新型木塑材料配方设计

新型木塑材料配方设计

一、新型木塑材料的配方设计（新型聚氯乙烯/木粉发泡复合材料）

组分 PVC（k=57～60） 木粉（填料） AC(偶氮二甲酰胺，发泡剂) 氨基硅烷（偶联剂） 硬脂酸钙、硬酯酸锌（助发泡剂、润滑） 丙烯酸（增塑剂） 纳米碳酸钙（成核剂） 石蜡（润滑剂） 硼酸锌（防腐剂） 抗氧剂1010 S-07防蚁剂 份数 100 40 1.5 2 2 10 1 2 0.2 0.2 3 二、配方设计思路

以聚氯乙烯(PVC) 为基体树脂, 氨基硅烷偶联剂作用的木粉为增强材料，在增塑剂DOP（邻苯二甲酸二辛酯），发泡剂AC(偶氮二甲酰胺),以及其他各种助剂的作用下制备PVC/木粉发泡复合材料。

1、基体树脂的选择：用于木塑复合材料加工中的塑料可以是热固性塑料和热塑性塑料，热固性塑料如环氧树脂，热塑性塑料如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)及聚氯乙烯(PVC)。本次配方设计就以PVC作为基体树脂，作为发泡木塑复合材料，选择分子质量适当的PVC非常重要分子质量过低，熔体强度较差，熔体对发泡气体逃逸的阻碍能力差，很难得到泡孔均匀细密的泡沫塑料；若分子量过高，熔体的拉伸强度很大，抑制泡孔的生长，致使发泡不充分，也难以得到高发泡率的泡沫塑料。故选择K值为57～60的PVC 较为合适。

2、填料的选择：选用木粉作为填料，生产木塑复合材料。木塑复合材料兼有木材和塑料的双重特性，制品不怕虫蛀、不生真菌、抗强酸强碱、不吸收水分、不易变形、力学性能好、耐用性比单纯的木质制品高数倍，具有坚硬、强韧、耐久、耐磨、尺寸稳定等优点。选用木粉多为工业用木粉,尺寸约147μm。木粉的填充量一般不超过50份。填充量越高，越不容易发泡。当木粉含量超过50份时基本上不发泡，因为此时木粉占据了整个发泡空间，使发泡过程不能正常进行。

3、其他助剂选择：

（1）发泡剂：化学发泡剂主要有吸热型发泡剂(如NaHCO3)和放热型发泡剂(如偶氮二甲酰胺、AC) 两种。木粉的加入使得复合材料呈现较高的刚性，改变了熔体的流动性，同时木纤维在加工过程中逐渐释放出的水分和其它挥发物也使PVC/ 木粉复合材料的发泡机理与纯PVC的发泡机理有所不同。放热型发泡剂主要

的分解产物氮气在PVC基体中的溶解性比吸热型发泡剂的主要分解产物二氧化碳要低，其分散性比二氧化碳要好。综合考虑各方面的因素，宜选择AC（偶氮二甲酰胺）作PVC/木粉复合材料发泡用的发泡剂，其分解温度为160～200℃，发气量为220mL/g，最佳用量为0.5～1.5份。

（2）偶联剂：由于PVC为憎水性物质，而木粉为亲水性物质，因而两者的界面结合力很差，为使木粉在PVC基体中均匀分布，从而得到均匀的泡孔结构，必须添加偶联剂来提高PVC与木粉的相容性。由于氨基硅烷能为木纤维提供氨基，使木纤维具有更强的碱性和供电子能力，而PVC经氨基硅烷处理后具有更强的酸性。因此氨基硅烷使PVC与木粉在界面处发生化学反应，成为有效的偶联剂。一般偶联剂的添加量为木粉添加量的1%～8%，也即1～3份。

（3）助发泡剂：常用的化学发泡剂如AC热分解温度高，分解剧烈，易产生泡孔合并现象，且分解温度过高，会导致木粉烧焦降解，因此必须添加一些助发泡剂，通过助发泡剂的活化引发它的分解，降低它的热分解温度，使分解温度与PVC 挤出温度相适应(可降到160～170℃)。常用的助发泡剂是三盐基硫酸铅、二盐基亚磷酸铅、硬脂酸钙、硬酯酸锌等。AC发泡剂与助发泡剂的使用比例为1。在此选用硬脂酸钙、硬酯酸锌作为助发泡剂，它们还兼有稳定剂和润滑剂的作用。

（4）增塑剂：增塑剂的作用是促使PVC塑化熔融，并提高熔体强度和延展性，使发泡过程较稳定。研究表明，对PVC/木粉复合材料挤出发泡，丙烯酸是一种非常有效的增塑剂。在配方中加入丙烯酸可降低熔体的刚性和粘度，有利于气体扩散和气泡生长，对减小制品的密度效果明显。其最佳用量为10～15份。

（5）成核剂：成核剂的作用是为聚合物提供有适当表面能的中心，降低聚合物的表面张力，从而提供大量的成核点，促进气泡成核。与聚合物粘性好的成核剂不能促进成核，甚至会阻碍成核。木塑复合材料经常使用的成核剂是二氧化钛、二氧化硅和碳酸钙等，成核剂的粒径越小、分散越好，对成核越有利。故此，选用纳米碳酸钙作为成核剂，成核剂一般添加量为0.5～1份。

（6）润滑剂：PVC的流动性较差，为提高其流动性形成光滑的表面，必须加入适量的润滑剂。此外，润滑剂还会影响制品的表面光泽性和发泡气体在熔体中的混合与分布，从而影响泡孔结构。选用石蜡作为润滑剂，用量一般为1～5份。

此外，加入硼酸锌作为防腐剂。由于硼酸锌具有较低的水溶性，适应一般的基础温度，成本低，因而成为防腐剂的主要试剂。它对损坏木纤维的有机物具有广泛的作用，具有热稳定性和UV稳定性，耐浸提，耐老化。加入量一般为0.1份；抗氧剂1010为常用抗氧剂，加入量为0.2份～0.5份。S-07防蚁剂是一种中、低毒性、高效、半衰期长久的新型防蚁剂，具有较强的触杀作用，击倒力强，药效迅速，对阳光和热稳定，熔点86～90℃，分解温度大于200℃。

4、加工方法：PVC/木粉复合材料挤出发泡成型可采用两步法和一步法两种工艺路线。我们选用两步法生产工艺路线，两步法即先造粒后成型其工艺流程见下图，将经干燥处理和表面改性的木粉与PVC以及各种助剂置于高速混合机中,经充分搅拌后由单螺杆或双螺杆挤出机挤出造粒，再挤出成型。

5、性能特点和用途：PVC/木粉复合材料挤出发泡制品不但兼有木材和塑料的双重特性而且由于制品中存在良好的泡孔结构，可有效通过特殊表面处理可生产出多品种、多花色、多功能的制品。它可广泛应用于家具、建筑装饰、工业消耗材料、包装运输等领域，尤其在建筑业和汽车工业中存在巨大的市场空间。

木粉→干燥→表面处理

PVC 高速混合搅拌 挤出造粒 各类助剂 挤出

冷却干燥 定型 发泡

牵引切割 后处理

PVC/木粉复合材料两步法挤出发泡的成型工艺流程图

6、正交试验表

(1)、指标——拉伸强度、弯曲强度、冲击强度；

(2)、因素——将木粉（经过表面处理）、丙烯酸、石蜡定为三个因素，即K=3； (3)、水平——每个因素定三个水平，即b=3； 因素 水 平 1 2 木粉用量 A 30 40 丙烯酸用量 B 5 10 石蜡用量 C 1 2 3 3 3

50 15 (4)、L6(3)型正交表（见下页）

L6(3)型正交表

3

实验计划 实验号 因素 木粉用量 丙烯酸量 石蜡用量 拉伸强度 实验结果 弯曲强度 A 列号 B 2 3 2（2） 3（3） /MPa /MPa 冲击强度 （缺口） 1 /(kj/m2) 1 2 3 4 5 6 Ⅰ(位级1三次拉伸强度之和) Ⅱ(位级2三次拉伸强度之和) Ⅲ(位级3三次拉伸强度之和) Ⅰ′(位级1三次弯曲强度之和) Ⅱ′(位级2三次弯曲强度之和) Ⅲ′(位级3三次弯曲强度之和) Ⅰ″(位级1三次冲击强度之和) Ⅱ″(位级2三次冲击强度之和) Ⅲ″(位级3三次冲击强度之和) 极差R 1（30） 1（5） 2（40） 1（5） 3（50） 2（10） 1（1） 1（40） 2（10） 2（2） 2（40） 3（15） 1（1） 3（50） 3（15） 3（3） 拉伸强度总和=Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ 弯曲强度总和=Ⅰ′+Ⅱ′+Ⅲ′ 冲击强度总和=Ⅰ″+Ⅱ″+Ⅲ″