高比例棕榈纤维填充木塑复合材料的研发

张建群，沙　燕，李　勇

（山东通佳机械有限公司，山东 济宁 272073）

高比例棕榈纤维填充木塑复合材料的研发

张建群，沙燕，李勇

（山东通佳机械有限公司，山东 济宁 272073）

通过对棕榈粉和木塑复合材料的加工技术和成型技术的研究，设计开发了木塑专用挤出机，并制定了可以用于实际生产的配方工艺，产品性能优异，适于推广和应用。

棕榈纤维；木塑复合材料

油棕业是马来西亚最重要的农业项目，占马来西亚国民经济生产总值的1/5以上。马来西亚的油脂生产能力占世界植物油脂的15%，马来西亚是世界上最大的棕油生产国和出口国。马来西亚棕油产量占世界棕油总产量的一半以上，棕油贸易在国际油脂市场上占世界棕油贸易的3/5。

马来西亚棕油理事会和其他研究机构研究使用油棕来生产经济价值较高的产品，如生产纸浆、合成板条产品、机械木材、锯木板和铸模家私产品等。目前，马来西亚已经从油棕产品中开发生产出油墨、洗涤去污剂、化妆品和护肤用品及特种用纸等，有效地提高了棕油的附加值。在棕榈油生产过程中，产生了大量的加工废弃物，如果壳、空果串等。空果串加工结束后，或运出厂区做棕榈果园覆盖物、或现场焚烧，循环使用价值较低。而在空果串，空果柄和果壳等加工剩余物内含有大量的粗纤维等，依据其特点研制开发棕榈粉木塑复合材料，［1～2］极大地提高了加工废弃物的循环利用价值。

1　试验部分

1.1试验主要原料

HDPE回收料：MFR；棕榈粉：自制；硬脂酸锌：南京德巴化工有限公司；马来酸酐接枝PP：南京德巴化工有限公司；PE蜡：泰国；分散相容剂、硬脂酸、活性碳酸钙、颜料、抗氧剂、紫外线吸收剂：市售；铝酸酯偶联剂：重庆嘉世泰。

1.2主要设备

500/1000高低速混合机、80/156锥形双螺杆挤出机两台1.普通 2.木塑专用、300MM辅机、PE木塑专用模具（直径45立柱），均山东通佳生产。

1.3检测设备

熔体熔融指数测定仪、电子万能试验机：河北承德精密检测仪器有限公司生产；简支梁冲击试验机：承德市金建检测仪器有限公司生产。

1.4试验目的

分别在两台不同的挤出机上进行不同配方的试验，以便确定出合理的加工设备、配方和加工工艺。

1.5流程说明

加工工艺流程［4］：原料混合—挤出成型—冷却定型—取样检测。混合过程具体如下：

把棕榈粉、碳酸钙、润滑剂、偶联剂投入到高速混合机中待温度升到110 ℃打开锅盖进行排湿5 min，然后加入HDPE搅拌温度重新升至110 ℃，然后把物料排入低速混合机中冷却至50 ℃排料待用。

这里原料冷却温度不要太低。原因在于温度太低且棕榈粉的比例过大时，会出现棕榈粉和HDPE分散的现象。同时混合后的物料不要放置时间太长，最好现混现用。物料混合配方如表1所示。

锥形双螺杆挤出机温度如表2所示。

2　结果与讨论

2.1挤出机对制品的影响

物料是在挤出机中塑化挤出 ，因此挤出机的性能好坏对棕榈粉/聚乙烯复合制品的成型有很大影响［8］。由于棕榈粉极性很强，具有较强的吸水性；而热塑性树脂高密度聚乙烯为非极性的，具有疏水性。所以两者之间的相容性较差，界面的粘结力很小。而且棕榈粉表面存在许多的羟基，易于形成氢键聚集，导致棕榈粉在聚合物不能分散均匀。这些木纤维团聚体在外力作用下容易导致应力集中，使得复合材料的机械物理性能下降。因此，棕榈粉与HDPE基体的混合分散是复合材料的关键也是难点。

表1　物料混合配方表

表2　挤出机温度

为了解决以上情况，一方面对木纤维进行表面改性处理来提高界面粘接强度，减小棕榈粉的团聚现象。另一方面，优化挤出机螺杆结构［7］。鉴于复合材料的熔融特性，这里设计了新型结构的锥形挤出机螺杆结构，优化了其各个功能分区，使其具有良好的塑化能力外和优良的混合效果，提高了棕榈粉在聚乙烯熔体中的分散均匀度，减小了均化段的剪切能力，防止了棕榈粉受剪切过度而分解，解决了棕榈粉不易均匀分散的难题并提高了产品质量。

木塑专用挤出机与普通锥形双螺杆挤出机工艺参数比较［9］，如表3所示。

表3　挤出机工艺参数表

在挤出过程中，普通挤出机在速度提高过程中会出现塑化不良，棕榈粉分散不均匀的现象。在木塑专用挤出机设计过程中，提高了挤出机锥度并增加了混炼元件，使螺杆在加料段和压缩段的剪切大大加强，提高了塑化能力。增加的混炼段，大大提高了棕榈粉在塑料中的分散均匀度。在均化段优化螺纹结构，减小了该区段的剪切作用，使熔体温度控制更精准。通过试机，通佳机械自行研发的木塑专用挤出机更适合高比例［5］棕榈粉填充的木塑复合制品挤出生产。

2.2配方设计对制品的影响

2.2.1表面处理剂种类对木塑复合材料力学性能的影响

由于棕榈粉具有较强的吸水性且极性很强，而PE是非极性物质，具有疏水性，因此两者的截面相容性较差，界面粘结力很小［6］。这种情况将极大的降低木塑复合材料的力学强度。为了改善棕榈粉和PE的界面强度，在加工过程中加入马来酸酐改性聚丙烯和铝酸酯偶联剂，提高塑料与木粉的截面粘结力并产生化学键。通过试验发现，马来酸酐改性聚丙烯和铝酸酯偶联剂加入量为木粉加入量的2.5%，且马来酸酐改性聚丙烯和铝酸酯偶联剂的比例为3：1时冲击强度出现最大值［10］。

2.2.2润滑剂对加工性能和复合材料性能的影响

随着棕榈粉添加量的增加，复合材料黏度急剧增加，因此在配方中加人一定量润滑剂［12］。首先是，润滑剂可以改善加工性能 ，提高物料的流动性 ，熔体易于充满模具，制品尺寸精度高。其次，是为了防止棕榈粉在料筒中因停留时间较长而烧焦。试验中木粉与稻壳粉总的含量在60%以上，而棕榈粉在170 ℃的机筒内容易炭化。第三，由于润滑剂的存在，使得物料与金属之间形成一种界膜。该界膜不仅可以防止物料粘附于金属壁上 ，而且减弱了物料对加工设备和模具的磨损 ，延长了挤出设备的使用寿命。最后 ，润滑剂有利于提高产品的外观质量乃至内在品质。

2.2.3润滑剂的用量对挤出机电流和挤出压力的影响

由图1可看出，润滑剂用量对挤出机电流和挤出压力有着较大影响［11～12］。随着润滑剂用量的增加，挤出机电流和机头压力逐渐变小。

图1　润滑剂用量对挤出机电流和压力的影响

2.3检测数据

制得的复合材料的样条经过 24 h的时效处理后 ，按照GB/T1043—93进行冲击性能测试［3］。无缺口冲击试样规格：80 mm×10 mm，数据如表4所示。

表4　冲击性能测试数据表

3　结论

（1）通过优化螺杆结构，增加功能分区，我们设计的木塑专用挤出机完全满足了高填充比例棕榈粉PE复合材料的挤出成型。

（2）选定挤出机后通过配方调整，设计配方使木粉添加比例在60%以上，润滑剂在2.5%，偶联剂在木粉总量的2.5%时复合材料力学强度出现达到最大值，该配方可以用于实际生产。

榈粉来源于棕榈油加工剩余物，过去棕榈壳或死去的棕榈树被焚烧或掩埋，造成了对环境的污染和资源的浪费。利用棕榈油加工剩余物制造木塑复合材料以代替木材，不仅可减少对木材的需求量、节约森林资源，而且缓解了白色污染日益严重的问题。这样通过对废弃资源的综合利用，变废为宝、化害为利，具有很高的经济效益和社会效益［13］。我国棕榈产业不发达，资源利用率低。利用棕榈纤维填充制造木塑制品，符合科学发展观和可持续发展的要求，符合建设节约型社会和发展循环经济的要求，具有广阔的推广应用前景。

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台塑拟在美新建52.5万t/a聚乙烯装置

新近，台塑计划在在美国德克萨斯州Point Comfort生产基地新建52.5万t/a聚乙烯（PE）生产装置。这套装置将是台塑计划在Point Comfort建造的第二套PE新装置。该套PE装置计划于2015年第四季度开工建设，并于2017年12月建成投产。该装置将运用低压气相聚合工艺，干的粉末催化剂和浆液型催化剂均可使用。在生产特定等级的PE时，该套装置还会使用一种未命名的金属烷烃来充当共聚催化剂。公司早已开始了位于Point Comfort的低密度聚乙烯（LDPE）装置、乙烷裂解装置和丙烷脱氢（PDH）装置的建设。

燕丰供稿

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

张建群，男，山东通佳机械有限公司董事长，总工程师，国务院政府特贴专家，中国塑料机械工业协会副会长，从事塑机、塑料工艺、高分子材料的研究开发和科研管理工作30多年。

2014-12-24