專利名稱：共輻照聚合制造聚合木的方法
技術領域：
本發明屬于核輻射技術應用領域，具體涉及一種共輻照聚合制造聚合木的方法。
背景技術：
農作物秸桿作為一種農業生產的副產物，產量大，分布廣，亦是一項重要的生物資源，據統計目前我國作物秸桿產生量每年約5億-6億噸，農作物秸桿利用技術就是把多余的廢物秸桿通過各種加工途徑使其加工成另一種可以利用的產品。長期以來，國內外對農作物秸桿的綜合利用進行了廣泛的研究，獲得了許多可供利用的途徑。目前市場上廣泛使用的纖維板、高密度板、木工板、刨花板等木質產品存在四大缺陷一是未經處理的木纖維與塑料的相容性差，塑料與植物纖維結合不緊，導致材料品質下降；二是木質效果不理想；三是大量使用酚醛樹脂作為粘合劑，導致產品大量釋放甲醛，危害人體健康；對環境造成污染，而且力學性能也較差，成本也較高；四是仍大量消耗木材資源，制約了產品的發展空間，或是在工藝上、技術上、質量上、環境污染等方面還存在一些問題。真正能夠形成規模生產，能大量消耗秸桿的利用途徑并不多，或是經濟效益不顯著，增值不大，因此，許多地方把農作物秸桿作為廢棄物，這不但是對資源的極大浪費，在經濟上造成巨大損失，而且對環境也造成了很大污染。聚合木是用木材、秸桿、灌木枝條等木質碎料為主要原料，用引發劑引發化學反應，促使木質材料塑化并重新聚合、復合后，用塑料加工方法制造出來的一種最接近自然的木質材料。聚合木是至今唯一的利用了木質材料所有成分，且基本不排放廢棄物、不含甲醛等有毒物質的人造木質材料。但是，目前市場上生產的木塑復合材料產品，基本采取化學助劑作為反應引發劑來引發木塑相結合，再在不同的工藝條件下擠出成型。制備得到的復合材料中均含有一定的化學成分，對環境有一定的污染，不利于清潔生產的要求。公告號CN101186754B的發明專利公開了一種利用農業植物秸桿生產高分子復合木塑材料的方法，包括將農業植物秸桿粉碎并干燥得秸桿粉，對秸桿粉進行浸潰處理，然后干燥得改性秸桿粉，將改性秸桿粉與塑料為主的其它原料進行高速混合和冷卻混合得干粉料，將干粉料進行擠出造粒，再將造粒后的物料擠出定性，制得高分子復合木塑材料。該方法制得的木塑材料具有較好的材料性能，但其工藝復雜，化學助劑種類達十多種，均含有毒有害化學物質，不符合清潔生產和環保的要求。公開號CN1887967A的發明專利申請公開了一種秸桿合成型材及其制備方法，制備步驟包括將農作物秸桿干燥至水分含量在8_15%，然后粉碎至100-300目；按比例取配料，將配料攪拌混合均勻后置于揉煉機中，在130-170°C條件下揉煉10-15分鐘；揉煉后的混合料用雙螺旋擠出機擠出冷卻成型；其中，配料包括農作物秸桿粉、塑料樹脂、碳酸鈣、增亮劑。該方法工藝簡單，不使用化學粘合劑，但所制得的型材木塑聚合效果不好，型材的力學性能仍不夠理想。
發明內容
本發明提供了一種共輻照聚合制造聚合木的方法，工藝簡單，助劑用量少，清潔環保，制得的聚合木具有良好的力學性能和熱穩定性，無污染、耐腐蝕、耐老化、成本低。
一種共輻照聚合制造聚合木的方法，包括(I)將秸桿粉、熱塑性樹脂和鈦酸異丙酯混合，揉煉，得到混煉料；(2)在惰性氣體保護下，對混煉料進行輻照處理；(3)處理完成后，添加填料，混勻，擠出成型，制得聚合木；其中，各原料用量占所有原料總量的重量百分比為秸桿粉40-57%、熱塑性樹脂30-40%、鈦酸異丙酯3-6%、填料10-16%。由于秸桿粉中主要成分為纖維素，纖維素表面含有大量的羥基和酚醛基官能團，使分子內和分子間具有極性很強的氫鍵，致使秸桿粉具有吸水性和表面的強極性；而熱塑性樹脂多為非極性物質，具有疏水性基團，因此，秸桿粉和熱塑性樹脂間的界面相容性很差，界面粘結力很差。通過所述的輻照處理，可以使纖維素和熱塑性樹脂末端的官能團產生自由基，鈦酸異丙酯具有兩個以上的官能團，官能團之間相互結合即可實現三種物質的聚
口 o所述的秸桿粉由農作物秸桿經干燥、粉碎后得到。所述的農作物秸桿可以為稻草桿、大麥桿、小麥桿、棉桿、稻殼、花生殼、豆桔中的至少一種。為了節省成本和綜合利用，所述農作物秸桿可盡量選用農作物秸桿廢棄物。所述秸桿粉的水分質量含量優選為10-12%，即干燥時，將農作物秸桿干燥至水分質量含量為10-12%。水分含量過高不利于聚合，且水分過多會使材料發泡，影響產品的力學性能。該水分含量條件下，最有利于秸桿粉與熱塑性樹脂之間的聚合，且聚合木的力學性能較好。所述秸桿粉的粒徑優選為40-80目，能有效地減少原料相互之間的空間距離、增大粉末之間的接觸面積，制得的聚合木致密性好、密度大，同時具有良好的力學性能。所述的熱塑性樹脂可以為聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)。為了節省成本和綜合利用，所述熱塑性樹脂可選用廢舊PE或PP塑料。所述的填料可以增加產品的重量，并改善產品力學性能。所述的填料可以為碳酸鈣或滑石粉；優選為碳酸鈣；更優選為納米級碳酸鈣。納米級碳酸鈣具有量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應和宏觀量子效應，在磁性、催化性、光熱阻和熔點等方面優于常規材料。由于其尺寸較小，可以滲透到秸桿粉與熱塑性樹脂結合的空隙內，使填充密度增大，以其作為填料能使聚合木表面光艷、伸長度大、抗張力高、抗撕力強、耐彎曲、龜裂性良好，具有較好的補強作用。所述的熱塑性樹脂、鈦酸異丙酯或填料可采用市售的民用或工業用的試劑商品。步驟(I)中，所述的揉煉可以使秸桿粉、熱塑性樹脂和鈦酸異丙酯預混合均勻，利于后續輻照時能快速共聚。所述的揉煉溫度優選為130-150°C，揉煉時間優選為20-30分鐘，揉煉速度優選為700-900轉/分，對原料的混合、揉煉效果最好。步驟(2)中,所述的惰性氣體可以為氦氣或氮氣。氧氣對聚合反應具有阻聚性,輻照處理時，若物質中存在空氣或氧氣，會影響原料之間的聚合效果，在所述的惰性氣體保護下進行輻照處理更有利于木塑之間的聚合。為了提供無氧的輻照環境，可以將混煉料裝于塑料袋內，充氮氣封牢袋口，再進行所述的輻照處理。所述的塑料袋優選為聚乙烯塑料袋或聚丙烯塑料袋；更優選為聚乙烯塑料袋，聚乙烯塑料袋具有較好的抗輻射性，不容易破損。所述的輻照處理可以為電子束輻照處理或Y射線輻照處理；優選為電子束輻照處理。所述輻照處理的輻射劑量優選為20-30kGy。由于電子束輻照能量高，輻照劑量在20-30kGy時可在較短的時間內打斷纖維素、熱塑性樹脂末端合適位置上的分子鍵，從而形成不穩定的自由基，纖維素和熱塑性樹脂末端的自由基與鈦酸異丙酯快速結合形成共價鍵，結合力強，從而實現共聚合。步驟(3)中，添加填料后，所述的混勻可以在常溫下通過攪拌進行；攪拌時間優選為10-20分鐘，攪拌速度優選為400-600轉/分。擠出過程中，為了減少設備與物料之間的磨擦系數，可以添加潤滑劑。所述的潤滑劑可以為石臘、蓖麻油或白油。采用擠出機擠出時，各段溫度設置可以為1段150 170°C;II段160 190°C:III段170 195°C:IV段180 195°C;機頭口模段180 205°C。該擠出條件下，能制得力學性能較好的聚合木。各段的具體溫度可根據物料在擠出機內的流動情況隨時調節，當物料流動過慢時可適當調高溫度；當物料流動過快時可適當降低溫度，以防物料焦燒。所述揉煉設備可采用揉煉機。所述輻照處理設備可采用IOMev電子加速器。所述擠出設備可采用雙螺桿擠出機。本發明中，鈦酸異丙酯的分子式為(CH3CH3CHO)4Ti,具有兩個以上官能團。本發明方法利用射線作為引發劑，在合適劑量(20-30kGy)的電子束輻照作用下，纖維素分子中與羥基相連的碳原子上的氫原子被奪走而產生羥基(OH)自由基；鈦酸異丙酯上的一個官能團電離產生氫(H)自由基，與纖維素分子中的羥基作用結合成共價鍵；鈦酸異丙酯上的另一個官能團(E>與PP或PE官能團上的CH作用，形成共軛雙鍵。從而實現了纖維素-鈦酸異丙酯-熱塑性樹脂之間化學鍵的連接。本發明通過適度的輻照以及合適的偶聯劑(鈦酸異丙酯)共同作用，使木塑之間的界面能減少，界面粘度強度增加，兩者更容易聚合，而不需使用其它化學粘合劑；同時有效提高了所制得的聚合木的綜合性能。與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果(I)原料來源充足，工藝簡單，采用物理加工方法；助劑用量少，無需添加任何化學合成的粘合劑，制得的聚合木中只含秸桿粉、熱塑性樹脂、鈦酸異丙酯和填料，無殘留，無毒無味，綠色環保。(2)采用的原料可最大程度利用廢棄物，既實現農作物秸桿廢棄料和廢舊塑料的綜合利用，又有效地降低了生產成本。(3)采用本發明方法制備得到的聚合木外觀光潔度好，致密性好，具有良好的力學性能和熱穩定性，并且具有吸音、隔熱、防火、耐腐蝕，耐老化等優點；同時，聚合木易加工，可刨、鋸或鑿，可用于室外護欄、地板、樓梯扶手和欄桿、人行道等的地面裝飾、花壇裝飾、建筑裝修、家具制造及生活用木制品等領域。
具體實施例方式下面結合實施例來詳細說明本發明，但本發明并不僅限于此。
實施例I一種共輻照聚合制造聚合木的方法，包括以下步驟(I)將收割后的農作物秸桿(大麥桿)曬干，直至水分質量含量在10% ;然后，將干燥的秸桿放入粉碎機中，粉碎至40目，得到秸桿粉。(2)將上述秸桿粉與熱塑性樹脂(PP)置入揉煉機中，加入鈦酸異丙酯，于130°C揉煉30分鐘，揉煉速度為800轉/分，得到混煉料。(3)將混煉料裝入PE (聚乙烯)塑料袋內，每袋25公斤，充氮氣30分鐘，封牢袋口 ；采用電子加速器對裝袋后的混煉料進行電子束輻照處理，輻射劑量為30kGy，得到共聚 改性混煉料。(4)將共聚改性混煉料置于揉煉機中，加入填料(納米級碳酸鈣)，在常溫下攪拌15分鐘，攪拌速度為500轉/分。(5)攪拌完成后，用雙螺旋擠出機擠出，擠出過程中，不間斷加入潤滑劑(蓖麻油)以減少設備與物料之間的磨擦系數；各段溫度設置如下1段150 170°C ；II段160 190°CIII段170 195°C:IV段180 195°C;機頭口模段180 205°C，各段的具體溫度根據物料在擠出機內的流動情況隨時調節，以控制合適的物料流速。(6)冷卻成型得到聚合木。其中，各原料用量占所有原料總量的重量百分比為秸桿粉40 %、熱塑性樹脂(PP)40%、鈦酸異丙酯4%、填料(納米級碳酸|丐)16%。實施例2一種共輻照聚合制造聚合木的方法，包括以下步驟(I)將收割后的農作物秸桿(小麥桿)曬干，直至水分質量含量在12% ;然后，將干燥的秸桿放入粉碎機中，粉碎至80目，得到秸桿粉。(2)將上述秸桿粉與熱塑性樹脂(PE)置入揉煉機中，加入鈦酸異丙酯，于150°C揉煉20分鐘，揉煉速度為800轉/分，得到混煉料。(3)將混煉料裝入PE (聚乙烯)塑料袋內，每袋25公斤，充氮氣30分鐘，封牢袋口 ；采用電子加速器對裝袋后的混煉料進行電子束輻照處理，輻射劑量為20kGy，得到共聚改性混煉料。(4)將共聚改性混煉料置于揉煉機中，加入填料(納米級碳酸鈣)，在常溫下攪拌15分鐘，攪拌速度為500轉/分。(5)攪拌完成后，用雙螺旋擠出機擠出，擠出過程中，不間斷加入潤滑劑(石臘)以減少設備與物料之間的磨擦系數；擠出機擠出各段溫度設置如下1段150 170°C ；II段160 190°C :111 段170 195°C :IV 段180 195°C ;機頭口模段180 205°C，各段的具體溫度根據物料在擠出機內的流動情況隨時調節，以控制合適的物料流速。(6)冷卻成型得到聚合木。其中，各原料用量占所有原料總量的重量百分比為秸桿粉54%、熱塑性樹脂(PE) 30%、鈦酸異丙酯6%、填料(納米級碳酸鈣)10%。表I示出了共輻照聚合制造聚合木的兩個實施例的組成配料重量百分比及其聚合木的力學性能。表I
權利要求
1.一種共輻照聚合制造聚合木的方法，其特征在于，包括 (1)將秸桿粉、熱塑性樹脂和鈦酸異丙酯混合，揉煉，得到混煉料； (2)在惰性氣體保護下，對混煉料進行輻照處理； (3)處理完成后，添加填料，混勻，擠出成型，制得聚合木； 其中，各原料用量占所有原料總量的重量百分比為秸桿粉40-57 %、熱塑性樹脂30-40%、鈦酸異丙酯3-6%、填料10-16%。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述的秸桿粉由農作物秸桿經干燥、粉碎后得到；所述的農作物稻桿為稻草桿、大麥桿、小麥桿、棉桿、稻殼、花生殼、豆桔中的至少一種。
3.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述秸桿粉的水分質量含量為10-12%。
4.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述秸桿粉的粒徑為40-80目。
5.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述的熱塑性樹脂為聚乙烯或聚丙烯。
6.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述的填料為碳酸鈣或滑石粉。
7.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述的揉煉溫度為130-150°C，揉煉時間為20-30分鐘。
8.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述的惰性氣體為氦氣或氮氣。
9.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述的輻照處理為電子束輻照處理。
10.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述輻照處理的輻射劑量為20-30kGy。
全文摘要
本發明公開了一種共輻照聚合制造聚合木的方法，包括將秸桿粉、熱塑性樹脂和鈦酸異丙酯混合，揉煉，得到混煉料；在惰性氣體保護下，對混煉料進行輻照處理；處理完成后，添加填料，混勻，擠出成型，制得聚合木；其中，各原料用量占所有原料總量的重量百分比為秸桿粉40-57％、熱塑性樹脂30-40％、鈦酸異丙酯3-6％、填料10-16％。本發明方法具有原料來源充足、工藝簡單、助劑用量少、無需添加化學粘合劑、清潔環保、生產成本低的優點，而制備得到的聚合木具有良好的力學性能和熱穩定性，并且具有無污染、耐腐蝕和耐老化的優點。
文檔編號C08L23/06GK102627864SQ20121007318
公開日2012年8月8日 申請日期2012年3月19日 優先權日2012年3月19日
發明者傅俊杰, 周鑫瑤, 徐芙蓉, 譚瑗瑗, 趙小俊 申請人:浙江大學