CN106084279B - 一种纤维素基生物可降解型发泡材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纤维素基生物可降解型发泡材料的制备方法，步骤一：准备植物纤维分散体；步骤二：纤维原细化处理；步骤三：将原细化处理后的植物纤维处理得到分散均匀的浆料悬浮液；步骤四：向浆料悬浮液中加入发泡剂，处理得到均匀的泡沫/纤维分散体系；步骤五：取泡沫/纤维分散体，置于泡沫成型装置中，实现植物纤维发泡材料的成型；骤六：对成型好的植物纤维发泡材料进行干燥处理，得到纤维素基生物可降解型发泡材料。利用本发明制备方法制备植物纤维发泡材料工艺简单、原材料资源丰富、制造成本价格低廉。此外，本发明制备的纤维素基发材料完全可以生物降解，是一种替代石油基聚合物发泡材料成为很多领域重要的环保型候选材料。

Description

一种纤维素基生物可降解型发泡材料的制备方法
技术领域
本发明属于多孔复合材料领域，具体涉及一种纤维素基生物可降解型发泡材料的制备方法。
背景技术
发泡材料具有重量轻、比强度高、绝缘性能优异、缓冲能力显著以及吸附能力强的优势，其已经被广泛的应用在了汽车工业、建筑工业、包装工业、农业、水处理和空气过滤等领域。但是目前绝大部分商业化发泡材料均是石油基聚合物的末端产品，如聚苯乙烯(EPS)、聚氯乙烯(PVC)、聚氨酯(PUR)、聚乙烯(PE)等，这些石油基聚合物泡沫材料的不可生物降解性和废弃物处理困难的弊端已经给环境带来很大的威胁，同时原材料的不可再生性也限制了其应用和发展。因此研制和开发一种新型的生物可降解型发泡材料具有很强的社会效益。
植物纤维是一种广泛存在于大自然中的纤维素基生物可降解和可再生资源，来源广泛，价格低廉，而且植物纤维自身也是一种多孔材料，具有比表面积大、吸附性强等特点，因此其被认为是取代石油基聚合物制备环保型发泡材料的最佳资源。但是植物纤维在表观形貌、化学结构、物理及化学特性方面和目前被广泛用来制备发泡材料的石油基聚合物存在很大的差异，因此目前制备石油基聚合物发泡材料的方法并不适合植物纤维基发泡材料的制备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纤维素基生物可降解型发泡材料的制备方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，利用本发明的方法制备的发泡材料孔隙率高、孔隙结分布均匀、生物可降解性强，而且制备工艺简单，原材料来源广泛、价格低廉。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种纤维素基生物可降解型发泡材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：制备植物纤维分散体；
步骤二：对纤维分散体进行原细化处理得到原细化植物纤维；
步骤三：将原细化植物纤维加水稀释，然后经机械搅拌，得到分散均匀的浆料悬浮液；
步骤四：向步骤三获得的浆料悬浮液中加入发泡剂，然后经机械搅拌发泡，得到均匀的泡沫/纤维分散体系；
步骤五：将步骤四得到的泡沫/纤维分散体，置于泡沫成型装置中，运行泡沫成型装置，得到成型好的植物纤维发泡材料；
步骤六：对步骤五成型好的植物纤维发泡材料进行干燥处理，得到纤维素基生物可降解型发泡材料。
进一步地，步骤一中用于制备纤维分散体的纤维原料为木材纤维、非木材纤维或半木材纤维。
进一步地，步骤一中制备植物纤维分散体的方法为：按照质量浓度为1～1.2％，向植物纤维浆板/浆团中加水浸泡1～8小时，然后在标准疏解机中疏解15000～75000转，完成植物纤维的解离，获得植物纤维分散体。
进一步地，步骤二中对纤维分散体进行原细化处理的方法为：
(1)对步骤一中的植物纤维分散体进行浓缩处理，获得质量浓度为10％的植物纤维浆团；
(2)将质量浓度为10％的植物纤维浆团置于PFI磨浆机中磨浆处理5000～30000转，即得到原细化植物纤维。
进一步地，步骤三中制备浆料悬浮液具体为：将原细化植物纤维加水稀释到质量浓度为0.5～2％，然后控制搅拌器的转速在500～3000r/min下机械搅拌0.5～2小时，得到分散均匀的浆料悬浮液。
进一步地，步骤四中的发泡剂的添加量为浆料悬浮液中纤维绝干质量的2～20％，制得的泡沫/纤维分散体系的空气含量为10～80％。
进一步地，步骤四中搅拌转速为500～5000r/min，搅拌时间为20～60分钟。
进一步地，所述发泡剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十六烷基磺酸钠、十六烷基硫酸钠、十六烷基苯磺酸钠、十八烷基磺酸钠、十八烷基硫酸钠、十八烷基苯磺酸钠，脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、松香皂类发泡剂或动植物蛋白类发泡剂。
进一步地，步骤五中植物纤维发泡材料的成型工艺为：将泡沫/植物纤维分散体置于泡沫成型装置中，运行该装置的真空抽滤系统，抽除泡沫/植物纤维分散体中的游离水，即得到成型好的植物纤维发泡材料，其中，真空抽滤系统的真空度为0.01～0.05MPa，真空抽滤时间为1～5min。
进一步地，步骤六中干燥处理为：常温常压干燥12～24小时；或在50～100℃干燥箱中干燥4～12小时；或在-10～-60℃环境中干燥24～72小时。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明采用制浆造纸领域新兴的泡沫成型技术，以通过向浆料悬浮液中加入发泡剂，利用机械搅拌作用向浆料悬浮液中通入空气，获得泡沫/纤维分散体系，能够促进纤维的均匀分散，制备出来的植物纤维发泡材料具备松厚度高、匀度好、空隙率高及空隙结构分布均匀等特点。而且利用本发明的一种纤维素基生物可降解型发泡材料的制备方法的技术制备植物纤维发泡材料不但工艺简单、可操作性强，而且原材料资源丰富、可再生、价格低廉。此外，本发明制备的纤维素基发材料完全可以生物降解，是一种替代石油基聚合物发泡材料成为很多领域重要的环保型候选材料。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图；
图2是本发明制备的纤维素基生物可降解型发泡材料的实物图；
图3是本发明制备的纤维素基生物可降解型发泡材料的的孔隙率与发泡体系中空气含量的关系图。
具体实施方式
下面对本发明的实施方式做进一步详细描述：
一种纤维素基生物可降解型发泡材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：制备植物纤维分散体：按照质量浓度为1～1.2％，向植物纤维浆板/浆团中加水浸泡1～8小时，然后在标准疏解机中疏解15000～75000转，完成植物纤维的解离，获得植物纤维分散体，其中，所用纤维原料为木材纤维(针叶木纤维、阔叶木纤维)、非木材纤维(禾本科纤维、韧皮纤维、籽毛纤维和叶部纤维)和半木材纤维(棉秆)；
步骤二：纤维原细化处理：
(1)对步骤一中的植物纤维分散体进行浓缩处理，获得质量浓度为10％的植物纤维浆团；
(2)将质量浓度为10％为植物纤维浆团置于PFI磨浆机中磨浆处理5000～30000转，即可得到原细化植物纤维；
步骤三：将步骤二得到的原细化植物纤维加水稀释到质量浓度为0.5～2％，然后控制搅拌器的转速在500～3000r/min下机械搅拌0.5～2小时，得到分散均匀的植物纤维悬浮液；
步骤四：向步骤三中所获得的植物纤维悬浮液中加入发泡剂，发泡剂的添加量为植物纤维悬浮液中纤维绝干质量的2～20％，然后在搅拌转速为500～5000r/min下，机械搅拌20～60分钟，获得空气含量为10～80％的泡沫/植物纤维分散体系，所述发泡剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十六烷基磺酸钠、十六烷基硫酸钠、十六烷基苯磺酸钠、十八烷基磺酸钠、十八烷基硫酸钠、十八烷基苯磺酸钠，脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、松香皂类发泡剂、动植物蛋白类发泡剂以及其他具有发泡功能的化学试剂；
步骤五：取步骤四获得的泡沫/植物纤维分散体置于泡沫成型装置中，运行该装置的真空抽滤系统，在真空度为0.01～0.05MPa下，抽滤1～5min以抽除泡沫/植物纤维分散体中的游离水，实现植物纤维发泡材料的成型，得到成型好的植物纤维发泡材料；
步骤六：将经步骤五成型好的植物纤维发泡材料在常温常压干燥12～24小时(常温常压干燥)、或在50～100℃干燥箱中干燥4～12小时(升温干燥)、或在-10～-60℃环境中干燥24～72小时(冷冻干燥)，即得到纤维素基生物可降解型发泡材料。
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：
实施例1
步骤一：准备植物纤维分散体：称取相当于绝干量为20g的针叶木纤维浆板，按照质量浓度为1.2％，向植物纤维浆板/浆团中加水浸泡8小时，然后在标准疏解机中疏解30000转，完成植物纤维的解离，获得植物纤维分散体；
步骤二：纤维原细化处理：
(1)对步骤一中的植物纤维分散体进行浓缩处理，获得质量浓度为10％的植物纤维浆团；
(2)将质量浓度为10％为浆团置于PFI磨浆机中磨浆处理5000转，即可得到原细化的植物纤维；
步骤三：将步骤二原细化处理后的植物纤维加水稀释到质量浓度为0.5％，然后控制搅拌器的转速在1500r/min下，对浆料悬浮液机械搅拌1小时，得到分散均匀的植物纤维悬浮液；
步骤四：向步骤三中所获得的植物纤维悬浮液中加入十二烷基硫酸钠，且十二烷基硫酸钠的添加量为植物纤维悬浮液中纤维绝干质量的6％，然后在搅拌转速为2000r/min下，机械搅拌20分钟，获得空气含量为45％的泡沫/植物纤维分散体系；
步骤五：取步骤四获得的泡沫/植物纤维分散体置于泡沫成型装置中，运行该装置的真空抽滤系统，在真空度为0.02MPa下，抽滤3min以抽除泡沫/植物纤维分散体中的游离水，实现植物纤维发泡材料的成型；
步骤六：将经步骤五成型后的植物纤维发泡材料在常温常压干燥24小时(常温常压干燥)，即可得到纤维素基生物可降解型发泡材料，获得的发泡材料的孔隙率为97.2％，松厚度为90.4cm3/g。
实施例2
步骤一：准备植物纤维分散体：称取相当于绝干量为20g的针叶木纤维浆板，按照质量浓度为1％，向植物纤维浆板/浆团中加水浸泡1小时，然后在标准疏解机中疏解75000转，完成植物纤维的解离，获得植物纤维分散体；
步骤二：纤维原细化处理：
(1)对步骤一中的植物纤维分散体进行浓缩处理，获得质量浓度为10％的植物纤维浆团；
(2)将质量浓度为10％为浆团置于PFI磨浆机中磨浆处理10000转，即可得到原细化的植物纤维；
步骤三：将步骤二原细化处理后的植物纤维加水稀释到质量浓度为2％，然后控制搅拌器的转速在500r/min下，对浆料悬浮液机械搅拌2小时，得到分散均匀的植物纤维悬浮液；
步骤四：向步骤三中所获得的植物纤维悬浮液中加入十二烷基苯磺酸钠，且十二烷基苯磺酸钠的添加量为植物纤维悬浮液中纤维绝干质量的10％，然后在搅拌转速为5000r/min下，机械搅拌60分钟，获得空气含量为80％的泡沫/植物纤维分散体系；
步骤五：取步骤四获得的泡沫/植物纤维分散体置于泡沫成型装置中，运行该装置的真空抽滤系统，在真空度为0.01MPa下，抽滤5min以抽除泡沫/植物纤维分散体中的游离水，实现植物纤维发泡材料的成型；
步骤六：将经步骤五成型后的植物纤维发泡材料在常温常压干燥12小时(常温常压干燥)，即可得到纤维素基生物可降解型发泡材料。
实施例3
步骤一：准备植物纤维分散体：称取相当于绝干量为20g的针叶木纤维浆板，按照质量浓度为1.2％，向植物纤维浆板/浆团中加水浸泡4小时，然后在标准疏解机中疏解15000转，完成植物纤维的解离，获得植物纤维分散体；
步骤二：纤维原细化处理：
(1)对步骤一中的植物纤维分散体进行浓缩处理，获得质量浓度为10％的植物纤维浆团；
(2)将质量浓度为10％为浆团置于PFI磨浆机中磨浆处理20000转，即可得到原细化的植物纤维；
步骤三：将步骤二原细化处理后的植物纤维加水稀释到质量浓度为1％，然后控制搅拌器的转速在3000r/min下，对浆料悬浮液机械搅拌0.5小时，得到分散均匀的植物纤维悬浮液；
步骤四：向步骤三中所获得的植物纤维悬浮液中加入十六烷基硫酸钠，且十六烷基硫酸钠的添加量为植物纤维悬浮液中纤维绝干质量的8％，然后在搅拌转速为500r/min下，机械搅拌40分钟，获得空气含量为10％的泡沫/植物纤维分散体系；
步骤五：取步骤四获得的泡沫/植物纤维分散体置于泡沫成型装置中，运行该装置的真空抽滤系统，在真空度为0.02MPa下，抽滤1min以抽除泡沫/植物纤维分散体中的游离水，实现植物纤维发泡材料的成型；
步骤六：将经步骤五成型后的植物纤维发泡材料在50℃干燥箱中干燥12小时(升温干燥)，即可得到纤维素基生物可降解型发泡材料。
实施例4
步骤一：准备植物纤维分散体：称取相当于绝干量为20g的阔叶木纤维浆板，按照质量浓度为1％，向植物纤维浆板/浆团中加水浸泡6小时，然后在标准疏解机中疏解60000转，完成植物纤维的解离，获得植物纤维分散体；
步骤二：纤维原细化处理：
(1)对步骤一中的植物纤维分散体进行浓缩处理，获得质量浓度为10％的植物纤维浆团；
(2)将质量浓度为10％为浆团置于PFI磨浆机中磨浆处理30000转，即可得到原细化的植物纤维；
步骤三：将步骤二原细化处理后的植物纤维加水稀释到质量浓度为0.5％，然后控制搅拌器的转速在2000r/min下，对浆料悬浮液机械搅拌0.5小时，得到分散均匀的植物纤维悬浮液；
步骤四：向步骤三中所获得的植物纤维悬浮液中加入十八烷基苯磺酸钠，且十八烷基苯磺酸钠的添加量为植物纤维悬浮液中纤维绝干质量的20％，然后在搅拌转速为1000r/min下，机械搅拌1小时，获得空气含量为60％的泡沫/植物纤维分散体系；
步骤五：取步骤四获得的泡沫/植物纤维分散体置于泡沫成型装置中，运行该装置的真空抽滤系统，在真空度为0.03MPa下，抽滤2min以抽除泡沫/植物纤维分散体中的游离水，实现植物纤维发泡材料的成型；
步骤六：将经步骤五成型后的植物纤维发泡材料在-10℃环境中干燥72个小时(冷冻干燥)，即可得到纤维素基生物可降解型发泡材料。
实施例5
步骤一：准备植物纤维分散体：称取相当于绝干量为20g的阔叶木纤维浆板，按照质量浓度为1.2％，向植物纤维浆板/浆团中加水浸泡2小时，然后在标准疏解机中疏解45000转，完成植物纤维的解离，获得植物纤维分散体；
步骤二：纤维原细化处理：
(1)对步骤一中的植物纤维分散体进行浓缩处理，获得质量浓度为10％的植物纤维浆团；
(2)将质量浓度为10％为浆团置于PFI磨浆机中磨浆处理10000转，即可得到原细化的植物纤维；
步骤三：将步骤二原细化处理后的植物纤维加水稀释到质量浓度为1.5％，然后控制搅拌器的转速在2500r/min下，对浆料悬浮液机械搅拌1.5小时，得到分散均匀的植物纤维悬浮液；
步骤四：向步骤三中所获得的植物纤维悬浮液中加入脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠，且脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠的添加量为植物纤维悬浮液中纤维绝干质量的2％，然后在搅拌转速为3000r/min下，机械搅拌50分钟，获得空气含量为60％的泡沫/植物纤维分散体系；
步骤五：取步骤四获得的泡沫/植物纤维分散体置于泡沫成型装置中，运行该装置的真空抽滤系统，在真空度为0.05MPa下，抽滤4min以抽除泡沫/植物纤维分散体中的游离水，实现植物纤维发泡材料的成型；
步骤六：将经步骤五成型后的植物纤维发泡材料在-60℃环境中干燥24个小时(冷冻干燥)，即可得到纤维素基生物可降解型发泡材料。
实施例6
步骤一：准备植物纤维分散体：称取相当于绝干量为20g的阔叶木纤维浆板，按照质量浓度为1.2％，向植物纤维浆板/浆团中加水浸泡7小时，然后在标准疏解机中疏解60000转，完成植物纤维的解离，获得植物纤维分散体；
步骤二：纤维原细化处理：
(1)对步骤一中的植物纤维分散体进行浓缩处理，获得质量浓度为10％的植物纤维浆团；
(2)将质量浓度为10％为浆团置于PFI磨浆机中磨浆处理15000转，即可得到原细化的植物纤维；
步骤三：将步骤二原细化处理后的植物纤维加水稀释到质量浓度为1.5％，然后控制搅拌器的转速在1000r/min下，对浆料悬浮液机械搅拌2小时，得到分散均匀的植物纤维悬浮液；
步骤四：向步骤三中所获得的植物纤维悬浮液中加入十二烷基硫酸钠，且十二烷基硫酸钠的添加量为植物纤维悬浮液中纤维绝干质量的15％，然后在搅拌转速为4000r/min下，机械搅拌60分钟，获得空气含量为65％的泡沫/植物纤维分散体系；
步骤五：取步骤四获得的泡沫/植物纤维分散体置于泡沫成型装置中，运行该装置的真空抽滤系统，在真空度为0.04MPa下，抽滤5min以抽除泡沫/植物纤维分散体中的游离水，实现植物纤维发泡材料的成型；
步骤六：将经步骤五成型后的植物纤维发泡材料在100℃干燥箱中干燥4小时(升温干燥)，即可得到纤维素基生物可降解型发泡材料。

Claims (8)

1.一种纤维素基生物可降解型发泡材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：制备植物纤维分散体；
步骤二：对纤维分散体进行原细化处理得到原细化植物纤维；
步骤三：将原细化植物纤维加水稀释，然后经机械搅拌，得到分散均匀的浆料悬浮液；
步骤四：向步骤三获得的浆料悬浮液中加入发泡剂，然后经机械搅拌发泡，得到均匀的泡沫/纤维分散体系；
步骤五：将步骤四得到的泡沫/纤维分散体，置于泡沫成型装置中，运行泡沫成型装置，得到成型好的植物纤维发泡材料；
植物纤维发泡材料的成型工艺为：将泡沫/植物纤维分散体置于泡沫成型装置中，运行该装置的真空抽滤系统，抽除泡沫/植物纤维分散体中的游离水，即得到成型好的植物纤维发泡材料，其中，真空抽滤系统的真空度为0.01～0.05MPa，真空抽滤时间为1～5min；
步骤六：对步骤五成型好的植物纤维发泡材料进行干燥处理，得到纤维素基生物可降解型发泡材料；
干燥处理为：常温常压干燥12～24小时；或在50～100℃干燥箱中干燥4～12小时；或在-10～-60℃环境中干燥24～72小时。
2.根据权利要求1所述的一种纤维素基生物可降解型发泡材料的制备方法，其特征在于，步骤一中用于制备纤维分散体的纤维原料为木材纤维、非木材纤维或半木材纤维。
3.根据权利要求1所述的一种纤维素基生物可降解型发泡材料的制备方法，其特征在于，步骤一中制备植物纤维分散体的方法为：按照质量浓度为1～1.2％，向植物纤维浆板/浆团中加水浸泡1～8小时，然后在标准疏解机中疏解15000～75000转，完成植物纤维的解离，获得植物纤维分散体。
4.根据权利要求1所述的一种纤维素基生物可降解型发泡材料的制备方法，其特征在于，步骤二中对纤维分散体进行原细化处理的方法为：
(1)对步骤一中的植物纤维分散体进行浓缩处理，获得质量浓度为10％的植物纤维浆团；
(2)将质量浓度为10％的植物纤维浆团置于PFI磨浆机中磨浆处理5000～30000转，即得到原细化植物纤维。
5.根据权利要求1所述的一种纤维素基生物可降解型发泡材料的制备方法，其特征在于，步骤三中制备浆料悬浮液具体为：将原细化植物纤维加水稀释到质量浓度为0.5～2％，然后控制搅拌器的转速在500～3000r/min下机械搅拌0.5～2小时，得到分散均匀的浆料悬浮液。
6.根据权利要求1所述的一种纤维素基生物可降解型发泡材料的制备方法，其特征在于，步骤四中的发泡剂的添加量为浆料悬浮液中纤维绝干质量的2～20％，制得的泡沫/纤维分散体系的空气含量为10～80％。
7.根据权利要求1所述的一种纤维素基生物可降解型发泡材料的制备方法，其特征在于，步骤四中搅拌转速为500～5000r/min，搅拌时间为20～60分钟。
8.根据权利要求1所述的一种纤维素基生物可降解型发泡材料的制备方法，其特征在于，所述发泡剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十六烷基磺酸钠、十六烷基硫酸钠、十六烷基苯磺酸钠、十八烷基磺酸钠、十八烷基硫酸钠、十八烷基苯磺酸钠，脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、松香皂类发泡剂或动植物蛋白类发泡剂。
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