CN105315688A - 一种秸秆生物质的改性及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种秸秆来源的复合材料，也就是用矿石粉和助剂对秸秆粉进行改性获得适塑改性秸秆生物质，以及采用该种改性秸秆生物质与塑料进一步复合形成新材料和利用他们制造秸塑产品的方法。本发明首先将秸秆生物质粉碎至一定细度，然后在酯化剂和偶联剂作用下与矿石粉混合形成改性秸秆粉，后者进一步在接枝剂等助剂的作用下与塑料复合，形成新的替代木塑、替代塑料的新材料和新产品。

Description

一种秸秆生物质的改性及其使用方法
技术领域
本发明属于农业和塑料工业领域，具体涉及一种秸秆来源的复合材料，也就是用矿石粉和助剂对秸秆粉进行改性获得适塑改性秸秆粉，以及改性秸秆粉与塑料的进一步复合形成的新材料和秸塑产品。
背景技术
秸秆生物质存量巨大，既是废弃物也是资源，因而具有广泛的应用潜力。但是，无论用秸秆做沼气还是加工纸浆，都会带来废渣废液，导致“以废生废”。秸秆生物质全价利用或将秸秆加工过程中的废渣(灰分)进行利用，具有重要意义。秸秆生物质替代木质纤维素制备秸塑产品，是解决上述问题的途径之一。
鉴于将植物纤维材料与塑料复合能够实现秸秆的全价利用和具备环境友好性质，目前已经得到的应用，也能够说明本发明的可行性和现实价值。如申请号为200410021704.3的专利申请以100份高压聚乙烯配比10-60份重钙粉制备改性塑料，具备耐磨、抗冲击和抗老化的特点，但是该专利没有添加秸秆粉。申请号为200610030671.8的专利申请以超细木粉、超细矿石粉和废塑料熔融搅拌成型后直接形成产品，但是该专利没有形成改性秸秆粉材料，而是直接生产成品。申请号为201310029919.9的专利申请以蒙脱石悬浮液注入木粉中，以增强木粉提高木塑复合材料的界面相容性，提高木粉的使用效率，但是木塑产品生产过程中需要干燥，显然与秸塑材料追求的适塑性特征不相符。
全价利用秸秆开发秸塑材料替代木塑材料面临的主要问题是：第一，秸秆具有多孔结构，总容重小，为0.4左右，而塑料的总容重为1.0左右；第二，秸秆超微结构中显现复杂性，尤其是亲水基团的存在影响秸秆生物质的适塑性。由于以上的原因，秸秆粉在与塑料基料混合时容易与塑料基料分离并团聚，造成塑料内部有序结构的破坏，反而有可能降低复合材料的强度。
发明内容
针对上述情况，发明人经过长期探索，选择秸秆作为材料，采用总容重为2.0左右的矿石粉增加秸秆粉的质量；同时，采用酯化剂和偶联剂对秸秆粉进行改性，以获得改性秸秆粉。本发明还针对改性秸秆粉的特点，对利用改性秸秆粉开发秸塑新材料和产品的特点进行了研究，通过加入相应助剂以增强秸塑的强度和稳定性。
具体来说，本发明采用了以下技术方案：
一种秸秆生物质的改性方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
a）将秸秆粉碎至70-800目，并且烘干至水分含量为1.5-31%；
b）先对秸秆粉进行加热干燥，升温至70-150℃，并保持10分钟以上，随后加入矿物基原料，在负压状态下进行高速混合，混合过程中依次加入酯化剂和偶联剂，其中以秸秆粉为100份计，矿物基原料的用量为90-300份，酯化剂的用量为0.5-25份，偶联剂的用量为0-5.5份
c）各组分充分混合后，保持混合并维持温度在80-180℃，保持10分钟以上，获得改性秸秆粉。
在优选的情况下，步骤a）中秸秆被粉碎至80-250目，水分含量为4-10%；步骤b）中秸秆粉被加热至80-120℃；步骤c）中维持温度为110-130℃。
优选地，所述矿物基原料是指石英粉、云母粉碳酸钙、滑石粉、碳酸钙、硅灰石、硅酸钙、玻璃微珠、硫酸铝、粉煤灰等二价或三价矿物原料或多种矿石的混合物；所述酯化剂是指马来酸酐、乙酸、己内酰胺、邻苯二甲酸酐、琥珀酸酐、丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚异丁烯、乙丙三元橡胶或者上述一或多种酯化剂的复合；所述偶联剂是指商业的硅烷偶联剂、异氰酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂或者上述一或多种偶联剂的复合。
优选地，所述的矿物基原料是指商用的上述矿石原料所粉碎的粉末，粒度为80-3000目，烘干至于水分含量到1.5-31%。
更优选地，所述的矿物基原料的粒度为优选120-1600目，水分含量为4-12%。
本发明还公开了根据上述改性方法所制成的改性秸秆生物质材料。
本发明进一步公开一种所述改性秸秆生物质材料的使用方法，其特征在于，将该改性秸秆生物质材料与塑料母料在加入接枝剂和增塑剂的情况下塑化复合形成秸塑母料，其中以改性秸秆生物质为100份计，塑料母料的用量为99-550份，接枝剂的用量为1.0-5.5份，增塑剂的用量为0.5-5.5份。
优选地，所述接枝剂是二乙胺-二甲基亚砜、多聚甲醛或具备类似功能的原料，或者是数种前述接枝剂的复合；所述增塑剂是指邻苯二甲酸二辛酯、二丁酯或者是一或多种前述增塑剂的复合；塑料母料包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚碳酸酯（PC）、聚乳酸（PLA）、聚酰胺（PA）、聚甲醛（POM）、聚苯乙烯（PS）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚苯硫醚（PPS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯醚（PPO）或丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物（ABS）中的1种或至少2种的组合，或者是回收的废旧塑料。
优选地，将该改性秸秆生物质材料与塑料母料直接复合加工成秸塑藤条，以替代全塑料藤条，其中以改性秸秆生物质为100份计，塑料母料的用量为100-550份，另外其中秸塑藤条被加工成扁形或圆形，由单股或多股编织而成。
更优选地，该秸塑藤条是由1至3股编织而成。
有益效果：本发明的方法制造的改性秸秆生物质材料可以替代木粉在木塑行业中应用，形成秸塑新材料；不仅为农田秸秆找到新的用途，同时减少了木材的使用，更为环境友好。
具体实施方式
本发明公开一种对秸秆改性的方法，通过对秸秆改性，增加秸秆粉的容重，以实现秸秆粉与塑料材料的复合，从而获得秸秆来源的复合材料，也就是秸秆与矿石粉复合新材料，本发明还公开通过将上述改性秸秆粉与塑料复合来制造秸秆改性复合塑料的方法，即通过将上述改性秸秆粉与塑料进一步复合来形成秸秆-塑料新材料，即所谓的秸塑或秸塑料。
本发明首先将秸秆生物质粉碎至一定细度，与细度比该秸秆生物质小的矿石粉混合复合形成改性秸秆粉，后者进一步与塑料复合，形成新的替代木塑、替代塑料的新材料和新产品。
本发明的对秸秆粉进行改性的方法利用了矿物质粉末对秸秆粉进行改性使之能够与塑料复合的特性。所述秸秆粉是指秸秆通过粉碎加工获得全价秸秆粉或秸秆加工过程中形成的灰分和其它生物基矿物质；所述秸秆包括农田秸秆，尤其是指水稻、小麦、玉米、高粱、大麦等禾本科植物秸秆和棉花、油菜等作物的秸秆，还包括入侵植物大米草的秸秆，也包括食品加工过程中的含纤维废弃物，尤其是指花生壳和银杏叶提取残渣等。
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但不对本发明的范围构成限制。
实施例1：
选用稻草秸秆，利用机械设备粉碎至80目，干燥至含水量为4%；在高混机中，先加入上述处理过的稻草秸秆粉48份，加热干燥，升温至90℃，转速360~410r/min，保持10min；再加入商用石英粉48份，300目，含水量为6%；开启负压功能，相对真空度达到-0.096MPa，温度为115℃，转速420~560r/min，开始混合。在混合过程中依次加入己内酰胺3份，硅烷偶联剂1份，混合20min，即获得改性稻草秸秆粉。实验测得该改性后秸秆粉的吸湿率为16.53%，对照未改性的稻草秸秆粉的吸湿率为22.45%，吸湿性有所下降。
实施例2：
将小麦秸秆粉碎至250目，并且烘干至水分含量为10%；选取商用碳酸钙粉1600目，水分含量为12%；以小麦秸秆粉为100份计，碳酸钙粉的用量为300份。在高混机中先对小麦秸秆粉进行加热干燥，升温至110℃，并保持10min，随后加入上述商用碳酸钙粉，在负压状态下进行高速混合，在混合的过程中，加入马来酸酐和异氰酸酯偶联剂各2.5份，加热至130℃；混合15min，即获得改性小麦秸秆粉。实验测得该改性后秸秆粉的吸湿率为16.89%，对照未改性的小麦秸秆粉的吸湿率为23.02%，吸湿性有所下降。
实施例3：
将实施1中的改性秸秆粉40份与聚乙烯57份加入到塑料密炼机中，转速2490rpm，混合过程中依次加入多聚甲醛1.5份，邻苯二甲酸二辛酯1.5份，混合保持15min；将上述处理好的混合物通过双螺杆挤出机共混熔融，挤出过程中工作为140℃~210℃，将挤出后的混合料切碎至4-6mm的秸塑母料，干燥至含水率为4-7%，即得秸塑复合母料。所获得的改性秸秆粉与聚乙烯复合制成改性塑料母料，成功制备秸塑餐盘，能够重复使用6次以上。
实施例4：
将实施2中的改性秸秆粉30份与原料聚乙烯65份参照实施例2中的部分方法复合，直接加工成秸塑藤条，秸塑藤条为单股的圆形。
实施例5：
收集水稻秸秆物理纸浆过程中形成的秸秆灰分，粉碎至90目，烘干至含水量5%，按照100份秸秆灰分加入120份聚碳酸酯、1.5份己内酰胺、2份多聚甲醛，在挤塑设备中获得改性秸塑原料；该原料可以直接生产秸塑复合地板，所制备的秸塑复合地板具备耐磨、抗冲击等特点。
上面结合具体实例对本发明的实施方式作了详细的说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (10)

1.一种秸秆生物质的改性方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
a）将秸秆粉碎至70-800目，并且烘干至水分含量为1.5-31%；
b）先对秸秆粉进行加热干燥，升温至70-150℃，并保持10分钟以上，随后加入矿物基原料，在负压状态下进行高速混合，混合过程中依次加入酯化剂和偶联剂，其中以秸秆粉为100份计，矿物基原料的用量为90-300份，酯化剂的用量为0.5-25份，偶联剂的用量为0-5.5份
c）各组分充分混合后，保持混合并维持温度在80-180℃，保持10分钟以上，获得改性秸秆粉。
2.如权利要求1所述的秸秆生物质的改性方法，其特征在于，步骤a）中秸秆被粉碎至80-250目，水分含量为4-10%；步骤b）中秸秆粉被加热至80-120℃；步骤c）中维持温度为110-130℃。
3.如权利要求1所述的秸秆生物质的改性方法，其特征在于，所述矿物基原料是指石英粉、云母粉碳酸钙、滑石粉、碳酸钙、硅灰石、硅酸钙、玻璃微珠、硫酸铝、粉煤灰等二价或三价矿物原料或多种矿石的混合物；所述酯化剂是指马来酸酐、乙酸、己内酰胺、邻苯二甲酸酐、琥珀酸酐、丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚异丁烯、乙丙三元橡胶或者上述一或多种酯化剂的复合；所述偶联剂是指商业的硅烷偶联剂、异氰酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂或者上述一或多种偶联剂的复合。
4.如权利要求1所述的秸秆生物质的改性方法，其特征在于，所述的矿物基原料是指商用的上述矿石原料所粉碎的粉末，粒度为80-3000目，烘干至于水分含量到1.5-31%。
5.如权利要求4所述的秸秆生物质的改性方法，其特征在于，所述的矿物基原料的粒度为优选120-1600目，水分含量为4-12%。
6.一种改性秸秆生物质材料，其特征在于，所述改性秸秆生物质材料是通过如权利要求1至5中任一项所述的方法制成。
7.一种如权利要求6所述的改性秸秆生物质材料的使用方法，其特征在于，将该改性秸秆生物质材料与塑料母料在加入接枝剂和增塑剂的情况下塑化复合形成秸塑母料，其中以改性秸秆生物质为100份计，塑料母料的用量为99-550份，接枝剂的用量为1.0-5.5份，增塑剂的用量为0.5-5.5份。
8.如权利要求7所述的改性秸秆生物质材料的使用方法，其特征在于，所述接枝剂是二乙胺-二甲基亚砜、多聚甲醛或具备类似功能的原料，或者是数种前述接枝剂的复合；所述增塑剂是指邻苯二甲酸二辛酯、二丁酯或者是一或多种前述增塑剂的复合；塑料母料包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚碳酸酯（PC）、聚乳酸（PLA）、聚酰胺（PA）、聚甲醛（POM）、聚苯乙烯（PS）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚苯硫醚（PPS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯醚（PPO）或丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物（ABS）中的1种或至少2种的组合，或者是回收的废旧塑料。
9.一种如权利要求6所述的改性秸秆生物质材料的使用方法，其特征在于，将该改性秸秆生物质材料与塑料母料直接复合加工成秸塑藤条，以替代全塑料藤条，其中以改性秸秆生物质为100份计，塑料母料的用量为100-350份，另外其中秸塑藤条被加工成扁形或圆形，由单股或多股编织而成。
10.如权利要求9所述的改性秸秆生物质材料的使用方法，其特征在于，该秸塑藤条是由1至3股编织而成。
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