[发明专利]一种植物纤维木塑复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料加工领域，具体地说是一种植物纤维木塑复合材料及其制备方法。 

背景技术

木塑复合材料（Wood-Plastics Composites，简称WPC）是以木纤维或植物纤维作为增强材料，和热塑性塑料高分子材料(如PE、PP、PVC)以及废旧塑料为基体物质，经高温混炼，再经成型加工而制得的一种价廉性优的新型复合材料。同时由于木塑复合材料的生产原料来源主要是木材的下脚料、植物秸秆、锯末、木粉以及废旧塑料等，如专利CN101992202A、CN101302734A、CN101985527A、CN1420812A、CN101367975A、CN101698749A、CN101693784A。木塑复合材料的推广和应用还可以解决由于废旧塑料无法回收对环境造成污染的问题，并使纤维废弃资源得到充分利用，具有一定的社会效益。但植物纤维的主要成分纤维素、半纤维素和木质素等含有大量的极性羟基和酚羟基官能团，使其表现出很强的化学极性。而热塑性塑料多数为非极性，具有憎水性，两者复合时，亲水性的纤维与憎水性的塑料基体之间，存在着较高的界面能差，两者很难达到充分的界面融合。且由于植物纤维表面存在有大量的羟基，易形成氢键而聚集，使植物纤维不能在塑料基体中均匀分散，造成分散性不佳，这使得应力在界面不能有效地传递，所制复合材料的冲击强度和拉伸强度会显著降低，从而影响复合材料的综合性能。因此能否以轻工业和农业中废弃的木薯酒糟、甘蔗渣、木薯杆、农作物秸秆中的之一作为WPC的填充材料，关键是如何提高植物纤维和塑料两种异质材料界面的相容性。 

目前，改进界面相容性的方法主要有下列三种途径：第一是通过对植物纤维的表面进行预处理，使其表面极性降低或由极性变为非极性，从而与塑料表面的极性相似，改善两者间的界面相容性；第二是在复合体系中加入界面相容剂；第三是通过对塑料的表面进行预处理，使其表面由非极性变为具有一定的极性，使之与植物纤维表面的极性相似。其中植物纤维的表面改性是研究的热点，主要是利用物理或化学的方法，对纤维的表面进行处理改变纤维表面的结构和性能以达到改善表面相容性的目的。 

常见改进界面相容性物理方法和化学方法如下：（1）物理方法主要通过拉伸、压延、加热烘干和蒸汽爆破法等方法对植物纤维或木纤维等进行预处理，这些方法不改变其表面的化学组成，但可改变纤维的结构与表面性能。主要有加热烘干、蒸汽爆破法、碱处理、酸处理、有机溶剂处理、电化学方法、微波处理及超声波处理等，如专利CN101265364A、CN201043162Y、CN101580640、CN101362838A、CN1587500A、CN101240096、CN101417459A、CN1850474A。（2）化学方法主要是通过化学反应改变植物纤维表面的化学结构、减少纤维表面羟基数目，在木粉/聚合物之间建立物理和化学键交联，通过在木粉表面形成一层憎水性薄膜来提高其与聚合物的相容性和促进木纤维的均匀分散，从而提高复合材料的力学性能。目前常用的方法有表面接枝法、界面偶合法、酰化处理法和单体预浸渍聚合等，如专利CN101456933A、CN101392099A、CN1990599A、CN101215420A、CN101457024A、CN101456933A、CN101698749A、CN101319058A、CN101302349A、CN101613503A。 

从总体上看，以上方法各有优势，但也有一定的局限性。物理方法如低温等离子体、热处理等方法，影响因素颇多，操作要求更高，商业化生产难度较大。微波、超声波等处理时间短，操作简单，但设备费用较高，并且难以进行大规模工业化生产。蒸汽爆破法的优点是能耗低，可以间歇也可以连续操作，但蒸汽爆破法操作涉及高压装备，投资成本较高；化学方法是常用的较为有效的方法，一般来说各种化学表面处理方法均能改善木纤维与塑料的相容性，如酰化处理、接枝共聚等，但是其工艺均比较复杂，影响因素较多，成本也较高，处理过程中产生的废水对环境污染严重，在工业中应用比较困难。界面偶合法所采用的浸渍处理工序复杂，其产品的力学性能低，且同样存在处理过程中产生的废水对环境污染的问题。由此可见，采用单一的处理方法难以达到既能有效提高植物纤维的相容性，同时又简单、经济的目的。因此寻找经济、简单、方便的组合植物纤维处理技术成为许多研究者的追求目标。