CN104029268A

CN104029268A - 一种农作物豆秸秆纤维复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN104029268A
Application number: CN201410268888.7A
Authority: CN
Inventors: 徐吉成; 蒋艳; 徐滨滨
Original assignee: Zhenjiang College
Current assignee: Zhenjiang College
Priority date: 2014-06-17
Filing date: 2014-06-17
Publication date: 2014-09-10

Abstract

本发明公开了一种农作物豆秸秆纤维复合材料的制备方法，包括将豆秸秆进行清洗和混合酸液预处理，然后将预处理后的秸秆粉碎，再与硅烷偶联剂和丙烯酸混合接枝改性剂、乙醇和水的混合溶液进行反应，制备农作物豆秸秆纤维复合材料。采用特定的混合酸和表面化学接枝技术，能去除秸秆表面的硅质和高碱缓冲能力，改变秸秆表面性能，消除秸秆表面不利于胶合物质对产品性能造成的负影响；经处理过的豆秸秆，浸润性增加，可增强各类胶粘剂与之的物理化学结合作用，有利于秸秆的工业化利用。

Description

一种农作物豆秸秆纤维复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于农作物废弃再利用技术领域，涉及秸秆表面处理，尤其涉及一种农作物豆秸秆纤维复合材料的制备方法。

背景技术

我国是一个森林资源贫乏的国家，据统计结果显示，虽然全国森林面积居世界第5位，森林覆盖率和森林蓄积量居世界第7位，人工林面积居世界首位，但是，全国人均占有森林面积只相当于世界人均的21.3%，人均森林蓄积量只占世界平均水平的1/8，森林覆盖率相当于世界的61.3%。据有关资料报道，我国年人均木材消耗量只有0.22m³，而世界平均为0.65 m³，发达国家平均为1.16m³，发展中国家平均则有0.47m³，我国在2000年木材供应缺口达6000万m³，我国人造板产量在1997年全国工业普查统计为1648.40万m³，并且是以消耗大量木材资源、生态环境遭到破坏为代价，1998年长江流域的特大洪灾后，国家制定了系列限伐、禁伐的政策，并启动了天然林保护工程，因此木材产量调减，使得我国板材市场的供需矛盾更加突出，节约木材，发展木材替代品是我国林业产业长期发展的方向。

我国是一个农业大国，可提供纤维的植物种类多、分布广、生长快、产量大。大豆是我国四大农作物之一，每年全国种植面积约1亿余亩，主要产区在东北、黄淮流域、长江流域、长江以南等地区。每年豆秸产量达800余万吨，除部分作为燃料外大部分未得到利用。由于我国森林资源短缺，木材的供应日趋紧张，木材人造板的生产已受到一定程度的影响，寻找新的人造板代用原料已势在必行，如豆秸能在刨花板生产中得到充分的利用，既可缓解木材供需矛盾，同时又为刨花板工业拓宽了原料来源。

豆秆的化学成分很接近木材，但其结构疏松、纤维细胞含量低于木材、溶液抽提物含量较高、灰分大、表面活性较木材纤维低，其本身强度低于木材，在胶接过程中易引起胶接不良，因此，从改变豆秆表面活性入手，对豆秆表面进行处理，并采用化学接枝方法将具有反应活性官能团或极性基团引入豆秆纤维表面，以提高其表面活性，为豆秆的工业化应用奠定基础。

相关的研究主要有如下文献：农业工程学报，2009，25(7)：180-184，针对西部地区产量较高的4种秸秆：棉秆、豆秆、烟秆和辣椒秆，研究其组织结构、纤维形态及化学组成等原料特性，并利用脲醛胶压制了4种秸秆的重组材，但该法对豆秆等表面没有进行实质性处理，对后期胶接强度会有影响。

木材工业，1997，11(4)：15-17，分析了整株豆秸的化学成分，研究了用豆秸制造刨花板的工艺，并分析了不同工艺条件对刨花板性能的影响，认为豆秸是制造刨花板适用的原料。但该工艺未对豆秆表面进行处理，豆秸的pH值和碱缓冲能力均高于木材。由于pH值和碱缓冲能力直接影响胶合程度，所以在豆秸刨花板的生产中施胶时易产生结团现象，而且需要加大固化剂的用量或延长热压时间，才能保证产品质量。

发明内容

解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提供了一种农作物豆秸秆纤维复合材料的制备方法，去除豆秸秆表面的硅质和高碱缓冲能力，消除不利于胶合的影响，增强豆秸秆对水的浸润性能。

技术方案：本发明提供的农作物豆秸秆纤维复合材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）将豆秸秆用水洗净，置于烧杯中，然后加入质量分数为0.2~5%的盐酸和磷酸（盐酸和磷酸的质量比为1:0.1~9）的混合酸液，于20~80℃蒸煮10~100min，混合酸液的用量为豆秸秆质量的80~600%；

（2）取出豆秸秆，用水冲洗至pH测试呈中性，90℃烘箱烘干，置于粉碎机（功率为1000~2000W、转速为1500~3000r/min）下粉碎10~40min，磨成豆秸秆粉；

（3）取步骤（2）所制得的豆秸秆粉，加入硅烷偶联剂和丙烯酸的混合接枝改性剂（硅烷偶联剂和丙烯酸的质量比为1:0.1~9）、乙醇和水的混合溶液，搅拌均匀后反应10~100min，混合接枝改性剂用量为豆秸秆粉质量的1~15%，乙醇的用量为豆秸秆粉质量的20~100%，水的用量为豆秸秆粉质量的10~120%；然后在40~100℃烘箱中干燥10~70min，即可得到豆秸秆纤维复合材料。

所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（KH560）、甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（KH570）、N-β（氨乙基）-γ-氨丙基三甲氧基硅烷（KH792）、N-（β-氨乙基）-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷（DL602）或γ-氨丙基三甲氧基硅烷（KH845）中的任一种。

有益效果：由于秸秆细胞的结构特征和化学组分与木材不完全相同，故采用传统的办法进行物料破碎或纤维分离，得率低，形态差，影响了产品的物理力学性能，本发明采用特定的混合酸和表面化学接枝技术，能去除秸秆表面的硅质和高碱缓冲能力，改变秸秆表面性能，消除秸秆表面不利于胶合物质对产品性能造成的负影响；经处理过的豆秸秆，浸润性增加，可增强各类胶粘剂与之的物理化学结合作用，有利于秸秆的工业化利用。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明，以使本领域技术人员更好地理解本发明，但本发明并不因此局限于以下实施例。实施例中所用豆秸秆产自江苏丹阳，经除杂、自然晾干后收集；硅烷偶联剂购自南京曙光硅烷化工有限公司；其余化学试剂均购自国药集团化学试剂有限公司。

实施例1

称取100g豆秸秆用水洗净，置于烧杯中，加入质量分数0.2%的混合酸液（盐酸和磷酸的质量比1:9）80g，20℃蒸煮20min；取出豆秸秆，用水冲洗至pH测试呈中性，在90℃烘箱中烘干，粉碎机1000W功率、转速为1500转/分钟下粉碎10min，磨成豆秸秆粉；称取50g豆秸秆粉，加入0.05g硅烷偶联剂KH550和0.45g丙烯酸的混合接枝改性剂、10g乙醇和5g水的混合溶液，反应40min；在40℃烘箱中干燥10min，得到豆秸秆纤维复合材料样品（DJG-1）。

实施例2

称取100g豆秸秆用水洗净，置于烧杯中，加入质量分数0.5%的混合酸液（盐酸和磷酸的质量比2:8）100g，30℃蒸煮10min；取出豆秸秆，用水冲洗至pH测试呈中性，在90℃烘箱中烘干，粉碎机1200W功率、转速为1800转/分钟下粉碎10min，磨成豆秸秆粉；称取50g豆秸秆粉，加入0.9g硅烷偶联剂KH560和0.1g丙烯酸的混合接枝改性剂、15g乙醇和10g水的混合溶液，反应10min；在50℃烘箱中干燥20min，得到豆秸秆纤维复合材料样品（DJG-2）。

实施例3

称取100g豆秸秆用洗净，置于烧杯中，加入质量分数0.8%的混合酸液（盐酸和磷酸的质量比5:5）300g，50℃蒸煮45min；取出豆秸秆，用水冲洗至pH测试呈中性，在90℃烘箱中烘干，粉碎机1300W功率、转速为1600转/分钟下粉碎15min，磨成豆秸秆粉；称取50g豆秸秆粉，加入0.2g硅烷偶联剂KH570和1.8g丙烯酸的混合接枝改性剂、20g乙醇和20g水的混合溶液，反应40min；在60℃烘箱中干燥30min，得到豆秸秆纤维复合材料样品（DJG-3）。

实施例4

称取100g豆秸秆用水洗净，置于烧杯中，加入质量分数1.0%的混合酸液（盐酸和磷酸的质量比4:6）200g，60℃蒸煮55 min；取出豆秸秆，用水冲洗至pH测试呈中性，在80℃烘箱中烘干，粉碎机1500W功率、转速为2000转/分钟下粉碎25min，磨成豆秸秆粉；称取50g豆秸秆粉，加入2.0g硅烷偶联剂KH792和0.5g丙烯酸的混合接枝改性剂、50g乙醇和20g水的混合溶液，反应50min；在70℃烘箱中干燥30min，得到豆秸秆纤维复合材料样品（DJG-4）。

实施例5

称取100g豆秸秆用水洗净，置于烧杯中，加入质量分数1.5%的混合酸液（盐酸和磷酸的质量比2:8）150g，70℃蒸煮60min；取出豆秸秆，用水冲洗至pH测试呈中性，在90℃烘箱中烘干，粉碎机1800W功率、转速为2500转/分钟下粉碎20min，磨成豆秸秆粉；称取50g豆秸秆粉，加入5.0g硅烷偶联剂DL602和2.5g丙烯酸的混合接枝改性剂、50g乙醇和50g水的混合溶液，反应100min；在100℃烘箱中干燥70min，得到豆秸秆纤维复合材料样品（DJG-5）。

实施例6

称取100g豆秸秆用水洗净，置于烧杯中，加入质量分数2.0%的混合酸液（盐酸和磷酸的质量比3:7）500g，80℃蒸煮70min；取出豆秸秆，用水冲洗至pH测试呈中性，在90℃烘箱中烘干，粉碎机2000W功率、转速为3000转/分钟下粉碎40min，磨成豆秸秆粉；称取50g豆秸秆粉，加入2.4g硅烷偶联剂KH845和0.6g丙烯酸的混合接枝改性剂、55g乙醇和60g水的混合溶液，反应90min；在80℃烘箱中干燥60min，得到豆秸秆纤维复合材料样品（DJG-6）。

实施例7

称取100g豆秸秆用水洗净，置于烧杯中，加入质量分数2.5%的混合酸液（盐酸和磷酸的质量比4:6）600g，80℃蒸煮100min；取出豆秸秆，用水冲洗至pH测试呈中性，在90℃烘箱中烘干，粉碎机1800W功率、转速为2500转/分钟下粉碎35min，磨成豆秸秆粉；称取50g豆秸秆粉，加入0.9g硅烷偶联剂KH550和0.1g丙烯酸的混合接枝改性剂、45g乙醇和55g水的混合溶液，反应80min；在80℃烘箱中干燥70min，得到豆秸秆纤维复合材料样品（DJG-7）。

实施例8

称取100g豆秸秆用水洗净，置于烧杯中，加入质量分数3.0%的混合酸液（盐酸和磷酸的质量比5:5）400g，45℃蒸煮85min；取出豆秸秆，用水冲洗至pH测试呈中性，在90℃烘箱中烘干，粉碎机1500W功率、转速为1500转/分钟下粉碎35min，磨成豆秸秆粉；称取50g豆秸秆粉，加入3.6g硅烷偶联剂KH560和0.4g丙烯酸的混合接枝改性剂、40g乙醇和55g水的混合溶液，反应70min；在90℃烘箱中干燥60min，得到豆秸秆纤维复合材料样品（DJG-8）。

实施例9

称取100g豆秸秆用水洗净，置于烧杯中，加入质量分数4.5%的混合酸液（盐酸和磷酸的质量比6:4）350g，65℃蒸煮55min；取出豆秸秆，用水冲洗至pH测试呈中性，在90℃烘箱中烘干，粉碎机1000W功率、转速为1000转/分钟下粉碎25min，磨成豆秸秆粉；称取50g豆秸秆粉，加入3.5g硅烷偶联剂KH570和1.0g丙烯酸的混合接枝改性剂、40g乙醇和60g水的混合溶液，反应70min；在80℃烘箱中干燥50min，得到豆秸秆纤维复合材料样品（DJG-9）。

实施例10

称取100g豆秸秆用水洗净，置于烧杯中，加入质量分数5.0%的混合酸液（盐酸和磷酸的质量比7:3）600g，50℃蒸煮90min；取出豆秸秆，用水冲洗至pH测试呈中性，在90℃烘箱中烘干，粉碎机1200W功率、转速为2000转/分钟下粉碎40min，磨成豆秸秆粉；称取50g豆秸秆粉，加入2.5g硅烷偶联剂DL602和2.5g丙烯酸的混合接枝改性剂、35g乙醇和50g水的混合溶液，反应85min；在90℃烘箱中干燥60min，得到豆秸秆纤维复合材料样品（DJG-10）。

实施例11

称取100g豆秸秆用水洗净，置于烧杯中，加入质量分数1.5%的混合酸液（盐酸和磷酸的质量比7:3）400g，60℃蒸煮85min；取出豆秸秆，用水冲洗至pH测试呈中性，在90℃烘箱中烘干，粉碎机1500W功率、转速为2000转/分钟下粉碎20min，磨成豆秸秆粉；称取50g豆秸秆粉，加入1.5g硅烷偶联剂KH550和1.5g丙烯酸的混合接枝改性剂、35g乙醇和45g水的混合溶液，反应60min。在70℃烘箱中干燥40min，得到豆秸秆纤维复合材料样品（DJG-11）。

实施例12

称取100g豆秸秆用水洗净，置于烧杯中，加入质量分数3.5%的混合酸液（盐酸和磷酸的质量比1:9）500g，60℃蒸煮50min；取出豆秸秆，用水冲洗至pH测试呈中性，在90℃烘箱中烘干，粉碎机1000W功率、转速为1500转/分钟下粉碎15min，磨成豆秸秆粉；称取50g豆秸秆粉，加入2.0g硅烷偶联剂KH550和2.0g丙烯酸的混合接枝改性剂、20g乙醇和20g水的混合溶液，反应30min；在60℃烘箱中干燥25min，得到豆秸秆纤维复合材料样品（DJG-12）。

将未经处理的豆秸秆（仅用水洗净、烘干后磨成粉）原样（DJG-0）、豆秸秆纤维复合材料样品在压片机上压成小片，在CM20型表面张力仪/接触角仪上，测定其表面与水所形成的接触角，结果如下表1所示：

表1 表面处理的纤维复合材料豆秸秆样品表面与水所形成的接触角

样品	接触角（°）
		DJG-0	79.33
DJG-1	75.62
		DJG-2	72.11
DJG-3	70.16
		DJG-4	79.87
DJG-5	76.67
		DJG-6	75.33
DJG-7	72.38
		DJG-8	78.54
DJG-9	76.55
		DJG-10	72.16
DJG-11	66.33
		DJG-12	78.77

结果表明，未处理的豆秸秆表面与水的接触角近80°，水对其浸润不强。经处理的豆秸秆纤维复合材料样品，接触角减小，表面的极性化程度提高，含有可反应和交联的接枝基团（如氨基、硅羟基等），与水的润湿性加强；也说明经表面处理的豆秸秆纤维复合材料样品，可增强各类胶黏剂与之的物理化学结合作用。将豆秸秆纤维复合材料样品，在胶粘剂、一定温度和一定压力下，可热压制成板、或与其它塑料如聚对苯二甲酸乙二醇脂（PET）、聚苯乙烯（PS）和聚碳酸酯（PC）等制成复合地板或木塑复合材料，可进一步在建筑、包装、家具、广告、建材等领域应用。本发明可将农作物秸秆变废为宝、解决森林资源及污染环境等问题。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种农作物豆秸秆纤维复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）将豆秸秆用水洗净，置于容器中，然后加入质量分数为0.2~5%的盐酸和磷酸的混合酸液，于20~80℃蒸煮10~100min，混合酸液的用量为豆秸秆质量的80~600%；

（2）取出豆秸秆，用水冲洗至pH呈中性，90℃烘箱烘干，置于粉碎机下粉碎10~40min，磨成豆秸秆粉；

（3）取步骤（2）所制得的豆秸秆粉，加入硅烷偶联剂和丙烯酸的混合接枝改性剂、乙醇和水的混合溶液，搅拌均匀后反应10~100min，混合接枝改性剂用量为豆秸秆粉质量的1~15%，乙醇的用量为豆秸秆粉质量的20~100%，水的用量为豆秸秆粉质量的10~120%；然后在40~100℃烘箱中干燥10~70min，即可得到豆秸秆纤维复合材料。

2.根据权利要求1所述的农作物豆秸秆纤维复合材料的制备方法，其特征在于所述盐酸和磷酸的质量比为1:0.1~9。

3.根据权利要求1所述的农作物豆秸秆纤维复合材料的制备方法，其特征在于所述粉碎机功率为1000~2000W、转速为1500~3000r/min。

4.根据权利要求1所述的农作物豆秸秆纤维复合材料的制备方法，其特征在于硅烷偶联剂和丙烯酸质量比为1:0.1~9。

5.根据权利要求1所述的农作物豆秸秆纤维复合材料的制备方法，其特征在于所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、N-β（氨乙基）-γ-氨丙基三甲氧基硅烷、N-（β-氨乙基）-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷或γ-氨丙基三甲氧基硅烷中的任一种。