CN109749381A

CN109749381A - 一种生物质基母料及其制备方法

Info

Publication number: CN109749381A
Application number: CN201910017090.8A
Authority: CN
Inventors: 陈庆华; 杨裕金; 杨松伟; 曾令兴; 肖荔人; 钱庆荣; 薛珲
Original assignee: Fujian Normal University
Current assignee: Fujian Normal University
Priority date: 2019-01-08
Filing date: 2019-01-08
Publication date: 2019-05-14

Abstract

本发明公开一种生物质基母料及其制备方法，由以下方法制得：(1)将粗植物纤维与氧化钙微波研磨，再加入偶联剂高混包覆；(2)共混粉料与PCL加入连续密炼机中，密炼段预分散2~3 min，再加入PCL‑g‑MHA、生物基树脂密炼2~5 min；(3)密炼完成后，转入单螺杆段挤出造粒。本发明的生物质基母料可完全生物降解，植物纤维填充量高，前端植物纤维处理步骤简单，成本低廉，工艺简单，可大规模生产。

Description

一种生物质基母料及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料领域，具体属于一种生物质基母料及其制备方法。

背景技术

塑料方便了我们生活，同时也带来一系列资源和环境问题。大部分塑料由石油产物制造，一方面消耗着不可再生的石油资源；另一方面难以回收再利用，分散于自然环境中，无法降解。这两方面问题都需要我们认真审视。目前一种可行有效的方法就是用可生物降解塑料来替代石油基塑料。可生物降解材料在一次性用品、包装材料等领域具有广阔的应用前景。但是限于目前生产工艺，成本相对较高，这是限制其大范围应用的因素之一。通过适量粉体填充，可以有效降低成本。

与石粉相比，植物纤维粉具有更低的比重，且增韧增强效果更佳。植物纤维粉与生物可降解树脂进行复合，制成生物质基母料，已成为新发展起来的一项新技术。但植物纤维并没有像无机填料那样得到广泛应用，原因植物纤维中主要成分是纤维素，纤维素中含大量的羟基，这些羟基形成分子间氢键或分子内氢键，使其具有吸水性，吸湿率可达8％~12％，且极性很强；所以与树脂之间的相容性较差，界面的粘结力小。造成在熔融的热塑性塑料中分散效果差、流动性差、挤出成型加工困难等。目前植物纤维与生物基树脂复合材料主要存在植物纤维前期处理繁杂，以及连续生产性差。

植物纤维前期处理繁杂是由于植物纤维除了纤维素还有半纤维素和木质素等物质，木质素是热塑性的物质，木质素在纤维原料里起的是粘结剂的作用，如果不去除的话，纤维原料很难分散，另一方面木质素分解温度低，这为其直接利用增加了难度。

发明内容

基于上述问题，本发明的目的是提供了一种生物质基母料及其制备方法。通过预先利用微波处理植物纤维，破坏植物纤维分子间的氢键，植物纤维结晶区部分转变为无定形区，从而提高植物纤维的可及度并释放纤维素内部水分；利用氧化钙吸收植物纤维中的水分，变成Ca(OH)₂，并提取出部分木质素，增进纤维素的可及度，同时氧化钙在研磨过程中起到磨砂的作用，促进纤维素的分散，生物基树脂以及植物纤维极易吸水，在对其进行二次加工存在加工时温度的升高，水分在高温下迅速汽化成水汽，导致水汽留材料内形成多空及气泡、云纹、裂纹、斑点等问题，添加CaO可有效解决这一问题。利用短流程加工设备——连续密炼机，在密炼过程中对植物纤维高速捏合，提高植物纤维的在基体分散均匀程度可和实现高效率、连续化生产；通过低温预分散，保证植物纤维材料性能稳定，再加相容剂与基体树脂，实现整体良好分散效果，PCL还有利于增加共混材料的韧性；加工过程Ca(OH)₂逐渐转化为稳定的CaCO₃粉体，有利于填补树脂内部的空隙，并充当成核剂作用，有利于减小最终制品的收缩。

本发明工艺简单，通过连续密炼实现分散和连续化生产，解决了现有技术难题。目的在于提供一种绿色环保、性能良好的高植物纤维填充生物可降解复合材料，成本低廉，工艺简单，有利于推广。

为了实现本发明，具体技术方案如下：

一种生物质基母料，由下列的重量百分比的组分制成：

植物纤维 20~40

氧化钙(CaO) 1~5

聚己内酯(PCL) 2~18

聚己内酯接枝马来酸酐(PCL-g-MHA) 1~3

生物基树脂 40~75。

所述的植物纤维选自木粉、竹粉、秸秆、稻谷壳，目数为100~2000目。

所述植物纤维和氧化钙均经偶联剂包覆处理，所述偶联剂选自硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂，添加量为植物纤维或氧化钙质量的0.1~1%。

所述生物基树脂选自聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚丁二酸丁二脂(PCL)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚-β-羟丁酸(PHB)、聚羟基戊酸酯(PHV)、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)或松香树脂。

所述PCL-g-MHA制备步骤：以BPO为引发剂，按照PCL/MAH/BPO=100/5/0.5的比例，采用密炼，转速50 rpm，温度110℃，时间10 min。

一种生物质基母料的制备方法，包含以下步骤：

(1)将适量配比的粗植物纤维与氧化钙微波研磨，再加入偶联剂共混包覆2~3 min，得到共混粉料；

(2)将步骤(1)中得到的共混粉料与适量PCL加入连续密炼机中，密炼段预分散2~3min，再加入PCL-g-MHA、生物基树脂密炼2~5 min；

(3)密炼完成后，转入单螺杆段挤出造粒。

所述粗植物纤维粉目数为4~60目，经过微波研磨后的目数为100~2000目。

所述微波研磨的微波功率为200~800 W，高速共混机转速为1000~2000 rpm。

所述植物纤维与氧化钙质量配比为：100:2~15；所述的共混粉料与PCL质量配比为：100:10~40。

所述的连续密炼机含有两段，一段为密炼段，预分散温度为110~120 ℃，加工温度为160~180 ℃，转速30~100 rpm；二段为单螺杆挤出段，温度为160~180 ℃，转速30~100rpm。

本发明的有益效果在于：（1）制得的生物质基母料所含植物纤维含量高，力学性能良好，可完全生物降解，可用于注塑、吹膜制品；（2）工艺简单，植物纤维的水含量影响小，无需烘干，可有效降低成本；（3）可连续化生产。

具体实施方式

实施例1

一种生物质基母料，其按重量百分比的配方为竹粉40份、氧化钙5份、PCL 10份、PCL-g-MHA 2份、PLA 43份。

制备方法按以下步骤进行：

(1)将2kg PCL、0.1 kg 马来酸酐（MAH）、0.01 kg过氧化二苯甲酰（BPO）投入密炼机中，转速50 rpm，温度110℃，密炼时间10 min，得到PCL-g-MHA；

(2)将40 kg竹粉与5 kg氧化钙微波研磨，微波功率为800 W，共混速度1000 rpm，再加入0.1 kg KH570微波共混包覆3 min，得到共混粉料；

(3)将步骤(12)中得到45 kg共混粉料与10 kgPCL加入连续密炼机中，密炼段预分散2min，温度60℃，转速30 rpm，再加入步骤(1)中得到2 kg PCL-g-MHA、43 kg PLA，温度160℃，转速30 rpm下密炼4 min；

(4)密炼完成后，转入单螺杆段，温度160℃，转速30 rpm，挤出造粒，制得生物质基母料。

实施例2

一种生物质基母料，其按重量百分比的配方为花生壳粉30份、氧化钙1.5份、PCL 13.5份、PCL-g-MHA 2份、PBS 53份。

制备方法按以下步骤进行：

(1)将2kg PCL、0.1 kg MAH、0.01 kg BPO投入密炼机中，转速50 rpm，温度110℃，密炼时间10 min，得到PCL-g-MHA；

(2)将30 kg花生壳粉与1.5 kg氧化钙微波研磨，微波功率为800 W，共混速度1000rpm，再加入0.08 kg KH560微波共混包覆3 min，得到共混粉料；

(3)将步骤(2)中得到31.5 kg共混粉料与13.5 kgPCL加入连续密炼机中，密炼段预分散2 min，温度60℃，转速30 rpm，再加入步骤(1)中得到2 kg PCL-g-MHA、53 kg PBS，温度120℃，转速30 rpm下密炼4 min；

(4)密炼完成后，转入单螺杆段，温度120℃，转速30 rpm，挤出造粒，制得生物质基母料。

实施例3

一种生物质基母料，其按重量百分比的配方为木粉35份、氧化钙5份、PCL 8份、PCL-g-MHA 1.5份、PBAT 50.5份。

制备方法按以下步骤进行：

(2)将35 kg木粉与5 kg氧化钙微波研磨，微波功率为800 W，共混速度1000 rpm，再加入0.1 kg KH550微波共混包覆3 min，得到共混粉料；

(3)将步骤(2)中得到40 kg共混粉料与8 kgPCL加入连续密炼机中，密炼段预分散2min，温度60℃，转速30 rpm，再加入步骤(1)中得到1.5 kgPCL-g-MHA、50.5 kgPBAT，温度130℃，转速30 rpm下密炼4 min；

(4)密炼完成后，转入单螺杆段，温度130℃，转速30 rpm，挤出造粒，制得生物质基母料。

实施例4

一种生物质基母料，其按重量百分比的配方为小麦秸秆粉40份、氧化钙5份、PCL 10份、PCL-g-MHA 2份、PLA 43份。

制备方法按以下步骤进行：

(2)将40 kg小麦秸秆粉与5 kg氧化钙微波研磨，微波功率为600 W，共混速度1000rpm，再加入0.1 kg KH570微波共混包覆3 min，得到共混粉料；

(3)将步骤(2)中得到45 kg共混粉料与10 kgPCL加入连续密炼机中，密炼段预分散3min，温度60℃，转速40 rpm，再加入步骤(1)中得到2 kgPCL-g-MHA、43 kgPLA，温度160℃，转速30 rpm下密炼3 min；

实施例5

一种生物质基母料，其按重量百分比的配方为竹粉40份、氧化钙3份、PCL 15份、PCL-g-MHA 2份、PLA 40份。

制备方法按以下步骤进行：

(2)将40 kg竹粉与3 kg氧化钙微波研磨，微波功率为600 W，共混速度1000 rpm，再加入0.1 kg KH570微波共混包覆3 min，得到共混粉料；

(3)将步骤(2)中得到40 kg共混粉料与15 kgPCL加入连续密炼机中，密炼段预分散3min，温度60℃，转速40 rpm，再加入步骤(1)中得到2 kgPCL-g-MHA、40 kgPLA，温度160℃，转速30 rpm下密炼3 min；

(4)密炼完成后，转入单螺杆段，温度160℃，转速30 rpm，挤出造粒，制得生物质基母料（母料1）。

将竹粉40 kg、氧化钙3 kg与0.1 kg KH570加入高混机中包覆3 min，共混速度2000 rpm，得到表面处理粉体与PCL 15 kg、PCL-g-MHA 2 kg、PLA 40 kg，经双螺杆挤出造粒，制得母料2，料筒温度分别为110 ℃，125 ℃，135 ℃，145 ℃，155 ℃，160 ℃，165 ℃，160 ℃，155 ℃，150 ℃。螺杆转速200 r/min喂料速度20 r/min。

将上述两种方式所得母粒进行注塑，注塑机温度分别为170 ℃，175 ℃，170 ℃。注塑所得样条进行拉伸(GB/T1040.2-2006)和冲击(GB/ T1943-2008)性能测试，所得结果见表1。

表1 生物质基复合材料的性能测试结果

样品	拉伸强度(Mpa)	冲击强度(KJ/m<sup>2</sup>)
			母料1	13.2	12.7
母料2	10.3	10.6

Claims

1.一种生物质基母料，其特征在于：由下列的重量百分比的组分制成：

植物纤维 20~40

氧化钙(CaO) 1~5

聚己内酯(PCL) 2~18

聚己内酯接枝马来酸酐(PCL-g-MHA) 1~3

生物基树脂 40~75。

2.根据权利要求1所述的一种生物质基母料，其特征在于，所述的植物纤维选自木粉、竹粉、秸秆、稻谷壳，目数为100~2000目。

3.根据权利要求1所述的一种生物质基母料，其特征在于，所述植物纤维和氧化钙均经偶联剂包覆处理，所述偶联剂选自硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂，添加量为植物纤维或氧化钙质量的0.1~1%。

4.根据权利要求1所述的一种生物质基母料，其特征在于，所述生物基树脂选自聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚丁二酸丁二脂(PCL)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚-β-羟丁酸(PHB)、聚羟基戊酸酯(PHV)、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)或松香树脂。

5.根据权利要求1所述的一种生物质基母料，其特征在于，所述PCL-g-MHA制备步骤：以BPO为引发剂，按照质量比为PCL/MAH/BPO=100/5/0.5的比例，采用密炼，转速50 rpm，温度110℃，时间10 min。

6.权利要求1-5任一所述的一种生物质基母料的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

(3)密炼完成后，转入单螺杆段挤出造粒。

7.根据权利要求6所述的一种生物质基母料的制备方法，其特征在于，所述粗植物纤维粉目数为4~60目，经过微波研磨后的目数为100~2000目。

8.根据权利要求6所述的一种生物质基母料的制备方法，其特征在于，所述微波研磨的微波功率为200~800 W，高速共混机转速为1000~2000 rpm。

9.根据权利要求6所述的一种生物质基母料的制备方法，其特征在于，所述植物纤维与氧化钙质量配比为：100:2~15；所述的共混粉料与PCL质量配比为：100:10~40。

10.根据权利要求6所述的一种生物质基母料的制备方法，其特征在于，所述的连续密炼机含有两段，一段为密炼段，预分散温度为110~120 ℃，加工温度为160~180 ℃，转速30~100 rpm；二段为单螺杆挤出段，温度为160~180 ℃，转速30~100 rpm。