聯(lián)劑1份）；

b、將步驟a的廢舊hdpe、廢舊ldpe、pa6、pa1010及復合相容劑加入到高速混合機中，在120度，以1000r/min轉(zhuǎn)速混合10min，將混合好的物料放入造粒機進行造粒，造粒機各區(qū)溫度分別為180℃、195℃、210℃、220℃、230℃、240℃、240℃、225℃、215℃、205℃，螺桿轉(zhuǎn)速為280r/min，即得到改性合金樹脂。

其中，所述橡膠籽殼基碳纖維通過下列步驟制得：

（1）將橡膠籽殼洗凈，控制含水率為15%，再以蒸汽爆破法預處理10min；

（2）用質(zhì)量濃度為15%的naoh溶液對步驟（1）的橡膠籽殼進行攪拌混合處理15min，再用硫酸溶液調(diào)節(jié)ph值至2后過濾，濾渣烘干；再按橡膠籽殼與苯酚質(zhì)量比為1:3，在濾渣中加入分析純苯酚得到碳纖維前驅(qū)體，然后將碳纖維前驅(qū)體在單螺桿擠出機中配合絲狀口模經(jīng)熔融紡絲得到橡膠籽殼基碳纖維原絲；

（3）將步驟（2）所得橡膠籽殼基碳纖維原絲在800℃的n2保護下碳化15min，得到橡膠籽殼基碳纖維。

b、將步驟a的改性合金樹脂、橡膠籽殼、復合加工助劑和復合無機填料加入高速混合機中，在常溫下，轉(zhuǎn)速500～800r/min進行共混5～10min，再將混合好的物料放入造粒機中以螺桿轉(zhuǎn)速330r/min進行碳化造粒，再加入橡膠籽殼基碳纖維后，在錐形雙螺桿擠出機中擠出成型，主機轉(zhuǎn)速為20r/min，喂料機轉(zhuǎn)速為30r/min，再經(jīng)高溫擠出成型、冷卻、牽引、切割，即得到高強度、高耐候性能的木塑復合材料，所述碳化造粒和高溫擠出成型是在常規(guī)的多段造粒和多段擠壓工序中，將其中溫度最高段的溫度均提升為270℃。

實施例3

a、按下列質(zhì)量份的組分備料：

改性合金樹脂20份、

橡膠籽殼基碳纖維20份、

橡膠籽殼20份、

復合加工助劑5份（環(huán)氧橡膠籽油2份、工業(yè)白油1份、環(huán)氧大豆油2份）、

復合無機填料30份（重質(zhì)碳酸鈣和硅藻土）；

其中，所述改性合金樹脂是通過下列步驟制得：

a、按以下質(zhì)量份的組分備料：

廢舊hdpe20份、

廢舊ldpe40份、

pa630份、

pa101015份、

復合相容劑25份（hdpe接枝馬來酸酐7份、聚甲基丙烯酸縮水甘油酯3份、硅烷偶聯(lián)劑10份、鋁酸酯偶聯(lián)劑5份）；

b、將步驟a的廢舊hdpe、廢舊ldpe、pa6、pa1010及復合相容劑加入到高速混合機中，在120度，以1000r/min轉(zhuǎn)速混合10min，將混合好的物料放入造粒機進行造粒，造粒機各區(qū)溫度分別為180℃、195℃、210℃、220℃、230℃、240℃、240℃、225℃、215℃、205℃,螺桿轉(zhuǎn)速為300r/min，即得到改性合金樹脂。

其中，所述橡膠籽殼基碳纖維通過下列步驟制得：

（1）將橡膠籽殼洗凈，控制含水率為40%，再以蒸汽爆破法預處理10min；

（2）用質(zhì)量濃度為2%的naoh溶液對步驟（1）的橡膠籽殼進行攪拌混合處理30min，再用硫酸溶液調(diào)節(jié)ph值至4后過濾，濾渣烘干；再按橡膠籽殼與苯酚質(zhì)量比為1:5，在濾渣中加入分析純苯酚得到碳纖維前驅(qū)體，然后將碳纖維前驅(qū)體在單螺桿擠出機中配合絲狀口模經(jīng)熔融紡絲得到橡膠籽殼基碳纖維原絲；

（3）將步驟（2）所得橡膠籽殼基碳纖維原絲在1000℃的n2保護下碳化10min，得到橡膠籽殼基碳纖維。

b、將步驟a的改性合金樹脂、橡膠籽殼、復合加工助劑和復合無機填料加入高速混合機中，在常溫下，轉(zhuǎn)速500～800r/min進行共混5～10min，再將混合好的物料放入造粒機中以螺桿轉(zhuǎn)速350r/min下進行碳化造粒，再加入橡膠籽殼基碳纖維后，在錐形雙螺桿擠出機中擠出成型，主機轉(zhuǎn)速為20r/min，喂料機轉(zhuǎn)速為30r/min，再經(jīng)高溫擠壓成型、冷卻、牽引、切割，即得到高強度、高耐候性能的木塑復合材料，所述碳化造粒和高溫擠出成型是在常規(guī)的多段造粒和多段擠壓工序中，將其中溫度最高段的溫度均提升為290℃。

以上說明僅僅是對本發(fā)明的進一步詳細的解釋，但并不是對本發(fā)明的限制，對于本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干的推演或替換部分配方中的內(nèi)容，都應視為本發(fā)明范圍內(nèi)，受到專利法的保護。

對比例1：傳統(tǒng)聚乙烯樹脂（pe）木塑復合材料，原料配方與生產(chǎn)溫度均按照常規(guī)進行。

對比例2：同實施例1，僅去除步驟b中碳化造粒的碳化操作，即按常規(guī)造粒的溫度150～180℃進行造粒與擠出。

對比例3：同實施例1，僅提高步驟b中碳化造粒和擠出成型的溫度，即碳化造粒和高溫擠出成型中溫度最高段的溫度均提升為300℃。本操作因為碳化過度，最終材料沒有成型，力學性能無法測量。

對比例4：同實施例1，僅降低步驟b中碳化造粒和擠出成型的溫度，即碳化造粒和高溫擠出成型中溫度最高段的溫度均降至240℃。