一种红衣陶土增强木塑复合材料的制备方法.pdf

本发明提供一种红衣陶土增强木塑复合材料的制备方法，其中以红衣陶土作为增强剂，运用红衣陶土增强木塑复合材料制备方法将配制的红衣陶土填充于木塑复合材料中，经过红衣陶土增强木塑复合材的制备工艺流程制得试样，经测试木塑复合材料的各项力学性能均得到有效增强。红衣陶土作为增强剂增强木塑复合材料尚属首次，本申请为制备高性能木塑复合材料提供了一种新方法。

权利要求书
1.  一种红衣陶土增强的木塑复合材料，其原料组成包括红衣陶土、木纤维、聚乙烯、偶联剂、润滑剂。

2.  权利要求1所述的复合材料，其中红衣陶土、偶联剂、润滑剂的加入量分别为木纤维和聚乙烯重量之和的5％、3％、1％。

3.  权利要求1或2所述的复合材料，其中红衣陶土的组成为：MgO含量为1.04％、Al2O3含量为16.93％、SiO2含量为68.23％、K2O含量为2.92％、CaO含量为2.61％、Fe2O3含量为8.27％。

4.  一种如权利要求1-3任意一项中所述的红衣陶土增强木塑复合材料的制备方法，包括，(1)制备红衣陶土；(2)将60％木纤维与40％聚乙烯混合，然后按量加入步骤(1)得到的红衣陶土以及偶联剂、润滑剂；(3)将步骤(2)中配比好的原材料放入高速混合机中混合，然后将混合好的物料置于双螺杆挤出机中造粒、粉碎机中粉碎、单螺杆挤出机中挤出成型。

5.  一种红衣陶土增强木塑复合材料的制备工艺流程包括：(1)杨木薄板经木纤维粉碎机粉碎成湿木纤维，再用恒温鼓风干燥箱干燥成可用木纤维；(2)对出土陶片进行能谱分析，得出矿物质成分从而确定红衣陶土配方，并配制出红衣陶土；(3)将木纤维、聚乙烯、偶联剂、润滑剂和红衣陶土放入高速混合机中混合，用双阶塑料挤出机组挤出，然后制样，最后进行性能测试。

说明书一种红衣陶土增强木塑复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种红衣陶土增强木塑复合材料的制备方法，属于木材科学与技术领域。
背景技术
红衣陶土拥有高模、高强、较好的稳定性与合适的热膨胀系数等特点，可被用做复合材料中的补强剂和填充剂，以提高复合材料的力学性能，从而达到降低成本并改善木塑制材性能的目的。对陶土类材料进行研究的有：梁玉蓉等人采用熔体插层法制备有机蒙脱土(OMMT)/IIR纳米复合材料，随着OMMT用量的增大，OMMT/IIR纳米复合材料的物理性能明显提高。王鹏等人利用乳液聚合法制备了DBSA掺杂的聚苯胺/蒙脱土(PANI-DBSA/MMT)纳米复合物，并对其性能进行了研究。日本(Okadaetal，1987)用插层法制备了尼龙6/蒙脱土纳米复合材料,在少量蒙脱土的添加下，尼龙6的力学、热学等性能得到了很大提高。山东理工大学材料科学与工程学院张秀英采用钙基膨润土经钠化、有机化处理通过插层法与丁苯橡胶混合制备蒙脱石/丁苯橡胶纳米复合材料，对有机土的结构进行了表征，对所得材料的结构及力学性能进行研究，表明纳米复合材料的综合性能有明显提高。中国地质大学材料科学与化学工程学院吴红丹等以高岭土为原料，选取水合肼为插层剂，成功制备出片层厚度<20rim的高岭土，采用硬脂酸对高岭土进行表面改性，增强了高岭土与聚合物基体的相容性、界面结合力，并制备了高岭土/丁苯橡胶纳米复合材料。青岛科技大学刘华、崔轶等采用大分子溶液插层法与高温溶液亚胺化法相结合制备聚酰亚胺(PI)/有机蒙脱土(OMMT)粉状材料，通过乳液共混共凝法与SBR胶乳混合制备颗粒状PI/OMMT/SBR复合材料，并对其结构和性能进行研究，表明该材料的物理性能有一定改善，且物理性能随PI/OMMT用量的增大呈提高趋势。
本发明的目的是在前人研究基础之上，通过分析新石器时代末期出土的红衣陶片而得出了红衣陶土配方，将按此配方配制的红衣陶土作为增强剂添加入木塑复合材料中进行挤出工艺处理，以木粉为基体原料，红衣陶土为增强剂填充料，马来酸酐为偶联剂，偶联剂的添加量为1％到3％，以脂肪烃蜡为润滑剂。采用密炼塑化、双辊混炼、混合挤出方法制得了经红衣陶土填充的木塑复合材料，通过测试木塑复合材料的力学性能增强问题，确定了增强材料配比方法，为制备高性能木塑复合材料提供了一种新方法。
发明内容
1、红衣陶土配方
通过对新石器时代末期出土于齐齐哈尔南部的泰来县往北大榆树村，呼尔达河上游南岸，第3号坑，第9次挖掘，第172片红衣陶片进行成分分析，如图1所示。分析该陶片的六个不 同位置能谱，得出了矿物质成分质量比，从而确定红衣陶土的配方为：MgO含量为1.04％、Al2O3含量为16.93％、SiO2含量为68.23％、K2O含量为2.92％、CaO含量为2.61％、Fe2O3含量为8.27％。按此配方制备出作为增强剂应用的红衣陶土，如图2所示。
2、红衣陶土增强木塑复合材料试样制备方法
将60％木纤维与40％聚乙烯混合，然后再填入制备的5％红衣陶土、3％偶联剂、1％润滑剂。其中，红衣陶土、偶联剂、润滑剂的添加量分别为聚乙烯和木纤维总量的百分比。
将配比好的原材料放入高速混合机中混合，然后将混合好的物料置于双螺杆挤出机中造粒、粉碎机中粉碎、单螺杆挤出机中挤出成型，并锯成标准测试件备用。试样制备成两种：一种为不添加红衣陶土的原样，一种为添加5％红衣陶土的增强试样。
双螺杆挤出机温度设定：1区165℃、2区165℃、3区170℃、4区175℃、5区185℃、6区175℃，7区165℃。
单螺杆挤出机温度设定：1区150℃、2区155℃、3区165℃、4区170℃、机头170℃。
螺杆转速20～60r/min，挤出形状为长方形材，宽40mm，厚4mm。
附图说明
1、主要原料： 
图1末期红衣陶片；图2红衣陶土；图3木纤维。
2、制备工艺流程
图4工艺流程
3、主要实验设备：
图5电热恒温鼓风干燥箱；图6 SHR-10A高速混合机；图7双螺杆挤出机与单螺杆挤出机；图8 OL-01粉碎机；图9电锯；图10 XYZ-12哑铃型制样机；
4、挤出试样； 
图11红衣陶土增强试样；图12未添加红衣陶土的原样。
5、检测仪器 
图13 XJ-50G组合式冲击试验机；图14 RGT-20A电子万能力学试验机。
具体实施方式
红衣陶土是一种具有良好可塑性的黏土，含有铁质并呈现红紫色调，其主要作为补强剂和填充剂，可使复合材料体积和重量明显增大，从而达到降低成本并改善制品性能的目的。
本申请通过对新石器时代末期红衣陶片的成分表征，得出金属氧化物成分质量比，并以此为依据配制出红衣陶土，用其增强木塑复合材料，并考察了红衣陶土添加量对木塑复合材料力学性能的影响。
1、主要原料 
红衣陶土：按照研究得出的红衣陶土配方进行配置。制备的红衣陶土具有高模、高强、较好的稳定性与合适的热膨胀系数等特点，可提高复合材料的力学性能，以达到降低成本、改善材性的目的。本研究旨在以红衣陶土作为增强材料，考察红衣陶土添加量对木塑复合材料力学性能的影响，见图2。
木纤维：杨木单板经揉搓碾轧式木纤维粉碎机粉碎加工，然后用筛子筛选出40目＞d≥60目木纤维并置于干燥箱中在(103±2)℃条件下进行干燥，使其含水率干燥至3％以下，见图3。
2、红衣陶土增强木塑复合材的制备工艺流程见图4，制备工艺操作过程如下：
通过粉碎、干燥、混合、挤出等制备工艺流程，应用设备见图5-8所示。然后将红衣陶土、木纤维等主要原料制备成经红衣陶土填充增强的木塑复合材料，应用设备见图9-10所示。最终经过锯切将复合材料制备成可供测试的试样，分别为红衣陶土增强试样与未添加红衣陶土的原样两种，见图11-12所示。
3、红衣陶土增强木塑复合材料性能测试
弯曲性能按照GB/T 9341—2000测试，拉伸性能按照GB/T 1040—1992测试，冲击性能按照GB/T 1043—1993测试，塑料简支梁冲击试验方法，测试仪器见图13-14所示。测试结果为5个试样的算术平均值，未添加红衣陶土的原样与添加5％红衣陶土的试样力学性能测试结果见表1。
表1力学性能测试结果

4、红衣陶土增强木塑复合材料结果分析
红衣陶土作为增强剂的添加有效增强了木塑复合材料力学性能，检测结果表明：随着红衣陶土添加量的增加，与素材相比力学性能明显增强。弯曲强度、拉伸屈服应力、拉伸强度和冲击强度呈现增强趋势，弯曲强度最大值达到72.84MPa，上升7.5％；红衣陶土提升了木塑复合材料的屈服极限，使得抗塑性变形应力增强，拉伸屈服应力提高26.51％；红衣陶土的添加导致冲击强度提高18.81％；弯曲模量上升98.36MPa；断裂伸长率略呈下降趋势。综合考虑，红衣陶土的添加量在5％时，木塑复合材料的各项力学性能达到最优值。
结果表明：随着红衣陶土添加量的增加，弯曲强度、拉伸屈服应力、拉伸强度和冲击强度呈现先增后减的趋势，弯曲模量呈增加趋势，断裂伸长率略呈下降趋势。综合分析其各项力学性能，红衣陶土的添加量在5％时，在相同其他工艺条件下木塑复合材料的各项力学性均被增强。