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CN111662561B - 一种阻燃、可重复加工型木塑复合材料的制备方法 - Google Patents

一种阻燃、可重复加工型木塑复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种阻燃、可重复加工型木塑复合材料的制备方法，涉及木塑复合材料领域。所述阻燃、可重复加工型木塑复合材料的制备方法，首先将有机醛类物质分散于乙酸乙酯中，然后加入一定量的聚磷酸铵，再加入分散有胺类物质的乙酸乙酯，制得黄色悬浮液，经干燥得到含亚胺动态共价键的聚磷酸铵固体粉末；再将含亚胺动态共价键的聚磷酸铵固体粉末、植物纤维、塑料进行初混、干燥、塑炼、成型、冷却，制成阻燃、可重复加工型木塑复合材料。通过引入亚胺动态共价键，同步赋予木塑复合材料阻燃性、强韧性和易加工性。性能测试表明，其极限氧指数26.5～31.2％、冲击强度6.4～8.0kJ/m2，熔融黏度降低了72～77％。

Description

一种阻燃、可重复加工型木塑复合材料的制备方法
技术领域
本发明公开一种阻燃、可重复加工型木塑复合材料的制备方法，具体涉及亚胺动态共价键交联的木塑复合材料，属于复合材料领域。
背景技术
木塑复合材料(wood plastic composites，WPC)是一种以“木”和“塑”为主原料，经熔融复合采用挤出、注射或模压等成型工艺制备得到的生态环保材料。目前，国内木塑复合材料主要产品为各类墙板、铺板、栏杆等。功能单一、附加值低，高性能木塑复合材料仍处于发展初期。开发高强耐久性好、兼具阻燃功能的木塑复合材料，使其满足建筑、装饰、门、窗、电子器件等应用领域的性能要求，有利于促进我国木塑复合材料在高端应用领域的发展和产业转型升级。
用于建筑材料的木塑复合材料须同时满足阻燃性能和力学性能。木塑复合材料易燃，极限氧指数仅为19.5-20.2％，需对其进行阻燃处理。聚磷酸铵是木塑复合材料中常用的阻燃剂，能有效提高木塑复合材料的阻燃性能，然而单独使用时，其力学性能(包括强度和韧性)显著下降，同时挤出过程中体系熔融黏度迅速上升、挤出困难。通过与纳米材料复配或表面改性技术能有效改善聚磷酸铵与基体材料的相容性，提升木塑复合材料的阻燃性能和强度。但是，韧性和挤出困难问题无法得到很好的解决。公开发明专利CN 110229539 A报道了复合聚电解质同步阻燃增韧木塑复合材料的制备方法，然而，该方法仍然无法解决阻燃木塑复合材料挤出困难的局限。
动态共价键交联的高分子材料(Dynamic covalent polymer，也称Vitrimer或类玻璃高分子)是一类含有动态共价键的高分子。动态共价键本身兼具共价键的高强度和非共价键的可逆性质，完美融合了热固性和热塑性高分子的优点，目前在环氧树脂、聚氨酯方面取得了引人瞩目的进展。其中，亚胺键(C＝N)作为一类由含羰基(醛或酮)的化合物与含胺基的化合物(伯胺、肼和羟胺)反应生成的动态可逆共价键，具有反应条件温和、反应速率高的特点。公开发明专利CN 108530590 A通过引入含芳香结构的单体，制备了一种含有类共轭、刚性结构的Vitrimer，然而，该发明专利并未指出此类结构Vitrimer适用的领域，限制了其发展。通过调控亚胺两端的分子基团，可以进一步提升体系的功能，使之满足工程材料性能和制备工艺，有利于拓展Vitrimer的应用。
本发明以制备高性能阻燃型木塑复合材料为出发点，通过引入亚胺动态共价键，同步赋予木塑复合材料阻燃性、强韧性和易加工性。
发明内容
本发明的目的：提供一种阻燃、可重复加工型木塑复合材料的制备方法。
本发明的技术解决方案：
(1)称取有机醛类物质分散于乙酸乙酯中，搅拌，得到黄色悬浮液；
(2)称取胺类物质分散于乙酸乙酯中，搅拌，得到无色透明液体；
(3)称取聚磷酸铵分散于步骤(1)黄色悬浮液中，并使有机醛类物质与聚磷酸铵的质量比为(0.27～0.67)∶1；
(4)将步骤(2)的无色透明液体，加入到步骤(3)的黄色悬浮液中，在60～70℃反应至溶剂全部挥发时反应结束，100～110℃鼓风干燥8～10h，研磨得到含亚胺动态共价键的聚磷酸铵固体粉末，并使胺类物质与聚磷酸铵的质量比为(0.12～0.3)∶1；
(5)按质量比(20～30)∶(25～45)∶(25～50)称取步骤(4)的含亚胺动态共价键的聚磷酸铵固体粉末、植物纤维、塑料进行初混，在50～60℃干燥2～4h，得到预混物；
(6)将步骤(5)的预混物经挤塑成型、冷却，制成阻燃、可重复加工型木塑复合材料。
本发明的优点：
(1)共价键的引入使木塑复合材料中植物纤维、阻燃剂、热塑性塑料形成良好的界面相容性，使得材料在承受载荷时，能够通过界面传递应力和吸收能量，达到增强增韧效果。含亚胺动态共价键改性聚磷酸铵的木塑复合材料，极限氧指数26.5～31.2％、拉伸强度23.4～25.8MPa、冲击强度6.4～8.0kJ/m2，较相同添加量时未经改性聚磷酸铵相比，分别提高了18～35％、16～24％、28～53％。
(2)在挤塑过程中，由于热效应使得植物纤维释放一定的水蒸气引起亚胺键断裂生成醛、胺类物质，降低了黏度，提高了挤出速度。在170℃，0.01Hz时，含亚胺动态共价键改性聚磷酸铵复合材料的熔融黏度降低至(1.37～1.67)×105Pa·s，较相同添加量时未经改性的聚磷酸铵相比，降低了72～77％。
(3)亚胺动态交联赋予木塑复合材料可重复加工性能。循环加工3次时，极限氧指数保持不变、拉伸强度下降14％、冲击强度下降10％。
(4)含亚胺动态共价键聚磷酸铵合成工艺简单，降低了生产成本。
附图说明
图1是实施例1所得含亚胺动态共价键的聚磷酸铵固体粉末。
图2是实施例3所得木塑复合材料循环加工3次的试样。
具体实施方式
实施例1，
(1)称取对苯二甲醛分散于乙酸乙酯中，搅拌，得到黄色悬浮液；
(2)称取乙二胺分散于乙酸乙酯中，搅拌，得到无色透明液体；
(3)称取聚磷酸铵分散于步骤(1)黄色悬浮液中，并使对苯二甲醛与聚磷酸铵的质量比为0.27∶1；
(4)将步骤(2)的无色透明液体，加入到步骤(3)的黄色悬浮液中，在60～70℃反应至溶剂全部挥发时反应结束，100～110℃鼓风干燥8～10h，研磨得到含亚胺动态共价键的聚磷酸铵固体粉末，并使乙二胺与聚磷酸铵的质量比为0.12∶1；
(5)按质量比25∶35∶40称取步骤(4)的含亚胺动态共价键的聚磷酸铵固体粉末、植物纤维、塑料进行初混，在50～60℃干燥2～4h，得到预混物；
(6)将步骤(5)的预混物经挤塑成型、冷却，制成阻燃、可重复加工型木塑复合材料。
性能测试表明：含亚胺动态共价键聚磷酸铵，用以处理木塑复合材料，极限氧指数为26.5％、拉伸强度23.5MPa、冲击强度6.5kJ/m2，在170℃，0.01Hz时，木塑复合材料的黏度降低至1.67×105Pa·s。
实施例2，
(1)称取对苯二甲醛分散于乙酸乙酯中，搅拌，得到黄色悬浮液；
(2)称取乙二胺分散于乙酸乙酯中，搅拌，得到无色透明液体；
(3)称取聚磷酸铵分散于步骤(1)黄色悬浮液中，并使对苯二甲醛与聚磷酸铵的质量比为0.67∶1；
(4)将步骤(2)的无色透明液体，加入到步骤(3)的黄色悬浮液中，在60～70℃反应至溶剂全部挥发时反应结束，100～110℃鼓风干燥8～10h，研磨得到含亚胺动态共价键的聚磷酸铵固体粉末，并使乙二胺与聚磷酸铵的质量比为0.25∶1；
(5)按质量比20∶30∶50称取步骤(4)的含亚胺动态共价键的聚磷酸铵固体粉末、植物纤维、塑料进行初混，在50～60℃干燥2～4h，得到预混物；
(6)将步骤(5)的预混物经挤塑成型、冷却，制成阻燃、可重复加工型木塑复合材料。
性能测试表明：含亚胺动态共价键聚磷酸铵，用以处理木塑复合材料，极限氧指数为28.2％、拉伸强度24.3MPa、冲击强度6.4kJ/m2，在170℃，0.01Hz时，木塑复合材料的黏度降低至1.37×105Pa·s。
实施例3，
(1)称取对苯二甲醛分散于乙酸乙酯中，搅拌，得到黄色悬浮液；
(2)称取聚乙烯亚胺分散于乙酸乙酯中，搅拌，得到无色透明液体；
(3)称取聚磷酸铵分散于步骤(1)黄色悬浮液中，并使对苯二甲醛与聚磷酸铵的质量比为0.6∶1；
(4)将步骤(2)的无色透明液体，加入到步骤(3)的黄色悬浮液中，在60～70℃反应至溶剂全部挥发时反应结束，100～110℃鼓风干燥8～10h，研磨得到含亚胺动态共价键的聚磷酸铵固体粉末，并使聚乙烯亚胺与聚磷酸铵的质量比为0.2∶1；
(5)按质量比20∶40∶40称取步骤(4)的含亚胺动态共价键的聚磷酸铵固体粉末、植物纤维、塑料进行初混，在50～60℃干燥2～4h，得到预混物；
(6)将步骤(5)的预混物经挤塑成型、冷却，制成阻燃、可重复加工型木塑复合材料。
性能测试表明：含亚胺动态共价键聚磷酸铵，用以处理木塑复合材料，极限氧指数为29.1％、拉伸强度24.6MPa、冲击强度8.0kJ/m2，在170℃，0.01Hz时，木塑复合材料的黏度降低至1.5×105Pa.s。
实施例4，
(1)称取对苯二甲醛分散于乙酸乙酯中，搅拌，得到黄色悬浮液；
(2)称取聚乙烯亚胺分散于乙酸乙酯中，搅拌，得到无色透明液体；
(3)称取聚磷酸铵分散于步骤(1)黄色悬浮液中，并使对苯二甲醛与聚磷酸铵的质量比为0.5∶1；
(4)将步骤(2)的无色透明液体，加入到步骤(3)的黄色悬浮液中，在60～70℃反应至溶剂全部挥发时反应结束，100～110℃鼓风干燥8～10h，研磨得到含亚胺动态共价键的聚磷酸铵固体粉末，并使聚乙烯亚胺与聚磷酸铵的质量比为0.3∶1；
(5)按质量比30∶25∶45称取步骤(4)的含亚胺动态共价键的聚磷酸铵固体粉末、植物纤维、塑料进行初混，在50～60℃干燥2～4h，得到预混物；
(6)将步骤(5)的预混物经挤塑成型、冷却，制成阻燃、可重复加工型木塑复合材料。
性能测试表明：含亚胺动态共价键聚磷酸铵，用以处理木塑复合材料，极限氧指数为31.2％、拉伸强度25.8MPa、冲击强度7.2kJ/m2，在170℃，0.01Hz时，木塑复合材料的黏度降低至1.45×105Pa·s。

Claims (4)

1.一种阻燃、可重复加工型木塑复合材料的制备方法，其特征在于按如下方法制得：
(1)称取有机醛类物质分散于乙酸乙酯中，搅拌，得到黄色悬浮液；
(2)称取胺类物质分散于乙酸乙酯中，搅拌，得到无色透明液体；
(3)称取聚磷酸铵，加入到步骤(1)的黄色悬浮液中，搅拌，得到黄色悬浮液；
(4)将步骤(2)的无色透明液体，加入到步骤(3)的黄色悬浮液中，在60～70℃反应至溶剂全部挥发时反应结束，100～110℃鼓风干燥8～10h，研磨得到含亚胺动态共价键的聚磷酸铵固体粉末；
(5)称取步骤(4)的含亚胺动态共价键的聚磷酸铵固体粉末、植物纤维、塑料进行初混，在50～60℃干燥2～4h，得到预混物；
(6)将步骤(5)的预混物经挤塑成型、冷却，制成阻燃、可重复加工型木塑复合材料；
所述的有机醛类物质为对苯二甲醛，所述的胺类物质为乙二胺、聚乙烯亚胺、聚多巴胺中的一种或几种混合物。
2.根据权利要求1所述的一种阻燃、可重复加工型木塑复合材料的制备方法，其特征在于所述的有机醛类物质与聚磷酸铵的质量比为(0.27～0.67)∶1。
3.根据权利要求1所述的一种阻燃、可重复加工型木塑复合材料的制备方法，其特征在于所述的胺类物质与聚磷酸铵的质量比为(0.12～0.3)∶1。
4.根据权利要求1所述的一种阻燃、可重复加工型木塑复合材料的制备方法，其特征在于所述的含亚胺动态共价键的聚磷酸铵固体粉末、植物纤维、塑料的质量比为(20～30)∶(25～45)∶(25～50)。
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