CN101029418B - 一种活性非木质植物纤维及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

一种活性非木质植物纤维是由玉米、小稻、小麦等农作物秸秆和棉、麻、芦苇等经济作物秸秆以及核桃壳、甘蔗渣、甜菜渣和篾白等经搓揉、塑化和包覆处理得到的改性非木质植物纤维。先用农用搓揉机直接搓揉成丝状物料，然后丝状物质在含氢氧化钠和硅酸钠的塑化液中于100～130℃下蒸煮1～2小时，得到塑化物料，最后将塑化物料同改性非金属矿粉、硬脂酸和硅油在100～130℃下高速搅拌15～45分钟进行包覆处理，干燥后便得到目标产物。本产品具有良好的塑性，可挤出造粒形成独立的产品，同时又与热塑性树脂有良好的相容性，可完全替代木粉加工木塑复合材料。本方法无三废排放，是对环境友好的绿色工艺。

Description

一种活性非木质植物纤维及其制备方法和用途

一、技术领域

本发明涉及一种材料及其加工方法，特别涉及一种改性的天然材料及其改性方法，确切地说是一种活性非木质植物纤维及其制备方法和用途。

二、背景技术

木塑复合材料是将废旧木材、林业废弃物、锯末、农作物秸秆、稻壳、花生壳、甘蔗渣等粉碎后(通常称木粉)与废旧塑料(大多为热塑性塑料)按一定比例混合在特定的助剂和其他添加剂的作用下经熔融共混、挤出成型得到的结构型材。

木粉的本质是植物纤维类天然高分子，包括木质植物纤维和非木质植物纤维，前者主要是木质素，后者主要是由纤维素、半纤维素和木质素等复合的植物纤维。天然高分子其表面多羟基结构、亲水性强，而合成高分子亲油性强，为解决两者的相容性问题需要使用特定的助剂(亦称相容剂、活化剂等)。木塑复合材料大多是将木粉、塑料、特定助剂和其他添加剂等一道混合共熔加工，如CN 1445285A、CN 1464009A、CN 1482166A、CN 1648158A、CN1740234A等公开的加工木塑复合材料的方法。也有的先将木粉活化，然后与塑料、添加剂等混合加工，如CN 1603088A公开的，先将木粉与活化剂于混炼机中活化后再与塑料、添加剂等混合加工木塑复合材料。

开发非木质植物纤维以替代木质植物纤维对保护林业资源、保护生态和环境具有重大的现实意义。

三、发明内容

本发明提供的活化非木质植物纤维旨在完全替代木质植物纤维加工性能优良的木塑复合材料，所要解决的技术问题是提高其与热塑性塑料的亲和性和相容性。

本发明所称的非木质植物纤维来自棉花秸秆、麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆、核桃外壳、甘蔗渣、甜菜渣、芦苇秸秆、麻秸秆、篾白等，篾白指竹编废弃物。

本发明所称的活性非木质植物纤维是指将上述农作物秸秆或经济作物秸秆(下简称作物秸秆)或废渣经搓揉、塑化和包覆处理得到的一种改性非木质植物纤维。

活性非木质植物纤维的制备方法，以上述作物秸秆或废渣为原料，包括搓揉、塑化和包覆，所述的搓揉就是用农用搓揉机对原料进行搓揉，得到蓬松的丝状物料，与现有技术的区别在于：对搓揉后的丝状物料依次进行塑化和包覆处理。

所谓塑化处理就是将丝状物料与塑化液按重量比1∶1～2混合均匀后于100～130℃条件下蒸煮1～2小时，冷却后得到干爽、松散的塑化物料。所述的塑化液为100份(重量份，下同)水中含1.5～8份氢氧化钠和0.15～8份硅酸钠。优选100份水中含3～5份氢氧化钠和0.5～5份硅酸钠。塑化液中还可加入5～50份过氧化氢或臭氧水(100份水中)，对物料有氧化漂白作用。当塑化液中加入0.2～5份表面活性剂特别是渗透性强的表面活性剂(100份水中)时，有促进塑化作用。表面活性剂优选0.5～5份烷基苯磺酸钠。

所谓包覆处理就是将塑化物料与改性非金属矿粉、硬脂酸和硅油或者液体石蜡按重量比1∶0.02～0.2∶0.01～0.05∶0.01～0.05比例混合后在100～130℃条件下通过高速搅拌15～45分钟实现包覆，包覆处理后经干燥便得到蓬松的纤维绒状改性非木质植物纤维。

所述的非金属矿粉选自凹凸棒土粉或/和高岭土粉或/和膨润土粉或/和滑石粉等，优选滑石粉或/和凹凸棒土粉。对其进行如下改性，将非金属矿粉和硅油和硅烷偶联剂按重量比1∶0.01～0.05∶0.01～0.05比例混合后，于100～130℃时高速搅拌15～45分钟，冷却后便得到改性非金属矿粉。实验表明，非金属矿粉愈细包覆效果愈好，以细度≥600目的超细粉为佳。

本活性非木质植物纤维的用途就是在制备木塑复合材料中的应用。

在本发明中，作物秸秆或废渣全部利用，无需切段或粉碎，直接搓揉就可以得到长2～20mm的丝状物料。植物纤维经碱性塑化处理，一方面疏松了纤维并嵌入硅酸钠，同时部分被水解变成纤维素，而纤维素本身也是一种表面活性剂，再经硅油或者液体石蜡和改性非金属矿粉的双有机包覆表面处理在其表面引入亲脂基团，使改性的非木质植物纤维本身既获得了良好的塑料，同热塑性树脂一样可以挤出造粒，形成独立的产品，又获得了亲脂性，同热塑性塑料有极佳的相容性，可完全取代木材制备的木粉加工出性能优异的木塑复合材料。

由于塑化液在塑化处理时被完全吸收，所以整个工艺过程中无三废排放，是对环境友好的绿色工艺。

四、具体实施方式

1、塑化液的制备

(1)取氢氧化钠1.5份、2.5份、3.0份、3.5份、4.0份、4.5份、5.0份、6.0份、7.0份、8.0份，备用。

(2)取水玻璃0.15份、0.2份、0.3份、0.4份、0.5份、0.6份、0.7份、0.8份、1份、2份、3份、5份、7份、8份，备用。

(3)取(1)中任一份氢氧化钠和(2)中任一份水玻璃溶于100份水中，得到系列塑化液A。备用。

(4)在塑化液A中加双氧水10份或15份或20份或25份或30份或35份或40份或45份或50份，得到系列塑化液B。备用。

(5)在塑化液B中加入烷基苯磺酸钠0.25份或0.5份或1份或2份或3份或4份或5份，得到系列塑化液C。备用。

2、改性非金属矿粉的制备

取硅油(二甲基硅油或二乙基硅油等)和硅烷偶联剂(乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷或乙烯基三氯硅烷或乙烯基三乙氧基硅烷等)各1.5份、2份、2.5份、3份、3.5份、4份、4.5份、5份；将上述任一份硅油和任一份偶联剂加入100份非金属矿粉或超细非金属矿粉比如滑石粉或/和凹凸棒土粉或/和膨润土粉或/和高岭土粉等中混合均匀，投入高速混合机内，于100～130℃条件高速搅拌30分钟，冷却，即得系列改性非金属矿粉。备用。

3、活性非木质植物纤维的制备

(1)搓揉：将作物秸秆或废渣直接用农用搓揉机进行搓揉，得到长2～20mm蓬松的丝状物料。

(2)塑化：将100～200份范围内任一份数的塑化液A或B或C投入通用回旋蒸煮釜中，再加入100份搓揉后的丝状物料，升温，于100～130℃条件下回旋蒸煮2小时，冷却，出料，得到干爽、松散的塑化物料。含水率20％左右。

(3)包覆：取塑化物料100份，改性非金属矿粉3份、5份、7份、9份、12份、15份、17份中的任一份，硬脂酸1份、2份、3份、4份中的任一份，二甲基硅油或者液体石蜡1份、2份、3份、4份中的任一份，混合均匀后投入高速混合机内，于100～130℃条件下高速搅拌机搅拌30分钟，出料后干燥得到蓬松的纤维绒状改性非木质植物纤维，即活性非木质植物纤维。

(4)造粒：使用双螺杆造粒机，将包覆后的非木质植物纤维挤出造粒。

4、木塑复合材料的制备

取活性稻草纤维、活性麦草纤维和普通木粉与PE加工PE基木塑复合材料。为方便比较，PE使用燕化公司产HDPE 6100M，纤维掺入量均为50％Wt，公知的其他添加剂和用量也相同，加工过程如下：

(1)高速混合

高搅夹套预热至80℃，按设定配方准确计量，加入物料高速混合8min出料备用。

(2)试样制备

采用K160电加热双辊炼塑机，电加热炼塑机前后辊筒预热至：180±5℃；加入混好的物料，塑化翻炼均匀(时间控制在10min左右)；趁热压制制成4mm厚的板材，再裁切成标准试样待检测。

5、性能比较(见下表)

表中所示，改性草纤维较之普通木粉综合性能略优，由此可见本活性非木质植物纤维可完全替代木粉加工木塑复合材料。

Claims (7)

1.一种活性非木质植物纤维的制备方法，是以作物秸杆或废渣为原料，包括搓揉、塑化和包覆，其特征在于：对搓揉后的丝状物料依次进行塑化和包覆处理，塑化处理就是将丝状物料与塑化液按重量比1∶1～2混合均匀后于100～130℃条件下蒸煮1～2小时，所述的塑化液为100重量份水中含1.5～8重量份氢氧化钠和0.15～8重量份硅酸钠；包覆处理就是将塑化物料与改性非金属矿粉、硬脂酸和硅油或者液体石蜡按重量比1∶0.02～0.2∶0.01～0.05∶0.01～0.05比例混合、并在100～130℃条件下高速搅拌15～45分钟后干燥便得到活性非木质植物纤维，所述的改性非金属矿粉是将非金属矿粉、硅油和硅烷偶联剂按重量比1∶0.01～0.05∶0.01～0.05比例混合后于100～130℃时高速搅拌15～45分钟。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的塑化液为100重量份水中含3～5重量份氢氧化钠和0.5～5重量份硅酸钠。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：塑化液中含5～50重量份过氧化氢或臭氧水。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：塑化液中含0.2～5重量份表面活性剂。

5.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于：塑化液中含0.5～5重量份烷基苯磺酸钠。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的非金属矿粉选自凸凹棒土粉或/和高岭土粉或/和膨润土粉或/和滑石粉。

7.根据权利要求1或6所述的制备方法，其特征在于：所述的非金属矿粉为滑石粉。