一种塑包金属型材及其制备方法

技术领域

本申请涉及塑包金属型材技术领域，更具体地说，涉及一种塑包金属型材及其制备方法。

背景技术

塑包金属型材是一种复合型材，该复合型材可用于制作设备的支撑架、连接件、栅栏、廊架、地板、墙板、格栅或者门窗等。以塑包铝型材为例，其采用熔融挤出的方式将功能性包覆层复合在铝合金基材表面而制成。塑包铝复合时，可选用具有不同功能的包覆层，从而制备得到功能丰富、美观的复合型材。目前的塑包铝型材，大多是先在铝合金的外表面包覆一层胶层，再包覆一层功能性材料。出于成本考虑，功能层一般设计的较薄，采用该方案得到的塑包金属型材，由于功能层冷热反复收缩，使得胶层易脱离，功能层易脱落，产品难以在户外长时间正常使用。

发明内容

鉴于先在金属芯材的外表面包覆一层胶层，再包覆一层功能性材料得到的塑包金属型材，由于功能层冷热反复收缩，使得胶层易开裂，功能层易脱落，使得塑包铝型材的使用有效期较短的问题，本申请提出了一种塑包金属型材及其制备方法。

第一方面，本申请提出一种塑包金属型材，并采用如下技术方案。

一种塑包金属型材，包括由内至外紧密粘连的金属芯材、粘接层、缓冲层和功能层。所述粘接层包覆所述金属芯材。所述缓冲层包覆所述粘接层。所述功能层包覆所述缓冲层。

所述缓冲层和所述功能层通过热熔方式结合。

所述缓冲层的材质为塑料。所述功能层的材质为塑料。所述缓冲层的硬度小于所述功能层。

通过采用上述技术方案，该塑包金属型材，相比于一般的塑包金属型材，增加一层缓冲层，缓冲层的材质为塑料，功能层的材质为塑料，缓冲层和所述功能层通过热熔方式的结合力强，并且缓冲层的硬度小于功能层，功能层的热胀冷缩作用可以被缓冲层弹性吸收，并且功能层不容易从缓冲层上脱落分离。由于缓冲层降低了功能层热胀冷缩效应对粘接层的影响，因此，粘接层不易脱离，粘接牢固性高，提升了塑包铝型材的使用寿命。中间缓冲层可以使用回收塑料来制备，并且由于缓冲层的存在，功能层厚度可设计的更低，从而降低产品成本。增加的缓冲层还提高了塑包金属型材的抗冲击性能，也能减少碰撞伤害，同时也有更优良的隔热保温性能。其中，金属芯材可以是铝合金。

作为该塑包金属型材的一种改进，所述缓冲层和所述功能层具有相同成分的聚合物。所述聚合物各占所述缓冲层和所述功能层质量的30～100％。

通过采用上述技术方案，具有质量占比30～100％相同聚合物成分的缓冲层和功能层，通过热熔方式的结合力更强，更不易分离脱落。

作为该塑包金属型材的一种改进，所述缓冲层中的聚合物为回收料。

通过采用上述技术方案，回收废料再利用，促进了产业的绿色发展，产品性能和采用新料制备的缓冲层相当，该举措降低了生产成本。

作为该塑包金属型材的一种改进，在所述缓冲层之中，所述聚合物包括HDPE和LDPE。在所述功能层之中，所述聚合物为HDPE。所述缓冲层之中的HDPE和LDPE的质量百分比之和≤所述功能层之中的HDPE的质量百分比。

通过采用上述技术方案，HDPE即高密度聚乙烯，有相对较高的硬度，分子呈线型结构，有较高的韧性和耐腐蚀性。LDPE即低密度聚乙烯，有相对较低的硬度，质地较为柔软，并且低密度聚乙烯有较多的分子支链，使得其弹性优于HDPE。HDPE和LDPE混合的硬度小于纯HDPE的硬度，由于缓冲层之中的HDPE和LDPE的质量百分比之和≤功能层之中的HDPE的质量百分比，一般使得缓冲层的硬度小于功能层的硬度。

作为该塑包金属型材的一种改进，所述缓冲层的原料包括以下质量分数的组分：HDPE40～60％、LDPE10～30％、第一填充料20～30％、润滑剂1～3％、助剂1～3％。所述助剂为氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物。

通过采用上述技术方案，第一填充料可降低缓冲层的热胀冷缩幅度。润滑剂可提升材料在设备中的挤出效率。润滑剂可以包括硅油和/或脂肪酸酰胺。氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物作为助剂，能提升HDPE和LDPE的融合度，提升缓冲层的耐热性和抗氧化性。

作为该塑包金属型材的一种改进，所述第一填充料包括木粉、钙粉和滑石粉。

通过采用上述技术方案，木粉、钙粉和滑石粉可以减小缓冲层的收缩率，使缓冲层保持良好的可靠性。

作为该塑包金属型材的一种改进，所述功能层的原料包括以下质量分数的组分：HDPE70～90％、第二填充料5～20％、胶黏剂1～3％、抗老化剂2～5％、色母2～5％。

通过采用上述技术方案，高占比的HDPE使得功能层有较好的刚性和耐腐蚀性，胶黏剂将各成分粘连，第二填充料可降低功能层的收缩率，抗老化剂能提升功能层的抗UV等作用，色母赋予功能层颜色等功能。第二填充料可以包括钙粉、滑石粉和木粉中的一种或几种。胶黏剂可以包括SBS、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯和环氧树脂中的一种或几种。抗老化剂可以包括二苯甲酮和苯并三唑中的一种或几种。

作为该塑包金属型材的一种改进，所述粘接层的材料为马来酸酐接枝聚乙烯，所述马来酸酐接枝聚乙烯的接枝率为0.8～1.2％，所述粘接层的厚度为0.15～0.25mm。

通过采用上述技术方案，马来酸酐接枝聚乙烯有较好的弹性，在聚乙烯分子链上接技数个马来酸酐分子，使产品既具有聚乙烯的良好加工性和其它优异性能，又具有马来酸酐极性分子的强极性，提升和金属芯材和缓冲层的粘接力。粘接层采用接枝率为0.8～1.2％的马来酸酐接枝聚乙烯，即使在户外条件下长时间存放也不容易开裂，能持续保持其粘接效果。若马来酸酐接枝聚乙烯的接枝率过低，则分子粘接力提升不明显；若马来酸酐接枝聚乙烯的接枝率过高，则粘接层容易开裂失效。此外，控制粘接层的厚度为0.15～0.25mm，使得该马来酸酐接枝聚乙烯的接粘接层不容易开胶。若粘接层的厚度过低，则粘接力弱；若粘接层的厚度过高，则粘接层容易开胶，因此控制粘接层的厚度为0.15～0.25mm，能使得粘接层的粘接力强的同时也不容易开裂。

第二方面，本申请还提出一种塑包金属型材的制备方法，并采用如下技术方案。

一种塑包金属型材的制备方法，使用共挤成型系统来制备所述塑包金属型材，所述共挤成型系统包括牵引机构、加热机构、模具组件、第一共挤机、第二共挤机、第三共挤机和冷却机构。所述制备方法包括：

以马来酸酐接枝聚乙烯作为粘接层原料，放入所述第一共挤机之中，加热熔融。

以回收的HDPE、回收的LDPE、第一填充料、润滑剂和助剂作为缓冲层原料，放入所述第二共挤机之中，加热熔融。

以HDPE、第二填充料、胶黏剂、抗老化剂和色母作为功能层原料，放入所述第三共挤机之中，加热熔融。

所述牵引机构将金属芯材向前推进，在推进过程中，所述加热机构预热所述金属芯材，所述金属芯材进入所述模具组件，由所述第一共挤机、所述第二共挤机和所述第三共挤机依次在所述金属芯材上包覆粘接层、缓冲层和功能层，所述冷却机构对粘接层、缓冲层和功能层进行冷却，得到所述塑包金属型材。

通过采用上述技术方案，采用热熔方式依次在金属芯材上包覆粘接层、缓冲层和功能层，并冷却成型，不仅制备步骤少，还显著提高了各层的剥离强度及包覆的均匀性。金属芯材可以是铝合金杆件，如3～5米长的铝合金。在冷却后，还可以通过探伤感应系统，能够精准的识别切割端口，制成统一规格的塑包金属型材产品。后期通过特殊的表面打磨处理方式，得到最终的高强度多层复合共挤型材。采用先在金属型材的外表面包覆一层胶层，再包覆一层功能性材料的一般工艺，挤出成型时，长条形的金属芯材在推进过程，由于前后存在弯曲形变等原因，使得金属芯材的定位困难，而且在回收利用时，为了降低成本，需要保留粘接层，因此需要将功能层和粘接层分离，由于功能层较薄，剥离容易残留在粘接层上，难以剥离功能层而二次回收利用。本方法增加在粘接层和功能层之间增加缓冲层后，可以较容易的剥离功能层，而不损伤到粘接层。

综上所述，本申请的塑包金属型材及其制备方法具有如下有益效果：

塑包金属型材在金属芯材上包覆一层粘接层，再包覆一层缓冲层，最外面包覆一层功能层，增加一层缓冲层，有利于型材定位，且对于不良品，可通过打磨等方式处理进行二次利用；增加缓冲层显著降低了热胀冷缩效应对粘接层的影响，提高粘接性；

中间缓冲可以使用多种回收塑料、木粉的复合物等来制备，可降低功能层厚度，从而降低产品成本；

提高了产品的抗冲击性和缓冲性能，能减少碰伤时的伤害，并具有更优良的隔热保温功能。

本申请通过多层共挤包覆技术，第一包覆层使用高性能共聚改性树脂，其它层使用高分子材料，配合高频加热、水冷及风环冷却将高分子材料层层包覆并定型，大大提高了剥离强度及包覆的均匀性。金属芯材接头处使用耐高温端盖配合同步牵引装置连续进入共挤模具进行包覆，后端搭配自动化探伤感应系统，能够精准的识别切割端口，制成统一规格的塑包金属型材产品。后期通过特殊的表面打磨处理方式，得到最终的高强度多层复合共挤仿木型材。

附图说明

图1为一些实施例和对比例使用共挤成型系统制备塑包金属型材的结构示意图。

图2为试验例1中，实施例1试验品在户外暴晒后的图像。

图3为试验例1中，实施例2的试验品在高低温循环测试后的外观图像。

图4为试验例1中，对比例1的试验品在户外暴晒测试后四面开胶，功能层被手动轻易剥离的现象图片。

图5为试验例1中，对比例1的试验品经过高低温测试后，端部位置出现功能层收缩的现象图片。

图6为试验例1中，对比例1的试验品经过煮水试验后，端部位置出现功能层收缩的现象图片。

具体实施方式

以下对塑包金属型材及其制备方法的一些实施例进行具体说明。

实施例1

参考图1，一种塑包金属型材的制备方法，使用共挤成型系统来制备塑包金属型材，共挤成型系统包括牵引机构、加热机构、模具组件、第一共挤机、第二共挤机、第三共挤机和冷却机构。制备方法包括：

以马来酸酐接枝聚乙烯作为粘接层原料，马来酸酐接枝聚乙烯的接枝率为1.0％。先80℃烘烤2小时去除水分，以降低制成的粘接层的膨胀率。将粘接层原料放入第一共挤机之中，加热至熔融呈液态。

以回收的HDPE、回收的LDPE、第一填充料、润滑剂和助剂作为缓冲层原料，放入第二共挤机之中，加热至熔融呈液态，第一填充料以粉末态分散在该熔融液中。其中，缓冲层原料所投入各成分的质量百分比为：HDPE50％、LDPE20％、第一填充料26％、润滑剂2％、助剂2％。助剂为氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物。第一填充料包括1/3木粉、1/3钙粉和1/3滑石粉。润滑剂为硅油。

以HDPE、第二填充料、胶黏剂、抗老化剂和色母作为功能层原料，放入第三共挤机之中，加热至熔融呈液态，第二填充料以粉末态分散在该熔融液中。功能层的原料包括以下质量分数的组分：HDPE81.6％、第二填充料9.2％、胶黏剂1.8％、抗老化剂3.7％、色母3.7％。第二填充料包括1/3木粉、1/3钙粉和1/3滑石粉。胶黏剂为SBS。抗老化剂为二苯甲酮。

牵引机构将长杆铝合金向前推进，在推进过程中，加热机构预热长杆铝合金，长杆铝合金进入模具组件，由第一共挤机、第二共挤机和第三共挤机依次在长杆铝合金上包覆粘接层、缓冲层和功能层，冷却机构对粘接层、缓冲层和功能层进行冷却，得到塑包金属型材。粘接层的厚度为0.20mm、缓冲层的厚度为2.08mm，功能层的厚度为0.77mm。

实施例2

参考图1，一种塑包金属型材的制备方法，使用共挤成型系统来制备塑包金属型材，共挤成型系统包括牵引机构、加热机构、模具组件、第一共挤机、第二共挤机、第三共挤机和冷却机构。制备方法包括：

以马来酸酐接枝聚乙烯作为粘接层原料，马来酸酐接枝聚乙烯的接枝率为0.8％。先80℃烘烤2小时去除水分，以降低制成的粘接层的膨胀率。将粘接层原料放入第一共挤机之中，加热至熔融呈液态。

以回收的HDPE、回收的LDPE、第一填充料、润滑剂和助剂作为缓冲层原料，放入第二共挤机之中，加热至熔融呈液态，第一填充料以粉末态分散在该熔融液中。其中，缓冲层原料所投入各成分的质量百分比为：HDPE40％、LDPE30％、第一填充料26％、润滑剂1％、助剂3％。助剂为氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物。第一填充料包括1/3木粉、1/3钙粉和1/3滑石粉。润滑剂为硅油。

以HDPE、第二填充料、胶黏剂、抗老化剂和色母作为功能层原料，放入第三共挤机之中，加热至熔融呈液态，第二填充料以粉末态分散在该熔融液中。功能层的原料包括以下质量分数的组分：HDPE90％、第二填充料5％、胶黏剂1％、抗老化剂2％、色母2％。第二填充料包括1/3木粉、1/3钙粉和1/3滑石粉。胶黏剂为环氧树脂。抗老化剂为二苯甲酮。

牵引机构将长杆铝合金向前推进，在推进过程中，加热机构预热长杆铝合金，长杆铝合金进入模具组件，由第一共挤机、第二共挤机和第三共挤机依次在长杆铝合金上包覆粘接层、缓冲层和功能层，冷却机构对粘接层、缓冲层和功能层进行冷却，得到塑包金属型材。粘接层的厚度为0.16mm、缓冲层的厚度为2.24mm，功能层的厚度为0.63mm。

实施例3

参考图1，一种塑包金属型材的制备方法，使用共挤成型系统来制备塑包金属型材，共挤成型系统包括牵引机构、加热机构、模具组件、第一共挤机、第二共挤机、第三共挤机和冷却机构。制备方法包括：

以马来酸酐接枝聚乙烯作为粘接层原料，马来酸酐接枝聚乙烯的接枝率为1.2％。先80℃烘烤2小时去除水分，以降低制成的粘接层的膨胀率。将粘接层原料放入第一共挤机之中，加热至熔融呈液态。

以回收的HDPE、回收的LDPE、第一填充料、润滑剂和助剂作为缓冲层原料，放入第二共挤机之中，加热至熔融呈液态，第一填充料以粉末态分散在该熔融液中。其中，缓冲层原料所投入各成分的质量百分比为：HDPE60％、LDPE10％、第一填充料26％、润滑剂3％、助剂1％。助剂为氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物。第一填充料包括1/3木粉、1/3钙粉和1/3滑石粉。润滑剂为脂肪酸酰胺。

以HDPE、第二填充料、胶黏剂、抗老化剂和色母作为功能层原料，放入第三共挤机之中，加热至熔融呈液态，第二填充料以粉末态分散在该熔融液中。功能层的原料包括以下质量分数的组分：HDPE70％、第二填充料17％、胶黏剂3％、抗老化剂5％、色母5％。第二填充料包括1/3木粉、1/3钙粉和1/3滑石粉。胶黏剂为聚丙烯酸酯。抗老化剂为苯并三唑。

牵引机构将长杆铝合金向前推进，在推进过程中，加热机构预热长杆铝合金，长杆铝合金进入模具组件，由第一共挤机、第二共挤机和第三共挤机依次在长杆铝合金上包覆粘接层、缓冲层和功能层，冷却机构对粘接层、缓冲层和功能层进行冷却，得到塑包金属型材。粘接层的厚度为0.24mm、缓冲层的厚度为2.13mm，功能层的厚度为0.71mm。

对比例1

本对比例和实施例1相比，取消了缓冲层，具体制备一种塑包金属型材的方法如下。

一种塑包金属型材的制备方法，使用共挤成型系统来制备塑包金属型材，共挤成型系统包括牵引机构、加热机构、模具组件、第一共挤机、第二共挤机和冷却机构。制备方法包括：

以马来酸酐接枝聚乙烯作为粘接层原料，马来酸酐接枝聚乙烯的接枝率为1.0％。先80℃烘烤2小时去除水分，以降低制成的粘接层的膨胀率。将粘接层原料放入第一共挤机之中，加热至熔融呈液态。

以HDPE、第二填充料、胶黏剂、抗老化剂和色母作为功能层原料，放入第二共挤机之中，加热至熔融呈液态，第二填充料以粉末态分散在该熔融液中。功能层的原料包括以下质量分数的组分：HDPE81.6％、第二填充料9.2％、胶黏剂1.8％、抗老化剂3.7％、色母3.7％。第二填充料包括1/3木粉、1/3钙粉和1/3滑石粉。胶黏剂为SBS。抗老化剂为二苯甲酮。

牵引机构将长杆铝合金向前推进，在推进过程中，加热机构预热长杆铝合金，长杆铝合金进入模具组件，由第一共挤机、第二共挤机依次在长杆铝合金上包覆粘接层和功能层，冷却机构对粘接层和功能层进行冷却，得到塑包金属型材。粘接层的厚度为0.20mm、功能层的厚度为0.77mm。

对比例2

本对比例采用和实施例1基本相同的技术方案，制备一种塑包金属型材，唯一区别在于本对比例的粘接层的厚度为0.10mm。

对比例3

本对比例采用和实施例1基本相同的技术方案，制备一种塑包金属型材，唯一区别在于本对比例的粘接层的厚度为0.5mm。

对比例4

本对比例采用和实施例1基本相同的技术方案，制备一种塑包金属型材，也以马来酸酐接枝聚乙烯作为粘接层原料，唯一区别在于本对比例的马来酸酐接枝聚乙烯的接枝率为2.5％。

对比例5

本对比例采用和实施例1基本相同的技术方案，制备一种塑包金属型材，唯一区别在于本对比例所使用的粘接层原料为螺纹胶。

对比例6

本对比例采用和实施例1基本相同的技术方案，制备一种塑包金属型材，唯一区别在于本对比例的缓冲层原料使用的助剂为乙烯-丙烯酸共聚物。

试验例1

将实施例1-3和对比例1-6制备的塑包金属型材进行如下表1的测试。

表1塑包金属型材性能试验

其中，表1中户外暴晒、高低温循环、煮水和剥离强度测试均是使用未测试过的新材料进行测试。

表1中的剥离强度测试的是试验品未经过其他测试的初期剥离强度，无缓冲层的试验品则是测试功能层的剥离强度，其余是测试一体化的功能层和缓冲层的剥离强度。

从表1的结果可以看出，实施例1-3制备的塑包金属型材具有良好的耐强光照性能、耐高低温冲击性能，耐水煮，剥离强度大，图2为实施例1试验品在户外暴晒后的图像，显示其外端无明显变化，无开胶，无缓冲层和功能层的收缩现象。实施例1-3制备的塑包金属型材可以在户外长期使用而保持有效性。图3为实施例2的试验品在高低温循环测试后的外观图像，显示其没有出现缓冲层和功能层的收缩现象。需要说明的是，缓冲层和功能层的收缩现象主要体现在试验品端头处，检验是否出现金属芯材裸露现象，出现端头金属裸露则表明缓冲层和功能层有明显收缩，未现端头金属裸露则表明缓冲层和功能层的无明显收缩。

相比而言，对比例1的试验品没有缓冲层，强光照、高低温冲击条件下容易开胶，在户外使用寿命短，其剥离强度小也使得其易开胶，功能层容易出现收缩现象，图4为对比例1的试验品在户外暴晒测试后四面开胶，功能层被手动轻易剥离的现象。图5为对比例1的试验品经过高低温测试后，端部位置出现功能层收缩的现象，侧视可见金属芯材裸露。图6为对比例1的试验品经过煮水试验后，端部位置出现功能层收缩的现象，侧视可见金属芯材裸露。对比例2的试验品粘接层厚度过小，易开胶，剥离强度略小于实施例1-3的试验品。对比例3的试验品粘接层厚度过大，也导致其易开胶。对比例4的马来酸酐接枝聚乙烯的接枝率为2.5％过高，胶层的熔体破裂，无法形成连续相，导致粘接层易开胶。对比例5的试验品所使用的粘接层原料为螺纹胶，其应用在本方案的塑包金属型材中，易开胶，剥离强度若，表明其和缓冲层的粘结力较小。对比例6的试验品的缓冲层原料使用的助剂为乙烯-丙烯酸共聚物，经过户外暴晒和高低温循环试验后，缓冲层有轻微龟裂现象，这是乙烯-丙烯酸共聚物作为助剂，相比于氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物，没有明显提升缓冲层的耐热、抗氧化性能。

试验例2

参照实施例1的制备方法，单独制备缓冲层材料和功能层材料，再测试缓冲层材料和功能层材料的硬度，具体如下。

制备缓冲层材料：以回收的HDPE、回收的LDPE、第一填充料、润滑剂和助剂作为缓冲层原料，加热至熔融呈液态，第一填充料以粉末态分散在该熔融液中。其中，缓冲层原料所投入各成分的质量百分比为：HDPE50％、LDPE20％、第一填充料26％、润滑剂2％、助剂2％。助剂为氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物。第一填充料包括1/3木粉、1/3钙粉和1/3滑石粉。润滑剂为硅油。

制备功能层材料：以HDPE、第二填充料、胶黏剂、抗老化剂和色母作为功能层原料，加热至熔融呈液态，第二填充料以粉末态分散在该熔融液中。功能层的原料包括以下质量分数的组分：HDPE81.6％、第二填充料9.2％、胶黏剂1.8％、抗老化剂3.7％、色母3.7％。第二填充料包括1/3木粉、1/3钙粉和1/3滑石粉。胶黏剂为SBS。抗老化剂为二苯甲酮。

硬度测试：缓冲层的布氏硬度为54.2MPa，功能层的布氏硬度为63.7MPa。缓冲层的布氏硬度小于功能层的布氏硬度。

综合以上实施例和对比例，实施例使用四层包覆结构，铝合金作为基材层，包覆一层粘接层，再包覆一层缓冲层，最外面包覆一层功能层，相比无缓冲层的塑包铝型材，增加一层缓冲层，有以下优点：从挤出工艺上，有利于型材定位，这是由于几米长度的铝合金推进时，距离中心位置稍有偏差，就会导致外层包覆厚薄不均匀，甚至缺料，缓冲层可以覆盖铝合金在长度方向的微偏向和微弯曲形变，有助于铝型材的对中，降低功能层厚薄不均、缺料等现象；若产生不良品，可通过打磨等方式处理进行二次利用；显著降低了热胀冷缩效应对粘接层的影响，提高粘接有效性；中间缓冲层可以使用多种回收塑料、木粉等制备，高材料成本的功能层的厚度可以设计的比较薄，从而降低产品成本；提高了产品的抗冲击性，能减少碰撞伤害，具有更优良的隔热保温功能。

铝合金化学性质活泼，容易被氧化。以上实施例对长杆铝合金表面包覆粘接层、缓冲层和功能层，对铝合金起到保护作用，不仅可以提高型材的耐腐蚀性能，还可以提高其耐热性能，同时可以美化型材表面，使产品更具美感，提升其商业价值。

以上仅是本申请的一些实施例，本申请的保护范围并不局限于上述实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创意设计前提下的若干改进和润饰，也应落入本申请的保护范围。