木粉聚乙烯复合发泡挤出技术的研究

1、木粉/聚乙烯复合发泡挤出技术的研究蔡剑平(中国船舶重工集团第716研究所，江苏连云港222006)摘要：深入研究了木粉/聚乙烯复合发泡挤出的配方和挤出模具设计，提出了最优的材料配方和最佳的模具设计方法，生产的挤出型材制品各项主耍性能指标达到国内标准。关 键 词：木粉/聚乙烯复合；发泡；配方；模具设计方法目前，壯界上普遍采丿u木粉或植物纤维来高份额填充塑料再生料或新料的方法，达到降低材料成本和冋收再利用的环保性能的目的。我们根据世界木塑行业的发展趋势，提出木粉/聚乙烯复合发泡挤出的研究课题。它与传统木醱复合挤出(仅仅是木粉与駛料的复合挤出，不具冇发泡的成分)不同，带木粉的发泡技术可使生产出的型材

2、密度降低20 %45 %，更接近于木材在木劇复合发泡制品中，树脂含量只占型材的40 %50 %，使树脂的用虽:相对于传统木塑复合制品削减-半，而树脂成本一般占了材料成本的80 %90 % ,从而节省了差不多两倍的材料成本。在具有防腐、防虫、防湿、阻燃、使用寿命长且可重复利用等优点的同时,木塑发泡复合物比菲发泡性相似物更具木质感,也可承受螺丝和钉子的压力,发泡产生的内压可以提供比菲发泡性型材更伴的表面纹理淸晰度和更光滑的轮廓，因此它比传统木瞰复介挤出具冇更广阔的应用前景。据专家预测，今后10年内木星复合制品仅北美的市场容量就可达10 000 kt，按照中国市场与北美市场规模相当且比北美更缺乏木材

3、和近些年国家对坏保的要求，预计木塑复合产品在中国将以年増长率50 %以上的速度持续发展10年，中国木塑复合材料及其制品的产暈和产值最终将达到并形成年产10 000 000 kt或700亿元人民币产值一个庞大的新型工业体系。在这样的情况下，我们对木粉/聚乙烯复合发泡挤出课题进行深入的研究，具有十分重要的意义和价值。本文将重点针对木粉/聚乙烯复合发泡的配方及模具设计方法进行深入的研究，并解决研究过程中出现的问题。1 配方实验1. 1 主要原料鬲密度聚乙烯(pe2iid)，山东齐鲁石化;低密度聚乙m(pe2ld)，山东齐鲁右化;ac发泡剂，江苏索普 冇限公司；木粉，江苏南通如皋木粉厂。1. 2 主要

4、仪器设备平行双螺杆挤出机,<50，北汽福田公司;板材挤出模具,口制;高速混合机，shr225a，张家港杰达机 械有限公司；电子秤ja21001 ,上海天平仪器厂。1. 3 实验方法工艺流程如图1表1实验配方其屮：表屮木粉是经过表面脱脂处理的,考虑到粒度过粗的木粉会影响与塑料的粘接强度，过细的木粉会使制品表而太细腻、缺少木质感，在木粉/聚乙烯复合发泡挤出实验中选用的是粒径为38um左右的木粉，这样既能保证聚乙烯的粘接强度乂能使制品表血具冇良好的木质纹理;在“其它” -项中包含冇交联剂、増塑剂和偶联剂等。将pe2hd、pe2ld、ac发泡剂和其它助剂放入高速混合机高速混合5 min后，再把木

5、粉加入混合10 min，在整个混料过程中温度控制在80 °c以下。混好后在常温下摊开冷却。挤岀实验中，双螺杆挤岀机主 机螺杆转速控制在45 r/ min左右;进料螺杆转速为20 r/ min ;主机真空度为- 0. 1 mpa-0. 15 mpa。 挤出工艺温度设定为:挤出机螺杆一区:180 °c;螺杆二区:175 °c;螺杆三区：175 °c;螺杆四区：173 °c;螺 杆五区：173 °c;螺杆六区：170 °c;合流芯区：160 °c;模头一区：175 °c;模头二区：175 °c。2 结

6、果与讨论2. 1 木粉的干燥与发泡的关系为了研究物料中木粉的干燥处理对挤出成型的彩响，我们按预定方案配混6种实验配方进行对比实 验，其屮配方14中的木粉是经过烘t处理的，最终含水率约为3 %5 %;而配方56中的木粉未经干燥, 含水率在10%以上。根据设定的挤出工艺参数进行了挤出实验，实验中有以下现彖:配方2、3中木粉经过 烘干处理的，从挤出机里出来的板材塑化良好，发泡程度好，芯层呈絮状，泡孔均匀;表面结皮层光亮且硬度 高，厚度在0. 5 mm0. 8 mni，容易牵引；制品密度约为0. 63 g/ cm3 ;配方5、6中木粉耒i 燥的，挤 出的过程有水汽逸出，板材发潮，芯部软呈浆状,泡孔小且

7、大小不均;衣面结皮层薄，牵引易断;制品密度约为 0. 74 g/ cm3 o从实验现彖分析,木粉里含冇的少量水分在物料挤出过程中，可以起到发泡剂的作用，主机 螺筒中受热形成的水汽配合发泡剂所释放出的气体，使成型的制品得到均匀的泡孔，提高了发泡程度，降低 了制品的密度;而当木粉中含水分在10 %以上时，受热形成的水汽不能及时排出，过多地混合于物料中，降低 了物料的粘度，破坏了发泡剂所形成的均匀泡孔，使得制品泡孔大小不一，并在模头出口时仍有大量水汽逸 出，影响了衣面结皮,牵引易断裂。通过该实验，我们得出了应对木粉进行干燥处理，利于挤出牵引、提高发 泡程度和降低密度的结论。2. 2 木粉含量对发泡的

8、影响按预定方案配混的六种实验配方，研究物料中木粉的含量对发泡程度的影响所进行对比实验中，我们观察到：a）当配方（如配方1）中木粉的份数少时，模头出料膨胀厉害，制品结皮层厚，表而以聚乙烯为主，密度大约为0. 8 g/ cm3 ;b）当配方（如配方2、：3、5、6）中木粉的份数较多时，离模膨胀较小，制品结皮薄，表面较粗糙有木纹,且密度较小；c）当配方（如配方4）屮木粉含量超过50份时，挤出的物料基本不发泡。经分析，在木粉含量少时，物料中以聚乙烯为主，木粉只占据其小部分的空间，对其发泡程度没多人影响，因此模头出口处膨胀人，芯部结构疏松，但因聚乙烯本身密度较木粉大，使得制品最终密度大;在木粉含量较多时

9、，则占据物料中较大的空间,减少了发泡间，降低了发泡程度，因此离模膨胀较小，虽泡孔小，但制品屮所含密度很低的木粉占到了相当比例，从总体1二降低了制品的密度；而当木粉的量大到完全占有了发泡的空间时，发泡过程不能进行，模头出料基本不膨胀，这时则纯粹是木粉与聚乙烯的填充挤出，木粉虽能起到一定的降低制品密度的作用,但远不如木粉加发泡的效果明显。具体实验数据如表2所示。表2 实验配方与制品密度关系g/ cm3tab. 2relation of formulationand density配方号制品密度0.80. 63 0. 68 0. 90. 740. 77所以为了达到接近木质表面、减小密度,r降低成木的

10、实验目的，适当增加木粉的含量，以3040份为宜，最多不超过50份。木粉过多将影响发泡的程度，英至造成制品不发泡，达不到降低成本的目的。2. 3 发泡剂的选用与作用由于聚乙烯的塑化温度在160 °c190 °c范围内，因此选用时应考虑发泡剂在塑料中的分解温度与 聚乙烯槊化温度相近，这样才能保证在聚乙烯正常槊化过程中发泡剂不会握询分解，经分析后选择了目前应 用较广的ac发泡剂，它属于冇机类化学发泡剂，分解温度为160 °c200 °c,发气量为220 ml/ g。根据ac 发泡剂的发气量，为将聚乙烯的密度从0. 9 g/ cm3 0196 g/ cm3降到0

11、. 6 g/ cm30. 7 g/ cm3，经 计算在毎100份聚乙烯中需加入2份的ac发泡剂，才能产生足够的气体形成制品中均匀的泡孔，有效降低 制品密度。这通过以上进行的配方实验得到了很好的验证。在木粉/聚乙烯复合发泡的研究中,ac发泡剂 的加入起到一个很重要的作用。因为它不同于市场上开发和应用较早的木蜩复合挤出制品，虽然其中木粉的 绘髙添加量只能达到30 %，远低于木塑复合挤出制品的60 %80 %的木粉添加量，们发泡的作用使其制品 的密度能降低20 %45 % ,达到016 g/ cm30. 7 g/ cm3 ,更接近木材的密度，具有替代木材的优势; 同时也就使单位质杲原料的出材率高于传

12、统木教复合挤出制品，降低了制造成木，具备更强的市场竞争力； 因为木粉添加量的减少和发泡剂的加入,使得成型的制品具冇更光滑和细致的表面，可用于较高档的室内外 木塑制品，拓宽了其应用的领域。2. 4 木粉含量与发泡剂对成木的影响在传统木塑复合挤出制品中，人们是通过加大木粉的含量来达到降低成本的目的，因为木粉的价格仅300600元/ t，远远低于聚乙烯的价格，因此木粉加入得越多成木降低的越多;但是木粉的添加量越大则制品的弯曲强度和冲击强度等性能指标越差，并且材料的流动性能大大降低，增加了挤出机的机头压力和挤出功率，对设备提出了更高的要求，也相应地増加了成本。而在木粉/聚乙烯复合发泡制品中,我们是通过

13、添加木粉和发泡的共同作用降低材料的成本，这在发泡剂的作用一节中已经说过，不再赘述；同时，因为木粉含量最高仅30 % ,对材料流动性的影响远低于传统的木塑复合，制品成型的难度降低，只须普通挤出设备就能满足生产需求，减少了固定资产的投入;因为流动性较好，也减少模头糊料的几率,使生产过程更稳定；因为木粉含量的减少，使制品的性能比传统木塑复合好，更能满足使用要求。2. 5 模头的影响绘初在设计木粉/聚乙烯复合发泡挤岀模貝时，是参考聚乙烯发泡模具的设计方法和结构，经过多次 配方实验和模具调试、修整后，总结出如下经验。2. 5. 1 模头设计要点a）因在聚乙烯中填充了木粉,使得物料的整体流动性能明显降低，

14、所以在模头设计时应尽量避免流道急剧变化或出现台阶所引起的糊料现彖；b）因在聚乙烯中填充了木粉，使得物料的町压缩性和离模膨胀减小，所以在模头设计中应减小压缩比,一般取（1. 52） ： 1 ,过大的压缩比只会增加挤出主机的机头压力；c）在模头结构设计时,应参考发泡模具结构，采用型芯内发式有利于制品取得良好的外观品质；d）在模头出口增加冷却板，使制品表而结皮,可提离制品的表面硬度。2. 5. 2模头结构模头结构如图2 ,其中方为模头总长度,尸为模头成型段长度,c为模头与挤出机对接尺寸，为 模头髙度，去为模头宽度。2. 6定型模的彩响定型模设计要点如下：因从口模冷却板挤出的物料衣面已初步硕化、定型，

15、定型模的主要作用是继续定型和冷却，因此它 的真空吸附主耍集中在定型模的前段起作用，定型模的长度也町适当减短，只耍达到物料农层定型即nj'因木粉填充聚乙烯发泡制品内部冇人虽微泡孔和木粉，散热很慢，在表展经定型模定型后，应采用冷却能力强的涡流水箱加强冷却，以提高生产效率。定型模结构如图3。2. 7挤出主机的影响因为物料是在挤出机中塑化挤出，挤出机的性能好坏对木粉/聚乙烯复合发泡制品的成型有很人影响。鉴丁使川的主料聚乙烯为结晶型树脂，我们选川50平行双螺杆挤出机来进行木粉/聚乙烯复合发泡材料的挤出，山于平双挤出机对物料的高剪切有利于其很好的塑化，同时也能满足其对主机功率的要求，挤出机的电流一

16、般控制在50 a左右（传统木塑复合材料的挤出电流在80 a以上）；为了更有效地去除木粉中的残留水分,在挤出过程中，挤出机需抽真空利于得到发泡程度更好的制品。我们在进行材料配方的研究中所选用的聚乙烯新料和回收料均为颗粒料，它们与木粉在混料时能混合得很均匀，但在挤出机料斗里向主机机筒中进料会出现聚乙烯与木粉分离分段进料的现彖，这会严巫影响制品的均一性、表而品质和性能为了解决这问题,在料斗中增加一搅拌强制下料装置，使聚乙烯和木粉能均匀进料。2. 8 挤ill制品的性能指标挤出制品依据国际、国内相关标准检测,所达到的主要性能指标见表3。表3 主耍性能指标性能标准性能指标弯曲弹性模量/ gpa astm d90 92 3.64.2弯曲断裂强度/ mi3a astm d90 92 48.8 52.6断裂伸长率/ % astm d90 92 3.64.2弯曲强度/ mpa gb/ t 17657 199930.3 32.5冲击强度/ kj旷2 gb/ t 17657 199933.0 41,.8垂直板面握螺钉力/ n gb/ t 1765719991 800 2 0：20吸水率（24 h） / % gb/ t 17657 19990.60.9除各项性能指标完全达到预期目标外,还具冇一系列显著的特性：密度小、比强度高、刚性好、软化点高、尺寸稳定性好、低温性能好、耐腐蚀、吸水率低、防