竹纖維高密度聚乙烯（HDPE）混熔生產(chǎn)竹塑復(fù)合材料的研究

李大綱 閆微麗 何強(qiáng) 代紹君

(1 南京林業(yè)大學(xué) 江蘇 南京210037 2 遵義市生產(chǎn)力促進(jìn)中心 貴州 遵義563000 3 貴州新錦竹木制品有限公司 貴州 赤水564707)

竹產(chǎn)業(yè)是我國(guó)林業(yè)的四大朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)之一，在國(guó)際市場(chǎng)上也具有整體競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。2008年，科技部啟動(dòng)“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃“竹類(lèi)資源環(huán)境友好經(jīng)營(yíng)與循環(huán)利用關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”重點(diǎn)項(xiàng)目。項(xiàng)目將以建設(shè)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型竹產(chǎn)業(yè)為總體目標(biāo)，通過(guò)借鑒和應(yīng)用材料科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的先進(jìn)研究方法和理念，促進(jìn)竹產(chǎn)業(yè)與建筑、化工、礦業(yè)等行業(yè)之間的關(guān)聯(lián)和互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)和能量的優(yōu)化循環(huán)。項(xiàng)目實(shí)施可以顯著提高竹材資源的綜合利用率和可持續(xù)經(jīng)營(yíng)水平，對(duì)于降低企業(yè)生產(chǎn)成本，增大利潤(rùn)空間，實(shí)現(xiàn)竹產(chǎn)業(yè)又好又快發(fā)展具有十分重要的意義。

中國(guó)是世界上竹類(lèi)資源最豐富的國(guó)家，竹林面積420多萬(wàn)hm2。竹材資源的開(kāi)發(fā)利用，在我國(guó)林業(yè)建設(shè)及國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有著重要的地位。竹材具有很多優(yōu)良特性:生長(zhǎng)快、產(chǎn)量高、成材早、材性好、用途廣。竹材與木材相比較，具有強(qiáng)度高、韌性好、硬度大等特點(diǎn)，是作為工程結(jié)構(gòu)的理想原料。相對(duì)木塑復(fù)合材料而言，竹塑復(fù)合材料的研究還未引起人們足夠的重視。目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)利用竹材與熱塑性塑料生產(chǎn)竹塑復(fù)合材料研究報(bào)道還很少。在當(dāng)前我國(guó)木材供應(yīng)十分緊張、森林資源質(zhì)量日益下降的情況下，竹塑復(fù)合材料及其復(fù)合工藝的研究對(duì)充分發(fā)揮我國(guó)竹材資源優(yōu)勢(shì)、緩解木材供需矛盾、提升竹塑復(fù)合材料及土工網(wǎng)的技術(shù)水平、改善生態(tài)環(huán)境有重要意義。

本研究以竹纖維為增強(qiáng)材料、聚乙烯為基體材料進(jìn)行復(fù)合,制成竹材/PE復(fù)合材料。研究表明，該材料不僅可以保證竹材、聚乙烯的特性,而且通過(guò)復(fù)合效應(yīng),克服了竹材易蟲(chóng)蛀、霉變、聚乙烯強(qiáng)度低、成本高等缺點(diǎn),使竹塑復(fù)合材料具有成本低、機(jī)械性能好、收縮與扭曲小、無(wú)甲醛釋放、防水、防蟲(chóng)蛀、抗霉變、工程特性高等優(yōu)點(diǎn),突破了傳統(tǒng)竹材應(yīng)用的局限性,實(shí)現(xiàn)竹材優(yōu)質(zhì)、多功能、高附加值利用,對(duì)于促進(jìn)資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)具有重要意義。

1 竹塑復(fù)合材料制備工藝

竹塑復(fù)合材料是以回收竹粉填充熱塑性塑料PE,采用擠出成型所制備的復(fù)合材料,其本身也可以回收利用。

1.1 原料的處理工藝

生產(chǎn)竹塑復(fù)合材料所使用的原料為廢舊回收料，在投入生產(chǎn)使用前需進(jìn)行清洗、粉碎以及干燥等處理過(guò)程。竹粉容易吸潮，使用前需進(jìn)行干燥處理，其水分應(yīng)控制在3%以下。

1.2 混料工藝

先將粉碎干燥后的竹粉和塑料采用兩臺(tái)計(jì)量喂料機(jī)分別喂料,高速分散，摩擦升熱。溫度達(dá)到110℃時(shí)，先后投入己準(zhǔn)備好的偶聯(lián)劑和相容劑。5min后投入已準(zhǔn)備好的潤(rùn)滑劑等各種助劑。繼續(xù)分散5min后，放入冷混鍋中冷卻，溫度降到45℃時(shí)放料。

1.3 造粒工藝

采用經(jīng)過(guò)特殊制造的同向平行雙螺桿造粒機(jī)進(jìn)行造粒,使竹粉和塑料輸送,混煉,塑化,分散效果達(dá)到最好。同時(shí)采用特殊制造的多個(gè)排氣孔,去掉竹粉中殘留的水分和揮發(fā)物,并增加了除塵裝置,減少灰塵的污染。設(shè)備采用大長(zhǎng)徑比40:1,使機(jī)筒加熱溫度低,防止竹粉炭化,使水分排除更加充分,并采用竹塑專(zhuān)用輔機(jī),使混煉效果更好。

1.4 擠出工藝

圖1 原料形態(tài)

采用單螺桿擠出機(jī)擠出,將造好粒的粒料采用真空上料，經(jīng)氣流式烘干機(jī)加入竹塑單螺桿擠出機(jī)中,經(jīng)螺桿混煉,塑化,排氣,通過(guò)模具擠出成型。單螺桿采用大長(zhǎng)徑比36:1,真正實(shí)現(xiàn)抽真空,排除粒料剩余水分和揮發(fā)物。擠出和牽引同步采用可編程序控制器（PLC）壓力閉環(huán)控制。

2 竹塑造粒設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)

2.1 設(shè)備

計(jì)量喂料機(jī):(a)兩臺(tái)計(jì)量喂料機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率1.5 kw，喂料電機(jī)采用交流電機(jī)，東元變頻調(diào)速器:(b)強(qiáng)制喂料系統(tǒng):(c)彈簧上料機(jī)。

2.2 主機(jī)

螺桿直徑φ72.6mm，長(zhǎng)徑比40：1；螺桿元件與芯軸采用漸開(kāi)線(xiàn)花鍵聯(lián)接；主電機(jī)Z4直流電機(jī)，功率90kw，調(diào)速裝置為英國(guó)歐陸數(shù)字式調(diào)速器，螺桿轉(zhuǎn)速40～400rpm；筒體采用雙金屬合金套；螺桿元件采用合金工具鋼（W6Mo5Cr4V 2）；筒體加熱器為鑄鋁加熱器，加熱功率48kw；筒體冷卻方式為軟水（或油）冷卻，采用外置式軟水（或油）冷卻裝置，便于水（或油）箱清理；軟水（或油）系統(tǒng)冷卻水（或油）進(jìn)、回水（或油）總管材質(zhì)為不銹鋼，進(jìn)入筒體的水（或油）路支管為紫銅管；各筒體進(jìn)水（或油）調(diào)節(jié)水（或油）閥為不銹鋼閥，控制電磁閥為意大利ACL產(chǎn)品。水（或油）循環(huán)冷卻系統(tǒng)水（或油）泵電機(jī)功率0.55kw；水（或油）系統(tǒng)冷卻器循環(huán)水量為～1.0t/h（可采用普通自來(lái)水或冷卻水）；主機(jī)傳動(dòng)箱減速、扭矩分配、兩根輸出軸徑向軸承均采用德國(guó)SKF軸承；主機(jī)齒輪箱采用浸油潤(rùn)滑方式為主，噴淋方式為輔。油冷卻系統(tǒng)油泵電機(jī)功率1.1kw；冷卻器循環(huán)水量～0.6t/h（可采用普通自來(lái)水或冷卻水）；主機(jī)筒體裝不銹鋼外罩，便于清潔處理。

2.3 造粒輔機(jī)系統(tǒng)

上吹式不銹鋼風(fēng)罩；熱切機(jī)頭，旋轉(zhuǎn)刀體；移動(dòng)式切粒車(chē)，電磁調(diào)速功率1.5KW。

二級(jí)風(fēng)冷，不銹鋼風(fēng)管φ160 mm，風(fēng)機(jī)功率5.5KW。旋風(fēng)分離器、振動(dòng)篩專(zhuān)用裝置；不銹鋼料倉(cāng)0.8m3。

3 竹塑型材設(shè)備配置的技術(shù)特點(diǎn)

3.1 設(shè)備配置

喂料裝置；氣流式干燥機(jī)；真空上料機(jī)；SW90/36單螺桿擠出機(jī)。

3.2 主要技術(shù)參數(shù)

(1)長(zhǎng)徑比:36:1:(2)螺桿直徑:90 mm；(3)螺桿轉(zhuǎn)速:15～80r/min；(4)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率：45KW:(5)調(diào)速方式：交流調(diào)速；(6)中心高：1000 mm；(7)機(jī)筒加熱:12段（鑄鋁加熱器）；(8)機(jī)筒冷卻方式：風(fēng)冷:(9)臥式減速機(jī)（減速機(jī)帶冷卻裝置）;(10)最大產(chǎn)量:100KG；(11）螺桿、機(jī)筒材質(zhì)：38CrMoAI（氮化處理）；(12)減速箱：臥式硬齒面減速箱:(13)電機(jī)：直流電機(jī)或交流電機(jī)

3.3 電儀控制系統(tǒng)：

(1)主機(jī)溫控表為數(shù)字智能式溫控表；(2)主機(jī)電流采用調(diào)速器直接輸出電子顯示，且與主機(jī)聯(lián)鎖，實(shí)現(xiàn)過(guò)電流瞬時(shí)保護(hù)停車(chē)；(3)其他元件均為合資企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品。

4 竹塑復(fù)合材料生產(chǎn)中應(yīng)注意的技術(shù)要點(diǎn)[1-9]

(1)生產(chǎn)竹塑復(fù)合材料過(guò)程中，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，混料應(yīng)充分混勻，擠出應(yīng)充分塑化。這些與原料的粒徑和細(xì)度有著密切關(guān)系。廢塑料粒徑太大不利于物料的混勻，同時(shí)由于受擠出速度或塑化時(shí)間的限制使得物料不易塑化;粒徑太小將增加加工成本。竹粉細(xì)度不僅影響混料，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品性能有直接影響。所以廢塑料和竹粉應(yīng)加工成合適的粒徑或細(xì)度進(jìn)行生產(chǎn)使用。

(2)將PE樹(shù)脂和各種輔料按配比稱(chēng)量后，再按著一定的先后順序，根據(jù)不同的混料溫度和混料時(shí)間放入熱混鍋中攪拌均勻,然后自動(dòng)放入冷混鍋中攪拌冷卻?；炝线^(guò)程中要嚴(yán)格控制混料溫度和混料時(shí)間，當(dāng)混料溫度達(dá)到110℃時(shí)加入偶聯(lián)劑，一方面物料得到充分干燥，另一方面可使偶聯(lián)劑更好地作用于物料。加入偶聯(lián)劑繼續(xù)分散5min后方可加入其它助劑，以便使其與物料得到充分作用?；炝蠒r(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，否則塑料將熔融，使物料結(jié)塊甚至抱鍋;混料時(shí)間也不宜過(guò)短，否則造成物料不能充分干燥或混料不均等現(xiàn)象.

(3)物料冷混完畢后物料從擠出線(xiàn)上的料斗進(jìn)入擠出機(jī)后，隨著不斷的前移，慢慢從固態(tài)轉(zhuǎn)化為粘流態(tài)。一般情況下，機(jī)筒溫度為160～190℃左右;擠出速度為400～800mm/min。機(jī)筒的一段、二段溫度應(yīng)控制的略低：一方面使物料保持一定的粘度而混煉成均勻的物料，另一方面可將物料不斷向前推進(jìn)，避免物料從排氣孔倒流。機(jī)筒溫度不宜太高或太低，溫度太高容易使木纖維遭到破壞，使產(chǎn)品表面焦黃以及性能下降;溫度太低容易使塑料不能充分塑化，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。擠出速度應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的斷面面積以及擠出的機(jī)頭壓力進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以確保產(chǎn)品質(zhì)量.

(4)當(dāng)熔體擠出模具后進(jìn)入定型套冷卻定型，然后再進(jìn)入水箱進(jìn)一步冷卻，冷卻方式為自來(lái)水冷卻，水溫保持在20℃以下。冷卻水溫過(guò)高，則擠出產(chǎn)品斷面尺寸不規(guī)整。經(jīng)過(guò)牽引后的產(chǎn)品按要求切割為一定長(zhǎng)度的半成品。半成品經(jīng)過(guò)封端、檢驗(yàn)、包裝后就成為最終產(chǎn)品。

5 小結(jié)

(1)竹塑復(fù)合材料生產(chǎn)主要包括以下幾個(gè)階段:原料處理階段,混合造粒階段,擠出成型階段。

(2)在竹塑復(fù)合材料混合造粒階段,使用經(jīng)過(guò)特殊制造的同向平行雙螺桿造粒機(jī)進(jìn)行造粒,同時(shí)采用特殊制造的多個(gè)排氣孔, 并增加了除塵裝置, 使竹粉和塑料輸送、混煉、塑化、分散效果達(dá)到最好。

(3)在竹塑復(fù)合材料擠出階段,采用36:1的大長(zhǎng)徑比的單螺桿擠出機(jī),真空上料, 擠出和牽引同步采用PLC壓力閉環(huán)控制,最后通過(guò)模具擠出成型。

1 李大綱,周敏,許小君，等.木塑復(fù)合材的產(chǎn)品性能及其應(yīng)用前景[J].機(jī)電信息,2004(5):30-36.

2 蔣永濤，李大綱，吳正元.丁建生. 溫度對(duì)兩種木塑復(fù)合材料的影響[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2008 (3):25-29.

3 李大綱,孫占英,吳正元,丁建生.人工模擬菌類(lèi)條件對(duì)塑木復(fù)合材性能的影響[J].包裝工程, 2006(2):32-38.

4 李大綱,周敏,范麗君.塑木復(fù)合材與木材主要力學(xué)性質(zhì)的比較研究[J].包裝工程,2004(3):25-28.

6 孫占英,李大綱,葛錦,丁建生.用DMA技術(shù)分析塑木復(fù)合材料的耐候性[J].塑料工業(yè),2005(8):24-28.