高比例棕櫚纖維填充木塑復合材料的研發

張建群，沙　燕，李　勇

（山東通佳機械有限公司，山東 濟寧 272073）

高比例棕櫚纖維填充木塑復合材料的研發

張建群，沙燕，李勇

（山東通佳機械有限公司，山東 濟寧 272073）

通過對棕櫚粉和木塑復合材料的加工技術和成型技術的研究，設計開發了木塑專用擠出機，并制定了可以用于實際生產的配方工藝，產品性能優異，適于推廣和應用。

棕櫚纖維；木塑復合材料

油棕業是馬來西亞最重要的農業項目，占馬來西亞國民經濟生產總值的1/5以上。馬來西亞的油脂生產能力占世界植物油脂的15%，馬來西亞是世界上最大的棕油生產國和出口國。馬來西亞棕油產量占世界棕油總產量的一半以上，棕油貿易在國際油脂市場上占世界棕油貿易的3/5。

馬來西亞棕油理事會和其他研究機構研究使用油棕來生產經濟價值較高的產品，如生產紙漿、合成板條產品、機械木材、鋸木板和鑄模家私產品等。目前，馬來西亞已經從油棕產品中開發生產出油墨、洗滌去污劑、化妝品和護膚用品及特種用紙等，有效地提高了棕油的附加值。在棕櫚油生產過程中，產生了大量的加工廢棄物，如果殼、空果串等。空果串加工結束后，或運出廠區做棕櫚果園覆蓋物、或現場焚燒，循環使用價值較低。而在空果串，空果柄和果殼等加工剩余物內含有大量的粗纖維等，依據其特點研制開發棕櫚粉木塑復合材料，［1～2］極大地提高了加工廢棄物的循環利用價值。

1　試驗部分

1.1試驗主要原料

HDPE回收料：MFR；棕櫚粉：自制；硬脂酸鋅：南京德巴化工有限公司；馬來酸酐接枝PP：南京德巴化工有限公司；PE蠟：泰國；分散相容劑、硬脂酸、活性碳酸鈣、顏料、抗氧劑、紫外線吸收劑：市售；鋁酸酯偶聯劑：重慶嘉世泰。

1.2主要設備

500/1000高低速混合機、80/156錐形雙螺桿擠出機兩臺1.普通 2.木塑專用、300MM輔機、PE木塑專用模具（直徑45立柱），均山東通佳生產。

1.3檢測設備

熔體熔融指數測定儀、電子萬能試驗機：河北承德精密檢測儀器有限公司生產；簡支梁沖擊試驗機：承德市金建檢測儀器有限公司生產。

1.4試驗目的

分別在兩臺不同的擠出機上進行不同配方的試驗，以便確定出合理的加工設備、配方和加工工藝。

1.5流程說明

加工工藝流程［4］：原料混合—擠出成型—冷卻定型—取樣檢測。混合過程具體如下：

把棕櫚粉、碳酸鈣、潤滑劑、偶聯劑投入到高速混合機中待溫度升到110 ℃打開鍋蓋進行排濕5 min，然后加入HDPE攪拌溫度重新升至110 ℃，然后把物料排入低速混合機中冷卻至50 ℃排料待用。

這里原料冷卻溫度不要太低。原因在于溫度太低且棕櫚粉的比例過大時，會出現棕櫚粉和HDPE分散的現象。同時混合后的物料不要放置時間太長，最好現混現用。物料混合配方如表1所示。

錐形雙螺桿擠出機溫度如表2所示。

2　結果與討論

2.1擠出機對制品的影響

物料是在擠出機中塑化擠出 ，因此擠出機的性能好壞對棕櫚粉/聚乙烯復合制品的成型有很大影響［8］。由于棕櫚粉極性很強，具有較強的吸水性；而熱塑性樹脂高密度聚乙烯為非極性的，具有疏水性。所以兩者之間的相容性較差，界面的粘結力很小。而且棕櫚粉表面存在許多的羥基，易于形成氫鍵聚集，導致棕櫚粉在聚合物不能分散均勻。這些木纖維團聚體在外力作用下容易導致應力集中，使得復合材料的機械物理性能下降。因此，棕櫚粉與HDPE基體的混合分散是復合材料的關鍵也是難點。

表1　物料混合配方表

表2　擠出機溫度

為了解決以上情況，一方面對木纖維進行表面改性處理來提高界面粘接強度，減小棕櫚粉的團聚現象。另一方面，優化擠出機螺桿結構［7］。鑒于復合材料的熔融特性，這里設計了新型結構的錐形擠出機螺桿結構，優化了其各個功能分區，使其具有良好的塑化能力外和優良的混合效果，提高了棕櫚粉在聚乙烯熔體中的分散均勻度，減小了均化段的剪切能力，防止了棕櫚粉受剪切過度而分解，解決了棕櫚粉不易均勻分散的難題并提高了產品質量。

木塑專用擠出機與普通錐形雙螺桿擠出機工藝參數比較［9］，如表3所示。

表3　擠出機工藝參數表

在擠出過程中，普通擠出機在速度提高過程中會出現塑化不良，棕櫚粉分散不均勻的現象。在木塑專用擠出機設計過程中，提高了擠出機錐度并增加了混煉元件，使螺桿在加料段和壓縮段的剪切大大加強，提高了塑化能力。增加的混煉段，大大提高了棕櫚粉在塑料中的分散均勻度。在均化段優化螺紋結構，減小了該區段的剪切作用，使熔體溫度控制更精準。通過試機，通佳機械自行研發的木塑專用擠出機更適合高比例［5］棕櫚粉填充的木塑復合制品擠出生產。

2.2配方設計對制品的影響

2.2.1表面處理劑種類對木塑復合材料力學性能的影響

由于棕櫚粉具有較強的吸水性且極性很強，而PE是非極性物質，具有疏水性，因此兩者的截面相容性較差，界面粘結力很小［6］。這種情況將極大的降低木塑復合材料的力學強度。為了改善棕櫚粉和PE的界面強度，在加工過程中加入馬來酸酐改性聚丙烯和鋁酸酯偶聯劑，提高塑料與木粉的截面粘結力并產生化學鍵。通過試驗發現，馬來酸酐改性聚丙烯和鋁酸酯偶聯劑加入量為木粉加入量的2.5%，且馬來酸酐改性聚丙烯和鋁酸酯偶聯劑的比例為3：1時沖擊強度出現最大值［10］。

2.2.2潤滑劑對加工性能和復合材料性能的影響

隨著棕櫚粉添加量的增加，復合材料黏度急劇增加，因此在配方中加人一定量潤滑劑［12］。首先是，潤滑劑可以改善加工性能 ，提高物料的流動性 ，熔體易于充滿模具，制品尺寸精度高。其次，是為了防止棕櫚粉在料筒中因停留時間較長而燒焦。試驗中木粉與稻殼粉總的含量在60%以上，而棕櫚粉在170 ℃的機筒內容易炭化。第三，由于潤滑劑的存在，使得物料與金屬之間形成一種界膜。該界膜不僅可以防止物料粘附于金屬壁上 ，而且減弱了物料對加工設備和模具的磨損 ，延長了擠出設備的使用壽命。最后 ，潤滑劑有利于提高產品的外觀質量乃至內在品質。

2.2.3潤滑劑的用量對擠出機電流和擠出壓力的影響

由圖1可看出，潤滑劑用量對擠出機電流和擠出壓力有著較大影響［11～12］。隨著潤滑劑用量的增加，擠出機電流和機頭壓力逐漸變小。

圖1　潤滑劑用量對擠出機電流和壓力的影響

2.3檢測數據

制得的復合材料的樣條經過 24 h的時效處理后 ，按照GB/T1043—93進行沖擊性能測試［3］。無缺口沖擊試樣規格：80 mm×10 mm，數據如表4所示。

表4　沖擊性能測試數據表

3　結論

（1）通過優化螺桿結構，增加功能分區，我們設計的木塑專用擠出機完全滿足了高填充比例棕櫚粉PE復合材料的擠出成型。

（2）選定擠出機后通過配方調整，設計配方使木粉添加比例在60%以上，潤滑劑在2.5%，偶聯劑在木粉總量的2.5%時復合材料力學強度出現達到最大值，該配方可以用于實際生產。

櫚粉來源于棕櫚油加工剩余物，過去棕櫚殼或死去的棕櫚樹被焚燒或掩埋，造成了對環境的污染和資源的浪費。利用棕櫚油加工剩余物制造木塑復合材料以代替木材，不僅可減少對木材的需求量、節約森林資源，而且緩解了白色污染日益嚴重的問題。這樣通過對廢棄資源的綜合利用，變廢為寶、化害為利，具有很高的經濟效益和社會效益［13］。我國棕櫚產業不發達，資源利用率低。利用棕櫚纖維填充制造木塑制品，符合科學發展觀和可持續發展的要求，符合建設節約型社會和發展循環經濟的要求，具有廣闊的推廣應用前景。

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臺塑擬在美新建52.5萬t/a聚乙烯裝置

新近，臺塑計劃在在美國德克薩斯州Point Comfort生產基地新建52.5萬t/a聚乙烯（PE）生產裝置。這套裝置將是臺塑計劃在Point Comfort建造的第二套PE新裝置。該套PE裝置計劃于2015年第四季度開工建設，并于2017年12月建成投產。該裝置將運用低壓氣相聚合工藝，干的粉末催化劑和漿液型催化劑均可使用。在生產特定等級的PE時，該套裝置還會使用一種未命名的金屬烷烴來充當共聚催化劑。公司早已開始了位于Point Comfort的低密度聚乙烯（LDPE）裝置、乙烷裂解裝置和丙烷脫氫（PDH）裝置的建設。

燕豐供稿

Development of high proportion palm fi ber fi lled WPC

Development of high proportion palm fi ber fi lled WPC

Zhang Jianqun, Sha Yan, Li Yong
(Shandong Tongjia Machinery Co., Ltd., Jining 272073, Shandong, China)

Through the research on palm powder and WPC processing and molding technology, this paper describes the design and development of wood-plastic extruder, and develops a formula which can be used for the actual production process, The product has excellent performance, and is suitable for promotion and application.

palm fi ber; wood plastic composite(WPC)

TQ330.43

1009-797X（2015）10-0027-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.10.004

張建群，男，山東通佳機械有限公司董事長，總工程師，國務院政府特貼專家，中國塑料機械工業協會副會長，從事塑機、塑料工藝、高分子材料的研究開發和科研管理工作30多年。

2014-12-24