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天然纤维结构设计思想与技术要点

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发表于 2018-1-9 09:55:27 |显示全部楼层
  在结构设计中,首先考虑的是原料的选用。主要的天然纤维为木粉、稻谷壳、花生壳、秸秆等农林加工的下脚料、废弃料,其来源丰富,价格低廉。稻壳的纤维素含量高于木粉,而且水分和木质素的含量也比木粉低,化学成分不象木粉因产地、树种的不同而有很大差异,所以质量比较稳定。而塑料品种常用的有聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、ABS和高抗冲聚苯乙烯(HIPS)等。

GRC假山

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  1.取向问题
  植物纤维取向是仿木材料生产的关键技术。从形态结构来看,木材中的纤维是长纤维,沿树干方向定向排列,使木材具有优良的刚性、强度和抗弯能力。为了使粉状纤维能起到长纤维类似的增强效果,木粉或稻壳粉的细度、长径比及含量都要进行系列的调控匹配。我们采用了木粉、谷壳搭配,纤维长度双峰分布的办法,以纤维长的提供强度,短的改善加工性能和表面光洁度的办法,有效地解决了长纤维含量的取向度不高,表面光洁度不良、加工困难和短纤维脆性大、强度不高的一对矛盾。

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  取向排列的好坏,虽然与原料、配方有很大的关系,但决定性的还是要由设备、模具和加工条件来保证,因此不是任何挤出机都能满足天然纤维仿木型材的生产要求。用于天然纤维复合仿木材料的挤出机,其设计参数与一般的塑料型材挤出机有很大差别,物料中木质纤维含量高,流动性差,采用顶出法较为理想,即物料在螺杆产生巨大压力的推动下,克服机头压力降,将型胚从口模顶出,型胚离开口模后,不需要定型模和冷却水,但此时机头流道要长。由于挤出压力大,螺杆、减速箱、电机所承受的扭矩很大,这种顶出法适合生产密度较大(1.2g/cm3)的制品。对于密度较小的发泡仿木材料,则采用牵引法,木纤维含量不大于50% ,工艺灵活,通过配方和调整加工工艺条件使制品产生木质纹理,并可辅以降温技术,使树脂的加工温度适应木纤维的特性,在加工生产过程中,要求使树脂(塑料)充分塑化、流动,又使纤维流动并取向,只有在这样的前提下,才能获得理想的仿木制品。

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  2. 纤维的表面处理
  众所周知,木粉、稻壳粉等植物纤维的化学结构中,含有大量极性很强的羟基基团,每一个纤维素结构环上含有多个一OH基团。而聚乙烯、聚丙烯树脂都是非极性,虽然PVC树脂中含有氯原子,具有一定的极性,但其极性比纤维素小得多,因此它们是两个互不相容的体系——纤维素是典型的亲水体系,而PE、PP则是典型的亲油体系。它们的共混复合必须对纤维进行偶联处理(如硬脂酸钛酸酯等)。通过偶联处理,木塑制品的力学性能得到了明显改善,但至今尚未见较为理想的专用偶联剂处理的报道,而且大多数偶联剂十分昂贵。从研究开发的思路看,这些处理方法和选用的偶联剂类型,基本上是沿用了碳酸钙等无机矿物偶联处理的方法,虽然也获得了一定的效果,但毕竟木粉、植物纤维与矿物填料不同,应选用更合适的方法和偶联体系。
  我们根据木粉化学结构,采用了新型树脂偶联剂KF树脂和具有阻燃效果的亚磷酸酯两个体系,获得了令人十分欣慰的结果。KF树脂型专用偶联剂是一种环状结构的有机化合物,它能与木纤维很好地粘合,又能与塑料分子相结合,可以大大提高木粉的添加量,改善物料的流动性和产品的表面光洁度。而亚磷酸酯为具有阻燃性的亚磷酸酯基和长链脂肪酸(CH2) 基团的化合物,所以这是一种环状结构和直链基团的组合体系,对多种塑料都有良好的结合能力。针对PVC、PE、PP、ABS四个体系及不同植物纤维品种和原料来源,均获得了较好的效果,并且大大降低了成本。

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  3.发泡技术
  发泡不仅可以调节材料的密度,降低成本,同时也可以增加弹性,减少脆性,降低导热系数,提高保温性。但发泡也会降低表面硬度,大孔还会产生表面凹陷等残缺。因此从发泡技术来看,必须采用微孔发泡技术。

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  微孔发泡技术与普通发泡不同,泡孔小而均匀,肉眼基本上看不出,有人称之为低发泡,但这是不确切的。因为微孔发泡仅仅是泡孔小而已,发泡倍率依旧可以很高,材料密度可以达到0.5g/cm3以下。影响泡孔大小的因素主要有配方、发泡剂粒径大小及分散情况、发泡温度、时间、压力、工艺等,而其中的关键技术是配方和发泡剂的选择。常用的AC发泡剂属放热型,分解时会放出大量的分解热,使局部温度增高,物料粘度减小,同时气体膨胀率增大,因此不可能形成微孔。而德国生产的发泡剂CT232效果就很好,根据德国专家介绍,他们的发泡剂在分解时不放热。因此,我们根据发泡剂分解有放热型及吸热型两种不同类型,测定了各自的分解热,然后进行复配的办法,消除了放热效应,获得了价格低廉、效果优良的微孔发泡剂。为了获得均一的泡孔,还必须加入发泡改性调节剂,硬聚氯乙烯的结皮微孔发泡技术,我国已经有成熟的经验可以借鉴,而其他塑料品种,如ABS等也可依据以上等温发泡原理,进一步开发。
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