包覆有改性纳米粒子木粉的木塑材料的制备方法.pdf

本发明公开了一种包覆有改性纳米粒子木粉的木塑材料的制备方法。它先按照木粉：正硅酸四乙酯的重量比为2.8～3.2：8～12的比例，将木粉加入正硅酸四乙酯水溶液中搅拌2h，得到混合液，再按照硅烷偶联剂：正硅酸四乙酯的重量比为3～5：40的比例，于2h后向搅拌下的混合液中滴加硅烷偶联剂后反应0.5h，得到改性木粉溶液，接着，先对改性木粉溶液进行抽滤、洗涤和干燥的处理，得到改性木粉，再按照改性木粉：聚丙烯颗粒的重量比为35～45：55～65的比例，将两者混合后置于螺杆挤出机上成型。制得的目的产物可用于制备高力学强度、耐热、结构稳定、使用寿命长等高性能木塑制品，在建筑建材、室外廊亭、室内室外地板家具等领域有着广阔的应用前景。

权利要求书
1.  一种包覆有改性纳米粒子木粉的木塑材料的制备方法，包括水热法，其特征在于主要步骤如下：
步骤1，先按照木粉：正硅酸四乙酯的重量比为2.8～3.2：8～12的比例，将80～100目的木粉加入温度为40～50℃、pH值为2.5～3.5、浓度为0.2～0.3vol％的正硅酸四乙酯水溶液中搅拌至少2h，得到混合液，再按照硅烷偶联剂：正硅酸四乙酯的重量比为3～5：40的比例，于2h后向搅拌下的混合液中滴加硅烷偶联剂，滴加完毕后反应至少0.5h，得到改性木粉溶液；
步骤2，先对改性木粉溶液进行抽滤、洗涤和干燥的处理，得到改性木粉，再按照改性木粉：聚丙烯颗粒的重量比为35～45：55～65的比例，将两者混合后置于螺杆挤出机上，于170～180℃下挤出成型5～10min，制得包覆有改性纳米粒子木粉的木塑材料。

2.  根据权利要求1所述的包覆有改性纳米粒子木粉的木塑材料的制备方法，其特征是在将木粉加入正硅酸四乙酯水溶液中之前，先将其置于100～110℃下干燥2h。

3.  根据权利要求2所述的包覆有改性纳米粒子木粉的木塑材料的制备方法，其特征是木粉为木材粉、秸秆粉、种壳粉中的一种或两种以上的混合物。

4.  根据权利要求2所述的包覆有改性纳米粒子木粉的木塑材料的制备方法，其特征是硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH550。

5.  根据权利要求2所述的包覆有改性纳米粒子木粉的木塑材料的制备方法，其特征是洗涤处理为使用乙醇洗涤。

6.  根据权利要求2所述的包覆有改性纳米粒子木粉的木塑材料的制备方法，其特征是将制得的包覆有改性纳米粒子木粉的木塑材料置于170～180℃的模具中，于压力分别为3MPa、5MPa、7MPa和10MPa下连续各压制3min，获得包覆有改性纳米粒子木粉的木塑板材。

说明书包覆有改性纳米粒子木粉的木塑材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种木粉的木塑材料的制备方法，尤其是一种包覆有改性纳米粒子木粉的木塑材料的制备方法。
背景技术
当前社会由于资源匮乏、环境污染严重，木制品的使用和浪费受到了各国严格的限制。同时，废旧木屑、秸秆和稻壳粉等纤维类材料的循环使用处理亦得到了高度的重视和一定的发展，如中国发明专利申请CN 104194151 A于2014年12月10日公开的一种可降解抗污木塑材料的制备方法及制品。该专利申请中记载的制备方法包括如下步骤：(1)预备以下重量比的组分：PP/PE粉100，150～200目木粉30～40，改性淀粉20～30，玻璃纤维10～15，900～1100目填料5～8，纳米SiO2粉10～15，增韧相容偶联剂6～10，PA-02润滑分散相容偶联剂4～5，抗污剂6～8；(2)将PP/PE粉、150～200目木粉、改性淀粉、玻璃纤维、900～1100目填料、纳米SiO2粉高混到100～120℃，充分混合后，加PA-02润滑分散相容偶联剂、增韧相容偶联剂、抗污剂混到120～140℃，充分混合后，冷却到30～50℃后进行制粒，形成可降解抗污木塑材料。这种制备方法虽也获得了木塑材料，然却存在着不足之处，首先，获得的产物的力学性能不佳；其次，制备的过程较繁琐，不仅原料众多，还需在不同的温度下多次混合，以及需冷却后制粒，致使制备成本难以降低。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种目的产物的力学性能好，制作成本低的包覆有改性纳米粒子木粉的木塑材料的制备方法。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：包覆有改性纳米粒子木粉的木塑材料的制备方法包括水热法，特别是主要步骤如下：
步骤1，先按照木粉：正硅酸四乙酯的重量比为2.8～3.2：8～12的比例，将80～100目的木粉加入温度为40～50℃、pH值为2.5～3.5、浓度为 0.2～0.3vol％的正硅酸四乙酯水溶液中搅拌至少2h，得到混合液，再按照硅烷偶联剂：正硅酸四乙酯的重量比为3～5：40的比例，于2h后向搅拌下的混合液中滴加硅烷偶联剂，滴加完毕后反应至少0.5h，得到改性木粉溶液；
步骤2，先对改性木粉溶液进行抽滤、洗涤和干燥的处理，得到改性木粉，再按照改性木粉：聚丙烯颗粒的重量比为35～45：55～65的比例，将两者混合后置于螺杆挤出机上，于170～180℃下挤出成型5～10min，制得包覆有改性纳米粒子木粉的木塑材料。
作为包覆有改性纳米粒子木粉的木塑材料的制备方法的进一步改进：
优选地，在将木粉加入正硅酸四乙酯水溶液中之前，先将其置于100～110℃下干燥2h。
优选地，木粉为木材粉、秸秆粉、种壳粉中的一种或两种以上的混合物。
优选地，硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH550。
优选地，洗涤处理为使用乙醇洗涤。
优选地，将制得的包覆有改性纳米粒子木粉的木塑材料置于170～180℃的模具中，于压力分别为3MPa、5MPa、7MPa和10MPa下连续各压制3min，获得包覆有改性纳米粒子木粉的木塑板材。
相对于现有技术的有益效果是：
其一，对木粉、包覆SiO2纳米粒子的木粉和包覆改性SiO2纳米粒子的木粉分别使用扫描电镜和红外光谱仪进行表征，由其结果可知，木粉的表面包覆着均匀分散的SiO2纳米粒子，且木粉与SiO2纳米粒子间发生了化学缔合，即产生了偶联相容的效果。这种由包覆改性SiO2纳米粒子的木粉与聚丙烯塑料熔合后得到的目的产物，既界面均一，又没有明显的断层，更有着木质外观、尺寸稳定、结构强化的优点。
其二，经对未处理木塑材料(使用木粉与聚丙烯制得的木塑材料)、使用水热法制得的包覆SiO2纳米粒子的木粉的木塑材料(未改性产物)和目的产物的力学性能进行的测试(其中的木粉：聚丙烯的重量比为40：60)结果如下表所示，
 断裂伸长率％拉伸强度MPa弹性模量MPa未处理木塑材料10.6112.38139.30
未改性产物16.2728.41177.10目的产物14.2733.77206.20
由表中可看出，目的产物的结构稳定，力学性能进一步得到了提升。尤为值得一提的是，目的产物的拉伸强度远高于现有技术CN 104194151 A中的拉伸强度。
其三，制备方法简单、科学、高效。不仅有效地解决了常见的纳米颗粒易团聚的问题——采用正硅酸四乙酯溶液在水热条件下分解构建木粉表面的纳米包覆层，形成的SiO2纳米粒子分散均匀，还通过改性偶联了SiO2纳米粒子和木粉表面基团，并增加了其与聚丙烯复合后目的产物的均一性，更有着方法简单易行、利于简便地在木塑中实际生产的特点。制得的目的产物可用于制备高力学强度、耐热、结构稳定、使用寿命长等高性能木塑制品，使其在建筑建材、室外廊亭、室内室外地板家具等领域有着广阔的应用前景。
附图说明
图1是分别对木粉、包覆SiO2纳米粒子的木粉和包覆改性SiO2纳米粒子的木粉使用扫描电镜(SEM)进行表征的结果之一。其中，图1a为木粉的SEM图像，图1b为包覆SiO2纳米粒子的木粉的SEM图像，图1c为包覆改性SiO2纳米粒子的木粉的SEM图像；由图1b和图1c可看出，SiO2纳米粒子均匀地分散包覆于木粉的表面。
图2是分别对木粉、包覆SiO2纳米粒子的木粉和包覆改性SiO2纳米粒子的木粉使用红外光谱(FTIR)仪进行表征的结果之一。其中，图2a为木粉、包覆SiO2纳米粒子的木粉的FTIR谱图，图2b为包覆SiO2纳米粒子的木粉和包覆改性SiO2纳米粒子的木粉的FTIR谱图；由图2可看出，相比未处理木粉，水热处理后，470cm-1峰证实了木粉表面形成了Si-O-Si键，780cm-1峰表明了Si-O反对称伸缩振动吸收峰的存在，说明纳米包覆形貌已形成，并且，硅烷改性后，由于硅烷与SiO2纳米粒子的表面羟基作用，使得Si-OH键消失，同时也使木粉上的缔合羟基峰(3300～3600cm-1)变弱，表明其与木粉也产生了偶联相容效果。
图3是分别对未处理木塑材料(使用木粉与聚丙烯制得的木塑材料)和水热纳米包覆木塑材料(使用水热法制得的包覆SiO2纳米粒子的木粉的木塑 材料)使用热失重分析仪进行表征的结果之一。其中，图3a为未处理木塑材料和水热纳米包覆木塑材料的热重曲线图，图3b为未处理木塑材料和水热纳米包覆木塑材料的热重率曲线图，即图3a的导数图；由图3可看出，SiO2纳米粒子包覆处理后的木粉和聚丙烯的分解温度有所上升，即耐热性能上升，热稳定性提高。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
首先从市场购得或自行制得：
作为木粉的木材粉、秸秆粉和种壳粉；正硅酸四乙酯；作为硅烷偶联剂的硅烷偶联剂KH550；聚丙烯颗粒。其中，在将木粉加入正硅酸四乙酯水溶液中之前，先将其置于100～110℃下干燥2h。。
接着，
实施例1
制备的具体步骤为：
步骤1，先按照木粉：正硅酸四乙酯的重量比为2.8：12的比例，将80目的木粉加入温度为40℃、pH值为2.5、浓度为0.3vol％的正硅酸四乙酯水溶液中搅拌2h；其中，木粉为木材粉，得到混合液。再按照硅烷偶联剂：正硅酸四乙酯的重量比为3：40的比例，于2h后向搅拌下的混合液中滴加硅烷偶联剂KH550，滴加完毕后反应0.5h，得到改性木粉溶液。
步骤2，先对改性木粉溶液进行抽滤、乙醇洗涤和干燥的处理，得到近似于图1c所示的改性木粉。再按照改性木粉：聚丙烯颗粒的重量比为35：65的比例，将两者混合后置于螺杆挤出机上，于170℃下挤出成型10min，制得如图2中的曲线所示的包覆有改性纳米粒子木粉的木塑材料。
实施例2
制备的具体步骤为：
步骤1，先按照木粉：正硅酸四乙酯的重量比为2.9：11的比例，将85目的木粉加入温度为43℃、pH值为2.8、浓度为0.28vol％的正硅酸四乙酯水溶液中搅拌2.3h；其中，木粉为木材粉，得到混合液。再按照硅烷偶联剂：正硅酸四乙酯的重量比为3.5：40的比例，于2h后向搅拌下的混合液中滴加 硅烷偶联剂KH550，滴加完毕后反应0.6h，得到改性木粉溶液。
步骤2，先对改性木粉溶液进行抽滤、乙醇洗涤和干燥的处理，得到近似于图1c所示的改性木粉。再按照改性木粉：聚丙烯颗粒的重量比为38：63的比例，将两者混合后置于螺杆挤出机上，于173℃下挤出成型8min，制得如图2中的曲线所示的包覆有改性纳米粒子木粉的木塑材料。
实施例3
制备的具体步骤为：
步骤1，先按照木粉：正硅酸四乙酯的重量比为3：10的比例，将90目的木粉加入温度为45℃、pH值为3、浓度为0.25vol％的正硅酸四乙酯水溶液中搅拌2.5h；其中，木粉为木材粉，得到混合液。再按照硅烷偶联剂：正硅酸四乙酯的重量比为4：40的比例，于2h后向搅拌下的混合液中滴加硅烷偶联剂KH550，滴加完毕后反应0.7h，得到改性木粉溶液。
步骤2，先对改性木粉溶液进行抽滤、乙醇洗涤和干燥的处理，得到如图1c所示的改性木粉。再按照改性木粉：聚丙烯颗粒的重量比为40：60的比例，将两者混合后置于螺杆挤出机上，于175℃下挤出成型7min，制得如图2中的曲线所示的包覆有改性纳米粒子木粉的木塑材料。
实施例4
制备的具体步骤为：
步骤1，先按照木粉：正硅酸四乙酯的重量比为3.1：9的比例，将95目的木粉加入温度为48℃、pH值为3.3、浓度为0.23vol％的正硅酸四乙酯水溶液中搅拌2.8h；其中，木粉为木材粉，得到混合液。再按照硅烷偶联剂：正硅酸四乙酯的重量比为4.5：40的比例，于2h后向搅拌下的混合液中滴加硅烷偶联剂KH550，滴加完毕后反应0.8h，得到改性木粉溶液。
步骤2，先对改性木粉溶液进行抽滤、乙醇洗涤和干燥的处理，得到近似于图1c所示的改性木粉。再按照改性木粉：聚丙烯颗粒的重量比为43：58的比例，将两者混合后置于螺杆挤出机上，于178℃下挤出成型6min，制得如图2中的曲线所示的包覆有改性纳米粒子木粉的木塑材料。
实施例5
制备的具体步骤为：
步骤1，先按照木粉：正硅酸四乙酯的重量比为3.2：8的比例，将100目的木粉加入温度为50℃、pH值为3.5、浓度为0.2vol％的正硅酸四乙酯水溶液中搅拌3h；其中，木粉为木材粉，得到混合液。再按照硅烷偶联剂：正硅酸四乙酯的重量比为5：40的比例，于2h后向搅拌下的混合液中滴加硅烷偶联剂KH550，滴加完毕后反应1h，得到改性木粉溶液。
步骤2，先对改性木粉溶液进行抽滤、乙醇洗涤和干燥的处理，得到近似于图1c所示的改性木粉。再按照改性木粉：聚丙烯颗粒的重量比为45：55的比例，将两者混合后置于螺杆挤出机上，于180℃下挤出成型5min，制得如图2中的曲线所示的包覆有改性纳米粒子木粉的木塑材料。
再分别选用作为木粉的木材粉、秸秆粉、种壳粉中的一种或两种以上的混合物，重复上述实施例1～5，同样制得了如图2中的曲线所示的包覆有改性纳米粒子木粉的木塑材料。
若为获得板型目的产物，可将制得的包覆有改性纳米粒子木粉的木塑材料置于170～180℃的模具中，于压力分别为3MPa、5MPa、7MPa和10MPa下连续各压制3min，获得包覆有改性纳米粒子木粉的木塑板材。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的包覆有改性纳米粒子木粉的木塑材料的制备方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求的等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。