CN103333514B - 一种可降解增强型植物纤维材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种植物纤维材料领域，提供一种可降解增强型植物纤维材料及其制备方法，所述植物纤维材料包括稻壳粉末50-52%，可降解胶黏剂14%，增强剂12.5-13%，脱模剂1-3%，水18-20%，所述可降解胶黏剂为聚乙烯醇10%和脲醛树脂4%，所述增强剂为重质碳酸钙12%和纳米二氧化硅0.5-1%，所述脱模剂为硬脂酸或硬脂酸锌。本发明克服了现有植物纤维材料不可降解、成本较高、强度不足且生产周期长等缺点，即可降解，又具有良好的机械强度及韧度，使植物纤维材料应用更为广泛。

Description

一种可降解增强型植物纤维材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种植物纤维材料领域，特别涉及一种可降解增强型植物纤维材料及其制备方法。

背景技术

随着人们生活水平的提高，对自然资源的需求也越来越多，加剧了各类资源的紧缺，成本也不断攀升。在生活中，塑料制品、木塑制品和纸制品得到了广泛的应用。但是，由于石油资源的紧缺，而且不易降解，塑料制品发展受到限制，木塑制品和纸制品由于需要砍伐树木，不仅给生态环境自然资源造成破坏，而且造纸还会产生大量的污水，给环境带来了二次污染。再者，木塑制品虽然机械强度大，但是难以降解，纸质制品虽然易降解，但是机械强度不大。

我国是一个农业大国，每年产生大量的稻壳、秸秆等植物纤维，我国稻壳年产量居世界首位。虽然稻壳资源十分丰富，但目前对于稻壳、秸秆等废弃的植物纤维的利用十分有限，一部分充当动物饲料，大部分进行焚烧，不仅造成资源的浪费，而且污染环境。针对森林资源短缺、不可降解材料对环境的破坏两大问题，关于稻壳、秸秆等废弃植物纤维再利用的研究越来越多。

目前，研究较多的是木塑复合材料。它是以聚乙烯或聚氯乙烯为主体，添加部分木粉或秸秆粉制作材料，材料的性能由其中木、塑的比例决定，但其中仍存在难降解的塑料，环保性能差，没有解决环保问题。如专利号为CN102653620A的专利《一种木塑复合材料的制备方法》，其成分中含有30%-50%的PVC树脂，这使得材料废弃后仍然对土壤等产生危害。

专利号为CN102031005A的专利《植物纤维材料组合物及植物纤维制品的制备方法》，使用大豆蛋白和玉米淀粉作为胶黏剂，添加量接近50%，这样制成的材料虽然可降解，但强度较低且成本较高，大大限制了其应用的范围。

目前，适合热压工艺生产的植物纤维材料生产周期都较长，从分钟到十几分钟不等，主要是由于配方的原因，所以，寻找一种强度大、可降解并高效生产的材料复合配方迫在眉睫。

发明内容

本发明针对现有植物纤维材料不可降解、成本较高、强度不足且生产周期长的缺点，提供一种可降解增强型植物纤维材料及其制备方法。

本发明的技术方案是：

一种可降解增强型植物纤维材料，所述植物纤维材料由以下重量百分比的原料制备而成：稻壳粉50-52%，可降解胶黏剂14%，增强剂12.5-13%，脱模剂1-3%，水18-20%。

优选的，所述的植物纤维由以下重量百分比的原料制备而成：稻壳粉52%，可降解胶黏剂14%，增强剂12.5%，脱模剂2%，水19.5%。

优选的，所述的稻壳粉的粒度为50目，稻壳粉为市售除尘品。

优选的，可降解胶黏剂是由重量配比聚乙烯醇：脲醛树脂=5:2混合而成。

优选的，所述增强剂是由重量配比重质碳酸钙：纳米二氧化硅=12：0.5-1混合而成。

优选的，所述脱模剂为硬脂酸或硬脂酸锌，以粉末状最佳。

本发明还公开了一种可降解增强型植物纤维材料的制备方法，所述制备方法的具体步骤为：

（1）将50-52%稻壳粉、14%可降解胶黏剂、12.5-13%增强剂和1-3%脱模剂于搅拌机中混合完全，在不断搅拌的过程中加入18-20%水，搅拌3-5min左右至完全均匀；

（2）将带有模具的热压机预热至100-110℃；

（3）温度到达后，将步骤1中搅拌均匀的复合物放入模具中进行热压，热压压力大于15MPa，热压时间控制在20-40s即可；

（4）取出晾干，即成。

优选的，一种可降解增强型植物纤维材料的制备方法，所述制备方法的具体步骤为：

（1）52%稻壳粉，14%可降解胶黏剂，12.5%增强剂，2%脱模剂于搅拌机中混合完全，在不断搅拌的过程中加入19.5%水，搅拌3-5min至完全均匀；所述比例均为质量百分比；

（2）将带有模具的热压机预热至100-110℃；

（3）温度到达后，将步骤1中搅拌均匀的复合物放入模具中进行热压，热压压力大于15MPa，热压时间控制在40s即可；

（4）取出晾干，即成。

优选的，所述的步骤3中的热压压力为20MPa。

按照上述配方和工艺条件制得的可降解增强型稻壳粉基材料按照GB/T1040-92进行拉伸测试，拉伸强度可达16MPa，符合生产要求。

本发明的有益效果是：

1、本发明以无毒可降解的聚乙烯醇为主要胶黏剂，脲醛树脂为副胶黏剂，根据大量实验探索出最佳比例（即质量百分比为聚乙烯醇10%和脲醛树脂4%）混合，减少了单独使用脲醛树脂所产生的刺激气味，同时又弥补了单独使用聚乙烯醇胶黏剂固化时间长的缺点，从而缩短了生产周期，提高了生产效率，与现有配方的热压时间相比，本配方生产时间可缩短5-10倍。

2、增强剂的添加亦是本发明的重要环节，本发明摒弃了一些昂贵的添加助剂，如有人曾添加有毒的异氰酸酯类物质来提高粘结性能，或者添加偶联剂来提高相容性，采用较为常见低成本的重质碳酸钙和纳米二氧化硅作为增强、增韧剂，探索出最佳的添加比例（质量百分比为重质碳酸钙12%和纳米二氧化硅0.5-1%）使得材料具有最佳的强度及韧度。

3、本发明与目前应用最多的纸质材料和木塑材料相比，获得了无法替代的环境效益和废弃物资源化利用效益；和其它植物纤维材料相比，采用了成本较低的胶黏剂和增强剂。完全克服了现有植物纤维材料不可降解、成本较高、强度不足且生产周期长等缺点，使植物纤维材料应用更为广泛。

具体实施方式

本发明的具体实施方式如下：

实施例1：

一种可降解增强型植物纤维材料，所述植物纤维材料由以下重量百分比的原料制备而成：稻壳粉52%，可降解胶黏剂14%，增强剂12.5%，脱模剂2%，水19.5%，其中，所述可降解胶黏剂是由重量配比聚乙烯醇：脲醛树脂=5:2混合而成，所述增强剂是由重量配比重质碳酸钙：纳米二氧化硅=12：0.5混合而成，所述脱模剂为硬脂酸粉末；

上述可降解增强型植物纤维材料的制备方法，步骤如下：

（1）在搅拌机中依次放入50目稻壳粉5.2kg，粉状聚乙烯醇1kg，粉状脲醛树脂0.4kg，重质碳酸钙1.2kg，纳米二氧化硅0.05kg，硬脂酸0.2kg，先搅拌3min然后继续搅拌并加入水1.95kg，直至混合均匀，搅拌过程中应防止结块抱团。

（2）将模压机预热至110℃，根据模具的大小每个模具内加入50-100g的原料，加压20MPa，控制热压时间40s，中间排气2次，即可得到目标产品。

实施例2：

一种可降解增强型植物纤维材料，所述植物纤维材料由以下重量百分比的原料制备而成：稻壳粉51%，可降解胶黏剂14%，增强剂13%，脱模剂2%，水20%，其中，所述可降解胶黏剂是由重量配比聚乙烯醇：脲醛树脂=5:2混合而成，所述增强剂是由重量配比重质碳酸钙：纳米二氧化硅=12：1混合而成，所述脱模剂为硬脂酸粉末；

上述可降解增强型植物纤维材料的制备方法，步骤如下：

（1）在搅拌机中依次放入50目稻壳粉5.1kg，粉状聚乙烯醇1kg，粉状脲醛树脂0.4kg，重质碳酸钙1.2kg，纳米二氧化硅0.1kg，硬脂酸0.2kg，先搅拌3min然后继续搅拌并加入水2kg，直至混合均匀，搅拌过程中应防止结块抱团。

（2）将模压机预热至110℃，根据模具的大小每个模具内加入50-100g的原料，加压20MPa，控制热压时间40s，中间排气2次，即可得到目标产品。

实施例3：

一种可降解增强型植物纤维材料，所述植物纤维材料由以下重量百分比的原料制备而成：稻壳粉41.6kg，粉状聚乙烯醇8kg，粉状脲醛树脂3.2kg，重质碳酸钙9.6kg，纳米二氧化硅0.4kg，硬脂酸锌1.6kg，水15.6kg。

上述可降解增强型植物纤维材料的制备方法，步骤如下：

（1）在搅拌机中依次放入50目稻壳粉41.6kg，粉状聚乙烯醇8kg，粉状脲醛树脂3.2kg，重质碳酸钙9.6kg，纳米二氧化硅0.4kg，硬脂酸锌1.6kg，先搅拌3分钟然后继续搅拌并加入水15.6kg，直至混合均匀，搅拌过程中应防止结块抱团。

（2）将模压机预热至110℃，每个模具内加入50-100g的原料，加压20MPa，控制热压时间40s，中间排气2次，即可得到目标产品。

实施例4（制作线轴）：

一种可降解增强型植物纤维材料，所述植物纤维材料由以下重量百分比的原料制备而成：稻壳粉31.2kg，粉状聚乙烯醇6kg，粉状脲醛树脂2.4kg，重质碳酸钙7.2kg，纳米二氧化硅0.3kg，硬脂酸1.2kg，水11.7kg。

上述可降解增强型植物纤维材料的制备方法，步骤如下：

（1）在搅拌机中依次放入50目稻壳粉31.2kg，粉状聚乙烯醇6kg，粉状脲醛树脂2.4kg，重质碳酸钙7.2kg，纳米二氧化硅0.3kg，硬脂酸1.2kg，先搅拌3分钟然后继续搅拌并加入水11.7kg，直至混合均匀，搅拌过程中应防止结块抱团。

（2）将模压机预热至110℃，每个标准线轴模具内加入70g的原料，加压20MPa，控制热压时间40s，中间排气2次，即可得到目标线轴。

实施例5：

为更好说明本专利配方中复配胶黏剂的比例以及增强剂的添加对材料力学性能的影响效果，做两比较例来进行对比。

比较例1：

（1）在搅拌机中依次放入50目稻壳粉6.7kg，粉状脲醛树脂1.5kg，硬脂酸0.3kg，先搅拌1-3分钟然后继续搅拌并加入水1.5kg，直至混合均匀，搅拌过程中应防止结块抱团。（2）将模压机预热至110℃，根据模具大小每个模具内加入50-100g的原料，加压20MPa，控制热压时间60s，中间排气2次，即可得到目标产品。

比较例2：

（1）在搅拌机中依次放入50目稻壳粉6.7kg，粉状聚乙烯醇1.5kg，硬脂酸0.3kg，先搅拌1-3分钟然后继续搅拌并加入水1.5kg，直至混合均匀，搅拌过程中应防止结块抱团。

（2）将模压机预热至110℃，根据模具大小每个模具内加入50-100g的原料，加压20MPa，控制热压时间180s，中间排气2次，即可得到目标产品。

表1三种配方对强度、韧度及模压时间的影响

将实施例1-4制备的植物纤维材料进行埋土降解实验，具体为：将实施例1-4制备的植物纤维制品埋在温暖潮湿的土壤中，并保持土壤的潮湿，定期观察产品的降解程度，结构如表2所示。

表2埋土降解试验结果

从表2可以看出，本发明实施例制备的植物纤维能够完全降解，对环境无污染。

从上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的植物纤维材料，利用了大量废弃的植物纤维，成本较低，同时，通过加入聚乙烯醇和脲醛树脂按照本发明比例混合的可降解胶黏剂，和低成本的重质碳酸钙和纳米二氧化硅按照本发明比例混合的增强、增韧剂，大大降低了生产周期，提高了生产效率，而且，使植物纤维材料不仅可降解，还具有了一定的机械强度。本发明所提供的植物纤维材料具有较高的强度和韧度，加工性能较好。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可降解增强型植物纤维材料，其特征在于，所述植物纤维材料由以下重量百分比的原料制备而成：稻壳粉50-52％，可降解胶黏剂14％，增强剂12.5-13％，脱模剂1-3％，水18-20％；所述可降解胶黏剂是由重量配比聚乙烯醇：脲醛树脂＝5:2混合而成。

2.根据权利要求1所述的植物纤维材料，其特征在于，所述的植物纤维材料由以下重量百分比的原料制备而成：稻壳粉52％，可降解胶黏剂14％，增强剂12.5％，脱模剂2％，水19.5％比。

3.根据权利要求1或2所述的植物纤维材料，其特征在于，所述的稻壳粉的粒度为50目。

4.根据权利要求1或2所述的植物纤维材料，其特征在于，所述增强剂是由重量配比重质碳酸钙：纳米二氧化硅＝12：0.5-1混合而成。

5.根据权利要求1或2所述的植物纤维材料，其特征在于，所述脱模剂为硬脂酸或硬脂酸锌。

6.一种可降解增强型植物纤维材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法的具体步骤为：

(1)将50-52％稻壳粉、14％可降解胶黏剂、12.5-13％增强剂和1-3％脱模剂于搅拌机中混合完全，在不断搅拌的过程中加入18-20％水，搅拌3-5min至完全均匀，所述比例均为质量百分比，所述可降解胶黏剂是由重量配比聚乙烯醇：脲醛树脂＝5:2混合而成，所述增强剂是由重量配比重质碳酸钙：纳米二氧化硅＝12：0.5-1混合而成，所述脱模剂为硬脂酸或硬脂酸锌；

(2)将带有模具的热压机预热至100-110℃；

(3)温度到达后，将步骤(1)中搅拌均匀的复合物放入模具中进行热压，热压压力大于15MPa，热压时间控制在20-40s即可；

(4)取出晾干，即成。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法的具体步骤为：

(1)将52％稻壳粉，14％可降解胶黏剂，12.5％增强剂，2％脱模剂于搅拌机中混合完全，在不断搅拌的过程中加入19.5％水，搅拌3-5min至完全均匀；所述比例均为质量百分比；所述可降解胶黏剂是由重量配比聚乙烯醇：脲醛树脂＝5:2混合而成，所述增强剂是由重量配比重质碳酸钙：纳米二氧化硅＝12：0.5混合而成，所述脱模剂为硬脂酸或硬脂酸锌；

(2)将带有模具的热压机预热至100-110℃；

(3)温度到达后，将步骤(1)中搅拌均匀的复合物放入模具中进行热压，热压压力大于15MPa，热压时间控制在40s即可；

(4)取出晾干，即成。

8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中的热压压力为20MPa。