一种含茶叶渣的聚烯烃复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及聚烯烃复合材料技术领域，尤其涉及一种含茶叶渣的聚烯烃复合材料及其制备方法。
背景技术
聚烯烃由于原料丰富，价格低廉，容易加工成型，综合性能优良，因此是一类产量最大，应用十分广泛的高分子材料，聚烯烃中使用得最多的是聚乙烯和聚丙烯，主要是用于制备塑料包装材料，但聚乙烯和聚丙烯这类材料是不可降解的，会给环境造成很大的污染。目前也有研究在聚烯烃中添加其他材料来改善其不可降解的缺点，但因填充材料的成本较高，比较难推广使用。
有研究将一些植物纤维与聚烯烃类树脂复合制备聚烯烃复合材料，但存在植物纤维与聚烯烃类树脂之间相容性不佳的问题。专利CN104212025A通过两种方法来改善茶叶渣和聚乙烯之间的相容性，一种是用偶联剂对茶叶渣进行处理，第二种是通过添加马来酸酐接枝物来改善茶叶渣与聚乙烯之间的相容性，但采用这两种方法来改善相容性在实际生产过程中会存在复合材料制品表面的光滑度低、加工流动性差等问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明第一个方面提供了一种含茶叶渣的聚烯烃复合材料，原料包括：聚烯烃、茶叶渣、相容剂、加工助剂。
作为本发明一种优选的技术方案，所述含茶叶渣的聚烯烃的原料包括，按重量份计，聚烯烃40-50份、茶叶渣30-40份、相容剂1-3份、加工助剂0-10份。
作为本发明一种优选的技术方案，所述聚烯烃为高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、中密度聚乙烯、聚丙烯或上述聚烯烃的再生料中的一种。
作为本发明一种优选的技术方案，所述茶叶渣的平均粒径为80-200目。
作为本发明一种优选的技术方案，所述相容剂选自马来酸酐接枝PP、马来酸酐接枝PE、马来酸酐接枝ABS、马来酸酐接枝PVC、马来酸酐接枝PS、马来酸酐接枝EPDM中的一种或多种。
作为本发明一种优选的技术方案，所述加工助剂为纳米CaCO3和/或纳米SiO2。
作为本发明一种优选的技术方案，所述纳米CaCO3的平均粒径为50-100nm。
作为本发明一种优选的技术方案，所述纳米SiO2的平均粒径为15-50nm。
本发明的第二个方面提供了一种含茶叶渣的聚烯烃复合材料的制备方法，制备工艺包括：
1))研磨、烘干，在研磨器中将茶叶渣研磨成平均粒径为80-200目的茶叶渣粉，并将研磨好的茶叶渣粉放入烘干机中，在70-100℃的温度下烘干1-4小时，使茶叶渣粉的含水率低于1％；
2)混合，按照配比成分称取相应量的聚烯烃、茶叶渣粉、相容剂和加工助剂，并将称量好的原料放入高速搅拌机中进行搅拌混合，搅拌温度为70-100℃，搅拌时间为15-40分钟；
3)共混，将步骤2)中混合好的原料倒入造粒机中，通过造粒机挤出造粒，得到共混料，造粒温度为145-180℃；
4)成型，将共混料在平行同向双螺杆挤出机中挤出成型，螺杆各段温度分别为145-180℃、160-180℃、160-180℃、170-195℃，挤出速度为1-4m/min。
作为本发明一种优选的技术方案，所述步骤4)中，在成型之前将共混料放入烘干机中进行烘干，烘干温度为70-80℃，烘干时间为2-4小时。
本发明具有下述有益效果：
1.茶叶渣中含有大量纤维素，属于植物纤维，利用茶叶渣的植物纤维与聚烯烃为主要原料制备的复合材料具有良好的降解功能，对环境的污染小；
2.因为添加了大量茶叶渣，本发明制备的含茶叶渣的聚烯烃复合材料具有清新的茶叶芬芳，可减少在使用本发明这种复合材料时的异味；
3.实用废弃的茶叶渣，成本低、经济效益高、具有一定的市场竞争力；
4.加工助剂与相容剂的协同作用使得挤出成型的复合材料的表面基本光滑；
5.加工助剂与相容剂的协同作用可以降低体系的黏度，提高流速，使加工过程中的流动性好；
6.相容剂从增加了含茶叶渣的聚烯烃复合材料的冲击强度和拉伸强度；
7.加工助剂增加了含茶叶渣的聚烯烃复合材料的冲击强度和弯曲强度。
具体实施方式
本发明第一个方面提供了一种含茶叶渣的聚烯烃复合材料，原料包括：聚烯烃、茶叶渣、相容剂、加工助剂。
优选的，所述含茶叶渣的聚烯烃的原料包括，按重量份计，聚烯烃40-50份、茶叶渣30-40份、相容剂1-3份、加工助剂0-10份。
更优选的，所述含茶叶渣的聚烯烃的原料包括，按重量份计，聚烯烃40-50份、茶叶渣30-40份、相容剂1-3份、加工助剂2.5-5份。
加工助剂过少或过量，都会降低加工助剂带来的有益效果，加工助剂过少，不能充分发挥加工助剂在本体系中发挥的作用，加工助剂过量，可能会淹没茶叶渣颗粒表面，降低茶叶渣与聚烯烃之间的相容性。
所述聚烯烃为高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、中密度聚乙烯、聚丙烯或上述聚烯烃的再生料中的一种。
所述高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、中密度聚乙烯、聚丙烯采购于余姚市硕果塑化有限公司。
所述高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、中密度聚乙烯、聚丙烯的再生料来自于废品收购处。
所述茶叶渣的平均粒径为80-200目。
茶叶渣粒径如果过大，可能不能够很好的与聚烯烃相容在一起，从而导致制得的含聚烯烃的复合材料的力学性能不佳。
所述茶叶渣为冲泡使用后的任意茶叶或是过期后不能食用的茶叶。
所述相容剂选自马来酸酐接枝PP、马来酸酐接枝PE、马来酸酐接枝ABS、马来酸酐接枝PVC、马来酸酐接枝PS、马来酸酐接枝EPDM中的一种或多种。
本发明中所用的相容剂均采购于东莞市樟木头金运来塑胶原料经营部。
本发明使用的相容剂为马来酸酐接枝相容剂，具有极性端和非极性端，相容剂上的极性端酸酐与茶叶渣中纤维素的羟基发生酯化反应，相容剂上的非极性端与聚合物基体发生缠结起到偶联搭桥的作用，使茶叶渣和聚烯烃间的粘接力增大，形成稳定的结构，从而增加了复合材料的冲击强度，并且马来酸酐接枝相容剂属于弹性体，可以增加复合材料的拉伸强度。
所述加工助剂为纳米CaCO3和/或纳米SiO2。
所述纳米CaCO3的平均粒径为50-100nm。
所述纳米SiO2的平均粒径为15-50nm。
所述纳米CaCO3采购于九江汇容新材料有限公司；所述纳米SiO2采购于江苏天行新材料有限公司。
加工助剂的粒径小、比表面积大，能够很均匀的分散在聚烯烃基体中，当聚烯烃受到外力作用时，加工助剂周围能够产生应力集中效应，在加工助剂和聚烯烃基体之间产生银纹，银纹可以吸收能量，产生的银纹可以进一步发展并且止于马来酸酐接枝相容剂，银纹前峰与马来酸酐接枝相容剂处的应力集中可以诱发一个剪切力，破环外力产生的能量，从而提高复合材料的冲击强度和弯曲强度。
优选的，优选的，所述加工助剂为30-45wt％纳米CaCO3和55-70wt％纳米SiO2。
加工助剂的扩散系数较大，可以通过晶界区的扩散，产生相对滑动，使产生的银纹快速弥合，提高复合材料的韧性，单独的纳米CaCO3或纳米SiO2的扩散系数有限，不能很快的使产生的银纹弥合。
纳米SiO2光的照射下光吸收带向短波方向移动，可以很好的将紫外光吸收、红外吸收光反射，这使得复合材料具有抗老化的特性，纳米CaCO3为纳米材料，也具有一定的抗老化性能，不过其抗老化性能的效果很小，但是加工助剂为30-45wt％纳米CaCO3和55-70wt％纳米SiO2时，所制得的含茶叶渣的聚烯烃复合材料的抗老化性能更好，可能是因为在本体系中，纳米CaCO3和纳米SiO2复配使能够更好的吸收紫外光、反射红外吸收光。
申请人发现，采购于九江汇容新材料有限公司的CaCO3为TSP-L15型号的CaCO3时的效果最好，可能是因为TSP-L15具有亲水、亲油的特性，在本体系中与相容剂的复配效果更佳。
本发明的第二个方面提供了一种含茶叶渣的聚烯烃复合材料的制备方法，制备工艺包括：
1))研磨、烘干，在研磨器中将茶叶渣研磨成平均粒径为80-200目的茶叶渣粉，并将研磨好的茶叶渣粉放入烘干机中，在70-100℃的温度下烘干1-4小时，使茶叶渣粉的含水率低于1％；
2)混合，按照配比成分称取相应量的聚烯烃、茶叶渣粉、相容剂和加工助剂，并将称量好的原料放入高速搅拌机中进行搅拌混合，搅拌温度为70-100℃，搅拌时间为15-40分钟；
3)共混，将步骤2)中混合好的原料倒入造粒机中，通过造粒机挤出造粒，得到共混料，造粒温度为145-180℃；
4)成型，将共混料在平行同向双螺杆挤出机中挤出成型，螺杆各段温度分别为145-180℃、160-180℃、160-180℃、170-195℃，挤出速度为1-4m/min。
优选的，所述步骤4)中，在成型之前将共混料放入烘干机中进行烘干，烘干温度为70-80℃，烘干时间为2-4小时。
在本发明的体系中，加工助剂与相容剂的协同作用使得复合材料对剪切应力更加敏感，而剪切应力可以降低体系的黏度，提高流速，使加工过程中的流动性好；加工助剂与相容剂的协同作用使得挤出成型的复合材料的表面基本光滑。
以下给出本发明的几个具体实施例，但本发明不受实施例的限制。
另外，如果没有其它说明，所用原料都是市售的。
实施例
实施例1
一种含茶叶渣的聚烯烃复合材料，原料包括，按重量份计，聚烯烃40份、茶叶渣30份、相容剂1份、加工助剂3.2份。
所述聚烯烃为线性低密度聚乙烯，牌号为：951-050。
所述茶叶渣的平均粒径为120目。
所述相容剂为马来酸酐接枝PE。
所述加工助剂为30wt％纳米CaCO3和70wt％纳米SiO2。
所述纳米CaCO3的平均粒径为50nm，型号为TSP-L15。
所述纳米SiO2的平均粒径为50nm。
所述一种含茶叶渣的聚烯烃复合材料的制备方法，制备工艺包括：
1))研磨、烘干，在研磨器中将茶叶渣研磨成平均粒径为120目的茶叶渣粉，并将研磨好的茶叶渣粉放入烘干机中，在70℃的温度下烘干4小时，使茶叶渣粉的含水率低于1％；
2)混合，按照配比成分称取相应量的聚烯烃、茶叶渣粉、相容剂和加工助剂，并将称量好的原料放入高速搅拌机中进行搅拌混合，搅拌温度为70℃，搅拌时间为40分钟；
3)共混，将步骤2)中混合好的原料倒入造粒机中，通过造粒机挤出造粒，得到共混料，造粒温度为150℃；
4)成型，将共混料放入烘干机中进行烘干，烘干温度为80℃，烘干时间为2小时，将烘干后的共混料在平行同向双螺杆挤出机中挤出成型，螺杆各段温度分别为145℃、180℃、160℃、195℃，挤出速度为3.5m/min。
实施例2
一种含茶叶渣的聚烯烃复合材料，原料包括，按重量份计，聚烯烃45份、茶叶渣35份、相容剂2份、加工助剂3.5份。
所述聚烯烃为线性低密度聚乙烯，牌号为：951-050。
所述茶叶渣的平均粒径为100目。
所述相容剂为马来酸酐接枝PE。
所述加工助剂为40wt％纳米CaCO3和60wt％纳米SiO2。
所述纳米CaCO3的平均粒径为60nm，型号为TSP-L15。
所述纳米SiO2的平均粒径为20nm。
所述一种含茶叶渣的聚烯烃复合材料的制备方法，制备工艺包括：
1))研磨、烘干，在研磨器中将茶叶渣研磨成平均粒径为100目的茶叶渣粉，并将研磨好的茶叶渣粉放入烘干机中，在80℃的温度下烘干2小时，使茶叶渣粉的含水率低于1％；
2)混合，按照配比成分称取相应量的聚烯烃、茶叶渣粉、相容剂和加工助剂，并将称量好的原料放入高速搅拌机中进行搅拌混合，搅拌温度为80℃，搅拌时间为20分钟；
3)共混，将步骤2)中混合好的原料倒入造粒机中，通过造粒机挤出造粒，得到共混料，造粒温度为160℃；
4)成型，将共混料放入烘干机中进行烘干，烘干温度为80℃，烘干时间为3小时，将烘干后的共混料在平行同向双螺杆挤出机中挤出成型，螺杆各段温度分别为160℃、170℃、170℃、185℃，挤出速度为2m/min。
实施例3
一种含茶叶渣的聚烯烃复合材料，原料包括，按重量份计，聚烯烃45份、茶叶渣35份、相容剂2份、加工助剂3.5份。
所述聚烯烃为聚丙烯，牌号为：012。
所述茶叶渣的平均粒径为100目。
所述相容剂为马来酸酐接枝PP。
所述加工助剂为40wt％纳米CaCO3和60wt％纳米SiO2。
所述纳米CaCO3的平均粒径为60nm，型号为TSP-L15。
所述纳米SiO2的平均粒径为20nm。
所述一种含茶叶渣的聚烯烃复合材料的制备方法，制备工艺包括：
1))研磨、烘干，在研磨器中将茶叶渣研磨成平均粒径为100目的茶叶渣粉，并将研磨好的茶叶渣粉放入烘干机中，在80℃的温度下烘干2小时，使茶叶渣粉的含水率低于1％；
2)混合，按照配比成分称取相应量的聚烯烃、茶叶渣粉、相容剂和加工助剂，并将称量好的原料放入高速搅拌机中进行搅拌混合，搅拌温度为80℃，搅拌时间为20分钟；
3)共混，将步骤2)中混合好的原料倒入造粒机中，通过造粒机挤出造粒，得到共混料，造粒温度为160℃；
4)成型，将共混料放入烘干机中进行烘干，烘干温度为80℃，烘干时间为3小时，将烘干后的共混料在平行同向双螺杆挤出机中挤出成型，螺杆各段温度分别为160℃、170℃、170℃、185℃，挤出速度为2m/min。
对比例1
一种含茶叶渣的聚烯烃复合材料，原料包括，按重量份计，聚烯烃45份、茶叶渣35份、相容剂2份、加工助剂2份。
所述聚烯烃、茶叶渣、相容剂、加工助剂同实施例2。
所述一种含茶叶渣的聚烯烃复合材料的制备方法同实施例2。
对比例2
一种含茶叶渣的聚烯烃复合材料，原料包括，按重量份计，聚烯烃45份、茶叶渣35份、相容剂2份、加工助剂4份。
所述聚烯烃、茶叶渣、相容剂、加工助剂同实施例2。
所述一种含茶叶渣的聚烯烃复合材料的制备方法同实施例2。
对比例3
一种含茶叶渣的聚烯烃复合材料，原料包括，按重量份计，聚烯烃45份、茶叶渣35份、相容剂2份、加工助剂10份。
所述聚烯烃、茶叶渣、相容剂、加工助剂同实施例2。
所述一种含茶叶渣的聚烯烃复合材料的制备方法同实施例2。
对比例4
一种含茶叶渣的聚烯烃复合材料，原料包括，按重量份计，聚烯烃45份、茶叶渣35份、相容剂2份。
所述聚烯烃、茶叶渣、相容剂同实施例2。
所述一种含茶叶渣的聚烯烃复合材料的制备方法同实施例2。
对比例5
一种含茶叶渣的聚烯烃复合材料，与实施例2不同的是，茶叶渣的粒径为200目，其他原料和制备工艺不变。
对比例6
一种含茶叶渣的聚烯烃复合材料，与实施例2不同的是，茶叶渣的粒径为250目，其他原料和制备工艺不变。
对比例7
一种含茶叶渣的聚烯烃复合材料，与实施例2不同的是，助剂实施例2中的纳米CaCO3，其他原料和制备工艺不变。
对比例8
一种含茶叶渣的聚烯烃复合材料，与实施例2不同的是，助剂实施例2中的纳米SiO2其他原料和制备工艺不变。
对比例9
一种含茶叶渣的聚烯烃复合材料，与实施例2不同的是，助剂平均粒径60nm的纳米CaCO3，纳米CaCO3的型号为TSP-L20，其他原料和制备工艺不变。
对比例10
一种含茶叶渣的聚烯烃复合材料，与实施例2不同的是，助剂平均粒径60nm的纳米CaCO3，纳米CaCO3的型号为TSP-L10，其他原料和制备工艺不变。
对本发明上述实施例1～3和对比例1～11制备得到一种含茶叶渣的聚烯烃复合材料的性能进行检测。
力学性能：制得的含茶叶渣的聚乙烯复合材料测试冲击强度、拉伸强度、弯曲强度分别按照ASTM%20D256、ASTM%20D638、ASTM%20D790标准进行测试；
光滑度：制得的含茶叶渣的聚乙烯复合材料按照GB/T%2014234-1993标准进行检测，测试指标：表面粗糙度Ra。
加工流动性：制得的含茶叶渣的聚乙烯复合材料按照GB/T%203682-2000标准进行测试，测试指标：熔体流动速率，实施例1、3和对比例1-11中的测试温度为190℃、负载2.16kg，实施例2中的测试温度为230℃、负载2.16kg。
耐老化性能：制得的含茶叶渣的聚乙烯复合材料按照GB/T-16422中规定的方法进行测试，测试指标：拉伸强度、冲击强度、弯曲强度，计算指标拉伸强度保留率、冲击强度保留率、弯曲强度保留率。
测试结果如表1所示：
表1
