CN105670075A - 利用预处理农作物秸秆制备聚烯烃木塑复合材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了利用预处理农作物秸秆制备聚烯烃木塑复合材料的方法。该方法先将农作物秸秆置于含有螯合剂、稳定剂的碱性双氧水溶液中，在50℃～90℃温度下浸泡，水洗，烘干，破碎，过筛，放入烘箱干燥；以质量分数计，将聚烯烃塑料50～80份、农作物秸秆粉20～50份、相容剂1～10份、纳米填料2～10份、润滑剂1～5份在高速混合机中进行混合，熔融挤出并造粒，得产物。本发明预处理后秸秆中木质素的发色基团得以氧化，除去了杂质，提高秸秆纤维的白度，经过预处理的农作物秸秆纤维表面也变得粗糙，有利于与聚合物混合，与纳米填料协同配合，形成纳米填料与结构纤维的杂化网络结构，提高木塑复合材料的各项性能。

Description

利用预处理农作物秸秆制备聚烯烃木塑复合材料的方法
技术领域
本发明涉及一种聚烯烃木塑复合材料的制备方法，尤其是涉及利用预处理农作物秸秆制备聚烯烃木塑复合材料的方法。
背景技术
木塑复合材料(Wood-plasticcomposites，WPC)是国内外近年来兴起的一类新型复合材料，它是由木粉、稻糠、竹粉等废生物质纤维与热塑性塑料(聚乙烯，聚丙烯，聚氯乙烯等)经塑料成型加工工艺制成的性能优良的环保型绿色复合材料。WPC具有类似木材的外观和二次加工性，比原木有更好的尺寸稳定性、防腐蚀性，防虫、防潮，无甲醛，硬度、刚性比塑料高，因此在建筑材料、市政设施、包装材料、家具制品、汽车材料等许多领域具有广泛的用途。由于木塑复合材料可大量利用木粉、废弃的农副产品纤维，且加工方便，可采用传统的塑料成型加工方法如挤出、注射、模压等进行生产，因而获得迅速发展，成为近年来国内外的一个研究开发热点。
作为农业生产大国，我国每年都产生数量庞大的农作物秸秆。随着农林业生产水平和人们生活水平的不断提高，对原来用作肥料和燃料的农作物秸秆的利用越来越少，因此秸秆废弃物越来越多。目前，我国已成为世界上农作物秸秆产出量最大的国家。据估算，我国每年约产生7亿多吨农作物秸秆。随着工农业生产的迅速发展和人口的增加，这些废弃物以年均5％～10％的速度递增。这其中大部分废弃物被当作垃圾丢弃或排放到环境中，不仅造成可利用资源的浪费、环境污染，增加温室气体排放，还在一定程度上导致土壤肥力下降。农作物秸秆富含纤维素、木质素和多缩戊糖，具有多种利用价值。而将秸秆用于木塑复合材料中，正是其价值的体现。
由于秸秆主要成分为纤维素、半纤维素、木质素和果胶等，秸秆纤维在受热的过程中，单宁、黄酮等多元酚类化合物发生酸催化自缩合和氧化反应，形成新的由共轭双键、羰基或醌类结构等组成的发色体系，纤维的颜色会逐渐加深。另外，在热诱发变色的过程中，木质素发生了氧化、缩合等反应，形成新的共轭芳酮，α，β-不饱和酮等组成的发色体系；同时，木质素发生降解反应，酚羟基含量增加，进一步加深秸秆的颜色。因此，当秸秆纤维与热塑性树脂进行混合加工时，木塑复合材料的颜色是非常深的，从而影响木塑产品的外观。
作为WPC的一大主要品种，聚烯烃木塑复合材料通常存在复合材料两相界面结合不好、材料刚性不足等问题，也使其应用领域受到一定的限制。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种复合材料强度高、刚性及韧性好的，外观色彩好的利用预处理农作物秸秆制备聚烯烃木塑复合材料的方法。
本发明通过将农作物秸秆置于含有螯合剂、稳定剂的碱性双氧水溶液中，在一定的温度下浸泡一定的时间，再用去离子水洗至中性，烘干至恒重的预处理方法提高秸秆纤维的白度，从而在根本上提高木塑复合材料的白度，进而改善木塑产品的外观。同时，经过预处理的农作物秸秆纤维能更好的与相容剂发生作用，提高了复合材料的性能，并且经过预处理的农作物秸秆纤维与纳米填料协同配合，形成纳米填料与秸秆纤维的杂化网络结构，进一步提高木塑复合材料的各项性能。经过预处理的农作物秸秆纤维能表面明显变得粗糙，有利于与聚合物混合。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
利用预处理农作物秸秆制备聚烯烃木塑复合材料的方法，包括如下步骤：
(1)预处理农作物秸秆：将农作物秸秆置于含有螯合剂、稳定剂的碱性双氧水溶液中，在50℃～90℃温度下浸泡60min～120min，再用去离子水洗至中性，烘干至恒重；以质量百分比计，所述碱性双氧水溶液中，螯合剂乙二胺四乙酸(EDTA)的含量为0.1～0.5％，稳定剂的含量为2～5％，双氧水H2O2的含量为1～5％，NaOH的含量为1～5％；
(2)将步骤(1)预处理的秸秆破碎，过筛，放入烘箱干燥，备用；
(3)以质量分数计，将聚烯烃塑料50～80份、步骤(2)所得的农作物秸秆粉20～50份、相容剂1～10份、纳米填料2～10份、润滑剂1～5份在高速混合机中进行混合，将混合好的原料加入双螺杆挤出机中熔融挤出并造粒，即可得到利用改性农作物秸秆制备的新型木塑复合材料，所述纳米填料选用纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、蒙脱土和高岭土中的一种或多种。
为进一步实现本发明目的，优选地，所述(2)中农作物秸秆破碎过筛后，其目数为40～200目。
优选地，预处理农作物秸秆具有白度为30％ISO～80％ISO，形成农作物秸秆纤维。
优选地，所述(2)中烘干的温度为70-90℃，烘干至含水率1～4％。
所述的高速混合机的混合温度为室温，按配方加入聚烯烃塑料、农作物秸秆粉、纳米填料、相容剂和润滑剂，混炼5～10min。
所述的双螺杆挤出机的螺杆温度为140℃～220℃，主机转速150-180r/min。
优选地，所述聚烯烃塑料选用高密度聚乙烯、低密度聚乙烯和聚丙烯中的一种或两种。
优选地，所述农作物秸秆粉选用棉花秸秆粉、玉米秸秆粉、蔗渣粉和稻糠粉中的一种或多种。
优选地，所述相容剂选用马来酸酐接枝聚合物、硅烷偶联剂和钛酸酯中的一种或两种。
优选地，所述润滑剂选自硬脂酸和聚乙烯蜡中的一种或两种。
本发明采用上述的预处理方法对农作物秸秆进行处理，通过碱性的双氧水氧化木质素分子上的发色基团结构，提高秸秆的白度。通过改变各成分的含量可以得到不同白度的秸秆粉。选取不同白度的秸秆粉，破碎、过筛后，烘干，以用于制备木塑复合材料。
相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：
1)本发明将农作物秸秆置于含有螯合剂、稳定剂的碱性双氧水溶液中，在一定的温度下浸泡一定的时间，再用去离子水洗至中性，烘干至恒重；该预处理方法对农作物秸秆进行处理，秸秆中木质素的发色基团得以氧化，同时除去了杂质、一些木质素和少量的半纤维素等，秸秆纤维不仅具有不同白度的外观，而且其表面也变得粗糙；提高秸秆纤维的白度，从而在根本上提高木塑复合材料的白度，进而改善木塑产品的外观。
2)本发明纳米填料的加入，经过预处理的农作物秸秆纤维与纳米填料协同配合，以秸秆纤维和纳米填料作为增强相，结合界面改性剂的作用，形成纳米填料与结构纤维的杂化网络结构，进一步提高木塑复合材料的各项性能。
3)本发明经过预处理的农作物秸秆纤维能更好的与相容剂发生作用，提高了复合材料的性能。
4)本发明经过预处理的农作物秸秆纤维表面也变得粗糙，有利于与聚合物混合。
5)本发明制备方法所需的设备少，操作简单；产品不仅性能好，且具有不同白度，能满足多种场合使用需要。
附图说明
图1a为实施例1棉杆纤维预处理前的SEM照片(放大500倍)。
图1b为实施例1棉杆纤维预处理后的SEM照片(放大500倍)。
图2a为对比例无无纳米二氧化硅木塑复合材料的SEM照片(放大1000倍)。
图2b为对比例无纳米二氧化硅木塑复合材料的SEM照片(放大10000倍)。
图3a为实施例1木塑复合材料的SEM照片(放大1000倍)。
图3b为实施例1木塑复合材料的SEM照片(放大10000倍)。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例中白度采用白度颜色测定仪测试。
实施例1
(1)棉花秸秆(其白度为20％ISO)的预处理：(a)以质量百分比计，将棉杆置于含有0.4％螯合剂EDTA、3％稳定剂硅酸钠的碱性双氧水溶液中，其中NaOH的含量为4％，H2O2的含量为5％。在80℃温度下浸泡80min，再用去离子水洗至中性，烘干至恒重。(b)再将处理过的棉杆放入含有0.5％EDTA、4％硅酸钠的碱性双氧水溶液中，其中NaOH的含量为3％，H2O2的含量为5％。在80℃温度下浸泡100min，再用去离子水洗至中性，得到白度为69％ISO的棉杆纤维。图1a为实施例1棉杆纤维预处理前的SEM照片(放大500倍)。图1b为实施例1棉杆纤维预处理后的SEM照片(放大500倍)。从本实施例棉杆纤维预处理前后的扫描电镜照片可见，未处理的棉杆(白度为20％ISO)表面光滑，预处理后的棉杆(白度为69％ISO)变得比较疏松、粗糙。
(2)将经过步骤(1)处理后的棉杆纤维破碎、过筛、烘干，得到60-100目的棉杆粉。
(3)以质量分数计，将60份高密度聚乙烯、40份步骤(2)处理后的棉杆粉、5份纳米二氧化硅、8份马来酸酐接枝聚乙烯、2份聚乙烯蜡加入到高速混合机，于室温下混合5min，将混合好的原料加入双螺杆挤出机中熔融挤出并造粒，挤出机的螺杆温度140-200℃，主机转速150r/min，即得到具有良好力学性能的木塑复合材料，经检测，其拉伸强度为25.4MPa，弯曲强度为42.3MPa，弯曲模量2600Mpa，冲击强度为7.6KJ/m2。
作为对比例，在实施例1的步骤(3)中不加入纳米二氧化硅，其他同实施例1制备木塑复合材料(HDPE/棉花秸秆复合材料)，其SEM照片如图2a和图2b所示。
本实施例1所得的木塑复合材料(HDPE/棉花秸秆复合材料)SEM照片如图3a和图3b所示。从添加和不添加纳米二氧化硅的木塑复合材料的SEM照片可见，与没加入纳米二氧化硅的复合材料相比，本实施例二氧化硅的加入，不仅提高了秸秆在树脂基体中的分散，且经过预处理的棉杆纤维能更好的与相容剂发生作用，并与纳米填料协同配合，形成纳米填料与棉杆纤维的杂化网络结构。
实施例2
(1)玉米秸秆的预处理：以质量百分比计，将玉米秸秆置于含有0.4％EDTA、4％硅酸钠的碱性双氧水溶液中，其中NaOH的含量为2％，H2O2的含量为5％；在80℃温度下浸泡120min，再用去离子水洗至中性，烘干至恒重。
(2)将经过步骤(1)处理后的玉米秸秆纤维，破碎、过筛、烘干，得到60-100目的秸秆粉，其白度为60％ISO。
(3)以质量分数计，将50份高密度聚乙烯、50份处理后的玉米秸秆粉、8份纳米碳酸钙、3份马来酸酐接枝聚乙烯和2份硅烷偶联剂、3份聚乙烯蜡加入到高速混合机，于室温下混合10min，将混合好的原料加入双螺杆挤出机中熔融挤出并造粒，挤出机的螺杆温度140-200℃，主机转速180r/min，即得到具有良好力学性能的木塑复合材料，经检测，其拉伸强度为24.6MPa，弯曲强度为41.5MPa，弯曲模量2950Mpa，冲击强度为6.2KJ/m2。
实施例3
(1)稻糠的预处理：以质量百分比计，将稻糠置于含有0.5％EDTA、2％硅酸钠的碱性双氧水溶液中，其中NaOH的含量为5％，H2O2的含量为3％。在90℃温度下浸泡100min，再用去离子水洗至中性，烘干至恒重。
(2)将经过步骤(1)处理后的稻糠，破碎、过筛、烘干，得到80-150目的稻糠粉，其白度为45％ISO。
(3)以质量分数计，将60份聚丙烯、40份处理后的稻糠粉、2份蒙脱土、2份马来酸酐接枝聚丙烯和2份硅烷偶联剂、1份聚乙烯蜡加入到高速混合机，于室温下混合10min，将混合好的原料加入双螺杆挤出机中熔融挤出并造粒，挤出机的螺杆温度140-220℃，主机转速160r/min，即得到具有良好力学性能的木塑复合材料，经检测，其拉伸强度为24.9MPa，弯曲强度为41.3MPa，弯曲模量2853Mpa，冲击强度为7.1KJ/m2。
实施例4
(1)蔗渣的预处理：以质量百分比计，(a)将蔗渣置于含有0.1％螯合剂EDTA、2％稳定剂硅酸钠的碱性双氧水溶液中，其中NaOH的含量为5％，H2O2的含量为5％。在80℃温度下浸泡60min，再用去离子水洗至中性，烘干至恒重。(b)再将处理过的蔗渣放入含有0.5％EDTA、5％硅酸钠的碱性双氧水溶液中，其中NaOH的含量为3％，H2O2的含量为3％。在80℃温度下浸泡120min，再用去离子水洗至中性，得到白度为75％ISO的棉杆纤维。
(2)将经过步骤(1)处理后的蔗渣纤维破碎、过筛、烘干，得到100-200目的蔗渣粉。(3)将50份高密度聚乙烯和30份低密度聚乙烯、20份处理后的蔗渣粉、10份高岭土、5份钛酸酯、2份硬脂酸加入到高速混合机，于室温下混合5min，将混合好的原料加入双螺杆挤出机中熔融挤出并造粒，挤出机的螺杆温度140-200℃，主机转速180r/min，即得到具有良好力学性能的木塑复合材料。
实施例5
(1)棉花秸秆的处理：将棉秸秆置于含有0.4％EDTA、3％硅酸钠的碱性双氧水溶液中，其中NaOH的含量为4％，H2O2的含量为4％。在90℃温度下浸泡120min，再用去离子水洗至中性，烘干至恒重。
(2)将经过步骤(1)处理后的棉花秸秆，破碎、过筛、烘干，得到80-100目的秸秆粉，其白度为45％ISO。
(3)以质量分数计，将50份聚丙烯、50份处理后的秸秆粉、2份纳米二氧化硅、7份马来酸酐接枝聚丙烯和1份硅烷偶联剂、1份聚乙烯蜡加入到高速混合机，于室温下混合10min，将混合好的原料加入双螺杆挤出机中熔融挤出并造粒，挤出机的螺杆温度140-220℃，主机转速180r/min，即得到具有良好力学性能的木塑复合材料。
实施例4和实施例5所得木塑复合材料的力学性能与实施例3相当。

Claims (10)

1.利用预处理农作物秸秆制备聚烯烃木塑复合材料的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)预处理农作物秸秆：将农作物秸秆置于含有螯合剂、稳定剂的碱性双氧水溶液中，在50℃～90℃温度下浸泡60min～120min，再用去离子水洗至中性，烘干至恒重；以质量百分比计，所述碱性双氧水溶液中，螯合剂乙二胺四乙酸的含量为0.1～0.5％，稳定剂的含量为2～5％，双氧水H2O2的含量为1～5％，NaOH的含量为1～5％；
(2)将步骤(1)预处理的秸秆破碎，过筛，放入烘箱干燥，备用；
(3)以质量分数计，将聚烯烃塑料50～80份、步骤(2)所得的农作物秸秆粉20～50份、相容剂1～10份、纳米填料2～10份、润滑剂1～5份在高速混合机中进行混合，将混合好的原料加入双螺杆挤出机中熔融挤出并造粒，得到利用改性农作物秸秆制备的新型木塑复合材料；所述纳米填料选用纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、蒙脱土和高岭土中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的利用预处理农作物秸秆制备聚烯烃木塑复合材料的方法，其特征在于，步骤(2)中农作物秸秆破碎过筛后，其目数为40～200目。
3.根据权利要求1所述的利用预处理农作物秸秆制备聚烯烃木塑复合材料的方法，其特征在于，预处理农作物秸秆的白度为30％ISO～80％ISO。
4.根据权利要求1所述的利用预处理农作物秸秆制备聚烯烃木塑复合材料的方法，其特征在于，步骤(2)中烘干的温度为70-90℃，烘干至含水率1～4％。
5.根据权利要求1所述的利用预处理农作物秸秆制备聚烯烃木塑复合材料的方法，其特征在于，所述的高速混合机的混合温度为室温，按配方加入聚烯烃塑料、农作物秸秆粉、纳米填料、相容剂和润滑剂，混炼5～10min。
6.根据权利要求1所述的利用预处理农作物秸秆制备聚烯烃木塑复合材料的方法，其特征在于，所述的双螺杆挤出机的螺杆温度为140℃～220℃，主机转速150-180r/min。
7.根据权利要求1所述的利用预处理农作物秸秆制备聚烯烃木塑复合材料的方法，其特征在于，所述聚烯烃塑料选用高密度聚乙烯、低密度聚乙烯和聚丙烯中的一种或两种。
8.根据权利要求1所述的利用预处理农作物秸秆制备聚烯烃木塑复合材料的方法，其特征在于，所述农作物秸秆粉选用棉花秸秆粉、玉米秸秆粉、蔗渣粉和稻糠粉中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的利用预处理农作物秸秆制备聚烯烃木塑复合材料的方法，其特征在于，所述相容剂选用马来酸酐接枝聚合物、硅烷偶联剂和钛酸酯中的一种或两种。
10.根据权利要求1所述的利用预处理农作物秸秆制备聚烯烃木塑复合材料的方法，其特征在于，所述润滑剂选自硬脂酸和聚乙烯蜡中的一种或两种。
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