CN102786807A - 一种稻杆基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种稻杆基复合材料及其制备方法，本发明稻杆基复合材料是以丝片化处理的稻杆为主要原料，搭配使用与稻杆结构相似、相容性高的具有一定聚合度和极性基团的热塑性高分子型粘接剂，该稻杆基复合材料，包括下述质量分数的原料：稻杆50%~80%、粘接剂50%~20%；在水、水乳液的媒介下使两者均匀混合，同时实现复合材料的微调改性，然后在铁质模具或不锈钢模具中热压而成；本发明通过对稻草原料进行特殊处理，选用热塑性高分子粘接剂，采用特殊媒介下的原料混合方法，使所制备出的复合材料具有极高的环境相容性，较高的比强度和综合性能，可以加工成日用产品、工艺品及玩具，具有广泛的应用前景。

Description

一种稻杆基复合材料及其制备方法

 

技术领域

本发明涉及一种稻杆基复合材料及其制备方法，特别是涉及丝片形态的稻杆为主体原料的复合材料及其制备方法。

背景技术

随着世界人口的增长及人们对高水平生活的追求，人类社会对自然资源的需求量日益增加，导致不可再生资源的短缺现象日益明显，同时人类社会在发展过程中，不断向环境排放废弃物，导致固体垃圾到处堆积，无处掩埋；水和空气资源受到污染，威胁人类健康。环境污染是伴随经济发展的副产物，环境污染一方面加剧了可用的水资源、生物资源、土地资源等的短缺，另一方面直接危害着人类的健康。充分利用可再生资源，开发环境相容性、资源节约型“绿色材料”是解决资源短缺和环境污染的重要途径。

植物资源是一种重要的可再生资源。当今，使用植物资源制造乙醇、柴油、甲烷、精细化工产品等得到了越来越多的研究人员的重视。农作物秸秆是一种重要的植物资源，我国是粮食生产大国，也是秸秆生产大国。据统计，目前被利用的秸杆仅占全国秸秆资源的30%，其余大量秸秆仍被焚烧。秸秆焚烧不仅造成环境污染，而且夏秋季节在机场、高速公路附近的秸秆焚烧已成为诱发交通事故、影响航运的主要因素，秸秆焚烧产生的固体粒子也直接影响着人类的健康。将植物秸秆材料化，代替高分子材料应用于工农业及生活领域，无论在不可再生资源节约利用方面，还是消除环境污染方面都具有重要价值。

稻杆是一种重要而常见的秸秆类型。我国是水稻种植大国，每年在收获稻谷的同时，产生了大量稻杆副产物。当前，相当一部分稻杆在田间被烧掉，既污染了环境，又浪费了资源，如果将稻杆进行资源化利用，则将起到缓解能源及资源短缺，减轻污染，减少温室气体排放的作用；以稻杆为原料制备复合材料已有一些报道，但是存在制备工艺繁琐，稻杆形态选择性不强，稻杆在复合材料中所占比例偏低，环保性不足，粘接材料基本是树脂，存在甲醛释放等问题；本发明以丝片化处理的稻杆为主体材料，以热塑性的聚乙烯醇或聚乙烯醇复合物为粘接材料，以水或水乳液为复合媒介，通过热压法制备而成稻杆基复合材料，创新了稻杆复合材料及其制备方法。

发明内容

本发明着眼于稻杆这一植物秸秆资源的充分有效利用，目的是开发一种环境友好性强、工艺制备简单、安全性高、力学及结构性能优良的环保复合材料，提高农副产品附加值，部分替代塑料材料使用，减轻白色污染。

本发明一种稻杆基复合材料，包括下述质量分数的原料：稻杆50%~80%、粘接剂50%~20%。

本发明稻杆的形态是丝状和片状的混合物。

本发明所使用的粘接剂是聚乙烯醇或以聚乙烯醇为主，添加淀粉和羧甲基纤维素构成的混合物，在以聚乙烯醇为主的混合粘接剂中，聚乙烯醇所占的质量分数为80%~100%。

本发明中所使用的粘接材料聚乙烯醇的聚合度为1000-3000，醇解度为60%~99%；聚乙烯醇的形态为细度在100目以上的粉末状，或直径在500um以下，长度在2.0cm以下的丝状。

本发明一种稻杆基复合材料的制备方法，包括下列步骤：

（1）、对稻杆进行预处理，成为丝状和片状的混合物；

（2）、稻杆和粘接剂在水或水乳液的媒介下均匀混合；

（3）、混合物装入模具后通过热压制成复合材料。

在步骤（1）中，处理过程为：将稻杆晒至水分含量在5%以下，然后短切成4cm以下的稻杆段，再将稻杆段进行机械剪切，然后过20—40目筛，筛余物即为稻杆丝状和片状的混合物。

步骤（2）中，媒介的用量为每100克稻杆使用10-50毫升媒介。

步骤（2）中，水媒介是自来水或去离子水。

步骤（2）中，水乳液媒介是聚苯乙烯乳液或聚甲基丙烯酸酯乳液或聚醋酸乙烯酯乳液中的一种或任意混合。

步骤（3）中，在热压时，将稻杆和粘接剂的混合原料装在铁质模具或不锈钢模具中，以菜籽油或二甲基硅油为脱模剂，热压时间为10分钟~15分钟，热压温度为120℃~160℃，热压压强为4MPa~15 MPa，冷却后脱模即得稻杆基复合材料产品。

本发明中制备的复合材料是以丝片形态的稻杆为主体原料，在复合材料制备之前，稻杆经过预处理成为丝状和片状的混合物，将稻杆处理成为丝片形态提高了复合材料的强度；以稻杆为主体材料，则降低了复合材料中其他化学成分的含量，提高了复合材料的环境友好性，有利于复合材料在使用后废弃的过程中快速瓦解；丝片形态的稻杆和特殊结构及性能的粘接剂在水或水乳液的媒介下，通过搅拌实现均匀混合，然后装模，在热压机上按一定条件进行热压，冷却脱模即得稻杆基复合材料制品。

本发明所使用的粘接剂有两个特点，第一个特点是具有热塑性，是高分子成品，减轻了制品在使用过程中挥发性污染物的缓慢释放，提高了对人体健康的安全性，第二个特点是粘接剂上有大量的羟基，与稻杆具有较高的相容性，不需添加增容剂，简化了复合材料的配料。

为了实现粘接剂与稻杆的良好混合，本发明创新性的引入了复合媒介，能够使稻杆和粘接剂实现均匀混合，防止在混合过程中分层；以水为媒介时，可以实现稻杆与粘接材料均匀混合，增加原料的塑性；以乳液为媒介时则不但实现了均匀混合，乳液中的高分子成分还具有对复合材料改性的效果。

本发明所制备出来的稻杆基复合材料具有广泛的应用，可以加工成日用产品、工艺品及玩具。

本发明在原料预处理、粘接材料、均匀混合控制方法、成型方法方面进行了创新。

在本发明中，所制备的稻杆复合材料是以稻杆为主体的复合材料，既节约了资源，又提高了复合材料的环境相容性，所制备的复合材料中，创新性的使用了分子链中含有大量羟基，结构与稻杆相似，相容性高的热塑性粘接剂——聚乙烯醇，不使用酚醛树脂、脲醛树脂、蜜醛树脂，因而不存在甲醛释放问题，也不存在树脂中易挥发性稀释剂或溶剂的缓慢挥发问题，因而更环保；复合材料热压完成后，复合材料即制备完成，不存在后续的固化工序；本发明创新了稻杆的预处理过程，优选了稻杆的形态，将稻杆短切后加工成丝片，破坏了稻杆的管状结构，破坏了稻杆内部特有的生物性结构缺陷，因而有利于提高复合材料的强度；另外稻杆呈丝状和片状，增强了复合材料不同微区之间的连接程度，因而也有利于增强复合材料的强度；本发明创新了复合材料各原料成分均匀混合的方法，特征在于使用水或水乳液作为媒介，以水为媒介可以确保均匀混合，使原料易装模，塑性强；以水乳液为媒介则不仅可以实现水的媒介作用，而且水乳液中的其它高分子成分可以实现对复合材料改性的作用。

本发明创新了植物秸秆复合材料制备时的脱模方法，使用菜籽油作为脱模剂，菜籽油具有极高的生物相容性，提高了复合材料的健康安全性，总之，本发明的稻杆基复合材料环境相容性强，对人畜无毒，易降解，降解后可做肥料，回收可做燃料，因此是一种绿色环保的具有极大应用发展潜力的材料。

本发明对发展低碳经济，提高农产品附加值，增进人类健康，促进生态经济发展具有重要意义。

附图说明

图1：为本发明按具体实施方式1所述方法制备的复合材料的拉伸强度随粘接剂在粘接剂和稻杆中所占的质量分数的不同而变化的规律。

图2：为本发明按具体实施方式1所述方法制备稻杆基复合材料时，在改变热压时间条件下所制备的复合材料的拉伸强度随热压时间的改变而改变的规律。

图3：为本发明按具体实施方式1所述方法制备稻杆基复合材料时，在改变热压温度条件下所制备的复合材料的拉伸强度随热压温度的改变而改变的规律。

具体实施方式

实施例1

将含水量在1%以下的干稻杆剪为1.5cm的小段，在四叶涡轮式机械搅拌混合器中剪切20秒，过20目筛，去除粉碎过程中产生的粉尘和粉末，筛余物即为丝状和片状稻杆的混合物，称取18克丝片化稻杆，置于搅拌罐内，加10ml自来水，搅拌1min，使稻杆被水均匀润湿，然后称取12克聚合度为1700，醇解度为88%的聚乙烯醇粉末，加到原料罐中，搅拌1min使稻杆与粘接剂均匀混合，将混合物料装入涂刷了菜籽油的铁质模具中，将装有物料的模具放置在温度为140℃的压板之间，加压至10MPa，热压10min，取下模具，冷却至30℃后开模即得稻草基复合材料，复合材料的拉伸强度达到6.5MPa。

由图1可见，随粘接剂用量的增加，复合材料的拉伸强度呈现先增加后减小的趋势，总体而言，变化幅度不大，这表明在本专利所确定的配比范围内，可以得到性能优良的稻杆基复合材料。在性能随配比改变变化不大时，选用粘接剂质量分数较低的条件有利于降低复合材料的成本，减少粘接剂的用量，提高复合材料的环境友好性。

由图2可见，复合材料的拉伸强度随热压时间的增加先增加后减小，时间过短或过长都不利于复合材料性能的优化。时间过短粘接剂在稻杆表面的涂布不够均匀，材料性能较低，时间过长稻杆及粘接剂本身结构被改变，性能也会降低。

由图3可见，复合材料的拉伸强度随热压温度的增加先增加后减小，变化幅度较大，温度过高或过低都不利于复合材料性能的优化。温度过低，则粘接剂在稻杆表面的涂布不够均匀，材料性能较差，温度过高则稻杆及粘接剂本身结构被改变，性能也会降低。

实施例2

将含水量在3%的干稻杆剪为2.0cm的小段，在四叶涡轮式机械搅拌混合器中剪切3min，过20目筛，去除粉碎过程中产生的粉尘和粉末，筛余物即为丝状和片状稻杆的混合物。称取15克丝片化稻杆，置于搅拌罐内，加7ml聚醋酸乙烯酯乳液，搅拌1min，使稻杆被乳液均匀润湿，然后称取15克聚合度为1000，醇解度为99%的聚乙烯醇短细丝，加到原料罐中，搅拌1min使稻杆与粘接剂均匀混合。将混合物料装入涂刷了二甲基硅油的铁质模具中，将装有物料的模具放置在温度为150℃的压板之间，加压至7MPa，热压12min，取下模具，冷却至30℃后开模即得稻草基复合材料，复合材料的拉伸强度达到7.2MPa。将所得复合材料在40℃环境中干燥至质量不再变化，然后表面涂刷油性透明聚氨酯涂料，干燥，材料强度提高20%，表面光滑美观，可见内部稻杆结构，富有环保色彩，增加了对使用者的吸引力。

实施例3

将稻杆晒至水分含量在5%，然后短切成4cm的稻杆段，再将稻杆段进行机械剪切3min，然后过40目筛，筛余物即为稻杆丝状和片状的混合物。称取15克丝片化稻杆，置于搅拌罐内，加5ml聚醋酸乙烯酯乳液，搅拌1min，使稻杆被乳液均匀润湿，然后称取15克聚合度为3000，醇解度为99%的聚乙烯醇短细丝，加到原料罐中，搅拌1min使稻杆与粘接剂均匀混合。将混合物料装入涂刷了二甲基硅油的铁质模具中，将装有物料的模具放置在温度为160℃的压板之间，加压至7MPa，热压12min，取下模具，冷却至30℃后开模即得稻草基复合材料。

实施例4

将稻杆晒至水分含量在4%以下，然后短切成3cm的稻杆段，再将稻杆段进行机械剪切4min，然后过20目筛，筛余物即为稻杆丝状和片状的混合物。称取24克丝片化稻杆，置于搅拌罐内，加6ml聚醋酸乙烯酯乳液，搅拌1min，使稻杆被乳液均匀润湿，然后称取6克聚合度为1700，醇解度为80%的聚乙烯醇短细丝，加到原料罐中，搅拌1min使稻杆与粘接剂均匀混合。将混合物料装入涂刷了二甲基硅油的铁质模具中，将装有物料的模具放置在温度为150℃的压板之间，加压至7MPa，热压10min，取下模具，冷却至30℃后开模即得稻草基复合材料。

实施例5

将稻杆晒至水分含量在2%以下，然后短切成1cm的稻杆段，再将稻杆段进行机械剪切3min，然后过20目筛，筛余物即为稻杆丝状和片状的混合物。称取15克丝片化稻杆，置于搅拌罐内，加8ml自来水，搅拌1min，使稻杆被乳液均匀润湿，然后称取15克聚合度为1900，醇解度为60%的聚乙烯醇短细丝，加到原料罐中，搅拌1min使稻杆与粘接剂均匀混合。将混合物料装入涂刷了二甲基硅油的铁质模具中，将装有物料的模具放置在温度为150℃的压板之间，加压至4MPa，热压12min，取下模具，冷却至30℃后开模即得稻草基复合材料。

实施例6

将稻杆晒至水分含量在2%以下，然后短切成1cm的稻杆段，再将稻杆段进行机械剪切3min，然后过20目筛，筛余物即为稻杆丝状和片状的混合物。称取24克丝片化稻杆，置于搅拌罐内，加8ml自来水，搅拌1min，使稻杆被乳液均匀润湿，然后称取6克聚合度为1700，醇解度为88%的聚乙烯醇粉末，加到原料罐中，搅拌1min使稻杆与粘接剂均匀混合。将混合物料装入涂刷了二甲基硅油的铁质模具中，将装有物料的模具放置在温度为150℃的压板之间，加压至7MPa，热压12min，取下模具，冷却至30℃后开模即得稻草基复合材料。

实施例7

将稻杆晒至水分含量在2%以下，然后短切成1cm的稻杆段，再将稻杆段进行机械剪切2min，然后过20目筛，筛余物即为稻杆丝状和片状的混合物。称取15克丝片化稻杆，置于搅拌罐内，加8ml自来水，搅拌1min，使稻杆被乳液均匀润湿，然后称取4克聚合度为1700，醇解度为88%的聚乙烯醇粉末，1克淀粉、1克羧甲基纤维素加到原料罐中，搅拌1min使稻杆与粘接剂均匀混合。将混合物料装入涂刷了二甲基硅油的铁质模具中，将装有物料的模具放置在温度为120℃的压板之间，加压至15MPa，热压15min，取下模具，冷却至30℃后开模即得稻草基复合材料。

Claims (10)

1.一种稻杆基复合材料，其特征在于包括下述质量分数的原料：稻杆50%~80%、粘接剂50%~20%。

2.根据权利要求1所述的稻杆基复合材料，其特征在于：稻杆的形态是丝状和片状的混合物。

3.根据权利要求1所述的稻杆基复合材料，其特征在于：粘接剂是聚乙烯醇。

4.根据权利要求1所述的稻杆基复合材料，其特征在于：粘接剂是聚乙烯醇与淀粉、羧甲基纤维素构成的混合物。

5.根据权利要求4所述的稻杆基复合材料，其特征在于：聚乙烯醇所占的质量分数为80%~100%。

6.根据权利要求3或4任一所述的稻杆基复合材料，其特征在于：聚乙烯醇的聚合度为1000-3000，醇解度为60%~99%；聚乙烯醇的形态为细度在100目以上的粉末状；或直径在500um以下，长度在2.0cm以下的丝状。

7.根据权利要求1所述的一种稻杆基复合材料的制备方法，其特征在于包括下列步骤：

（1）、对稻杆进行预处理，成为丝状和片状的混合物；

（2）、稻杆和粘接剂在水或水乳液的媒介下均匀混合；

（3）、混合物装入模具后通过热压制成复合材料。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：在步骤（1）中，将稻杆晒至水分含量在5%以下，然后短切成4cm以下的稻杆段，再将稻杆段进行机械剪切，然后过20—40目筛，筛余物即为稻杆丝状和片状的混合物。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，媒介的用量为每100克稻杆使用10-50毫升媒介；水媒介是自来水或去离子水；水乳液媒介是聚苯乙烯乳液或聚甲基丙烯酸酯乳液或聚醋酸乙烯酯乳液中的一种或任意混合。

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，在热压时，将稻杆和粘接剂的混合原料装在铁质模具或不锈钢模具中，以菜籽油或二甲基硅油为脱模剂，热压时间为10分钟~15分钟，热压温度为120℃~160℃，热压压强为4MPa~15 MPa。

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