CN109401021B - 一种离子液体改性的生物基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种离子液体改性的生物基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种离子液体改性的高性能生物基复合材料，它是由下述重量份的原料组成的：高分子树脂50‑100份，生物质粉末0‑30份，碳酸钙0‑50份，助剂1‑10份，离子液体0.5‑5份。本发明所述离子液体的引入和改性能有效改善生物质与高分子树脂的界面相容性，提升复合材料性能。本发明所述离子液体改性的生物基复合材料制造成本低，制备方法简单，配方合理，各原料间相容性好，配方所制得的生物基复合材料薄膜机械强度高，拉伸性能好，可降解，应用范围广，是一种绿色环保复合材料新产品。

Description

一种离子液体改性的生物基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高性能离子液体改性生物基复合材料及其制备方法。属于天然高分子复合材料合成领域。
背景技术
目前，随着人们生活水平的提高，为了追求便捷，一次性塑料袋、一次性餐具、食品包装袋等塑料制品的大量使用给环境带来了严重的影响，白色污染日益加重。为了解决这一问题，除了国家所出台政策限制塑料制品的使用外，可降解的生物基塑料制品被开发使用。近年来，天然植物纤维复合材料已成为复合材料领域中研究的热点之一，天然植物纤维具有价廉质轻，比强度和比刚度高等优良特性，可自然降解，是制备环境友好和可自然降解绿色复合材料重要的原材料。天然植物纤维如木粉、秸杆粉、稻壳粉等能和热塑性或热固性塑料制备木塑复合材料，用于日用包装塑料。这种生物基复合材料的使用能有助于减少塑料的“白色污染”，也有助于减轻农业废弃物不合理应用对环境带来的影响，对资源开发利用和环境保护具有重要意义。
然而，生物质因其固有的极性和亲水性，很难与非极性疏水的高分子树脂相容，使得生物质替代量较低，相容性差导致生物基复合材料机械性能和力学性能差。因此，如何能够简单高效的促进生物质与高分子树脂之间的界面相容性是非常重要。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中生物质与高分子树脂界面相容性差的缺陷和不足，提供一种离子液体改性生物基复合材料及其制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种离子液体改性的生物基复合材料，其特征在于，它是由下述重量份的原料组成的：高分子树脂50-100份，生物质粉末0-30份，碳酸钙0-50份，助剂1-10份，离子液体0.5-5份。
本发明所述的离子液体为胆碱类离子液体、烷基季铵类离子液体和烷基季膦类离子液体中的一种或两种以上的混合。
本发明所述的离子液体优选为胆碱类离子液体，结构式如下所示：
Figure BDA0001858345730000021
其中：R为选自C2-C20的烷基和C2-C20的烯基的任意一种。
本发明所述的高分子树脂包括低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯中的任意一种或两种以上的混合。
本发明所述的助剂包括硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂、硬脂酸锌、PE蜡、石蜡、环氧大豆油、钛白粉、马来酸酐中的一种或两种以上的混合。
本发明所述的助剂如下重量份数的组分中的任意一种或两种以上的混合：包括硅烷偶联剂1-5份、铝酸酯偶联剂1-5份、硬脂酸锌0.5-5份、PE蜡0.5-5份、石蜡1-5份、环氧大豆油0.5-5份、钛白粉1-3份、马来酸酐0.5-2份。
本发明所述的离子液体改性的生物基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：按重量配方比例，向高混机内加入生物质粉末、碳酸钙和离子液体，升温至75-95℃，充分混炼10min；接着向高混机内加入高分子树脂和助剂，继续混炼10min，出料得到离子液体改性的生物基复合材料预混料；
第二步：将第一步所述的生物基复合材料预混料加入双螺杆挤出机中，在160-195℃下充分塑化，挤出造粒，形成粒料。
第三步：将第二步所述的粒料通过流延膜机流延成膜，得到膜材料，膜厚度为0.04-0.2mm。
本发明所述的双螺杆挤出机设有第一区至第六区以及机头区，所述的流延膜机设有第一区至第四区以及机头区。
本发明所述的挤出造粒在100-185℃条件下完成的，其中所述第一区至第六区以及机头区的温度分别为：第一区100℃、第二区130℃、第三区160℃、第四区170℃、第五区185℃、第六区175℃、机头区175℃。
本发明所述的流延成膜在100-175℃条件下完成的，其中所述第一区至第四区以及模头区的温度分别为：第一区100℃、第二区150℃、第三区175℃、第四区175℃、模头区175℃。
本发明的颗粒状的生物基复合材料适合于经过注射、吹塑成型后制造各种形状的一次性餐具制品、片材材料、塑料袋。本发明的生物基复合材料薄膜可用于食品包装袋、各种包装材料，该材料强度高、降解速度快、对环境污染小。
本发明具有以下突出的实质性特点和显著的进步：
1.本发明所制得的生物基膜材料，拉伸强度在7MPa以上，断裂伸长率大于200％，满足包装材料的使用要求，且使用寿命长；
2.本发明中离子液体的引入，能够有效改善生物质与高分子树脂之间的界面相容性，其原理是一方面离子液体的氢键作用促使其与生物质表面的羟基产生化学键合，降低生物质表面极性，另一方面离子液体在一定程度上可对生物质界面溶解，增加其可塑性，进而促进生物质与高分子树脂的相容性，提升材料的性能；
3.本发明采用的离子液体为无毒无害的胆碱类离子液体，所制得的生物基复合材料产品安全无害，适用于生产日用一次性餐具及塑料包装制品；
4.本发明采用的离子液体制备方法简单，价格低廉；
5.本发明的生物质粉末为农林废弃物秸秆、稻壳、木屑、豆粕等，能够实现废弃生物质的资源化利用，减少了不可降解塑料的使用，减缓能源危机；
6.本发明的生物基复合材料具有生物质本身气味，其气味持久，芳香怡人。
具体实施方式
以下通过实施例对发明的原理和特征进行描述，应指出，所举实施例仅是为了举例解释本发明，在任何方面都不构成对本发明范围的限制。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。以下实施例中使用的原料和设备如非特别说明均为市售。
实施例1
本实施例提供了一种制备离子液体改性的生物基复合材料的方法，所需原料质量份数为：稻壳20份、高分子树脂70份，碳酸钙10份、油酸胆碱1.5份以及助剂4.5份。其中高分子树脂为低密度聚乙烯、聚丙烯和线性低密度聚乙烯按重量比3:3:1所形成的混合物，助剂为硬脂酸锌、钛白粉和环氧大豆油按重量比4:4:1所形成的混合物。
具体生产工艺如下：
1.按重量配方比例，向高混机内加入稻壳粉末、碳酸钙和油酸胆碱，升温至75-95℃，充分混炼10min；接着向高混机内加入高分子树脂和助剂，继续混炼10min，出料得到离子液体改性的生物基复合材料预混料；
2.将上述所得的生物基复合材料预混料加入双螺杆挤出机中，在160-195℃下充分塑化，挤出造粒，形成粒料。其中所述的挤出造粒在100-185℃条件下完成的，挤出机第一区至第六区以及机头区的温度分别为：第一区100℃、第二区130℃、第三区160℃、第四区170℃、第五区185℃、第六区175℃、机头区175℃。
3.将通过双螺杆得到的粒料通过流延膜机流延成膜，得到膜材料，膜厚度为0.04-0.2mm。其中所述的流延成膜在100-175℃条件下完成的，其中所述第一区至第四区以及模头区的温度分别为：第一区100℃、第二区150℃、第三区175℃、第四区175℃、模头区175℃。
实施例2
本实施例提供了一种制备离子液体改性的生物基复合材料的方法，所需原料质量份数为：稻壳20份、高分子树脂70份，碳酸钙10份、硬脂酸胆碱1.5份以及助剂4.5份。其中高分子树脂为低密度聚乙烯、聚丙烯和线性低密度聚乙烯按重量比3:3:1所形成的混合物，助剂为硬脂酸锌、钛白粉和环氧大豆油按重量比4:4:1所形成的混合物。
其具体生产工艺同实施例1，此处不再赘述。
实施例3
本实施例提供了一种制备离子液体改性的生物基复合材料的方法，所需原料质量份数为：稻壳10份、高分子树脂70份，碳酸钙20份、油酸胆碱1.5份以及助剂6.5份。其中高分子树脂为低密度聚乙烯和线性低密度聚乙烯按重量比6:1所形成的混合物，助剂为硬脂酸锌、钛白粉、环氧大豆油和石蜡按重量比2:2:0.5:2所形成的混合物。
其具体生产工艺同实施例1，此处不再赘述。
实施例4
本实施例提供了一种制备离子液体改性的生物基复合材料的方法，所需原料质量份数为：稻壳20份、高分子树脂70份，碳酸钙13份、硬脂酸胆碱1.3份以及助剂7.3份。其中高分子树脂为低密度聚乙烯和线性低密度聚乙烯按重量比6:1所形成的混合物，助剂为PE蜡、钛白粉和环氧大豆油按重量比2:2:3.3所形成的混合物。
其具体生产工艺同实施例1，此处不再赘述。
实施例5
本实施例提供了一种制备离子液体改性的生物基复合材料的方法，所需原料质量份数为：木屑20份、高分子树脂70份，碳酸钙10份、油酸胆碱1.5份以及助剂4份。其中高分子树脂为低密度聚乙烯和线性低密度聚乙烯按重量比5:2所形成的混合物，助剂为硬脂酸锌、硅烷偶联剂和环氧大豆油按重量比4:3:1所形成的混合物。
其具体生产工艺同实施例1，此处不再赘述。
以上所述实施例1-5仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明所制得的离子液体改性的生物基复合材料薄膜，拉伸强度在7MPa以上，断裂伸长率大于200％，性能均优于未采用离子液体改性的生物基膜材。

Claims (6)

1.一种离子液体改性的生物基复合材料，其特征在于，它是由下述重量份的原料组成的：高分子树脂50-100份，生物质粉末10-30份，碳酸钙0-50份，助剂1-10份，胆碱类离子液体0.5-5份，所述的胆碱类离子液体结构式如下所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中：R为选自C2-C20的烷基和C2-C20的烯基的任意一种；
所述高分子树脂包括低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯中的任意一种或两种以上的混合；
所述助剂为硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂、硬脂酸锌、PE蜡、石蜡、环氧大豆油、钛白粉、马来酸酐中的一种或两种以上的混合。
2.根据权利要求1所述的离子液体改性的生物基复合材料，其特征在于，所述助剂为如下重量份数的组分中的任意一种或两种以上的混合：硅烷偶联剂1-5份、铝酸酯偶联剂1-5份、硬脂酸锌0.5-5份、PE蜡0.5-5份、石蜡1-5份、环氧大豆油0.5-5份、钛白粉1-3份、马来酸酐0.5-2份。
3.一种如权利要求1所述的离子液体改性的生物基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：按重量配方比例，向高混机内加入生物质粉末、碳酸钙和胆碱类离子液体，升温至75-95 ℃，充分混炼10 min；接着向高混机内加入高分子树脂和助剂，继续混炼10min，出料得到离子液体改性的生物基复合材料预混料；
第二步：将第一步所述的生物基复合材料预混料加入双螺杆挤出机中，在160-195 ℃下充分塑化，挤出造粒，形成粒料；
第三步：将第二步所述的粒料通过流延膜机流延成膜，得到膜材料，膜厚度为0.04-0.2mm。
4.根据权利要求3所述的离子液体改性的生物基复合材料的制备方法，其特征在于，所述双螺杆挤出机设有第一区至第六区以及机头区，所述流延膜机设有第一区至第四区以及机头区。
5.根据权利要求4所述的离子液体改性的生物基复合材料的制备方法，其特征在于，所述挤出造粒在100-185 ℃条件下完成的，其中所述第一区至第六区以及机头区的温度分别为：第一区100 ℃、第二区130 ℃、第三区160 ℃、第四区170 ℃、第五区185 ℃、第六区175℃、机头区175 ℃。
6.根据权利要求4所述的离子液体改性的生物基复合材料的制备方法，其特征在于，所述流延成膜在100-175℃条件下完成的，其中所述第一区至第四区以及机头区的温度分别为：第一区100 ℃、第二区150 ℃、第三区175 ℃、第四区175 ℃、机头区175 ℃。
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"阴离子结构对胆碱类离子液体预处理水稻秸秆的影响";徐杰;《中国优秀硕士学位论文全文数据库农业科技辑》;20140531;D045-11 *

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