CN106349534A - 一种酶解木质素/聚烯烃复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种酶解木质素/聚烯烃复合材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于聚烯烃复合材料技术领域，公开了一种酶解木质素/聚烯烃复合材料及其制备方法与应用。本发明方法包括以下步骤：将酶解木质素与界面改性剂混合，搅拌均匀得到处理粉料；将聚烯烃塑料熔融炼胶，再加入上述处理粉料，共混处理，成型，得到酶解木质素/聚烯烃复合材料；以质量份数计，所述酶解木质素、聚烯烃塑料和界面改性剂的用量分别为80～100份、100～400份、1～7份。本发明以原料来源广、成本低廉的酶解木质素为原料，无毒无害的界面改性剂为添加剂，得到酶解木质素/聚烯烃复合材料具有良好的拉伸强度和断裂拉伸率等综合力学性能，拉伸强度23～26MPa，断裂拉伸率120～240％，可应用于高分子材料工业。

Description

一种酶解木质素/聚烯烃复合材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于聚烯烃复合材料技术领域，特别涉及一种酶解木质素/聚烯烃复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
目前，塑料已和钢铁、木材、水泥并列为国民经济的四大支柱材料，在各产业领域中成为不可缺少的重要材料。在通用合成树脂中，聚烯烃树脂的产量稳居前茅，其中以聚乙烯、聚丙烯为主，其应用深入到机械、化工、纺织行业，以及在原子能、核电站、军工国防、航空航天等高科技领域中。其中，聚乙烯树脂含量占全球通用树脂总量的40％左右，我国对聚乙烯塑料的需要量也非常巨大，国内聚烯烃树脂每年的产量和使用量都呈增长趋势，2012年我国聚乙烯树脂的需求量达到1989.6万吨，可见聚烯烃树脂的应用越来越受到大家的关注。
自工业革命以来，人类对石化资源的依赖性逐渐加强，直至21世纪，已经出现了全球性的石化能源危机问题，目前为止已探明的石化资源储量只能满足人类50年的使用。石化资源是能源供给的主要源泉，同时，石化资源还能经过化工过程转化成化工产品应用于塑料、橡胶、皮革、纺织、印染、涂料等化工领域。此外，石化资源的提炼、转化、燃烧和其他加工过程都会排放大量对环境有危害的硫化物、氮氧化物以及温室气体，导致大范围的环境污染和气候变化。因此，世界各国正尽全力寻求新型可再生资源逐步取代不可再生的石化资源以为人类提供能源与材料应用。其中，生物质资源倍受世界各国的研究学者关注。
木质素(Lignin)是一种存在于大部分陆地植物木质部中的复杂的高分子化合物，大约占陆地植物生物量的1/3。木质素与纤维素(Cellulose)和半纤维素(Hemicellulose)是构成植物骨架的主要成分。木质素在自然界的存在非常丰富，就总量而言，地球上木质素的数量仅次于纤维素，估计每年全世界由植物生长可产生1500亿吨木质素。然而，全球因制浆造纸工业每年从植物中约分离出1.4亿吨纤维素，同时伴随着产生5000万吨的木质素副产品，但这大批量的木质素副产品的有效利用率不到10％，大部分通过碱回收后燃烧掉或以废液的形式直接排入江河。不可再生的石化资源日益枯竭，造纸废液的环境问题日益严重，使得回收和利用造纸废液中的可再生资源木质素显得尤为重要。因此，这种具有可再生、可降解、可持续优点的木质素资源的资源化利用更是迫在眉睫。
酶解木质素(EHL)，是从生物质(如玉米秸秆/玉米芯)酶解制备功能性多糖、燃料乙醇、天然气等的残渣中提取得到的天然高分子。秸秆在制备乙醇的过程中，仅经过短时间的蒸汽爆破和微生物的酶解处理，并未经历高温、高压等严酷的工艺过程。因此，酶解木质素较好地保留了其化学活性(高于木质素磺酸盐及碱木质素)，含有大量活性官能团如芳环、酚羟基、醚键等，而且相对于造纸木质素还具有纯度高、处理成本低的优点；但其水/碱溶性较差，不易转为液相进行后续改性。
木质素与聚烯烃(主要是聚乙烯和聚丙烯)共混后，可产生不少的功能。木质素-聚乙烯共混体系中，木质素主要起到了加工稳定剂、抗短波长紫外光剂、降解引发剂和其他稳定剂的作用。木质素-聚丙烯共混体系中，木质素主要起到了加工稳定剂、光稳定剂和降解引发剂等的作用。但随着木质素含量的增加，相容性变差，会导致力学性能有所下降。非极性的聚烯烃类聚合物链与木质素的极性结构掺加共混体系相容性不佳，从而导致各种性能发挥的余地较小。因此，通常在复合材料中加入增塑剂来提高酶解木质素/聚烯烃复合材料的力学性能以达到工业应用要求。
虽然已有大量木质素与高分子材料共混制备复合材料的研究报道，但大部分制备出来的复合材料性能不佳，改性步骤繁琐、成本较高，不利于工业生产与应用。在提高界面结合方面，也缺乏相关的研究与创新，并且常用的提高界面结合性的表面改性剂大多有毒，对人体有一定的刺激性，不利于产品的日常化推广。通过研究不同无毒改性剂与复合材料性能的相关性，可以对木质素在高分子复合材料中的应用有更深入的认识，对该类复合材料的实际生产与应用有着重要的指导意义，可以提高该类复合材料的实际使用性能，对于推动木质素/聚烯烃复合材料的工业化进程具有积极意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种绿色环保、无毒无害、质地均一，具有良好加工性能和拉伸强度，同时具有可降解、无臭味等优点的酶解木质素/聚烯烃复合材料。
本发明另一目的在于提供一种上述酶解木质素/聚烯烃复合材料的制备方法。
本发明方法以玉米芯制备功能糖后的残渣中提取的酶解木质素为原料，与聚乙烯、界面改性剂等进行物理共混制备得到酶解木质素/聚烯烃复合材料。鉴于酶解木质素分子中含有大量极性基团，在聚烯烃塑料中容易发生团聚。本发明将界面改性剂与木质素进行复合处理，界面改性剂的极性端和木质素颗粒表面的羟基、甲氧基等极性基团发生作用，而其烷基链非极性端分布在木质素颗粒的最外层。因此，烷基链非极性端和非极性的聚烯烃相作用。根据相似相容原理，界面改性剂的加入改善了酶解木质素和非极性的聚烯烃之间的界面相容性。同时，本发明还采用A-B型复合配伍改性剂；选出对酶解木质素改性效果好、用量少且不会污染环境的界面改性剂A和B进行不同比例的混合，制备出A-B复合改性剂；然后，再将复合配方的界面改性剂与酶解木质素进行物理共混制备复合材料。
本发明再一目的在于提供上述酶解木质素/聚烯烃复合材料的应用。
本发明的目的通过下述方案实现：
一种酶解木质素/聚烯烃复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将酶解木质素与界面改性剂混合，搅拌均匀得到处理粉料；将聚烯烃塑料熔融炼胶，再加入上述处理粉料，共混处理，成型，得到酶解木质素/聚烯烃复合材料。
以质量份数计，所述酶解木质素、聚烯烃塑料和界面改性剂的用量分别为80～100份、100～400份、1～7份。
在其中一个实施例中，所述的界面改性剂为硬脂酸铝、乙酰柠檬酸三丁酯(ATBC)、柠檬酸三丁酯(TBC)、油酸、环氧大豆油、十二烷基硫酸钠(SDS)、硅烷偶联剂(KH570)和硬脂酸中的至少一种。本发明使用的界面改性剂均对人体没有刺激性。
在其中一个实施例中，所述的界面改性剂为柠檬酸三丁酯(TBC)、油酸和十二烷基硫酸钠(SDS)中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述的界面改性剂为柠檬酸三丁酯(TBC)和油酸。
在其中一个实施例中，所述共混处理的时间为10～30min。
在其中一个实施例中，所述共混处理的时间为10～12min。
在其中一个实施例中，所述的熔融炼胶在160～190℃下进行。
在其中一个实施例中，所述的熔融炼胶的时间为10～12min。
在其中一个实施例中，所述的聚烯烃塑料为高密度聚乙烯、低密度聚乙烯和注塑类聚丙烯中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述的酶解木质素为玉米芯制备功能糖后的残渣中提取的产物。本发明以酶解木质素为原料，其来源广、成本低廉。
在其中一个实施例中，所述酶解木质素的固含量为96～98％。
本发明还提供上述方法制备得到的酶解木质素/聚烯烃复合材料。本发明复合材料具有良好的拉伸强度和断裂拉伸率等综合力学性能，拉伸强度为23～26MPa，断裂拉伸率为120～240％，适合应用于高分子材料工业中。
本发明方法以玉米芯制备功能糖后的残渣中提取的酶解木质素为原料，与聚乙烯、界面改性剂等进行物理共混制备得到酶解木质素/聚烯烃复合材料。鉴于酶解木质素分子中含有大量极性基团，在聚烯烃塑料中容易发生团聚。本发明将界面改性剂与木质素进行复合处理，界面改性剂的极性端和木质素颗粒表面的羟基、甲氧基等极性基团发生作用，而其烷基链非极性端分布在木质素颗粒的最外层。因此，烷基链非极性端和非极性的聚烯烃相作用。根据相似相容原理，界面改性剂的加入改善了酶解木质素和非极性的聚烯烃之间的界面相容性。同时，本发明还采用A-B型复合配伍改性剂；选出对酶解木质素改性效果好、用量少且不会污染环境的界面改性剂A和B进行不同比例的混合，制备出A-B复合改性剂；然后，再将复合配方的界面改性剂与酶解木质素进行物理共混制备复合材料。
本发明以原料来源广、成本低廉的酶解木质素为原料，无毒无害的界面改性剂为添加剂，制备的酶解木质素/聚烯烃复合材料具有良好的拉伸强度和断裂拉伸率等综合力学性能，且原料和添加剂均没有毒性，制备的复合材料绿色环保，对人体没有刺激性。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
1、本发明所用酶解木质素为玉米芯制备功能糖后的残渣中提取的产物，原料成本较低。因此相比于纯的聚烯烃塑料，本发明的酶解木质素/聚烯烃复合材料具有更低的成本。
2、本发明所用酶解木质素为玉米芯制备功能糖后的残渣中提取的产物，对比常用造纸黑液中提取的碱木质素原料，更加绿色环保，有利于拓展酶解木质素在高分子材料中的应用，提供了一种新型的木质素基绿色塑料。
3、在塑料等高分子材料工业中，为了提高产品柔韧性，有利于加工，界面改性剂常添加到产品的制作过程中。常用的塑化剂(如DOP)大多对人体有害，干扰人体内分泌，造成癌症。本发明选用无毒无害的酶解木质素，结合无毒界面改性剂，制备一种无毒无害的酶解木质素/聚烯烃复合材料，有利于实现木质纤维素生物质原料在高分子材料领域对石油原料的有效替代，对于提高生物质的利用水平，缓解石油资源危机和保护环境具有重要意义。
4、相比于现有的碳酸钙填料填充的聚烯烃塑料，本发明的酶解木质素/聚烯烃复合材料具有更好的拉伸韧性和耐冲击性能，可以用于注塑和吹塑工艺，用途范围更广。
附图说明
图1为实施例3所得酶解木质素/聚乙烯复合材料、高密度聚乙烯、碳酸钙/聚乙烯复合材料的力学性能对比曲线图。
图2为实施例3所得酶解木质素/聚乙烯复合材料的断面SEM图。
图3为高密度聚乙烯材料的断面SEM图。
图4为碳酸钙/聚乙烯复合材料的断面SEM图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
下列实施例中使用的试剂均可从商业渠道获得。其中，实施例中的酶解木质素为山东龙力生物科技股份有限公司玉米芯制备功能糖后的残渣中提取的产物。高密度聚乙烯(HDPE)是中海壳牌石油化工有限公司生产的5621D型；低密度聚乙烯(LDPE)是中国石油化工股份有限公司茂名分公司生产的2426K型；聚丙烯(PP)是中国石油化工股份有限公司茂名分公司生产的。
实施例1
(1)将100克酶解木质素经过粉碎得到粒径大约为8微米的酶解木质素粉末，再在酶解木质素粉末中加入2克TBC(柠檬酸三丁酯)界面改性剂，使二者混合均匀，得到酶解木质素预处理粉末。
(2)将100克注塑类聚丙烯料粒(中国石化茂名分公司生产，以下同)和150克高密度聚乙烯料粒(5621D型，中海壳牌石化生产，以下同)置于160℃下进行熔融共混。随后将酶解木质素预处理粉末与熔融的聚烯烃进行物理共混，共混处理10分钟之后，料饼经过成型即可得到酶解木质素/聚烯烃复合材料。
实施例2
(1)将100克酶解木质素经过粉碎得到粒径大约为100微米的酶解木质素粉末，在酶解木质素粉末中加入5克乙酰柠檬酸三丁酯(ATBC)，使两者混合均匀，得到酶解木质素预处理粉末。
(2)将300克低密度聚乙烯粒料在170℃下进行熔融共混，随后将酶解木质素预处理粉末与熔融的聚烯烃进行物理共混，共混处理15分钟之后，料饼经过成型即可得到酶解木质素/聚烯烃复合材料。
实施例3
(1)将100克酶解木质素经过粉碎得到粒径大约为20微米的酶解木质素粉末，再在酶解木质素粉末中加入7克十二烷基硫酸钠界面改性剂，使两者混合均匀，得到酶解木质素预处理粉末。
(2)将200克高密度聚乙烯粒料在190℃下进行熔融共混，随后将酶解木质素预处理粉末与熔融的聚烯烃进行物理共混，共混处理30分钟之后，料饼经过成型即可得到酶解木质素/聚烯烃复合材料。
实施例4
(1)将100克酶解木质素经过粉碎得到粒径大约为40微米的酶解木质素粉末，再在酶解木质素粉末中加入2克TBC(柠檬酸三丁酯)和2克油酸，使三者混合均匀，得到酶解木质素预处理粉末。
(2)将400克低密度聚乙烯料粒在170℃下进行熔融共混，随后将酶解木质素预处理粉末与熔融的聚烯烃进行物理共混，共混处理30分钟之后，料饼经过成型即可得到酶解木质素/聚烯烃复合材料。
实施例5
(1)将100克酶解木质素经过粉碎得到粒径大约为60微米的酶解木质素粉末，再在酶解木质素粉末中加入4克油酸界面改性剂，使二者混合均匀，酶解木质素预处理粉末。
(2)将200克注塑类聚丙烯粒料和200克低密度聚乙烯粒料在160℃下进行熔融共混，在共混的工艺过程中，加入酶解木质素预处理粉末，共混处理30分钟之后，料饼经过成型即可得到酶解木质素/聚烯烃复合材料。
对比实施例
将实施例3产品进行制样，采用MTS万能试验机测试拉伸强度、断裂拉伸率等力学性能数据；对复合材料样品的断面采用SEM进行显微分析，揭示复合材料内相的作用机理。表1为实施例3所得酶解木质素/复合材料的力学性能测量值，同时与高密度聚乙烯和碳酸钙/聚乙烯复合材料进行对比；图1为实施例3所得酶解木质素/聚烯烃复合材料的力学性能图，同时与高密度聚乙烯和碳酸钙/聚乙烯复合材料进行对比；图2为实施例3所得酶解木质素/聚烯烃复合材料的试样断面SEM图，同时与高密度聚乙烯和碳酸钙/聚乙烯复合材料(佛山市三水飞马包装有限公司生产)进行对比。
表1酶解木质素/复合材料的力学性能
断裂拉伸率/％ 拉伸强度/MPa
实施例3产品 128.38 22.98
高密度聚乙烯 269.10 22.33
碳酸钙/聚乙烯复合材料 66.20 24.41
实施例4产品 240.06 21.15
实施例3产品、高密度聚乙烯、碳酸钙/聚乙烯复合材料和实施例4产品的断裂拉伸率分别为128.38％、269.10％、66.20％和240.06％，实验采用的碳酸钙是工业吹塑用的改性碳酸钙。可以看出，实施例3产品的断裂拉伸率低于原高密度聚乙烯，但是高于碳酸钙补强的聚乙烯材料，这说明实施例3产品具有良好的韧性，其韧性已经超过目前工业上常用的碳酸钙补强的聚乙烯材料，其力学性能已经可以满足工业吹塑对塑料韧性的要求。实施例3产品的拉伸强度为22.98Mpa，稍强于碳酸钙补强的聚乙烯材料的24.41Mpa，以及高密度聚乙烯的22.33Mpa，这说明实施例3产品与原塑料和碳酸钙补强的塑料相比，拉伸强度没有损失，并且具有较小幅度的增加。实施例3产品使用无毒无害的界面改性剂，绿色环保，这个特性使其在很多领域的应用具有更强的竞争力，并且成本也略有降低。
如图1所示，实施例3产品与高密度聚乙烯、碳酸钙/聚乙烯复合材料和实施例4产品的力学性能图对比可以看出，实施例3产品的断裂应变比高密度聚乙烯小，但高于碳酸钙补强的聚乙烯材料，这说明实施例3产品的形变能力不如原高密度聚乙烯，但优于碳酸钙补强的聚乙烯材料。实施例3产品的屈服应力为22.98MPa，高于高密度聚乙烯的22.33Mpa，这说明实施例3产品是一种良好的韧性材料，酶解木质素的加入并没有改变高密度聚乙烯的韧性形变性质，比高密度聚乙烯和碳酸钙补强的聚乙烯材料具有较高的使用强度。
实施例3产品的外观颜色显棕黑色，质地均一。如图2、3、4所示，将实施例3产品、高密度聚乙烯、碳酸钙/聚乙烯复合材料经过液氮淬断，断面的SEM图(放大2000倍)可以看出，高密度聚乙烯的断面粗糙，网状结构清晰；实施例3产品的断面更加粗糙，且网状结构复杂而纤细，呈现颗粒状突起；而碳酸钙补强的聚乙烯材料的断面较为平整。从断面形貌可以判断实施例3产品属于韧性断裂，因此韧性优于碳酸钙补强的聚乙烯材料。另外从图2可以看出，实施例3产品中木质素颗粒在聚烯烃树脂相中的分散较为均匀，未出现聚集，这说明界面改性剂的加入能明显改善木质素颗粒在聚乙烯相中的分散状况，有效阻止了木质素颗粒的团聚。
经测试，其它实施例所得产品的性能与实施例3也基本相似，因此不一一重复。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种酶解木质素/聚烯烃复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：将酶解木质素与界面改性剂混合，搅拌均匀得到处理粉料；将聚烯烃塑料熔融炼胶，再加入上述处理粉料，共混处理，成型，得到酶解木质素/聚烯烃复合材料；
以质量份数计，所述酶解木质素、聚烯烃塑料和界面改性剂的用量分别为80～100份、100～400份、1～7份。
2.根据权利要求1所述的酶解木质素/聚烯烃复合材料的制备方法，其特征在于：所述的界面改性剂为硬脂酸铝、乙酰柠檬酸三丁酯、柠檬酸三丁酯、油酸、环氧大豆油、十二烷基硫酸钠、硅烷偶联剂和硬脂酸中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的酶解木质素/聚烯烃复合材料的制备方法，其特征在于：所述的界面改性剂为柠檬酸三丁酯、油酸和十二烷基硫酸钠中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的酶解木质素/聚烯烃复合材料的制备方法，其特征在于：所述的界面改性剂为柠檬酸三丁酯和油酸。
5.根据权利要求1所述的酶解木质素/聚烯烃复合材料的制备方法，其特征在于：所述共混处理的时间为10～30min。
6.根据权利要求1所述的酶解木质素/聚烯烃复合材料的制备方法，其特征在于：所述的熔融炼胶在160～190℃下进行；所述的熔融炼胶的时间为10～12min。
7.根据权利要求1所述的酶解木质素/聚烯烃复合材料的制备方法，其特征在于：所述的聚烯烃塑料为高密度聚乙烯、低密度聚乙烯和注塑类聚丙烯中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的酶解木质素/聚烯烃复合材料的制备方法，其特征在于：所述的酶解木质素为玉米芯制备功能糖后的残渣中提取的产物；所述酶解木质素的固含量为96～98％。
9.一种酶解木质素/聚烯烃复合材料，其特征在于根据权利要求1～8任一项所述的制备方法得到。
10.权利要求9所述的酶解木质素/聚烯烃复合材料在高分子材料工业中的应用。
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