CN108943273A - 一种楠竹塑化工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种楠竹塑化工艺。楠竹塑化工艺包括将楠竹材料进行破碎、切断后，调节含水率，再在0.69至4.83MPa下，用蒸汽将经过破碎切断的楠竹材料加热到160至260℃，保持10分钟，然后使压力骤然下降，得到楠竹纤维素；楠竹纤维素的进行氧化还原处理后，得塑化改性楠竹纤维素。本发明所述楠竹塑化工艺制得的可塑化加工的楠竹纤维素具有优异的力学性能以及热学稳定性。

Description

一种楠竹塑化工艺
技术领域
本发明涉及楠竹加工技术领域，具体是一种楠竹塑化工艺。
背景技术
楠竹材料塑化，是通过酯化和醚化等手段，用其他的官能团来部分取代楠竹材料中的羟基，以减少各成分之间的氢键，使其分子之间的结合力下降，破坏纤维素的结晶结构，使楠竹材料在一定温度下软化，成为热塑性材料。塑化改性后的楠竹材料，可用普通塑料的方法加工成型，用以代替部分石油产品，或用于无胶人造板及木塑复合材料等的制造。
传统的酯化、醚化等化学方法虽然可以实现楠竹纤维素的塑化改性，但需要大量使用有机溶剂，造成环境污染，而且大多数改性以后失去了楠竹纤维素本身优良的性能，对楠竹纤维素组分利用率也较低，难以实现植物纤维资源在塑化改性领域的工业化利用。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术的问题，提供一种楠竹塑化工艺，通过将利用蒸汽爆破与氧化还原改性相结合的两步法，对楠竹纤维素进行绿色环保、高效低耗的塑化改性，提高植物资源利用率，可为生物质高值化利用开辟新的途径。
为实现上述目的，具体方案如下：
一种楠竹塑化工艺，包括如下步骤：
(1)将楠竹材料进行破碎、切断，调节含水率，将楠竹材料进行破碎、切断，调节含水率，再在0.69至4.83MPa下，用蒸汽将经过破碎切断的楠竹材料加热到160至260℃，保持10分钟，然后使压力骤然下降，得到楠竹纤维素；
(2)将步骤(1)所述的楠竹纤维素与氧化剂溶液混合，加热并搅拌，反应后，分离过滤，洗涤，得氧化改性楠竹纤维素；
(3)将步骤(2)所述的氧化改性楠竹纤维素与还原剂溶液混合，加热并搅拌，反应后，分离过滤，洗涤，得塑化改性楠竹纤维素。
在其中一些实施例中，步骤(2)所述的氧化剂溶液为高碘酸钾、高碘酸钠、过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸氢钾、过硫酸铵或硝酸铈铵的一种或多种混合的水溶液。
在其中一些实施例中，步骤(3)所述的还原剂溶液为硼氢化钠、硼氢化钾、氢化钙和氢化铝锂的一种或多种混合的水溶液。
在其中一个实施例中，步骤(2)所述的氧化剂溶液为过硫酸铵和高碘酸钾的混合溶液，步骤(3)所述的还原剂溶液为硼氢化钾溶液。
在其中一些实施例中，步骤(2)所述氧化剂与步骤(1)所述楠竹纤维素用量的重量比为1～10:1。
在其中一些实施例中，步骤(3)所述还原剂与步骤(1)所述楠竹纤维素用量的重量比为0.1～1:1，优选为0.3～0.7:1。
在其中一些实施例中，
步骤(1)所述调节含水率为45-65％；
步骤(2)所述加热温度为20-100℃，反应时间为1-48h；
步骤(3)所述加热温度为20-100℃，反应时间为1-6h。
本发明楠竹塑化的原理：
通过在0.69至4.83MPa下，用蒸汽将经过破碎切断的楠竹材料加热到160至260℃，保持10分钟，然后使压力骤然下降，得到楠竹纤维素；能够高效破坏楠竹纤维素组织结构，削弱纤维素的屏蔽作用，提高反应物比表面积和纤维素塑化改性反应可及性。随后蒸汽爆破预处理的楠竹纤维素材料在氧化还原的作用下使纤维素开环，降低纤维素分子链的刚性，同时减少纤维素间氢键的作用，部分降低纤维素的结晶度，使其熔融温度降低，并具备一定的塑化效果。
本发明所述的楠竹塑化工艺及其应用，具有如下优点和有益效果：
采用本发明所述的楠竹塑化工艺得到的可塑化加工的楠竹纤维素材料较好的保留了楠竹纤维素本身的强度，经塑化改性的楠竹纤维素的玻璃化转变温度在90-110℃之间，最大热降解温度在300-372℃之间，具有良好的热稳定性和热塑化加工性能。此外，还可以通过对塑化程度及工艺的控制实现对制品性能的调控，植物资源利用率较高。
采用本发明所述楠竹塑化工艺制得的可塑化加工楠竹纤维素材料具有优异的力学性能。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步地阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
(1)将楠竹进行破碎，调节含水率为50％，再采用连续式单螺杆挤出蒸汽爆破装置进行4次爆破预处理，得连续蒸汽爆破预处理的楠竹纤维；
(2)将步骤(1)所述的连续蒸汽爆破预处理的楠竹纤维与高碘酸钠溶液(10g/L)混合，室温条件下搅拌，反应时间为9h，分离过滤，洗涤，得氧化改性楠竹纤维，其中，高碘酸钠与步骤(1)所述的连续蒸汽爆破预处理的楠竹纤维的重量比为4:1；
(3)将步骤(2)所述的氧化改性楠竹纤维与硼氢化钠溶液混合，加热至50℃并搅拌，反应时间为3h，分离过滤，洗涤，得塑化改性楠竹纤维，其中，硼氢化钠与步骤(1)所述连续蒸汽爆破预处理的楠竹纤维的重量比为0.5:1；
(4)将步骤(3)所述塑化改性楠竹纤维在模具中进行铺装，在150℃/10MPa/8min工艺条件下进行热压成型，脱模，即得绿色环保可塑化加工的楠竹纤维材料。
测试方法：
拉伸测试：将制得的楠竹纤维素塑化样品制成标准哑铃型样条，测试仪器为台式万能材料试验机(instron5566)，测试条件：温度22℃，湿度30％RH，标距20mm，厚度1mm，拉伸速率为2mm/min。
弯曲测试：测试仪器和条件与拉伸测试一直，样条尺寸为80mm×10mm×4mm。
热稳定性测试：
TG测试：采用德国NETCH公司的热重分析仪(209F3)，将5～10mg的样品放到坩埚中，保持N2气氛流速控制在50ml/min，测试温度范围为30℃～700℃，升温速率为10℃/min。DSC测试：采用NETCH公司的差示扫描量热分析仪(204F1)，将5～10mg的样品放到坩埚中，保持N2气氛流速控制在10ml/min，测试温度范围为25℃～200℃，升温速率为10℃/min。
测试结果：实施例1制得的塑化改性楠竹纤维材料拉伸强度为14.9MPa，弯曲强度为51.8MPa，弯曲模量为5322MPa；玻璃化转变温度为105.7℃，最大热降解温度为363.5℃。
实施例2
(1)将楠竹进行破碎，调节含水率为60％，再采用连续式三螺杆挤出蒸汽爆破装置进行3次爆破预处理，得连续蒸汽爆破预处理的楠竹纤维；
(2)将步骤(1)所述的连续蒸汽爆破预处理的楠竹纤维与过硫酸铵和高碘酸钠的混合物水溶液(10g/L)混合，加热至70℃并搅拌，反应时间为6h，分离过滤，洗涤，得氧化改性楠竹纤维，其中，过硫酸铵和高碘酸钠的混合物与步骤(1)所述的连续蒸汽爆破预处理的楠竹纤维的重量比为6:1，而过硫酸铵与高碘酸钠以重量比为4:2混合；
(3)将步骤(2)所述的氧化改性楠竹纤维与硼氢化钠溶液混合，室温下搅拌，反应时间为4h，分离过滤，洗涤，得塑化改性楠竹纤维，其中，硼氢化钠与步骤(1)所述连续蒸汽爆破预处理的楠竹纤维的重量比为0.6:1；
(4)将步骤(3)所述塑化改性楠竹纤维在模具中进行铺装，在160℃/15MPa/3min工艺条件下进行热压成型，脱模，即得绿色环保可塑化加工的楠竹纤维材料。
拉伸测试、弯曲测试以及热稳定性测试方法同实施例1。
测试结果：实施例2制得的塑化改性楠竹纤维材料拉伸强度为12.6MPa，弯曲强度为44.8MPa，弯曲模量为5069MPa；玻璃化转变温度为102.5℃，最大热降解温度为357.3℃。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种楠竹塑化工艺，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将楠竹材料进行破碎、切断，调节含水率，再在0.69至4.83MPa下，用蒸汽将经过破碎切断的楠竹材料加热到160至260℃，保持10分钟，然后使压力骤然下降，得到楠竹纤维素；
(2)将步骤(1)所述的楠竹纤维素与氧化剂溶液混合，加热并搅拌，反应后，分离过滤，洗涤，得氧化改性楠竹纤维素；
(3)将步骤(2)所述的氧化改性楠竹纤维素与还原剂溶液混合，加热并搅拌，反应后，分离过滤，洗涤，得塑化改性楠竹纤维素。
2.根据权利要求1所述的楠竹塑化工艺，其特征在于，步骤(2)所述的氧化剂溶液为高碘酸钾、高碘酸钠、过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸氢钾、过硫酸铵或硝酸铈铵的一种或多种混合的水溶液。
3.根据权利要求1所述的楠竹塑化工艺，其特征在于，步骤(3)所述的还原剂溶液为硼氢化钠、硼氢化钾、氢化钙和氢化铝锂的一种或多种混合的水溶液。
4.根据权利要求1所述的楠竹塑化工艺，其特征在于，步骤(2)所述的氧化剂溶液为过硫酸铵和高碘酸钾的混合溶液，步骤(3)所述的还原剂溶液为硼氢化钾溶液。
5.根据权利要求1所述的楠竹塑化工艺，其特征在于，步骤(2)所述的氧化剂与步骤(1)所述楠竹纤维素用量的重量比为1～10:1。
6.根据权利要求1所述的楠竹塑化工艺，其特征在于，步骤(3)所述还原剂与步骤(1)所述的楠竹纤维素用量的重量比为0.1～1:1。
7.根据权利要求1所述的楠竹塑化工艺，其特征在于，
步骤(1)所述调节含水率为45-65％；
步骤(2)所述加热温度为20-100℃，反应时间为1-48h；
步骤(3)所述加热温度为20-100℃，反应时间为1-6h。
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