一种风电叶片回收物增强木塑复合材料的制备方法及制品

技术领域

本发明属于复合材料制造技术领域，涉及一种风电叶片回收物增强木塑复合材料的制备方法及制品，具体涉及一种废弃风电叶片增强聚烯烃基木塑复合材料的制备方法及其制品。

背景技术

中国风电产业快速发展，即将面临大规模风电叶片退役的挑战，而废弃风电叶片的无害化处理、高值化利用和资源化利用已成为风电行业可持续发展的关键问题。目前，退役风电叶片的主要成分为环氧树脂和玻璃纤维，同时还含有少量的金属、巴沙木和泡沫等材料。然而，由于环氧树脂是一种热固性材料，难以实现回收和反复利用。在全球范围内，主要的废弃风电叶片回收利用技术包括物理回收、热回收和化学回收。热回收设备成本高，容易产生有毒有害的废气；化学回收能耗高，溶剂使用量大。因此，这些技术很难实现产业化，而物理回收则具有更大的产业化潜力。然而，由于回收工艺的限制，目前通过切割、粉碎、研磨等方法只能得到固化的环氧树脂粉末和含有已固化环氧树脂的玻璃纤维短纤(纯度60-90％)，所得材料往往只能用于低价值的材料。这限制了回收材料的应用领域和性能，极大的影响了废弃风电叶片如何实现无害化和高值化的利用，对风电行业可持续发展具有重大影响。

另一方面，聚烯烃作为一种通用塑料，在日常生活中广泛使用。为了提高聚烯烃的强度，通常在塑料中添加玻璃纤维。然而，回收的风电叶片中的纤维成分不纯，机械回收过程中材料存在很多缺陷，这导致回收纤维对聚烯烃的增强效果不佳，进而阻碍了其产业化应用。因此，如何对废弃风电叶片进行材料改性和工艺改进，从而大幅提高复合材料的性能，并将其应用于更高端领域，成为废弃风电叶片能否实现高值化应用的关键问题。

木塑复合材料是一种利用废弃的热塑性塑料、生物质纤维以及多种助剂通过挤出、注塑、热压等工艺制备而成的创新材料。其主要应用于室内外装饰、园林景观等领域。由于木塑复合材料的售价和附加值都相对较高，因此废弃风电叶片在木塑复合材料领域的高值化利用被认为是其中的潜在途径之一。然而，由于废弃风电叶片回收的纤维成分不纯，机械回收过程中材料存在许多缺陷，对木塑复合材料的增强效果不明显。此外，由于回收过程的成本高于现有木塑复合材料配方体系，这给产业化带来了不利影响。因此，如何对废弃风电叶片进行材料改性和工艺改进，从而大大提高木塑复合材料的强度，使其能够应用于更高端的领域，这将成为废弃风电叶片能否在木塑复合材料高值化应用中的关键问题。

现有技术中缺乏相关的技术作为参考，有必要提出一种新的技术方案，以解决废弃风电叶片在木塑复合材料领域资源化利用的问题，并为风电行业、木塑复合材料行业的可持续发展做出贡献。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供克服现有材料缺陷、工艺更加合理、制品性能更优、能有效利用风电叶片回收纤维的一种废弃风电叶片增强聚烯烃基木塑及其制备方法。

本发明所采取的技术方案是：一种风电叶片回收物增强木塑复合材料的制备方法，具有以下步骤：S1：对风电叶片回收树脂通过粉体用低温等离子处理机进行低温等离子处理工艺改性，制得改性的风电叶片回收树脂；S2：将风电叶片回收纤维与聚烯烃复合，经造粒工艺制得风电叶片回收纤维增强聚烯烃母粒；S3：将经步骤S1制得的所述改性的风电叶片回收树脂和经步骤S2制得的所述风电叶片回收纤维增强聚烯烃母粒，与聚烯烃和/或马来酸酐接枝聚烯烃、生物质纤维及抗氧剂、抗老化剂、抗紫外线剂、碳酸钙、润滑剂、颜料中一种或几种进行混合，助剂进行混合、造粒、挤出成型，制得废弃风电叶片回收纤维增强聚烯烃基木塑复合材料。

作为上述方法的进一步改进，所述步骤S1中所述风电叶片回收树脂由废弃风电叶片经过切割、粉碎、研磨、筛分等机械加工而成，主要成分为已固化的环氧树脂；步骤S2中所述聚烯烃为PE、PP中的一种或两种；步骤S3中所述马来酸酐接枝聚烯烃为MAPE、MAPP中的一种或两种；步骤S3中所述生物质纤维为木材加工剩余物纤维、竹纤维、秸秆纤维中的一种或多种。

作为上述方法的进一步改进，所述步骤S2中的造粒工艺中，在造粒装置的机筒上设置一台或多台超声波装置，和/或在步骤S3中的挤出成型环节中，在挤出装置的机筒上设置一台或多台超声波装置。

作为上述方法的进一步改进，所述步骤S2中制备所述风电叶片回收纤维增强聚烯烃母粒，具有以下步骤：

S2.1：对风电叶片回收纤维进行低温等离子处理工艺改性，得到物料A；

S2.2：将无水乙醇与蒸馏水配成溶液B，在溶液B中加入硅烷偶联剂，制得溶液C；

S2.3：将所述物料A置于所述溶液C中，使所述物料A浸泡于所述溶液C，并经陈放工艺处理；

S2.4：将经步骤S2.3处理后的物料进一步置于干燥设备中烘干得到物料D；

S2.5：对所述物料D进行低温等离子处理工艺改性，得到物料E；

S2.6：将DCP置于丙酮溶液中进行溶解，得到溶液F；

S2.7：将所述溶液F喷洒在所述物料E中，搅拌均匀，得到物料G；

S2.8：将DCP、MAH溶解在丙酮溶液中，得到溶液H；

S2.9：将所述溶液H喷洒在聚烯烃中，搅拌均匀，得到物料I；

S2.10：以所述物料G和所述物料I经造粒机造粒，得到风电叶片回收纤维增强聚烯烃母粒。

作为上述方法的进一步改进，所述步骤S2.1中所述风电叶片回收纤维为废弃风电叶片的机械加工回收产物，所述机械加工包括切割步骤、撕扯步骤、冲击步骤、挤压步骤、锤击步骤、研磨步骤、筛分步骤中的一种或几种。

作为上述方法的进一步改进，所述步骤S2.1中所述风电叶片回收纤维包括质量份数60-90份的玻璃纤维、质量份数10-40份的已固化环氧树脂粉末，且所述环氧树脂粉末无规则分布附着在所述玻璃纤维表面。

作为上述方法的进一步改进，所述步骤S2.2中所述硅烷偶联剂为带氨基官能团或乙烯基官能团的硅烷偶联剂中的一种或几种。

作为上述方法的进一步改进，所述硅烷偶联剂为KH550硅烷偶联剂和/或KH151硅烷偶联剂。

作为上述方法的进一步改进，所述步骤S2.7的溶液F中含有的DCP质量与物料E的质量比小于1：100；所述步骤S2.9的溶液H中含有的DCP质量与聚烯烃的质量比在1：1000至1：100范围内；所述步骤S2.9的溶液H中含有的MAH质量与聚烯烃的质量比在1：200至1：20之间。

本发明还提供了一种风电叶片回收物增强木塑复合材料制品的技术方案，其采用采用了上述技术方案中的任意一种方法制得木塑复合材料制品。

作为上述制品的进一步改进，所述制品原料中回收树脂的重量份数为5-20份；风电叶片回收纤维增强聚烯烃母粒的重量份数为：5-30份；聚烯烃的重量份数为：0-30份；马来酸酐接枝聚烯烃的重量份数为：3-15份；生物质纤维的重量份数为：20-60份；其他助剂的重量份数为2-20份。

本发明的有益效果是：

1、废弃风电叶片的回收过程中，主要产生回收纤维和回收树脂两种回收物。然而，要实现这些回收物的产业化、高值化利用却具有较高难度，且难以回收的机理未被相关学术研究充分揭示和披露。目前使用玻璃纤维增强木塑的效果并不明显，其中一个主要原因就是在将玻璃纤维、生物质纤维、聚烯烃等多种材料混合后再进行造粒挤出的方法中由于生物质纤维的存在，部分玻璃纤维不完全浸润聚烯烃，导致增强性能受到影响。而本发明基于发明人在木塑复合材料纤维增强领域科学研究中的探索和发现，为了充分发挥回收纤维的增强作用，采用改进现有的增强母粒制备工艺的方法作为着手点，在制备增强母粒时，探索更优的纤维分散技术，以确保玻璃纤维能够充分与聚烯烃相互渗透，从而提高增强效果。并基于发明人的研究，开发了新的材料配方体系，优化玻璃纤维与生物质纤维以及聚烯烃等材料的配比和相容性，使其更好地融合在一起，发挥了互补的优势。先将难以利用的废弃风电叶片回收纤维制备成增强母粒，可使其在聚烯烃树脂中分散均匀，实现了对回收纤维和回收树脂更好地利用，也有利于提高木塑复合材料的整体性能和使用价值。顺利解决了废弃风电叶片回收玻璃纤维增强木塑复合材料效果不明显的问题，推动了废弃风电叶片的高值化应用。

2、环氧树脂在固化过程中，由于大量的羟基、环氧基等活性基团的参与反应，已固化的环氧树脂的活性基团较少。为了实现已固化的环氧树脂与聚烯烃之间的良好界面结合，本发明通过对回收纤维进行低温等离子体处理的方法，能够使附着在回收纤维上的环氧树脂表面增加大量的羟基、羰基、羧基等活性基团。这些活性基团能够与硅烷偶联剂、马来酸酐接枝聚烯烃发生化学反应或氢键结合，同时，环氧树脂表面会被刻蚀形成凹槽，从而增加比表面积，进一步提高附着力。

3、在木塑造粒工艺中，通过使用超声波振动，物料的运动加剧，从而增加了微观接触机会。这使得增强母粒中的马来酸酐基团与木粉、回收树脂中的羟基能够更充分地发生反应，从而改善了它们之间的界面相容性，可以有效地提升木塑复合材料的强度和性能。此外，超声波振动还有助于回收纤维的分散，避免团聚现象的发生。通过超声波振动的引入，材料在造粒过程中的运动更加激烈，各组分之间发生更多的接触提高了反应的效率。同时，超声波振动还能够有效地解决回收纤维的分散问题。通过超声波振动的作用，避免了制备过程中回收纤维容易产生的团聚现象，提高了材料的均匀性和品质，进一步提升了材料的性能和可用性。

4、进一步，经过造粒工艺，木塑各组分活性基团并非100％发生反应，因此在木塑挤出工艺中继续使用超声波振动，可进一步增加活性基团反应机率，使得反应更充分，界面相容性更好。而且超声波振动有利于回收纤维的分散，避免在强剪切螺杆作用下回收纤维发生团聚。

5、在回收废弃风电叶片的过程中，经过粉碎、研磨等机械作用，部分环氧树脂从玻璃纤维表面剥落，另一些环氧树脂虽然粘附在玻璃纤维表面，但机械作用导致了严重的界面损伤和连接弱点的出现，这些情况会极大的导致制备的复合材料存在更多缺陷，并且其力学性能会下降，现有纤维回收和再利用技术领域尚缺乏有效的方法破解这一难题。而本发明可以有效地增强回收纤维与复合材料基质之间的粘合力，从而提高复合材料的结构强度和耐久性，有助于克服回收过程中出现的界面损伤和连接弱点问题，有助于制备更加高性能的复合材料。

6、本发明中利用KH550和/或KH151偶联剂来处理废弃风电叶片的回收纤维后，偶联剂会在水解过程中生成硅醇，然后与回收纤维的玻璃纤维和已固化环氧树脂表面的羟基发生反应，形成硅氧共价键。通过这样的处理，一方面可以改善玻璃纤维和已固化环氧树脂之间的界面结合；另一方面，KH550硅烷偶联剂中的氨基可以与聚烯烃分子链上的马来酸酐基团反应，而KH151偶联剂中的乙烯基在DCP作用下，可以与聚烯烃分子链进行自由基聚合反应，这些反应能够进一步改善玻璃纤维、已固化环氧树脂和聚烯烃之间的界面结合，提高复合材料的性能。

7、经过硅烷偶联剂处理后，回收纤维上的环氧树脂的大部分羟基已经与硅烷偶联剂发生了反应。为了进一步改善材料的界面性能，本发明的设置多个低温等离子体处理的步骤。这样的处理可以在环氧树脂表面引入更多的羟基、羧基等活性基团，从而增加与马来酸酐接枝聚烯烃发生化学反应的机会和概率。通过这一处理方法，本发明能够使回收纤维与复合材料基质之间的化学反应更加充分，进一步增大回收纤维与聚合物基体之间的化学互作用概率，增强其界面结合能力，提高界面的粘结强度和稳定性。

8、为了确保KH151中的乙烯基能够与聚烯烃快速发生化学反应，本发明充分考虑物料I中DCP的过早因原位接枝反应而消耗殆尽问题。通过在物料E中添加适量的DCP，使之产生更多的自由基，以确保KH151中的乙烯基与聚烯烃有效结合，本发明通过这一举措能够提高反应效率，并增加产品的界面结合。

9、本发明通过DCP和MAH的原位接枝反应，使得聚烯烃表面接枝了马来酸酐基团。

10、通常认为超声波对复合材料的制备过程影响不明显，但在本发明中在造粒机主喂料口到侧喂料机之间设置的超声波装置可以起到改进聚烯烃化学反应过程的作用，超声波的振动作用下，自由基含量得到增加，促进了聚烯烃分子链的运动。这样一来，在本发明的影响下更多的马来酸酐(MAH)可以成功接枝到聚烯烃分子链上，从而提高了原位接枝率。

11、本发明在侧喂料机到造粒机口模之间设置了超声波装置，超声波振动提高了自由基含量，加快聚烯烃分子链运动，使得KH151偶联剂上的乙烯基功能团和聚烯烃发生更多的共价键结合，KH550的氨基功能团和原位接枝聚烯烃上的马来酸酐基团发生反应概率提高，形成更多的酰胺共价键，导致环氧树脂、玻璃纤维和聚烯烃分子链的反应接触点大大增加，从而大大提高了上述三种组分的界面相容性。此外超声波振动有助于玻璃纤维的分散，减少玻璃纤维团聚的概率，从而更能发挥纤维增强热塑性树脂的功能。

综上，通过低温等离子体和硅烷偶联剂改性处理，使得风电叶片回收纤维中的活性基团大幅增加，通过原位接枝改性和超声波振动，使得风电叶片回收纤维中的玻璃纤维、已固化环氧树脂和聚烯烃相互的界面相容性大大提高，改善了回收纤维在聚烯烃中的分散性，从而制备了风电叶片回收纤维增强聚烯烃母粒，使得回收的废弃风电叶片能得到高值化利用。通过对风电叶片回收树脂进行低温等离子体处理，并在木塑的造粒、挤出设备上增加超声波装置，大大提高木塑复合材料的力学性能，拓宽了木塑应用领域，使得回收的废弃风电叶片能得到高值化利用。

附图说明

图1是本发明一种风电叶片回收物增强木塑复合材料的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例作简单说明。显然，所描述的只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据流程示意图获得其他设计方案。

一种风电叶片回收物增强木塑复合材料的制备方法，S1：对风电叶片回收树脂通过粉体用低温等离子处理机进行低温等离子处理工艺改性，制得改性的风电叶片回收树脂；S2：将风电叶片回收纤维与聚烯烃复合，经造粒工艺制得风电叶片回收纤维增强聚烯烃母粒；S3：将经步骤S1制得的所述改性的风电叶片回收树脂和经步骤S2制得的所述风电叶片回收纤维增强聚烯烃母粒，与聚烯烃和/或马来酸酐接枝聚烯烃、生物质纤维及其他助剂进行混合、造粒、挤出成型，制得废弃风电叶片回收纤维增强聚烯烃基木塑复合材料。该实施方式的有益效果是：环氧树脂在固化的时候由于大量的羟基、环氧基等活性基团参与反应，故已固化的环氧树脂活性基团较少。为了能让已固化的环氧树脂和聚烯烃形成良好的界面结合，通过对回收物进行低温等离子体处理，从而使得已固化环氧树脂表面增加大量羟基等活性基团，可与硅烷偶联剂、马来酸酐接枝聚烯烃发生化学反应，同时已固化环氧树脂表面被刻蚀形成凹槽，增加比表面积，提高附着力，进而制备性能更高的木塑复合材料。

作为上述方法的进一步改进，所述步骤S1中所述风电叶片回收树脂由废弃风电叶片经过切割、粉碎、研磨、筛分等机械加工而成，主要成分为已固化的环氧树脂；步骤S2中所述聚烯烃为PE、PP中的一种或两种；步骤S3中所述马来酸酐接枝聚烯烃为MAPE、MAPP中的一种或两种；步骤S3中所述生物质纤维为木材加工剩余物纤维、竹纤维、秸秆纤维中的一种或多种；步骤S3中所述其他助剂为抗氧剂、抗紫外线剂、碳酸钙、滑石粉、颜料、润滑剂的一种或多种。该实施方式的有益效果是：开发了新的材料配方体系，优化玻璃纤维与生物质纤维以及聚烯烃等材料的配比和相容性，使其更好地融合在一起，发挥了互补的优势。

作为上述方法的进一步改进，所述步骤S2中的造粒工艺中，在造粒装置的机筒上设置一台或多台超声波装置，或在步骤S3中的挤出成型环节中，在挤出装置的机筒上设置一台或多台超声波装置。该实施方式的有益效果是：设置超声波装置后超声波振动提高了自由基含量，加快聚烯烃分子链的运动，使得更多的MAH接枝到聚烯烃分子链上，提高原位接枝率。还可以防止马来酸酐和聚烯烃物料的DCP引发剂提前消耗掉，以更好促进回收纤维里的DCP分解，引发KH151乙烯基聚烯烃反应。

作为上述方法的进一步改进，所述步骤S2中制备所述风电叶片回收纤维增强聚烯烃母粒，具有以下步骤：S2.1：对风电叶片回收纤维进行低温等离子处理工艺改性，得到物料A；S2.2：将无水乙醇与蒸馏水配成溶液B，在溶液B中加入硅烷偶联剂，制得溶液C；S2.3：将所述物料A置于所述溶液C中，使所述物料A浸泡于所述溶液C，并经陈放工艺处理；S2.4：将经步骤S3处理后的物料进一步置于干燥设备中烘干得到物料D；S2.5：对所述物料D进行低温等离子处理工艺改性，得到物料E；S2.6：将DCP置于丙酮溶液中进行溶解，得到溶液F；S2.7：将所述溶液F喷洒在所述物料E中，搅拌均匀，得到物料G；S2.8：将DCP、MAH溶解在丙酮溶液中，得到溶液H；S2.9：将所述溶液H喷洒在聚烯烃中，搅拌均匀，得到物料I；S2.10：以所述物料G和所述物料I经造粒机造粒，得到风电叶片回收纤维增强聚烯烃母粒。该实施方式的有益效果是：提供了一种更合理的复合材料制造工艺，有利于克服现有技术存在的固化的环氧树脂粉末和含有已固化环氧树脂的玻璃纤维短纤用于制备复合材料时性能不足的缺陷，可使复合的制品性能更优，提供了一种能有效利用风电叶片回收纤维的风电叶片回收纤维增强聚烯烃母粒，进而促使高性能的木塑复合材料顺利制备。

作为上述方法的进一步改进，所述步骤S2.1中所述风电叶片回收纤维为废弃风电叶片的机械加工回收产物，所述机械加工包括切割步骤、撕扯步骤、冲击步骤、挤压步骤、锤击步骤、研磨步骤和筛分步骤。该实施方式的有益效果是：通过以上步骤的机械加工，风机叶片的回收物可以被充分分解为树脂部分和纤维部分，更有利于高效利用和生产高品质的木塑复合材料。

作为上述方法的进一步改进，所述步骤S2.2中所述硅烷偶联剂为带氨基官能团或乙烯基官能团的硅烷偶联剂中的一种或几种，优选的所述硅烷偶联剂为KH550硅烷偶联剂和/或KH151硅烷偶联剂。该实施方式的有益效果是：在回收废弃风电叶片过程中，经过粉碎、研磨等机械作用，部分的环氧树脂从玻璃纤维表面剥落，还有部分环氧树脂虽然粘接在玻璃纤维表面，但机械作用使得环氧树脂和玻璃纤维界面的损伤严重，连接弱点较多。这会导致制备的复合材料缺陷增多，力学性能下降。回收纤维经过硅烷偶联剂处理后，其上的环氧树脂大部分羟基和硅烷偶联剂反应了。再次低温等离子体处理，是为了在环氧树脂表面增加羟基、羧基等活性基团，从而增大与马来酸酐接枝聚烯烃发生化学反应的概率。KH550和KH151偶联剂水解成硅醇，与废弃风电叶片回收纤维的玻璃纤维和环氧树脂表面的羟基发生反应，形成硅氧共价键，一方面可改善玻璃纤维和环氧树脂的界面结合，另一方面KH550硅烷偶联剂的氨基可以和聚烯烃分子链上的马来酸酐基团反应，KH151偶联剂的乙烯基可以和聚烯烃发生反应，从而改善玻璃纤维、环氧树脂和聚烯烃的界面结合。

作为上述方法的进一步改进，所述步骤S2.7 DCP占物料E的质量分数为0.1％-1％。该实施方式的有益效果是：物料I先发生原位接枝反应，物料I中的DCP可能过早被消耗掉，而在物料E中加入DCP，产生自由基，可确保KH151的乙烯基能和聚烯烃发生化学反应。

作为上述方法的进一步改进，所述步骤S2.9的溶液H中DCP占聚烯烃的质量分数为0.1％-1％，MAH占聚烯烃的质量分数为0.5％-5％，所述聚烯烃为PE、PP的一种或两种。该实施方式的有益效果是：通过DCP和MAH的原位接枝反应，使得聚烯烃表面接枝了马来酸酐基团。

一种风电叶片回收物增强木塑复合材料制品，采用上述任一所述方法，且制品原料中回收树脂的重量份数为5-20份；风电叶片回收纤维增强聚烯烃母粒的重量份数为：5-30份；聚烯烃的重量份数为：0-30份；马来酸酐接枝聚烯烃的重量份数为：3-15份；生物质纤维的重量份数为：20-60份；其他助剂的重量份数为2-20份。

本发明通过低温等离子体和硅烷偶联剂改性处理，使得风电叶片回收纤维中的活性基团大幅增加，通过原位接枝改性和超声波振动，使得风电叶片回收纤维中的玻璃纤维、已固化环氧树脂和聚烯烃相互的界面相容性大大提高，改善了回收纤维在聚烯烃中的分散性，从而制备了风电叶片回收纤维增强聚烯烃母粒。通过对风电叶片回收树脂进行低温等离子体处理，并在木塑的造粒、挤出设备上增加超声波装置，大大提高木塑复合材料的力学性能，拓宽了木塑应用领域，也使得回收的废弃风电叶片能得到高值化利用。