CN108976603B - 一种植物纤维填充改性复合塑料制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种植物纤维填充改性复合塑料制备方法，包括以下步骤：收集秸秆，晒干至水分含量低于10%，切断分丝，除尘，筛选并保留秸秆丝片；喷洒碱性水溶液，碱处理12‑24小时；然后加入到疏解液中，加热至20‑26℃，搅拌疏解12‑24小时；固液分离，分离以后的固态物质用清水冲洗干净，烘干，得到秸秆纤维；喷洒相对于秸秆纤维重量1‑2%的马来酸酐氯仿溶液，静置30‑60分钟，得到改性秸秆纤维；将改性秸秆纤维、增溶剂及抗氧剂共混制成母料，然后与通用塑料共混，螺杆挤出机上挤出制成复合塑料成品。本发明复合塑料中添加应用的植物纤维分子结构含有大量羟基，能够改变通常塑料分子间的氢键结合，破坏高分子螺旋结晶结构，这样使得其熔融温度降低，具有热塑性。

Description

一种植物纤维填充改性复合塑料制备方法
技术领域
本发明涉及一种改性塑料产品制备方法，特别涉及一种植物纤维填充改性复合塑料制备方法，属于新型材料技术领域。
背景技术
塑料根据其加工性能不同，可分为热塑性塑料和热固性塑料。热固性塑料在加热成型的过程中会发生分子链内部的交联反应，使得塑料热加工完成以后形状固化稳定，并且无法再次加热达到粘流态。热塑性塑料在室温条件下表现为固体或弹性体，可以通过加热使其软化具有流动性，进而加工成所需要的形状。
目前常用的热塑性塑料大都是石油化工的产物，如PP、PE、PVC、ABS、PS等。随着资源的消耗增加，石油资源越来越珍贵，国际原油市场的波动对于石油化工下游的塑料制品价格有着巨大的影响。而且，石油资源属于不可再生资源，每一桶原油的消耗都会减少人类可利用资源的总数。
植物纤维是植物生长过程中植物吸收空气中二氧化碳，经过光合作和合成的一种天然高分子纤维。植物纤维分子结构中含有大量羟基，使得植物纤维具有良好的生物降解性能，在报废以后可以快速的为自然界中的微生物所分解，转化为无毒无害的物质，进入到生态循环中。
秸秆是成熟农作物茎叶的总称，农业广泛种植的小麦、水稻、玉米、油菜、棉花等都含有丰富的秸秆资源。通常秸秆资源伴随这农作物收获被分离丢弃，农村大量的秸秆因为无法处理被直接焚烧，焚烧不仅造成大量的资源浪费，还会对空气质量造成严重的影响。因为焚烧秸秆导致的航空故障报道屡见不鲜，政府部门每年为了防范秸秆焚烧引发的负面影响花费大量的人力物力进行督查、宣传。
植物生长过程中主要靠吸收二氧化碳和水进行光合作用合成植物的机体，而这些二氧化碳则主要来源于动植物呼吸作用，以及化石燃料焚烧产生的二氧化碳。从这个角度来看植物的生长具有重要的固碳作用，充分利用绿色植物资源可以更好的做到可持续发展。
如果能够将秸秆中的植物纤维进行科学利用，替代部分化石能源，无论是对于资源利用的可持续发展，还是固碳降排都具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中化石能源不可再生，而秸秆资源大量浪费的不足，提供一种植物纤维填充改性复合塑料制备方法。
本发明将秸秆中的植物纤维充分疏解提取，作为改性常规塑料复合应用的基础原料，实现了优良的复合材料特性，使得可再生的秸秆纤维替代部分化石能源，有效的节能减排，优化调整复合塑料材料的综合性能优势。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种植物纤维填充改性复合塑料制备方法，包括以下步骤：
(1)秸秆预处理：收集秸秆，晒干至水分含量低于10％，切断分丝，除尘，筛选并保留秸秆丝片。
(2)碱处理：将切断的秸秆丝片喷洒碱性水溶液，混合均匀，至于密闭容器中，碱处理12-24小时。
(3)疏解：将步骤2处理好的秸秆丝片加入到疏解液中，加热至20-26℃，搅拌疏解12-24小时。
(4)分离：将疏解后的料液进行固液分离，分离以后的固态物质用清水冲洗干净，烘干，得到秸秆纤维。
(5)秸秆纤维改性：将秸秆纤维搅拌分散开来，喷洒相对于秸秆纤维重量1-2％的马来酸酐氯仿溶液，搅拌分散均匀；喷洒完成后，静置30-60分钟，得到改性秸秆纤维。所述马来酸酐氯仿溶液浓度为2-5wt％。
(6)复合塑料制备：将改性秸秆纤维、增溶剂及抗氧剂共混制成母料，然后与通用塑料共混，螺杆挤出机上挤出制成复合塑料成品。
本发明植物纤维填充改性复合塑料的制备方法，将常规的秸秆进行预处理制备得到相应的秸秆纤维，然后经过改性使得秸秆纤维具有良好的复合塑料制备成型特性，并最终和通用塑料共混螺杆挤出制成复合塑料产品。本发明方法可以很好的将秸秆纤维提取纯化成符合制备后续改性复合塑料产品的纤维原料，秸秆纤维纯度较好，经过改性处理以后和通用塑料共混挤出制备复合塑料成品的结合特性好，整体品质优秀。
进一步，步骤2，所述碱性水溶液是氨水、氢氧化钠、氢氧化钾溶液中的一种。
优选地，所述碱性水溶液是氨水溶液。密闭容器中碱处理，利用氨水氨易挥发，在密闭容器中喷洒的氨水能够蒸发、再溶解，反复作用于秸秆中胶质、蛋白质等成分，使得碱处理效果更好。
进一步，步骤3，所述疏解液是硝酸-低分子醇溶液，硝酸和低分子醇溶液的体积比为1:5-8。低分子醇溶解分散经过碱处理的胶质、蛋白质等成分，使得植物纤维更好的分散开来。优选地，所述低分子醇是甲醇、乙醇、丙醇或正丁醇中的一种或几种。优选为甲醇或乙醇。
进一步，步骤4，采用200-400目筛网进行过滤。秸秆纤维经过切断分丝筛选、碱处理、疏解以后，植物纤维分散开来，所以需要采用更加密集的筛网进行筛分，避免植物纤维透过筛网。
优选地，先将疏解后的料液加入水或低分子醇进行稀释，然后将料液进行过滤。先将溶液稀释，降低料液粘度，使得过滤的时候溶解的胶质、蛋白质等更容易通过筛网，实现充分过滤。
优选地，加入1-2倍低分子醇进行稀释，使得料液的粘度降低，便于过滤分离。
进一步，步骤4，滤液进行自然沉降，上清液回收作为配制疏解液的原料。或者，可以将滤液进行离心过滤，分离回收上清液作为配置疏解液或回收用料。
优选地，滤液自然沉降后，取上清液残余的料液，加热蒸发回收低分子醇。加热蒸发回收的低分子醇可以用作疏解液配制原料，或者稀释用的溶液(稀释疏解好的料液，便于过滤)。
更优选的，蒸发回收低分子醇以后，残余的底物可以作为有机肥的原料。降解程度适宜，可以作为配制有机肥的优良原料。
进一步，步骤6，所述抗氧剂，别名阻氧剂、防老剂。优选地，抗氧剂添加量为0.1-0.3％。
优选地，本发明使用抗氧剂为抗氧剂1010，化学名：四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯。
进一步，所述通用塑料是PP、PE、PVC母料中的一种。
进一步，所述改性秸秆纤维和通用塑料的重量份比例为1:2-2:1。优选两者比例为1:2-1:1。优选改性秸秆纤维的用量和通用塑料的用量比例改性秸秆纤维添加量大约为30-50％的比例，有效替代部分通用塑料，并且保证复合塑料的品质达到要求。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明复合塑料中添加应用的植物纤维分子结构含有大量羟基，能够改变通常塑料分子间的氢键结合，破坏高分子螺旋结晶结构，这样使得其熔融温度降低，具有热塑性。
(2)本发明复合塑料产品添加应用了适量的改性成分，增强了秸秆纤维和通常塑料直接的结合性能，共混制成复合塑料成品具有整体均，品质一致性好，稳定性高的特点。
(3)本发明复合塑料对于秸秆预处理充分，所得秸秆纤维纯度较高，而且经过改性处理以后和化石原料的塑料成分复合成一体化材料，结构致密性好，复合材料的综合性能较为优秀。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
<实施例1>
秸秆纤维制备
收集水稻秸秆，晒干至水分含量低于10％，切断分丝，除尘，筛选并保留秸秆丝片。将切断的秸秆丝片喷洒10％氨水溶液(氨水浓度30％，相对于秸秆丝片重量的10％比例喷洒添加)，搅拌混合均匀，转移至密闭反应釜中，封闭处理18小时。然后，加入疏解液(硝酸：乙醇＝1:4，v/v)淹没秸秆丝片。加热反应釜，控制料液温度25-26℃，搅拌疏解20小时。疏解后的料液用200目筛网过滤，过滤完成后用0.4倍(秸秆丝片重量倍)清水冲洗干净，60℃烘干，得到秸秆纤维。
<对比例1>
收集水稻秸秆，晒干至水分含量低于10％，切断分丝，除尘，筛选并保留秸秆丝片。喷洒10％氨水溶液(浓度30％)，转入反应釜中，搅拌混合均匀，不封闭容器，直接碱处理24h，结果氨水挥发强度大，环境气味刺激，故改用封闭式反应釜进行碱处理。
<对比例2>
同实施例1收集水稻秸秆，处理得到秸秆丝片，喷洒10％氢氧化钠溶液(氢氧化钠溶液浓度25％)，转入反应釜中，搅拌混合均匀，不封闭容器，直接碱处理24h。氢氧化钠溶液无挥发，处理完后后，物料外观色泽暗淡。然后，加入和实施例1一样的疏解液，浸没秸秆丝片，加热至25-26℃，搅拌疏解反应20小时。疏解后的料液用200目筛网过滤，过滤完成后用0.4倍(秸秆丝片重量倍)清水冲洗干净，60℃烘干，得到秸秆纤维。秸秆纤维色泽相比实施例1暗淡无光，疏解效果不佳，残留杂质成分较多。
<实施例2>
改性复合塑料
将实施例1制备的秸秆纤维搅拌分散开来，喷洒相对于秸秆纤维重量1.5％的马来酸酐氯仿溶液(浓度3wt％)，一边喷洒，一边搅拌分散，使得喷洒药液均匀；喷洒完成后，静置40分钟，得到改性后的秸秆纤维。将改性后的秸秆纤维30g、增溶剂0.5g及抗氧剂0.1g共混制成母料，然后与聚丙烯母料69.4g共混，螺杆挤出机上240℃挤出制成复合塑料成品。
<实施例3>
改性复合塑料
将实施例1制备的秸秆纤维搅拌分散开来，喷洒相对于秸秆纤维重量2％的马来酸酐氯仿溶液(浓度3wt％)，搅拌分散均匀；喷洒完成后，静置50分钟，得到改性后的秸秆纤维。将改性后的秸秆纤维30g、增溶剂0.5g及抗氧剂0.1g共混制成母料，然后与聚氯乙烯母料69.4g共混，螺杆挤出机上240℃挤出制成复合塑料成品。
<对比例3>
改性复合塑料
采用实施例3相同的方式制备改性复合塑料，将实施例1制备的秸秆纤维搅拌分散开来，喷洒8％的马来酸酐氯仿溶液(浓度3wt％)，一边喷洒一边搅拌，使喷洒尽可能均匀充分，完成后静置50分钟，得到改性后的秸秆纤维。将改性后的秸秆纤维30g、增溶剂0.5g及抗氧剂0.1g共混制成母料，然后与聚氯乙烯母料69.4g共混，螺杆挤出机上240℃挤出制成复合塑料成品。
<实施例4>
改性复合塑料
将实施例1制备的秸秆纤维搅拌分散开来，喷洒相对于秸秆纤维重量2％的马来酸酐氯仿溶液(浓度3wt％)，搅拌分散均匀；喷洒完成后，静置30分钟，得到改性后的秸秆纤维。将30克改性秸秆纤维、0.5克增溶剂及0.1克抗氧剂1010共混制成母料，然后与聚丙烯母料69.4g共混，螺杆挤出机上240℃挤出制成复合塑料成品。
<测试1>
将实施例2-4和对比例3制备的秸秆纤维复合塑料成品，在万能测力机上测试拉伸强度、剪切强度、弯曲强度，结果如下表所示。
表1测试结果，单位MPa
拉伸强度 剪切强度 弯曲强度
实施例2 23.5 53.9 58.5
实施例3 24.6 52.6 53.6
对比例3 18.9 20.6 26.5
实施例4 20.9 48.1 49.8
对比例3显示性能较差，当喷洒马来酸酐溶液较多的时候，材料的拉伸强度出现了降低，而且剪切强度也受到较大的影响，降低幅度极大，表明过量的马来酸酐导致秸秆纤维和聚氯乙烯的结合性能降低。这可能是因为马来酸酐开环聚合影响复合材料的内部层间结合力，导致综合力学性能降低。
<实施例5>
秸秆纤维制备
收集水稻秸秆，晒干至水分含量低于10％，切断分丝3-4cm，除尘，筛选并保留秸秆丝片。将切断的秸秆丝片喷洒10％氢氧化钠溶液(氢氧化钠溶液浓度25％)，搅拌混合均匀，转移至密闭反应釜中，封闭处理24小时。然后，加入疏解液(硝酸：乙醇：丙醇＝1:4：1)淹没秸秆丝片。加热反应釜，控制料液温度25-26℃，搅拌疏解24小时。疏解后，加入0.7倍体积的乙醇进行稀释，然后料液用300目筛网过滤，过滤完成后用0.3倍(秸秆丝片重量倍)乙醇冲洗干净，滤渣60℃烘干，得到秸秆纤维。
过滤后的滤液自然沉降，上清液回收加入硝酸重新配制成疏解液循环使用。残余的底物作为有机肥原料，可以混合泥土进行渥肥。
<实施例6>
改性复合塑料
将实施例5制备的秸秆纤维搅拌分散开来，喷洒相对于秸秆纤维重量2％的马来酸酐氯仿溶液(浓度3wt％)，搅拌分散均匀；喷洒完成后，静置40分钟，得到改性秸秆纤维。将改性秸秆纤维30g、增溶剂0.5g及1010型抗氧剂0.1g共混制成母料，然后与聚氯乙烯母料69.4g共混，螺杆挤出机上240℃挤出制成复合塑料成品。
<对比例4>
将实施例5制备的秸秆纤维搅拌分散开来，不喷洒马来酸酐，直接按照和实施例6相同配料比例取原料并进行复合材料制备。改性秸秆纤维30g、增溶剂0.5g、1010型抗氧剂0.1g共混制成母料，然后与聚氯乙烯母料69.4g共混，螺杆挤出机上240℃挤出制成复合塑料成品。
制备得到的复合塑料成品的复合性能较差，秸秆纤维母料和聚氯乙烯母料的复合性能不佳，内部结构力较差，界面结合力存在部分破裂。
<测试2>
将实施例5-6和对比例4制备的秸秆纤维复合塑料成品，在万能测力机上测试拉伸强度、剪切强度、弯曲强度，结果如下表所示。
表2测试结果，单位MPa
拉伸强度 剪切强度 弯曲强度
实施例5 24.8 53.6 61.2
实施例6 26.4 53.1 58.3
对比例4 12.7 19.4 18.5
结果显示，未使用马来酸酐改性处理的情况下，秸秆纤维和聚氯乙烯木料的复合性能不佳，明显的界面结合缺陷，使得复合塑料无法达到实施例5-6制备成品性能。

Claims (8)

1.一种植物纤维填充改性复合塑料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）秸秆预处理：收集秸秆，晒干至水分含量低于10%，切断分丝，除尘，筛选并保留秸秆丝片；
（2）碱处理：将切断的秸秆丝片喷洒碱性水溶液，混合均匀，至于密闭容器中，碱处理12-24小时；
所述碱性水溶液是氨水、氢氧化钠、氢氧化钾溶液中的一种；
（3）疏解：将步骤（2）处理好的秸秆丝片加入到疏解液中，加热至20-26℃，搅拌疏解12-24小时；
述疏解液是硝酸-低分子醇溶液，硝酸和低分子醇溶液的体积比为1:5-8；
（4）分离：将疏解后的料液进行固液分离，分离以后的固态物质用清水冲洗干净，烘干，得到秸秆纤维；
（5）秸秆纤维改性：将秸秆纤维搅拌分散开来，喷洒相对于秸秆纤维重量1-2%的马来酸酐氯仿溶液，搅拌分散均匀；喷洒完成后，静置30-60分钟，得到改性秸秆纤维；所述马来酸酐氯仿溶液浓度为2-5wt%；
（6）复合塑料制备：将改性秸秆纤维、增溶剂及抗氧剂共混制成母料，然后与通用塑料共混，螺杆挤出机上挤出制成复合塑料成品。
2.如权利要求1所述植物纤维填充改性复合塑料制备方法，其特征在于，所述碱性水溶液是氨水溶液。
3.如权利要求1所述植物纤维填充改性复合塑料制备方法，其特征在于，步骤（4），采用200-400目筛网进行过滤。
4.如权利要求1所述植物纤维填充改性复合塑料制备方法，其特征在于，先将疏解后的料液加入水或低分子醇进行稀释，然后将料液进行过滤。
5.如权利要求1所述植物纤维填充改性复合塑料制备方法，其特征在于，步骤（4），滤液进行自然沉降，上清液回收作为配制疏解液的原料。
6.如权利要求1所述植物纤维填充改性复合塑料制备方法，其特征在于，步骤（6），抗氧剂添加量为0.1-0.3%。
7.如权利要求1所述植物纤维填充改性复合塑料制备方法，其特征在于，所述通用塑料是PP、PE、PVC母料中的一种。
8.如权利要求1所述植物纤维填充改性复合塑料制备方法，其特征在于，所述改性秸秆纤维和通用塑料的重量份比例为1:2-2:1。
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