CN101725032A

CN101725032A - 一种植物纤维的微波改性方法及其应用

Info

Publication number: CN101725032A
Application number: CN200910214059A
Authority: CN
Inventors: 敖宁建; 邓华
Original assignee: Jinan University
Current assignee: Jinan University
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2010-06-09

Abstract

本发明公开了一种植物纤维的微波改性方法及用途，是先粉碎植物纤维，然后采用偶联剂预处理粉碎后的植物纤维，再采用微波辐射处理预处理后的植物纤维，使偶联剂接枝在植物纤维表面，得到微波改性后的植物纤维；微波改性后的植物纤维可以作为复合材料填料应用于高分子材料领域。本发明的改性方法对环境友好无污染，生产成本低，经济效益显著；而且微波改性处理后的植物纤维，其极性变化明显，非极性明显变大，与非极性高分子物的界面相容性显著提高，复合材料综合性能得到改善。

Description

一种植物纤维的微波改性方法及其应用

技术领域

本发明涉及植物纤维领域，特别涉及一种植物纤维的微波改性方法及其应用。

背景技术

植物纤维是地球上数量巨大的可再生性资源，具有价格低廉、密度小、弹性模量较高、生物降解性和可再生性好等优点。采用植物纤维与非极性高分子物复合制备复合材料，已成为材料领域的研究热点，许多产品已经上市应用。在国外，植物纤维填充和增强塑料已成为新型的绿色环保型复合材料，广泛应用于汽车工业、建筑业、运输业、航空业等领域。但是在我国，植物纤维大部分用于直接还田或掺入肥料发酵，利用率很低。

目前采用天然植物纤维制备高分子复合材料存在以下不足：(1)天然植物纤维原料，由于其细胞壁聚合物中的羟基具有亲水性，与非极性的高分子基材之间的结合较差，复合材料的性能也较差。界面技术是复合材料的关键技术之一，不同的纤维和基体之间有不同的界面，界面的性质决定纤维的性能。但是，目前已有的技术无法很好解决界面相容性问题，研究并建立经济实用、能充分发挥植物纤维性能的植物纤维表面处理技术，是植物纤维增强树脂基复合材料研究和推广的重点。(2)目前国内外采用的植物纤维碱化和酯化预处理、聚合物涂层等化学改性方式，以及热处理、放电处理、等离子体处理等物理加工方式都存在过程复杂、有废弃物产生、会对环境产生污染等缺陷；并且采用这些方法处理后的植物纤维的热稳定性较差，与高分子挤出成型时会出现材料(制品)变黑和气泡及挥发物逸出等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种环境友好、成本低、工艺简单的植物纤维的微波改性方法。

本发明的另一目的在于提供上述植物纤维作为复合材料填料应用于高分子材料领域的用途。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种植物纤维的微波改性方法，包括下述步骤：先粉碎植物纤维，然后采用偶联剂预处理粉碎后的植物纤维，再采用微波辐射处理预处理后的植物纤维，使偶联剂接枝在植物纤维表面，得到微波改性后的植物纤维。

所述植物纤维包括秸秆纤维、棉纤维、椰纤维、木纤维、竹纤维、草茎纤维、剑麻纤维、亚麻纤维、黄麻纤维、苎麻纤维、大麻纤维或甘蔗纤维。

所述粉碎，是将植物纤维粉碎为50～1500目的颗粒。粉碎的方式包括：机械式粉碎机(齿式粉碎机、锤式粉碎机、刀式粉碎机、涡轮式粉碎机、压磨式粉碎机和铣削式粉碎机)、气流粉碎机、研磨机(球磨机、乳钵研磨机、胶体磨)粉碎。

所述偶联剂包括铝酸酯偶联剂、锆酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂或改性氨基硅油。所述铝酸酯偶联剂优选二硬脂酰氧基异丙氧基铝酸酯、二硬脂酸铝酸异丙酯的复配物或异丙基二油酸酰氧基铝酸酯。所述锆酸酯偶联剂优选四正丙基锆酸酯、四(三乙醇胺)锆酸酯、乳酸钠锆、四正丁基锆酸酯或双(柠檬酸二乙酯)二丙氧基锆酸酯螯合物。所述钛酸酯偶联剂优选正钛酸四异丙酯、四-正-丁基钛酸酯、四-2-乙基己基钛酸酯、乙酰丙酮基钛酸酯、二油酰基二异辛脂磷酸酰氧基钛酸异丙酯、异丙基三(二辛基磷酸酰氧基)钛酸酯、异丙基三油酰氧基钛酸酯、异丙基三(十二烷基苯磺酰基)钛酸酯、三硬脂酸钛酸酯异丙酯、三硬脂酸钛酸酯异丙酯的复配物、异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯、双(二辛氧基焦磷酸酯基)乙撑钛酸酯、双(二辛氧基焦磷酸酯基)乙撑钛酸酯和三乙醇胺的螯合物溶液、四异丙基二(二辛基亚磷酸酰氧基)钛酸酯、异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯、双(乙酰丙酮)(二异丙基)钛酸酯、双(乙酰丙酮)(异丁氧基异丙氧基)钛酸酯、双(乙酰丙酮)(乙氧基异丙氧基)钛酸酯、二(三乙醇胺)钛酸二异丙酯、双(乙酰乙酸乙酯)钛酸二异丙酯、双(乙酰乙酸乙酯)钛酸二异丁酯、乳酸钛铵盐螯合物、2，2″，2″′-氮基三乙基钛酸酯三甘醇溶液或四(2-乙基-1，3-己二醇)钛酸酯。所述硅烷偶联剂优选长链烷基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、Y-氯丙基三乙氧基硅烷、双-[Y-(三乙氧基硅)丙基]四硫化物、N-(β-氨乙基)-Y-氨丙基三甲氧基硅烷、N-(β-氨乙基)-Y-氨丙基三乙氧基硅烷、N-(β-氨乙基)-Y-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、Y-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅、Y-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲基氧硅烷或Y-巯丙基三甲氧基硅烷。

铝酸酯偶联剂的质量为植物纤维质量的1％～3％，锆酸酯偶联剂的质量为植物纤维质量的0.5％～3％，钛酸酯偶联剂的质量为植物纤维质量的1％～3％，硅烷偶联剂的质量为植物纤维质量的0.5％～2％，改性氨基硅油的质量为植物纤维质量的2％～5％。

在偶联剂预处理植物纤维时，还可以加入溶剂。所述溶剂的用量为植物纤维质量的10％～15％；溶剂包括无水乙醇、丙酮或乙醚。

所述微波的频率为2450MHz，微波的功率为800～1050W，辐射处理的时间为4～15min。

所述微波改性后的植物纤维，可以作为复合材料填料应用于高分子材料领域，具体方法为：将微波改性后的植物纤维与非极性高分子物混合并搅拌均匀，然后热混合、挤出或热压、成型、脱模，制得含有改性植物纤维的高分子复合材料。

所述非极性高分子物包括不饱和聚酯树脂、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、天然橡胶、丁苯橡胶、乙丙橡胶或顺丁橡胶。

所述植物纤维与非极性高分子物的用量为每100重量份非极性高分子物中添加20～60重量份改性植物纤维。

在本发明中，天然植物纤维经微波辐射处理后，相对封闭的植物纤维出现微孔，内部物理结构通道得以改善，从而在实现结构优化的同时，不明显改变植物纤维原有组成性质，而且使木质素与纤维素大分子得以活化，容易接枝偶联剂，有效改善植物纤维的极性，改善其与非极性高分子物的界面相容性，使改性植物纤维能够均匀分散于高分子物中，与高分子基体形成良好的界面结合，改性植物纤维分散相起物理交联点作用，从而使复合材料的抗拉伸、撕裂强度提高。此外，改性植物纤维颗粒形成一定结构的纤维网骨架支撑，保证了复合材料体系的稳定抗形变能力，提高材料的综合性能，与未经处理植物纤维对照，其对高分子复合材料的填充率提高50％-100％；复合材料抗张强度提高68％-102％。而且，植物纤维经过微波与偶联剂的综合物理化学改性，改变了其化学稳定性和热稳定性，热收缩性和吸水性减小，耐化学腐蚀性和耐热性提高，复合材料的使用寿命延长。

本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：

(1)本发明微波改性处理后的植物纤维，其极性变化明显，非极性明显变大，与非极性高分子物的界面相容性显著提高，复合材料综合性能得到改善。

(2)本发明的改性方法对环境友好无污染，生产成本低，经济效益显著。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

首先将秸秆纤维粉碎至400目，加入偶联剂四-正-丁基钛酸酯，钛酸酯偶联剂的质量为秸秆纤维质量的3％，使偶联剂与秸秆纤维混合均匀，然后采用频率为2450MHz的微波进行辐射处理，微波功率为800W，辐射处理时间为12min，烘干，获得改性秸秆纤维微粉。

取聚乙烯(PE 5000S)100重量份，加入30重量份改性秸秆纤维微粉，经混合、挤出、热压成型，最后制备得到改性秸秆纤维/PE复合材料。

实施例2

首先将木纤维粉碎至200目，加入偶联剂Y-氯丙基三乙氧基硅烷，偶联剂的质量为木纤维质量的1％，再加入无水乙醇溶剂，用量为木纤维质量的15％，使偶联剂与木纤维混合均匀，然后采用频率为2450MHz的微波进行辐射处理，微波功率为1050W，辐射处理时间为4min，烘干，获得改性木纤维微粉。

取聚乙烯(PE 5000S)100重量份，加入40重量份改性木纤维微粉，经混合、辊炼、热压成型，最后制备得到改性木纤维/PE复合材料。

实施例3

首先将竹纤维粉碎至1000目，加入偶联剂四正丁基锆酸酯，偶联剂的质量为竹纤维质量的2％，再加入丙酮溶剂，用量为竹纤维质量的10％，使偶联剂与竹纤维混合均匀，然后采用频率为2450MHz的微波进行辐射处理，微波功率为900W，辐射处理时间为10min，烘干，获得改性竹纤维微粉。

取聚乙烯(PE 5000S)100重量份，加入20重量份改性竹纤维微粉，经混合、辊炼、热压成型，最后制备得到改性竹纤维/PE复合材料。

实施例4

首先将甘蔗纤维粉碎至200目，加入偶联剂二硬脂酰氧基异丙氧基铝酸酯，偶联剂的质量为甘蔗纤维质量的2％，再加入丙酮溶剂，用量为甘蔗纤维质量的10％，使偶联剂与甘蔗纤维混合均匀，然后采用频率为2450MHz的微波进行辐射处理，微波功率为1100W，辐射处理时间为6min，烘干，获得改性甘蔗纤维微粉。

取聚乙烯(PE 5000S)100重量份，加入30重量份改性甘蔗纤维微粉，经混合、辊炼、热压成型，最后制备得到改性甘蔗纤维/PE复合材料。

实施例5

首先将秸秆纤维粉碎至1500目，加入偶联剂Y-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲基氧硅烷，偶联剂的质量为秸秆纤维质量的1％，再加入无水乙醇溶剂，用量为秸秆纤维质量的10％，使偶联剂与秸秆纤维混合均匀，然后采用频率为2450MHz的微波进行辐射处理，微波功率为1050W，辐射处理时间为4min，烘干，获得改性秸秆纤维微粉。

取聚丙烯(PP T30S)100重量份，加入30重量份改性秸秆纤维微粉，经混合、辊炼、热压成型，制备得到改性秸秆纤维/PP复合材料。

实施例6

首先将木纤维粉碎至300目，加入偶联剂双(二辛氧基焦磷酸酯基)乙撑钛酸酯，偶联剂的质量为木纤维质量的3％，再加入乙醚，用量为木纤维质量的10％，使偶联剂与木纤维混合均匀，然后采用频率为2450MHz的微波进行辐射处理，微波功率为800W，辐射处理时间为12min，烘干，获得改性木纤维微粉。

取聚丙烯(PP T30S)100重量份，加入20重量份改性木纤维微粉，经混合、辊炼、热压成型，最后制备得到改性木纤维/PP复合材料。

Claims

1.一种植物纤维的微波改性方法，其特征在于包括下述步骤：先粉碎植物纤维，然后采用偶联剂预处理粉碎后的植物纤维，再采用微波辐射处理预处理后的植物纤维，使偶联剂接枝在植物纤维表面，得到微波改性后的植物纤维。

2.根据权利要求1所述的植物纤维的微波改性方法，其特征在于：所述粉碎，是将植物纤维粉碎为50～1500目的颗粒。

3.根据权利要求1所述的植物纤维的微波改性方法，其特征在于：所述偶联剂包括铝酸酯偶联剂、锆酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂或改性氨基硅油。

4.根据权利要求3所述的植物纤维的微波改性方法，其特征在于：所述铝酸酯偶联剂的质量为植物纤维质量的1％～3％，锆酸酯偶联剂的质量为植物纤维质量的0.5％～3％，钛酸酯偶联剂的质量为植物纤维质量的1％～3％，硅烷偶联剂的质量为植物纤维质量的0.5％～2％，改性氨基硅油的质量为植物纤维质量的2％～5％。

5.根据权利要求1所述的植物纤维的微波改性方法，其特征在于：在偶联剂预处理植物纤维时，加入溶剂；所述溶剂的用量为植物纤维质量的10％～15％；溶剂包括无水乙醇、丙酮或乙醚。

6.根据权利要求1所述的植物纤维的微波改性方法，其特征在于：所述微波的频率为2450MHz，微波的功率为800～1050W，辐射处理的时间为4～15min。

7.一种权利要求1～6中任一项所述方法制备得到的微波改性后的植物纤维，作为复合材料填料应用于高分子材料领域。

8.根据权利要求7所述的植物纤维的用途，其特征在于：将微波改性后的植物纤维与非极性高分子物混合并搅拌均匀，然后热混合、挤出或热压、成型、脱模，制得含有改性植物纤维的高分子复合材料。

9.根据权利要求7所述的植物纤维的用途，其特征在于：所述非极性高分子物包括不饱和聚酯树脂、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、天然橡胶、丁苯橡胶、乙丙橡胶或顺丁橡胶。

10.根据权利要求7所述的植物纤维的用途，其特征在于：所述植物纤维与非极性高分子物的用量为每100重量份非极性高分子物中添加20～60重量份改性植物纤维。