CN104448728A

CN104448728A - 一种秸秆纤维复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN104448728A
Application number: CN201410660419.XA
Authority: CN
Inventors: 祝龙云; 施爱平; 李成
Original assignee: ZHENJIANG OLITE MACHINERY MANUFACTURING Co Ltd
Current assignee: ZHENJIANG OLITE MACHINERY MANUFACTURING Co Ltd
Priority date: 2014-11-18
Filing date: 2014-11-18
Publication date: 2015-03-25

Abstract

本发明提供的一种秸秆纤维复合材料的制备方法包括以下步骤：1)秸秆纤维的预处理；2)秸秆纤维的混炼；3)热压成型；4)产品包装。本发明的制备方法的优势在于本方法简单可靠，易于实施，其制备的复合材料可再生、可降解，成为环保节能的理想材料；可再回收利用，可形成循环经济的产业链；其力学性能好、性能优良、成本低廉、用途广泛；可用于建筑、家居、汽车等行业领域。

Description

一种秸秆纤维复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及复合纤维材料领域，特别是一种秸秆纤维复合材料的制备方法。

背景技术

随着国家经济的飞速发展，对木材的需求量迅速增大，一方面我国是木材资源短缺的国家，人均森林面积不到世界平均水平的1/4，木材供不应求的局面将会长期存在，另一方面，我国又是农业大国，每年产生约7亿吨的农业秸秆，这是极为丰富宝贵的天然植物纤维资源；合理利用秸秆资源,对于保护森林资源、提高农作物秸秆的利用价值、防止环境污染等具有重要的现实意义,这一技术受到联合国粮农组织和世界环境保护组织的支持和赞赏。开发利用秸秆资源已成为农业加工的重要的发展趋势之一；秸秆纤维化以后的用途将更加广泛；如一是可以直接压制成秸秆纤维板在密度和质量上都得到提高，二是可以按一定比例添加到木质纤维板中替代部分木材，三是秸秆纤维化以后可以将不同的秸秆按不同的比例混合在一起压制成板材，比单一材质的板材性能和功能上要好得多，特别是在作为木塑产品的原材料方面表现得更为明显，四是经过改性后的秸秆纤维可以使用普通的粘胶剂，使成本大大降低；六是可以加工成编织品，当然这需要将秸秆加工成一定长径比的秸秆纤维，比用作其他产品的纤维加工要求条件更高一点；秸秆纤维化以后的用途非常广泛，但仍未能进行大量生产的主要是因为秸秆纤维的加工工艺比较复杂、成本较高，加上秸秆在技术上我国目前还处于初级阶段，没有真正推广开来。

秸秆纤维是自然界中最丰富的天然高分子材料，其价格低廉、密度小，具有较高的弹性模量和拉伸强度，而它的生物降解性和可再生性是其他任何增强材料无法比拟的。在我国，对其的开发利用就目前来说还是远远不够的，如秸秆经常被当成废料来处理，如焚烧秸秆对空气造成污染，形成雾霾天气；如填埋等产生运输费用、人工费用和其他处理费用，无法产生经济效益；这造成巨大的资源浪费；如何通过技术开发，充分利用其较高的弹性模量和拉伸强度等特性，以及其生物降解性、可再生性，将秸秆制成用途广泛的环保材料，变废为宝，产生经济效益，形成产业链条，解决上述技术问题，在本领域内具有重大的意义。

随着人们环保意识的增强,可生物降解聚酯日益受到人们的关注。其中聚丁二酸丁二醇酯(PBS)不但具有良好的生物降解性能,同时还具有与通用聚乙烯材料相近的力学性能、物理性能,适合多种加工工艺,可用来制备各种各样的完全生物降解高分子制品,但因PBS价格高,其推广应用受到限制；天然禾本科植物纤维,如小麦秸秆、稻草、竹纤维是自然界中生产周期最短,来源最广的天然高分子材料,其价格低廉,密度小,具有较高的弹性模量和拉伸强度,且它的生物降解性和可再生性是其它任何增强材料无法比拟的。采用禾本科植物纤维与PBS进行共混,制得植物纤维/PBS复合材料,以扩展了植物纤维/聚酯复合材料的在各行业的应用。秸秆纤维添加到聚酯中，以求改善材料性能、扩展材料用途、促进降解；但秸秆纤维富含羟基、表面光滑，与聚酯之间的相容性较差、啮合作用小，难以发挥增强作用。碱处理是增加纤维表面粗糙度，提高纤维与基体之间啮合作用的有效手段；通过碱处理可溶解纤维中的半纤维素、木素，使秸秆纤维表面变得粗糙，纤维与基体之间的啮合作用增强，从而使复合材料的性能得到改善，但是碱处理使纤维表面羟基含量增多，纤维自身强度大幅度降低，给复合材料的性能带来不利影响；因此，从保护秸秆纤维强度、改善纤维与基体之间相容性两方面着手，开发一种秸秆纤维/聚丁二酸丁二醇酯(PBS)复合材料及其制备方法，在本领域内具有重大的意义。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明提供一种秸秆纤维复合材料的制备方法，通过优化各项成分的配比，采用专用的制备方法，得到性能优良，成本低廉、用途广泛的一种秸秆纤维复合材料，为实现上述目的，本发明提出的一种秸秆纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1.秸秆纤维的预处理：

1)选用无霉变的秸秆进行机械处理；粉碎烘干后得到100～150um的秸秆短纤维；

2)采用水煮工艺处理秸秆，秸秆纤维的理论含量为40％，NaOH溶液的质量分数为8％，加热煮沸。经过比较采用30min2次得到的纤维含量最高。

3)将水煮处理后分离得到的秸秆纤维水洗至中性，其pH值为7；

2.秸秆纤维的混炼：

采用预处理之后的秸秆纤维质量分数为20％～30％,对聚丁二酸丁二醇酯(PBS)进行预处理，聚丁二酸丁二醇酯(PBS)置于真空干燥箱在60～100℃干燥12～48h，预处理之后的PBS取质量分数为60％～70％,添加质量分数为5％的壳聚糖，添加质量分数为3％苯甲酸,添加其他添加剂；在SK-160双辊混炼机上混炼10分钟，温度控制在110℃；混合均匀后进行烘干；

3.热压成型：

在平板硫化机上进行热压，热压温度控制在170～180℃，压力控制在3～6MPa，热压时间控制在1～5min；保持压力在3～6MPa，常温下自然冷却或水冷得到成型的复合材料。

4.产品包装。

对于本技术方案的进一步的优选，步骤3秸秆纤维的混炼过程中，采用秸秆纤维质量分数为30％，PBS质量分数60％，添加质量分数为5％的壳聚糖，添加质量分数为3％苯甲酸,并选择添加其他质量分数为2％的硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂中的任意一种；；在SK-160双辊混炼机上混炼10分钟，温度控制在110℃；混合均匀后进行烘干。

对于本技术方案的进一步的优选，步骤1秸秆纤维的预处理中所选用的农作物秸秆为稻草秸秆、麦草秸秆、棉秸秆、玉米秸秆、大豆秸秆中的任意一种或多种秸秆的混合，多种以上秸秆的混合时可以任意配比。

本发明的制备过程方法的依据和原理主要在于：本发明的方法使用氢氧化钠溶液对农作物秸杆进行碱处理，氢氧化钠溶液可破坏秸秆中的部分木质素和半纤维素，并通过皂化反应去除秸秆表面的蜡质；如果使用比较弱的碱处理条件，仅能够去除秸秆中结合较弱的木质素和半纤维素，这样得到的秸秆纤维较粗，影响复合材料制备中与高聚物界面的黏结效果；相反，若使用过强的碱处理条件，秸秆中的木质素和半纤维素会被大幅度去除，这样得到的秸秆纤维很细，但长度太短，同样影响复合材料制备过程中秸秆纤维的增强作用，因此，烧碱浓度是一个非常重要的工艺参数，本制备方法中采用质量分数为5％的NaOH溶液进行秸秆的预处理，达到较好效果。

本发明的制备方法中采用苯甲酸对秸秆纤维进行处理，实验证明秸秆纤维复合材料的拉伸强度随苯甲酸含量的增加而增大,这主要是因为加入苯甲酸之后,羧酸根(-COOH)有助于减少纤维的羟基(-OH)数目,使羟基发生酯化反应,减低了纤维的极性与吸湿性,从而提高了植物纤维与PBS的相容性,促使两者的界面有更好的接触,当材料受拉伸时纤维增强作用会加强,有助于提高复合材料的拉伸强度。另外,由于苯环的引入,将会有助于提高复合材料的热稳定性。

由以上本发明的实施方案可知，本发明所提出的秸秆纤维复合材料及其制备方法，与现有的技术相比，具有以下优势：

1)本发明的制备方法简单可靠，易于实施；制备的复合材料可再生、可降解，为环保节能的理想材料；

2)本方法制备的复合材料可再回收利用，形成循环经济的产业链；

3)本方法制备的复合材料力学性能好、性能优良、成本低廉、用途广泛；可用于建筑、家居、汽车等行业领域。

附图说明

图1为本发明的制备方法的工艺流程示意图；

图2为实施例一、实施例二、实施例三和比较例的疲劳强度比较，其中：

1-实施例一，2-实施例二，3-实施例三，4-比较例；

图3为实施例一、实施例二、实施例三和比较例的挠度比较，其中：

1-实施例一，2-实施例二，3-实施例三，4-比较例；

具体实施方式

为了更好地了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下：

实施例一

如图1所示本发明提出的秸秆纤维复合材料的制备方法的工艺流程示意图，主要包括以下步骤：

1.秸秆纤维的预处理：

2.秸秆纤维的混炼：

采用预处理之后的秸秆纤维质量分数为20％,对聚丁二酸丁二醇酯(PBS)进行预处理，聚丁二酸丁二醇酯(PBS)置于真空干燥箱在60～100℃干燥12～48h，预处理之后的PBS取质量分数为70％，添加质量分数为5％的壳聚糖，添加质量分数为3％苯甲酸,并选择添加其他质量分数为2％的硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂中的任意一种；在SK-160双辊混炼机上混炼10分钟，温度控制在110℃；混合均匀后进行烘干；

3.热压成型：

4.产品包装。

实施例二

1.秸秆纤维的预处理：

2.秸秆纤维的混炼：

采用预处理之后的秸秆纤维质量分数为25％,对聚丁二酸丁二醇酯(PBS)进行预处理，聚丁二酸丁二醇酯(PBS)置于真空干燥箱在60～100℃干燥12～48h，预处理之后的PBS取质量分数为65％,添加质量分数为5％的壳聚糖，添加质量分数为3％苯甲酸,并选择添加其他质量分数为2％的硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂中的任意一种；在SK-160双辊混炼机上混炼10分钟，温度控制在110℃；混合均匀后进行烘干；

3.热压成型：

4.产品包装。

实施例三

1.秸秆纤维的预处理：

2.秸秆纤维的混炼：

采用预处理之后的秸秆纤维质量分数为30％,对聚丁二酸丁二醇酯(PBS)进行预处理，聚丁二酸丁二醇酯(PBS)置于真空干燥箱在60～100℃干燥12～48h，预处理之后的PBS取质量分数为60％，添加质量分数为5％的壳聚糖，添加质量分数为3％苯甲酸,并选择添加其他质量分数为2％的硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂中的任意一种；在SK-160双辊混炼机上混炼10分钟，温度控制在110℃；混合均匀后进行烘干；

3.热压成型：

4.产品包装。

比较例

1.秸秆纤维的预处理：

2.秸秆纤维的混炼：

采用预处理之后的秸秆纤维质量分数为70％,对聚丁二酸丁二醇酯(PBS)进行预处理，聚丁二酸丁二醇酯(PBS)置于真空干燥箱在60～100℃干燥12～48h，预处理之后的PBS取质量分数为20％，添加质量分数为5％的壳聚糖，添加质量分数为3％苯甲酸,并选择添加其他质量分数为2％的硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂中的任意一种；在SK-160双辊混炼机上混炼10分钟，温度控制在110℃；混合均匀后进行烘干；

3.热压成型：

4.产品包装。

对以上实施例一、实施例二、实施例三和比较例进行性能检测；如图2所示的实施例一、实施例二、实施例三和比较例的混合材料的疲劳强度比较；随着秸秆纤维质量分数的增加，混合材料的疲劳强度在减小；如图3所示的实施例一、实施例二、实施例三和比较例的混合材料挠度的比较，随着秸秆纤维质量分数的增加，混合材料的挠度在增大。

综上所述，本发明提供的秸秆纤维复合材料的制备方法，简单易行，得到的复合材料力学性能好、性能优良、成本低廉、用途广泛，可用于建筑、家居、汽车等多种行业领域。

本发明以实施例的方式揭露如上，不以任何形式对本发明构成限制和限定，本发明的范围以权利要求书为准，一切不超出本发明宗旨的显而易见的修改、变换和替代方案均在本发明范围内。

Claims

1.一种秸秆纤维复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1秸秆纤维的预处理

2)采用水煮工艺处理秸秆，秸秆纤维的理论含量为40％，NaOH溶液的质量分数为8％，加热煮沸。经过比较采用30min2次得到的纤维含量最高；

步骤2秸秆纤维的混炼

采用预处理之后的秸秆纤维质量分数为20％～30％,对聚丁二酸丁二醇酯(PBS)进行预处理，聚丁二酸丁二醇酯(PBS)置于真空干燥箱在60～100℃干燥12～48小时，预处理之后的PBS取质量分数为60％～70％,添加质量分数为5％的壳聚糖，添加质量分数为3％苯甲酸,添加其他添加剂；在SK-160双辊混炼机上混炼10分钟，温度控制在110℃；混合均匀后进行烘干；

步骤3热压成型

在平板硫化机上进行热压，热压温度控制在170～180℃，压力控制在3～6MPa，热压时间控制在1～5min；保持压力在3～6MPa，常温下自然冷却或水冷得到成型的复合材料；

步骤4产品包装。

2.根据权利要求1所述的秸秆纤维复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2秸秆纤维的混炼过程中，采用预处理之后的秸秆纤维质量分数为30％,对聚丁二酸丁二醇酯(PBS)进行预处理，聚丁二酸丁二醇酯(PBS)置于真空干燥箱在60～100℃干燥12～48h，预处理之后的PBS取质量分数为60％,添加质量分数为5％的壳聚糖，添加质量分数为3％苯甲酸,并选择添加其他质量分数为2％的硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂中的任意一种；在SK-160双辊混炼机上混炼10分钟，温度控制在110℃；混合均匀后进行烘干。

3.根据权利要求1所述的秸秆纤维复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1秸秆纤维的预处理中所选用的农作物秸秆为稻草秸秆、麦草秸秆、棉秸秆、玉米秸秆、大豆秸秆中的任意一种或多种秸秆的混合，多种以上秸秆的混合时可以任意配比。