CN105713409B - 一种全降解纤维素泡沫材料及其制备方法 - Google Patents

一种全降解纤维素泡沫材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全降解纤维素泡沫材料及其制备方法。它由改性植物纤维、羟丙基淀粉、聚丁二酸乙二醇酯、纳米碳酸钙、复合交联剂、复合发泡剂、硬脂酸和液体石蜡经混匀、挤压造粒、膨化或模压成型得到。其中改性植物纤维是由植物纤维经超级精细粉碎至2000目以上用蛋氨酸改性制得；所述复合交联剂由二叔丁基过氧化异丙基苯和三烯丙基异氰脲酸酯组成；所述复合发泡剂由偶氮二甲酸二异丙酯和偶氮二甲酰胺组成。本发明制备的全降解纤维素泡沫材料中纤维素的用量在70％以上，产品达到了聚苯乙烯泡沫塑料的标准，并且完全生物降解。

Description

一种全降解纤维素泡沫材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种全降解纤维素泡沫材料及其制备方法，属生物化工技术领域。
背景技术
随着石油资源的日益紧缺，以及开发精炼石油化工产品所带来的环境污染等一系列问题的日益突出，具有良好的环境相容性的“绿色缓冲包装材料”的研制与应用己成为21世纪的必然趋势。绿色缓冲包装材料是指制备、生产、使用、废弃以及回收处理再利用的整个生命周期过程中，对环境和人体不造成危害，废弃后能迅速自然降解或再利用，不会破坏生态平衡的材料或制品。
我国农作物秸秆资源十分丰富，年产近6亿吨，是来源丰富的可再生资源。从农作物秸秆中提取的天然纤维素具有质轻、可降解、可再生、相对高的强度和硬度等优点。因此，开发植物纤维发泡材料是绿色缓冲包装材料的主要途径。但是由于纤维素纤维是一种多孔性的非热塑性材料，而且难溶于一般溶剂，因此单独使其形成空间网状结构较为困难，需要借助其他介质。目前虽然已有植物纤维发泡材料的专利报道，但纤维素的添加量都没有超过30％，同时所得到的泡沫塑料密度高、抗拉强度低和回弹性差。
发明内容
本发明克服了上述现有技术的不足，提供一种全降解植物纤维泡沫材料及其制备方法。该方法中植物纤维素的添加量达到70％以上，制备的泡沫材料密度降低，抗拉强度增高和回弹性提高。
本发明的技术方案是：一种全降解纤维素泡沫材料，其特征是，由下述原料经混匀、挤压造粒、膨化或模压成型得到，其原料及重量份为：改性植物纤维70-80份，羟丙基淀粉5-10份，聚丁二酸乙二醇酯(PBS)5-10份，纳米碳酸钙(70-700纳米)2-5份，复合交联剂1-3份，复合发泡剂1-3份，硬脂酸2-3份，液体石蜡1-3份。
其中改性植物纤维的制备方法为：将木纤维或秸秆纤维(优选为秸秆纤维)粉碎至2000目以上，得到超细植物纤维，然后加入1-3％的蛋氨酸，在高混机中75-85℃强力搅拌混匀，进行纤维表面改性处理1～2小时，得改性植物纤维。
所述复合交联剂：按按质量比，二叔丁基过氧化异丙基苯：三烯丙基异氰脲酸酯(TAIC)＝1：0.25-0.35(优选配比1：0.3)，混合均匀。
所述复合发泡剂：按按质量比，偶氮二甲酸二异丙酯：偶氮二甲酰胺＝4.5-5.5：3(优选配比5：3)，混合均匀。
上述全降解纤维素泡沫材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将上述材料加入高混机中75-85℃，强力搅拌混匀，得均相体料；
(2)将搅拌好的均相体料用双螺杆挤出机在120-150℃温度下，挤压造粒得到全降解植物纤维发泡粒料；
(3)全降解植物纤维发泡粒料经膨化机膨化制成包装缓冲用全降解发泡胶；
或者全降解植物纤维发泡粒料称重后放入模具中，设定上模温度175-185℃，下模温度190-210℃，压力7.5-8.5MPa，合模后保压成型20-40秒，泄压保温干燥80-120秒，脱模，取出制品，即得全降解泡沫材料成品。
优选的，步骤(3)具体为：全降解植物纤维发泡粒料称重后放入模具中，设定上模温度180℃，下模温度200℃，压力8MPa，合模后保压成型30秒，泄压保温干燥100秒，脱模，取出制品，即得全降解泡沫材料成品。
聚丁二酸乙二醇酯(PES)是一种化学合成的可生物降解型聚酯，也是一种半结晶型聚酯，其玻璃化转变温度Tg约为－12.5℃，熔点Tm约为104℃，结晶速度快，具有良好的柔顺性和热稳定性。PES的机械性能较好，加工性能不错，力学性能与聚烯烃LDPE、PP接近。PES易被自然界的多种微生物或动植物体内的酶分解代谢，最终生成二氧化碳和水，常作为PBS的替代物或填充物。本发明中加入PES不仅提高了产品的加工性能，还提高了产品的抗拉强度。
本发明以二叔丁基过氧化异丙基苯和三烯丙基异氰脲酸酯复配制成复合交联剂。其中二叔丁基过氧化异丙基苯为基础的交联剂，其交联效果好，用量少。产品中加入少量三烯丙基异氰脲酸酯交联后可显著提高制品的耐热性、阻燃性、耐溶剂性、机械强度等。二者复合形成的复合交联剂比单独采用二叔丁基过氧化异丙基苯进行交联，能显著地提高产品质量。
本发明采用偶氮二甲酸二异丙酯与偶氮二甲酰胺作为复合发泡性。其中偶氮二甲酰胺发泡的制品弹性好、泡孔径匀、强度好；而偶氮二甲酸二异丙酯在40～120℃范围内可获得高发气量。二者复配作为发泡剂不仅起到优良的发泡效果，还能增加产品的弹性。
本发明的有益效果是：
(1)本发明以改性植物纤维为主要原料。改性植物纤维是以植物纤维为原料经超细粉碎后再经过蛋氨酸进行纤维表面改性而得到，经过改性后的植物纤维消除了其内部的多孔结构，且增加了植物纤维与其他助剂的相容性，使得在制备全降解纤维素泡沫材料中植物纤维素的使用量占总原料的70％以上。
(2)本发明以改性植物纤维为主要原料，配合羟丙基淀粉、复合交联剂、复合发泡剂、硬脂酸(增塑剂、脱模剂)、液体石蜡(润滑剂)、纳米碳酸钙(改善母料的流变性，提高其成型性)和聚丁二酸乙二醇酯等辅料或助剂制备全降解纤维素泡沫材料。各材料之间相互协同，不仅使植物纤维素交联形成稳定的网状结构并具有良好的加工性能，满足了泡沫材料的一般要求，同时还提高了产品的抗拉强度和弹性模量。
(3)本发明制备的全降解纤维素泡沫材料，其密度≤15.0Kg/m3，达到聚苯乙烯泡沫塑料的要求。其抗拉强度≥2.0MPa，其弹性模量≥400MPa，抗拉强度和弹性模量性能优异。
具体实施方式
实施例1
复合交联剂的制备：将二叔丁基过氧化异丙基苯10公斤和三烯丙基异氰脲酸酯3公斤，混合均匀得复合交联剂13公斤，用于下面的实施例1-2。
复合发泡剂的制备：将偶氮二甲酸二异丙酯10公斤和偶氮二甲酰胺6公斤，混合均匀得复合发泡剂16公斤，用于下面的实施例1-2。
(1)将70公斤木纤维经超级精细粉碎至2500目，加入0.7公斤蛋氨酸混合，在高混机中80℃，强力搅拌混匀，进行纤维表面改性处理1小时，得改性植物纤维70.7公斤；
(2)将改性植物纤维70.7公斤，羟丙基淀粉5公斤，聚丁二酸乙二醇酯5公斤，纳米碳酸钙2公斤，复合交联剂1公斤，复合发泡剂1公斤，硬脂酸2公斤，液体石蜡1公斤，加入在高混机中80℃，强力搅拌混匀，得均相体料；
(3)将搅拌好的均相体料用双螺杆挤出机在120-150℃温度范围内挤压造粒得到全降解植物纤维发泡粒料；
(4)全降解植物纤维发泡粒料经膨化机膨化制成包装缓冲用全降解发泡胶。所得产品的密度为14.3Kg/m3，抗拉强度为2.3MPa，弹性模量为427MPa。
实施例2：
(1)将75公斤玉米秸秆纤维经超级精细粉碎至2500目，加入2.25公斤蛋氨酸混合，在高混机中80℃，强力搅拌混匀，进行纤维表面改性处理1小时，得改性玉米秸秆纤维77.25公斤；
(2)将改性玉米秸秆纤维77.25公斤，羟丙基淀粉10公斤，聚丁二酸乙二醇酯10公斤，纳米碳酸钙5公斤，复合交联剂3公斤，复合发泡剂3公斤，硬脂酸3公斤，液体石蜡3公斤，加入在高混机中80℃，强力搅拌混匀，得均相体料；
(3)将搅拌好的均相体料用双螺杆挤出机在120-150℃温度范围内挤压造粒得到全降解植物纤维发泡粒料；
(4)全降解植物纤维发泡粒料称重后放入模具中，设定上模温度180℃，下模温度200℃，压力8MPa，合模后保压成型30秒，泄压保温干燥100秒，脱模，取出制品，即得全降解泡沫材料成品。所得产品的密度为14.2Kg/m3，抗拉强度为2.5MPa，弹性模量为432MPa。
实施例3：
复合交联剂的制备：将二叔丁基过氧化异丙基苯10公斤和三烯丙基异氰脲酸酯2.5公斤，混合均匀得复合交联剂12.5公斤，用于下面的实施例3-4。
复合发泡剂的制备：将偶氮二甲酸二异丙酯9公斤和偶氮二甲酰胺6公斤，混合均匀得复合发泡剂15公斤，用于下面的实施例3-4。
(1)将78公斤麦杆纤维经超级精细粉碎至2000目，加入1.56公斤蛋氨酸混合，在高混机中80℃，强力搅拌混匀，进行纤维表面改性处理1小时，得改性麦杆纤维79.56公斤；
(2)将改性麦杆纤维79.56公斤，羟丙基淀粉8公斤，聚丁二酸乙二醇酯7公斤份，纳米碳酸钙3公斤，复合交联剂2公斤，复合发泡剂2公斤，硬脂酸2公斤，液体石蜡2公斤，加入在高混机中80℃，强力搅拌混匀，得均相体料；
(3)将搅拌好的均相体料用双螺杆挤出机在120-150℃温度范围内挤压造粒得到全降解植物纤维发泡粒料；
(4)全降解植物纤维发泡粒料称重后放入模具中，设定上模温度180℃，下模温度200℃，压力8MPa，合模后保压成型30秒，泄压保温干燥100秒，脱模，取出制品，即得全降解泡沫材料成品。所得产品的密度为13.9Kg/m3，抗拉强度为2.3MPa，弹性模量为421MPa。
实施例4：
(1)将73公斤稻草纤维经超级精细粉碎至2000目，加入2.19公斤蛋氨酸混合，在高混机中80℃，强力搅拌混匀，进行纤维表面改性处理1小时，得改性麦杆纤维75.19公斤；
(2)将改性稻草纤维75.19公斤，羟丙基淀粉6公斤，聚丁二酸乙二醇酯8公斤份，纳米碳酸钙2公斤，复合交联剂2公斤，复合发泡剂1公斤，硬脂酸3公斤，液体石蜡3公斤，加入在高混机中80℃，强力搅拌混匀，得均相体料；
(3)将搅拌好的均相体料用双螺杆挤出机在120-150℃温度范围内挤压造粒得到全降解植物纤维发泡粒料；
(4)全降解植物纤维发泡粒料经膨化机膨化制成包装缓冲用全降解发泡胶。所得产品的密度为14.6Kg/m3，抗拉强度为2.2MPa，弹性模量为418MPa。
实施例5：
复合交联剂的制备：将二叔丁基过氧化异丙基苯10公斤和三烯丙基异氰脲酸酯3.5公斤，混合均匀得复合交联剂13.5公斤，用于下面的实施例5-6。
复合发泡剂的制备：将偶氮二甲酸二异丙酯10.5公斤和偶氮二甲酰胺6公斤，混合均匀得复合发泡剂16.5公斤，用于下面的实施例5-6。
(1)将76公斤棉杆纤维经超级精细粉碎至3000目，加入1.52公斤蛋氨酸混合，在高混机中80℃，强力搅拌混匀，进行纤维表面改性处理1小时，得改性棉杆纤维77.52公斤；
(2)将改性棉杆纤维77.52公斤，羟丙基淀粉9公斤，聚丁二酸乙二醇酯8公斤份，纳米碳酸钙2公斤，复合交联剂1公斤，复合发泡剂2公斤，硬脂酸3公斤，液体石蜡2公斤，加入在高混机中80℃，强力搅拌混匀，得均相体料；
(3)将搅拌好的均相体料用双螺杆挤出机在120-150℃温度范围内挤压造粒得到全降解植物纤维发泡粒料；
(4)全降解植物纤维发泡粒料称重后放入模具中，设定上模温度180℃，下模温度200℃，压力8MPa，合模后保压成型30秒，泄压保温干燥100秒，脱模，取出制品，即得全降解泡沫材料成品。所得产品的密度为14.3Kg/m3，抗拉强度为2.6MPa，弹性模量为437MPa。
实施例6：
(1)将77公斤甘蔗渣纤维经超级精细粉碎至2500目，加入2.31公斤蛋氨酸混合，在高混机中80℃，强力搅拌混匀，进行纤维表面改性处理1小时，得改性甘蔗渣纤维79.31公斤；
(2)将改性甘蔗渣纤维79.31公斤，羟丙基淀粉9公斤，聚丁二酸乙二醇酯7公斤份，纳米碳酸钙3公斤，复合交联剂1公斤，复合发泡剂3公斤，硬脂酸2公斤，液体石蜡2公斤，加入在高混机中80℃，强力搅拌混匀，得均相体料；
(3)将搅拌好的均相体料用双螺杆挤出机在120-150℃温度范围内挤压造粒得到全降解植物纤维发泡粒料；
(4)全降解植物纤维发泡粒料经膨化机膨化制成包装缓冲用全降解发泡胶。所得产品的密度为14.7Kg/m3，抗拉强度为2.1MPa，弹性模量为412MPa。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域的技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种全降解纤维素泡沫材料，其特征是，由下述原料经混匀、挤压造粒、膨化或模压成型得到，其原料及重量份为：改性植物纤维70-80份，羟丙基淀粉5-10份，聚丁二酸乙二醇酯5-10份，纳米碳酸钙2-5份，复合交联剂1-3份，复合发泡剂1-3份，硬脂酸2-3份和液体石蜡1-3份；
所述改性植物纤维由下述方法制备而成：将木纤维或秸秆纤维粉碎至2000目以上，得到超细植物纤维，然后加入1-3％的蛋氨酸，在高混机中75-85℃强力搅拌混匀，进行纤维表面改性处理1～2小时，得改性植物纤维；
所述复合交联剂：按质量比，二叔丁基过氧化异丙基苯：三烯丙基异氰脲酸酯＝1：0.25-0.35，混合均匀；
所述复合发泡剂：按质量比，偶氮二甲酸二异丙酯：偶氮二甲酰胺＝4.5-5.5：3，混合均匀。
2.如权利要求1所述的一种全降解纤维素泡沫材料，其特征是，所述复合交联剂：按质量比，二叔丁基过氧化异丙基苯：三烯丙基异氰脲酸酯＝1：0.3，混合均匀。
3.如权利要求1所述的一种全降解纤维素泡沫材料，其特征是，所述复合发泡剂：按质量比，偶氮二甲酸二异丙酯：偶氮二甲酰胺＝5：3，混合均匀。
4.权利要求1-3中任意一项所述的全降解纤维素泡沫材料的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)将原料全部加入高混机中75-85℃，强力搅拌混匀，得均相体料；
(2)将搅拌好的均相体料用双螺杆挤出机在120-150℃温度下，挤压造粒得到全降解植物纤维发泡粒料；
(3)全降解植物纤维发泡粒料经膨化机膨化制成包装缓冲用全降解发泡胶。
5.权利要求1-3中任意一项所述的全降解纤维素泡沫材料的制备方法，其特征是，具包括以下步骤：
(1)将原料全部加入高混机中75-85℃，强力搅拌混匀，得均相体料；
(2)将搅拌好的均相体料用双螺杆挤出机在120-150℃温度下，挤压造粒得到全降解植物纤维发泡粒料；
(3)全降解植物纤维发泡粒料称重后放入模具中，设定上模温度175-185℃，下模温度190-210℃，压力7.5-8.5MPa，合模后保压成型20-40秒，泄压保温干燥80-120秒，脱模，取出制品，即得全降解泡沫材料成品。
6.如权利要求5所述的全降解纤维素泡沫材料的制备方法，其特征是，所述步骤(3)具体为：全降解植物纤维发泡粒料称重后放入模具中，设定上模温度180℃，下模温度200℃，压力8MPa，合模后保压成型30秒，泄压保温干燥100秒，脱模，取出制品，即得全降解泡沫材料成品。
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