CN102477170B - 一种天然植物纤维增强淀粉基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可完全生物降解的天然植物纤维增强淀粉基复合材料及其制备方法，属于高分子材料技术领域。本发明的复合材料包括以下组分：10-60wt％的天然植物纤维，10-25wt％的淀粉，20-50wt％的脂肪族聚酯，10-20wt％的淀粉增容剂。该复合材料的制备方法是将10-60wt％植物纤维粉碎，通过碱溶液处理，干燥，同10-25wt％淀粉、20-50wt％脂肪族聚酯和10-20wt％淀粉增容剂一起加入预热的密炼机中，混合得到共混型天然植物纤维增强淀粉基复合材料，进行压片。本发明的复合材料具有优良的可塑性、可加工型、耐酸、耐碱、耐水且具有较高的强度及模量，而且可以完全自然生物降解。

Description

一种天然植物纤维增强淀粉基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种可完全生物降解的天然植物纤维增强淀粉基复合材料及其制备方法

背景技术

合成纤维增强树脂基复合材料以其特有的质轻，强度高等优良特性在许多领域得到广泛的应用，其中最大量生产、最广泛使用的是玻璃纤维增强塑料，但是玻璃纤维增强塑料焚烧时会产生大量玻璃残渣，无法用适应环境的处理方法分解，而且在加工该种复合材料时产生的玻璃粉尘可能引起加工业者过敏或患上皮肤炎症。近年来，面对着石油等不可再生资源的日益减少，能源危机及环境协调性等一系列问题，采用天然植物纤维替代合成纤维作为复合材料中的增强材料越来越引起人们的重视，但由于作为基体的一般树脂难以自然降解，因此一般的植物纤维增强树脂复合材料实际上未能达到自然完全降解的目的，仍对环境造成威胁。淀粉作为碳水化合物在绿色植物中的储藏形式，是一种重要的可再生的和可生物降解的天然资源，在食品工业上和其他各种实际应用中非常重要，使用量大。淀粉来源丰富价格低廉，但由于淀粉基共混材料吸水性强，不能长时间稳定使用，同时其机械性能和加工性很差，这些缺点阻碍了淀粉基材料的广泛应用。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种可完全生物降解的天然植物纤维增强淀粉基复合材料。本发明采用天然植物纤维、淀粉通过表面接枝聚乳酸增容，与脂肪族聚酯共混复合而成，从而在植物纤维与脂肪族聚酯间形成牢固结合层。本发明的材料具有优良的力学性能，同时兼具耐酸耐碱耐水性，成本低廉，应用范围广，且可完全自然生物降解。

本发明的另一个目的是提供上述可完全生物降解的天然植物纤维增强淀粉基复合材料的制备方法，该方法工艺简单。

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种可完全生物降解的天然植物纤维增强淀粉基复合材料，该复合材料包括以下组分：

天然植物纤维      10-60wt％

淀粉              10-25wt％

脂肪族聚酯        20-50wt％

淀粉增容剂        10-20wt％

所述的天然植物纤维选自剑麻纤维、甘蔗渣、苎麻纤维或木纤维等中的一种。

所述的淀粉选自玉米淀粉、木薯淀粉或马铃薯淀粉中的一种；其中淀粉结构包括支链淀粉和直链淀粉，淀粉不需除水处理。

所述的脂肪族聚酯选自聚ε-己内酯、聚丙交脂或聚碳酸亚丙脂中的一种。

所述的淀粉增容剂为表面接枝聚乳酸，接枝率为10-70wt％。

本发明还提供了一种上述可完全生物降解的天然植物纤维增强淀粉基复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

将10-60wt％(重量百分比)植物纤维粉碎，通过碱溶液处理，干燥，同10-25wt％(重量百分比)淀粉、20-50wt％(重量百分比)脂肪族聚酯和10-20wt％(重量百分比)淀粉增容剂一起加入预热的密炼机中，混合得到共混型天然植物纤维增强淀粉基复合材料，进行压片。

所述的植物纤维粉碎是指用粉碎机粉碎成粒度在20-100目或长度在0.05-4mm的纤维。

所述的碱溶液是指2％的NaOH溶液。

所述的干燥是指用烘箱在温度100-130℃，时间1h-1.5h烘干至水分在2％以下。

所述的预热的密炼机其预热温度为120-200℃，密炼机转速为120-200r/m。

所述的混合时间为5-20min，优选10-15min。

本发明同现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明采用资源丰富价格低廉的天然植物纤维为增强材料，以可降解的淀粉基脂肪族聚酯为复合材料基体，经熔融共混制备复合材料。在表面接枝聚乳酸为增容剂的作用下，亲水性的淀粉和纤维素同憎水性的脂肪族聚酯之间的界面张力减小，三者的相容性提高，复合材料体系混合均匀。

2、本发明方法工艺简单，制得的材料使用范围广，具有较高的强度和模量，可塑性和可加工型，并且天然植物纤维和基体材料都可降解，从而所得的复合材料最终可以自然降解，为解决白色污染和石油短缺问题提供一种有效途径，为一种新型的可持续发展的复合材料。

3、本发明的材料具有优良的力学性能，同时兼具耐酸耐碱耐水性，生产工艺简单，成本低廉，应用范围广，且可完全自然生物降解。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

一种由苎麻纤维/玉米淀粉/聚碳酸亚丙脂制备的板材。

将20wt％苎麻纤维用粉碎机粉碎成纤维后，通过晒网分离出60-80目的纤维，通过2％的NaOH溶液处理，溶解天然植物纤维中部分果胶、木质素和半纤维素，不改变主体纤维素的化学结构，而使微纤旋转角减小，分子取向提高，提高微纤的断裂强度。用烘箱在120℃下烘干1.5h至水分低于2％。将处理完的纤维与30wt％玉米淀粉、40wt％聚碳酸亚丙脂、10wt％表面接枝聚乳酸(接枝率为50％)放入加热中的密炼机中混合制备复合材料，密炼机加热温度120℃，转速120r/m，加热时间10min。所得的复合材料用平板硫化机压片，按ISO527-2的标准制样进行力学性能测试。性能见表1。

实施例2

一种由剑麻纤维/马铃薯淀粉/聚碳酸亚丙脂制备的板材。

将40wt％剑麻纤维用粉碎机粉碎成纤维后，通过晒网分离出50目的纤维，通过2％的NaOH溶液处理，溶解天然植物纤维中部分果胶、木质素和半纤维素，不改变主体纤维素的化学结构，而使微纤旋转角减小，分子取向提高，提高微纤的断裂强度。用烘箱在120℃下烘干1.5h至水分低于2％。将处理完的纤维与20wt％马铃薯淀粉、30wt％聚碳酸亚丙脂、10wt％表面接枝聚乳酸(接枝率为50％)放入加热中的密炼机中混合制备复合材料，密炼机加热温度150℃，转速150r/m，加热时间10min。所得的复合材料用平板硫化机压片，按ISO527-2的标准制样进行力学性能测试。性能见表1。

实施例3

一种由木纤维/木薯淀粉/聚碳酸亚丙脂制备的板材。

将50wt％木纤维用粉碎机粉碎成纤维后，通过晒网分离出100目的纤维，通过2％的NaOH溶液处理，溶解天然植物纤维中部分果胶、木质素和半纤维素，不改变主体纤维素的化学结构，而使微纤旋转角减小，分子取向提高，提高微纤的断裂强度。用烘箱在120℃下烘干1.5h至水分低于2％。将处理完的纤维与20wt％木薯淀粉、20wt％聚碳酸亚丙脂、10wt％表面接枝聚乳酸(接枝率为50％)放入加热中的密炼机中混合制备复合材料，密炼机加热温度180℃，转速180r/m，加热时间10min。所得的复合材料用平板硫化机压片，按ISO527-2的标准制样进行力学性能测试。性能见表1。

实施例4

一种由苎麻纤维/玉米淀粉/聚碳酸亚丙脂制备的板材。

将20wt％苎麻纤维用粉碎机粉碎成纤维后，通过晒网分离出100目的纤维，通过2％的NaOH溶液碱处理，溶解天然植物纤维中部分果胶、木质素和半纤维素，不改变主体纤维素的化学结构，而使微纤旋转角减小，分子取向提高，提高微纤的断裂强度。用烘箱在120℃下烘干1.5h至水分低于2％。将处理完的纤维与20wt％玉米淀粉、50wt％聚碳酸亚丙脂、10wt％表面接枝聚乳酸(接枝率为50％)放入加热中的密炼机中混合制备复合材料，密炼机加热温度200℃，转速200r/m，加热时间10min。所得的复合材料用平板硫化机压片，按ISO527-2的标准制样进行力学性能测试。性能见表1。

通过表1数据可看出，本发明具有比强度高，成本低的特点，同时具有优良的可塑性、可加工型、耐酸、耐碱、耐水性，而且可以完全自然生物降解，是一种性能优异，环境友好，附加值高，应用范围广，市场前景广阔的新材料。

表1

实施例	屈服强度MPa	杨氏模量MPa
			聚碳酸亚丙脂基体	18.4	840.5
实例1	30.4	2250.7
			实例2	35.1	3002.9
实例3	37.6	3334.5
			实例4	31.7	2429.6

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种天然植物纤维增强淀粉基复合材料，其特征在于：该复合材料包括以下组分，

所述的淀粉增容剂为表面接枝聚乳酸，接枝率为10—70wt％；

所述的天然植物纤维选自剑麻纤维、甘蔗渣、苎麻纤维或木纤维中的一种；

所述的天然植物纤维增强淀粉基复合材料的制备方法包括以下步骤，将10—60wt％天然植物纤维粉碎，通过碱溶液处理，干燥，同10—25wt％淀粉、20—50wt％脂肪族聚酯和10—20wt％淀粉增容剂一起加入预热的密炼机中，混合得到共混型天然植物纤维增强淀粉基复合材料，进行压片；

所述的预热的密炼机的预热温度为120—200℃，密炼机转速为120-200r/m；

所述的天然植物纤维粉碎是指用粉碎机粉碎成粒度在20—100目或长度在0.05—4mm的纤维；所述的碱溶液是指2％的NaOH溶液；

所述的淀粉为马铃薯淀粉；

所述的脂肪族聚酯为聚碳酸亚丙脂。

2.根据权利要求1所述的天然植物纤维增强淀粉基复合材料，其特征在于：其中，所述的淀粉结构包括支链淀粉和直链淀粉。

3.权利要求1或2所述的天然植物纤维增强淀粉基复合材料的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤，将20—60wt％天然植物纤维粉碎，通过碱溶液处理，干燥，同10—25wt％淀粉、20—50wt％脂肪族聚酯和10—20wt％淀粉增容剂一起加入预热的密炼机中，混合得到共混型天然植物纤维增强淀粉基复合材料，进行压片；

所述的预热的密炼机的预热温度为120—200℃，密炼机转速为120-200r/m；

所述的天然植物纤维粉碎是指用粉碎机粉碎成粒度在20—100目或长度在0.05—4mm的纤维；所述的碱溶液是指2％的NaOH溶液。

4.根据权利要求3所述的天然植物纤维增强淀粉基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的干燥是指用烘箱在温度100—130℃，时间1h—1.5h烘干至水分在2％以下。

5.根据权利要求3所述的天然植物纤维增强淀粉基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的混合时间为5—20min。