CN104194059A - 一种纤维素热塑材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维素热塑材料及其制备方法，该热塑材料由离子液体和纤维素构成，其中，离子液体与纤维素的质量比为20/80～50/50，所述离子液体作为增塑剂，能够破坏纤维素分子间氢键和增加自由体积，以实现对纤维素的塑化。制备是通过预混、混炼、热机械加工成型和浸渍后烘焙得到。这种纤维素热塑材料不仅具有可反复成型加工的特点，而且抗增塑剂迁移、结构稳定。本发明提供的纤维素热塑材料的制备方法与现有技术相比，具有工艺简单、生产效率高、产品可二次加工的特点，改善了以往纤维素材料形式单一的缺陷，拓宽了纤维素材料的应用领域。

Description

一种纤维素热塑材料及其制备方法

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，涉及一种纤维素材料及其制备方法，具体是一种可热塑加工的纤维素材料及其制备方法。

背景技术

纤维素是由绿色植物通过光合作用产生的糖类大分子，具有优良的机械性能、生物相容性、可生物降解性和可再生性。其产量丰富、价格低廉，是石油基合成聚合物材料最具潜力的替代品之一。纤维素材料的开发和利用对国民经济发展和可持续发展战略的实施具有重要意义。

目前的纤维素材料通常采用特殊的溶剂依靠溶液加工而制备。如专利KR20010038732A和CN1358769A分别公开了基于一水合N-甲基吗啉-N-氧化物和氢氧化钠-尿素溶解体系的再生纤维素纤维或膜的制备方法。专利CN101085838A公开了一种纤维素含量不超过30％的离子液体-纤维素溶液的连续制备方法。专利CN103709435A和CN103627023A分别公开了溶解法制备纤维素凝胶和泡沫的方法。

与溶液法相比，熔融加工法具有能耗低、环境污染小、生产效率高等优点，成为高分子材料更理想的制备方法。但纤维素分子结构中存在的大量羟基使其形成了强分子内和分子间氢键，导致纯纤维素的熔融温度高于其分解温度，无法进行熔融加工。

发明内容

本发明针对目前纯纤维素无法熔融加工的缺点，提供了一种可熔融加工的纤维素热塑材料及其制备方法。

本发明的一种纤维素热塑材料，其特征在于，该材料由离子液体和纤维素构成，其中，离子液体与纤维素的质量比为20/80～50/50，所述离子液体作为增塑剂，能够破坏纤维素分子间氢键和增加自由体积，以实现对纤维素的塑化。

本发明的纤维素热塑材料的制备方法，具体步骤如下：

1)将作为增塑剂的离子液体与纤维素按照质量比为20/80～50/50预混合后，置于混炼机中，在热剪切作用下混炼，制得可反复热塑成型的纤维素基料；

2)将步骤1)制得的纤维素基料通过热成型设备进行热机械加工成型，制得热塑性纤维素初级材料；

3)将步骤2)制得的热塑性纤维素初级材料置于硬脂酸溶液中浸渍后烘焙，制得本发明的纤维素热塑材料。

上述二个技术方案中，所述纤维素为长度小于10毫米的天然纤维素，或粒径小于300微米的微晶纤维素粉末中的一种或几种，所述天然纤维素包括棉绒、木纤维、麻纤维、竹纤维，或粒径小于5毫米的秸秆、甘蔗渣、棉浆粕碎块；所述离子液体为阴离子为氯离子、甲酸根或乙酸根的离子液体，如1-丁基-3-甲基咪唑氯盐、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐、1-丙基-3-甲基咪唑醋酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐中的一种或几种。

本发明提供的制备方法中，步骤1)所述混炼机为开炼机或密炼机；所述混炼温度为60～150℃，优选温度为90～130℃。

步骤2)所述热成型设备为双螺杆挤出机、单螺杆挤出机、注塑机、平板硫化机中的一种；所述热机械加工成型温度为60～180℃，优选温度为100～160℃。

步骤3)所述硬脂酸溶液为硬脂酸的乙醇溶液，硬脂酸溶液的浓度为20～40g/100ml，浸渍时间为2～20秒；所述烘焙温度为70～90℃，烘焙时间为0.5～3小时。

本发明的优越性在于提供了一种与纤维素具有良好相容性的离子液体作增塑剂的纤维素热塑材料，这种纤维素热塑材料不仅具有可反复成型加工的特点，而且抗增塑剂迁移、结构稳定。本发明提供的纤维素热塑材料的制备方法与现有技术相比，具有工艺简单、生产效率高、产品可二次加工的特点，改善了以往纤维素材料形式单一的缺陷，拓宽了纤维素材料的应用领域。

附图说明

图1为实施例1所制备的纤维素热塑材料的注塑样条。

图2为实施例2所制备的含离子液体的纤维素热塑材料的拉伸强度和模量曲线。

图3为实施例3在使用密炼机制备纤维素基料过程中的转矩变化。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1：

取600克棉短绒浆粕分别与257克、400克、600克的1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐混合搅拌，使离子液体被均匀、充分的吸附。将所得预混物置于密炼机中，升温置90℃并稳定10分钟后开始混炼，转速为45r/min。20分钟后得到均一的-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐-纤维素基料。将所得材料破碎后加入注塑机中注射成型，料筒温度130℃，所得样条冷却后置于20g/100ml硬脂酸乙醇溶液中浸渍2秒，放入70℃烘箱烘焙1小时，即得纤维素含量分别为70、60、50wt％的离子液体-纤维素热塑材料的注塑样条。

实施例2：

将80克微晶纤维素与20克1-丁基-3-甲基咪唑氯盐混合搅拌，得到表观均一的泥状预混物。将所得预混物置于开炼机上，升温置130℃并稳定10分钟后开始混炼，15分钟后得到均一的1-丁基-3-甲基咪唑氯盐-纤维素基料。将所得材料放入5cm×7cm×0.1cm模具中，置于平板硫化机中，在160℃、20MPa下热压成型。取出冷却后置于40g/100ml硬脂酸乙醇溶液中浸渍5秒，放入80℃烘箱烘焙0.5小时，即得纤维素含量为80wt％的离子液体-纤维素热塑材料的硬质薄片。

实施例3：

将600克秸秆碎块、甘蔗渣的混合物与400克1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐经初步搅拌后放入高速混合机中进一步混合，确保离子液体被充分、均匀的吸附。将所得预混物置于密炼机中，升温置90℃并稳定10分钟后开始混炼，转速为45r/min。20分钟后得到均一的1-丁基-3-甲基咪唑氯盐-纤维素基料。将所得材料破碎后加后加入长径比35的双螺杆挤出机喂料口。挤出机喂料段、熔融段、计量段及机头温度分别为90℃、135℃、145℃、150℃，螺杆转速30r/min，以空气为冷却介质，切割造粒后得纤维素含量为60wt％的离子液体-纤维素热塑材料的粒料。

实施例4：

取600克棉短绒浆粕分别与257克、400克、600克的1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐混合搅拌，使离子液体被均匀、充分的吸附。将所得预混物置于密炼机中，升温置150℃并稳定10分钟后开始混炼，转速为45r/min。20分钟后得到均一的-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐-纤维素基料。将所得材料破碎后加入注塑机中注射成型，料筒温度180℃，所得样条冷却后置于40g/100ml硬脂酸乙醇溶液中浸渍20秒，放入90℃烘箱烘焙3小时，即得纤维素含量分别为70、60、50wt％的离子液体-纤维素热塑材料的注塑样条。

实施例5：

将40克微晶纤维素与60克1-丁基-3-甲基咪唑氯盐混合搅拌，得到表观均一的泥状预混物。将所得预混物置于开炼机上，升温置60℃并稳定10分钟后开始混炼，15分钟后得到均一的1-丁基-3-甲基咪唑氯盐-纤维素基料。将所得材料放入5cm×7cm×0.1cm模具中，置于平板硫化机中，在60℃、20MPa下热压成型。取出冷却后置于40g/100ml硬脂酸乙醇溶液中浸渍2秒，放入80℃烘箱烘焙1小时，即得纤维素含量为40wt％的离子液体-纤维素热塑材料的硬质薄片。

实施例6：

将木纤维、竹纤维、麻纤维切碎后混合，取70克和1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐与1-丙基-3-甲基咪唑醋酸盐质量比为1:1的混合物30克搅拌，得到表观均一的泥状预混物。将所得预混物置于开炼机，升温置110℃并稳定10分钟后开始混炼。5分钟后得到均一的离子液体-纤维素基料。将所得材料，置于平板硫化机中，在100℃、30MPa下热压成型。取出冷却后置于40g/100ml硬脂酸乙醇溶液中浸渍5秒，放入80℃烘箱烘焙1小时，得到纤维素含量为70wt％的离子液体-纤维素热塑材料的皮革态薄膜。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种纤维素热塑材料，其特征在于，该材料由离子液体和纤维素构成，其中，离子液体与纤维素的质量比为20/80～50/50，所述离子液体作为增塑剂，能够破坏纤维素分子间氢键和增加自由体积，以实现对纤维素的塑化。

2.根据权利要求1所述的纤维素热塑材料，其特征在于，所述纤维素为长度小于10毫米的天然纤维素，或粒径小于300微米的微晶纤维素粉末中的一种或几种，所述天然纤维素包括棉绒、木纤维、麻纤维、竹纤维，或粒径小于5毫米的秸秆、甘蔗渣、棉浆粕碎块。

3.根据权利要求1所述纤维素热塑材料，其特征在于，所述离子液体为阴离子为氯离子、甲酸根或乙酸根的离子液体。

4.根据权利要求1所述的纤维素热塑材料，其特征在于，所述离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑氯盐、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐、1-丙基-3-甲基咪唑醋酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐中的一种或几种。

5.一种纤维素热塑材料的制备方法，其具体步骤如下：

1)将作为增塑剂的离子液体与纤维素按照质量比为20/80～50/50预混合后，置于混炼机中，在热剪切作用下混炼，制得可反复热塑成型的纤维素基料；

2)将步骤1)制得的纤维素基料通过热成型设备进行热机械加工成型，制得热塑性纤维素初级材料；

3)将步骤2)制得的热塑性纤维素初级材料置于硬脂酸溶液中浸渍后烘焙，制得本发明的纤维素热塑材料。

6.根据权利要求5所述纤维素热塑材料的制备方法，其特征在于，步骤1)所述纤维素为长度小于10毫米的天然纤维素，或粒径小于300微米的微晶纤维素粉末中的一种或几种，所述天然纤维素包括棉绒、木纤维、麻纤维、竹纤维，或粒径小于5毫米的秸秆、甘蔗渣、棉浆粕碎块；所述离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑氯盐、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐、1-丙基-3-甲基咪唑醋酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐中的一种或几种。

7.根据权利要求5所述纤维素热塑材料的制备方法，其特征在于，步骤1)所述混炼机为开炼机或密炼机；所述混炼温度为60～150℃，优选温度为90～130℃。

8.根据权利要求5所述纤维素热塑材料的制备方法，其特征在于，步骤2)所述热成型设备为双螺杆挤出机、单螺杆挤出机、注塑机、平板硫化机中的一种；所述热机械加工成型温度为60～180℃，优选温度为100～160℃。

9.根据权利要求5所述纤维素热塑材料的制备方法，其特征在于，步骤3)所述硬脂酸溶液为硬脂酸的乙醇溶液，硬脂酸溶液的浓度为20～40g/100ml，浸渍时间为2～20秒。

10.根据权利要求5所述纤维素热塑材料的制备方法，其特征在于，步骤3)所述烘焙温度为70～90℃，烘焙时间为0.5～3小时。