CN109943089A - 一种杨絮/生物质纤维复合保温材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种杨絮/生物质纤维复合保温材料的制备方法，包括，将杨絮进行脱脂处理得到脱脂杨絮，同时将生物质纤维进行预处理制得帚化纤维溶胶，控制杨絮和帚化纤维的原料质量比为10：1‑4，随后将脱脂杨絮加入稀释后的帚化纤维溶胶中，搅拌均匀制得脱脂杨絮/帚化纤维混合液，排出多余稀释剂后依次经过预冷冻和真空冷冻干燥即得。本发明提供的制备方法可通过改变杨絮和生物质纤维的含量及预冷冻温度，制备具有不同孔隙结构和不同厚度的复合保温材料；所采用的杨絮来源广泛且成本廉价，且生物质纤维经预处理得到的帚化纤维可形成三维网状结构，提高了复合保温材料的保温性能，该方法工艺简单、制备能耗低、成本低，实际应用前景广阔。

Description

一种杨絮/生物质纤维复合保温材料的制备方法

技术领域

本发明属于建筑保温材料技术领域，具体涉及一种杨絮/生物质纤维复合保温材料的制备方法。

背景技术

保温材料是减少建筑能耗和温室气体排放的重要手段，随着全球变暖问题的日益严重，保温材料的应用显得愈发重要。传统保温材料包括聚苯乙烯、聚氨酯、软木、矿物棉、三聚氰胺等；超级保温材料包括真空板、气凝胶、真空玻璃等。

传统保温材料因成本低和制备工艺简单而被大量使用，但是传统保温材料的厚度较厚，增加了建筑结构的复杂性，且环境友好性差，废弃物容易造成环境污染；超级保温材料又因制备工艺复杂，成本高而限制了其在市场的发展。

针对上述问题，寻求环境友好性强、制备成本低、能耗低且来源广泛的原材料至关重要。

杨絮纤维因其具有中空壁薄的结构具有良好的保温性能，与其他高分子材料交联制备具有稳定结构和稳定性能的材料，在保温领域的应用具有潜在价值。

刘娟等人将杨絮纤维附着在聚丙烯长丝表面，通过纺粘法制备出杨絮/聚丙烯非织造保温材料(刘娟，徐正林，曾贝妮等，杨树絮纤维的形貌分析及保暖材料的制备与表征，武汉纺织大学学报，2016，29，3：3-7)，所制得复合织物的保温性能有明显改善，解决了杨絮纤维较短而无法成型问题，可作为絮填材料用于保温领域，但该方法由于手工铺设导致杨絮纤维均匀性差，复合材料力学性能差异大。

公开号为CN107488910 A的中国发明专利公开了一种采用比例为9:6:4的杨絮纤维、聚丙烯晴纤维和棉纤维作为原料制备复合保温材料，混纺纤维大幅度增强了杨絮纤维间的抱合力，并提高了材料保温性能和透气性能，但该方法导致杨絮纤维柔韧性降低，复合材料的重量和密度明显增大。

阴建华等人通过采用湿法成网技术(阴建华，张玉斌，马军，杨树绒毛纤维絮用成形方法研究，棉纺织技术，2014，42，2：75-78)，使杨絮纤维均匀附着在网帘上，并加入低温热熔纤维对复合材料进行加固，所制备的材料具有蓬松、防潮、隔热、回弹性好等优势，可用作户外地垫、大棚保暖等领域，然而，热熔纤维虽能加固杨絮纤维，但会降低复合材料的保温性能。

杨絮不仅对城市清洁度和人体呼吸道造成重大危害，而且其利用率极低，生物质纤维材料因其制备成本高而限制了其发展，因此，如何通过少量简单帚化的生物质纤维对杨絮交联制备杨絮/生物质纤维复合保温材料，有效提高杨絮应用价值，同时降低保温材料制备成本，是本领域急需解决的关键技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种杨絮/生物质纤维复合保温材料的制备方法。

本发明采用如下技术方案：

一种杨絮/生物质纤维复合保温材料的制备方法，包括，将杨絮进行脱脂处理得到脱脂杨絮，同时将生物质纤维进行预处理制得帚化纤维溶胶，控制杨絮和帚化纤维的原料质量比为10：1-4，随后将脱脂杨絮加入帚化纤维溶胶中，搅拌均匀制得脱脂杨絮/帚化纤维混合液，再依次经过预冷冻和真空冷冻干燥后，即得。

在上述技术方案中，所述脱脂处理包括，采用碱液在加热条件下与杨絮混合发生脱脂反应后，随后加入酸液中和反应，再洗涤至中性。

进一步地，在上述技术方案中，所述碱液为浓度为1-5wt％的氢氧化钠溶液。

进一步地，在上述技术方案中，所述脱脂反应的反应温度和反应时间分别为80-95℃和30-60min。

进一步地，在上述技术方案中，所述弱酸液为浓度为0.8-1.2wt％的盐酸溶液。

进一步地，在上述技术方案中，所述中和反应的反应温度和反应时间分别为80-90℃和30-45min。

在上述技术方案中，所述预处理包括，依次对生物质纤维进行粉碎过筛、化学精制处理和机械处理，所述生物质纤维为棉、麻、竹、木等天然原生纤维和竹浆、木浆、麻浆等生物质再生纤维中的一种或多种，优选为棉、麻、软质木纤维和竹材薄壁细胞中的一种。

进一步地，在上述技术方案中，所述化学精制处理包括杂质抽提处理和纤维素纯化处理。

再进一步地，在上述技术方案中，所述杂质抽提处理具体为，采用体积比为1.8-2.4：1的苯和乙醇的混合溶液，抽提5-8h。

再进一步地，在上述技术方案中，所述纤维素纯化处理具体为，首先采用pH值为2-4的1-3wt％的酸化亚氯酸钠溶液在70-88℃下处理5-8h脱除木质素，再采用2-5wt％的氢氧化钠溶液在80-95℃下处理2-4h脱除半纤维素，同时，在脱除木质素过程中，间隔55-65min更换相同浓度的酸化亚氯酸钠溶液一次。

进一步地，在上述技术方案中，所述机械处理为高压均质处理、高频超声处理和超细研磨处理中的一种，优选为高压均质处理或高频超声处理。

具体地，在实际操作中，硬质纤维利用高频超声处理30-60min，高压均质循环5-10次为宜；软质纤维利用高频超声处理10-20分钟，高压均质循环2-5次为宜

详细地，高频超声的相关参数如下：额定功率为1800W，输出功率20％-30％，超声频率19.5-20.5kHz，工作5秒，停歇5秒；高压均质的相关参数为：工作压力介于300-1500Bar，均质腔的直径介于80-200μm。

在上述技术方案中，所述杨絮/生物质纤维复合保温材料的制备方法还包括，在将脱脂杨絮加入帚化纤维溶胶前，加入稀释剂将帚化纤维溶胶进行稀释，以及在进行预冷冻处理前，排出脱脂杨絮/帚化纤维混合液中的多余稀释剂。

优选地，在上述技术方案中，所述帚化纤维溶胶的稀释采用水性稀释剂，稀释倍数为2.5-4倍。

在脱脂杨絮/帚化纤维混合液中的多余稀释剂的排出过程中，其排出量由杨絮/生物质纤维复合保温材料的厚度需求决定，排出量体积＝混合液总体积-(需求厚度×样品仓横截面积)。

在上述技术方案中，所述预冷冻的冷冻温度和冷冻时间分别为-180℃～-15℃和5-25min。

所述预冷冻可使用普通冰箱、低温冰箱、液氮或其他降温方法实现，预冷冻温度可根据产品目标孔径选择，预冷冻温度越低，产品孔径越小。

在上述技术方案中，所述真空冷冻干燥的温度为-100℃～-70℃，时间为48-96h，真空度小于0.01Torr。

根据本发明的另一方面还提供了上述制备方法制备得到的杨絮/生物质纤维复合保温材料。

本发明的优点：

(1)本发明提供了一种以杨絮和生物质纤维为原料制备新型保温材料的制备方法；

(2)本发明所提供的杨絮/生物质纤维复合保温材料的制备方法可通过改变杨絮含量、生物质纤维的含量和预冷冻温度，制备具有不同孔隙结构和不同厚度的复合保温材料，从而实现调控复合保温材料的保温性能的目的，以满足不同保温性能需求的多领域中的应用；

(3)本发明所提供的杨絮/生物质纤维复合保温材料的制备方法所使用的杨絮原料的来源广泛，且成本廉价，可有效降低复合保温材料的制备成本，同时，生物质纤维经预处理得到的帚化纤维可形成三维网状结构，从而大幅提高了复合保温材料的保温性能，且仅需少量帚化纤维，即可制备出质量轻、密度低且结构稳定的杨絮/生物质纤维复合保温材料，该制备方法工艺简单、制备能耗低、成本低，实际应用前景广阔。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

以下实施例仅用于进一步说明本发明的内容，不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。

若未特别指明，本发明实施例中所用的实验试剂和材料等均可市售获得。

若未具体指明，本发明实施例中所用的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。

实施例1

本发明实施例提供了一种杨絮/竹材薄壁细胞源微纤化纤维素复合保温材料的制备方法。

1、原材料：杨絮纤维，竹材薄壁细胞。

2、具体工艺步骤如下：

S1、将竹材经过粉碎处理后筛分，收集通过标准30-60目筛网的物料，加入物料20倍体积的去离子水搅拌并静置，收集上层漂浮物即为薄壁细胞；

S2、称取10g薄壁细胞加入到苯乙醇溶液(体积比2:1)中抽提6小时，并收集沉淀部分，将薄壁细胞加入到1wt％的酸化亚氯酸钠溶液中(pH值2-4)在75℃条件下反应6小时，其中，每隔1小时换一次具有相同浓度的酸化亚氯酸钠，之后分别用2wt％和5wt％的氢氧化钾溶液将薄壁细胞在90℃条件下各处理2小时，最后用1wt％的盐酸溶液，在80℃条件下中和2小时，并用去离子水洗涤至中性；

S3、将所得的薄壁细胞分散到去离子水中配置成浓度0.5wt％的悬浮液；将悬浮液加入M-110EH-30高压均质机中(高压均质机参数：工作压力1500Bar，均质腔为200μm和87μm)，循环5次，即制得微纤化纤维素溶胶；

S4、称取5g杨絮用去离子水清洗，将杨絮于2wt％的氢氧化钠溶液80℃下反应0.5小时，于1wt％盐酸溶液80℃下中和0.5小时，并用去离子水洗涤至中性，取400ml去离子水加入200ml微纤化纤维素溶胶中稀释，将杨絮加入微纤化纤维素溶胶中形成杨絮/微纤化纤维素混合液，并搅拌使杨絮纤维分散均匀；

S5、将杨絮/微纤化纤维素混合液加入压滤系统的样品仓中，开启气泵，排出多余稀释剂，得到杨絮/微纤化纤维素复合毡，其中过滤系统样品仓内径124mm；

S6、将制得的杨絮/微纤化纤维素混合液放入模具中，置入液氮中持续冷冻10分钟，再将杨絮/微纤化纤维素混合液放入LABCONCO free zone真空冷冻干燥机中，在-85℃、0.003Torr条件下干燥72小时，即制得杨絮/竹材薄壁细胞源微纤化纤维素复合保温材料。

对所制备的样品进行力学性能测试，由于杨絮蓬松柔软的特性，所制备的样品韧性好，压缩回弹率高达82％；此外，得益于杨絮中空结构与帚化纤维形成的多孔网状结构，所制备得到的厚度1cm样品的热导率低于0.04W/m·k。

实施例2

本发明实施例提供了一种杨絮/竹材纤维源微纤化纤维素复合保温材料的制备方法。

1、原材料：杨絮纤维，竹材纤维。

2、具体工艺步骤如下：

S1、将竹材经过粉碎处理后进行筛分，收集通过标准30-60目筛网的物料，加入物料体积20倍去离子水搅拌并静置，收集下层沉淀物即为纤维；

S2、称取10g薄壁细胞加入到苯乙醇溶液(体积比2:1)中抽提6小时，并收集沉淀部分，将薄壁细胞加入到1wt％的酸化亚氯酸钠溶液中(pH值2-4)在75℃条件下反应8小时，其中，每隔1小时换一次具有相同浓度的酸化亚氯酸钠，之后分别利用2wt％和5wt％的氢氧化钾溶液将处理后的薄壁细胞，在90℃条件下各处理2小时，最后加入1wt％的盐酸溶液中，在80℃条件下中和2小时，并用去离子水洗涤至中性；

S3、将所得的纤维分散到去离子水中配置成浓0.5wt％的悬浮液，将悬浮液加入JY99-IIND细胞破碎仪中超声20分钟，随后加入M-110EH-30高压均质机中(高压均质机参数：1500Bar，均质腔为200μm和87μm)，循环10次制得微纤化纤维素；

S4、称取5g杨絮用去离子水清洗，将洗净的杨絮加入2wt％的氢氧化钠溶液中，在80℃条件下反应0.5小时，1wt％的盐酸溶液在80℃条件下中和，并用去离子水洗涤至中性，取400ml去离子水加入200ml微纤化纤维素溶胶中稀释，将杨絮加入微纤化纤维素中形成杨絮/微纤化纤维素混合液，并搅拌使杨絮纤维分散均匀；

S5、将杨絮/微纤化纤维素混合液加入压滤系统的样品仓中，开启气泵，排出多余稀释剂，得到杨絮/微纤化纤维素复合毡，其中过滤系统样品仓内径124mm；

S6、将制得的杨絮/微纤化纤维素混合液放入模具中，置入液氮中持续冷冻10分钟，再将杨絮/微纤化纤维素混合液放入LABCONCO free zone真空冷冻干燥机中，在-85℃、0.003Torr条件下干燥72小时，即制得杨絮/竹材纤维源微纤化纤维素复合保温材料。

对所制备的样品进行力学性能测试，由于杨絮蓬松柔软的特性，所制备的样品韧性好，压缩回弹率高达84％；此外，得益于杨絮中空结构与帚化纤维形成的多孔网状结构，所制备得到的厚度1cm样品的热导率低于0.04W/m·k。

实施例3

本发明实施例提供了一种杨絮/竹材薄壁细胞源微纤化纤维素复合保温材料的制备方法。

1、原材料：杨絮纤维，竹材薄壁细胞。

2、具体工艺步骤如下：

S1、将竹材经过粉碎处理后进行筛分，收集通过标准30-60目筛网的物料，加入物料20倍体积的去离子水搅拌并静置，收集上层漂浮物即为薄壁细胞；

S2、称取10g薄壁细胞加入到苯乙醇溶液(体积比2:1)中抽提6小时，并收集沉淀部分，将薄壁细胞加入到1wt％的酸化亚氯酸钠溶液中(pH值2-4)在75℃条件下反应6小时，其中，每隔1小时换一次具有相同浓度的酸化亚氯酸钠，之后分别利用2wt％和5wt％的氢氧化钾溶液将处理后的薄壁细胞，在90℃条件下各处理2小时，最后，将薄壁细胞加入1wt％的盐酸溶液中，在80℃条件下中和2小时，并用去离子水洗涤至中性，将所得的薄壁细胞分散到去离子水中配置成浓度0.5wt％的悬浮液，将配制好的悬浮液JY99-IIND高频超声20分钟(超声参数：额定功率1200W，输出功率30％，超声频率20Hz，工作时间5s，间歇时间5s)；超声结束后，所得溶胶即为微纤化纤维素；

S3、称取5g杨絮用去离子水清洗，将洗净的杨絮加入2wt％的氢氧化钠溶液中，在80℃条件下反应0.5小时，后用1wt％的盐酸溶液在80℃条件下中和0.5小时，并用去离子水洗涤至中性，取400ml去离子水加入200ml微纤化纤维素溶胶中稀释，将杨絮加入微纤化纤维素中形成杨絮/微纤化纤维素混合液，并搅拌使杨絮分散均匀；

S4、将杨絮/微纤化纤维素混合液加入压滤系统的样品仓中，开启气泵，排出多余稀释剂，得到杨絮/微纤化纤维素复合毡，其中过滤系统样品仓内径124mm；

S5、将制得的杨絮/微纤化纤维素混合液放入模具中，置入液氮中持续冷冻10分钟；再将杨絮/微纤化纤维素混合液放入LABCONCO free zone真空冷冻干燥机中，在-85℃、0.003Torr条件下干燥72小时，即制得杨絮/竹材薄壁细胞源微纤化纤维素复合保温材料。

对所制备的样品进行力学性能测试，由于杨絮蓬松柔软的特性，所制备的样品韧性好，压缩回弹率高达83.5％；此外，得益于杨絮中空结构与帚化纤维形成的多孔网状结构，所制备得到的厚度1cm样品的热导率低于0.04W/m·k。

本发明实施例提供了一种以杨絮和生物质纤维为原料制备新型保温材料的制备方法，可通过改变杨絮含量、生物质纤维的含量和预冷冻温度，制备具有不同孔隙结构和不同厚度的复合保温材料，从而实现调控复合保温材料的保温性能的目的，以满足不同保温性能需求的多领域中的应用；所采用的杨絮原料的来源广泛，且成本廉价，可有效降低复合保温材料的制备成本，同时，生物质纤维经预处理得到的帚化纤维可形成三维网状结构，从而大幅提高了复合保温材料的保温性能，且仅需少量帚化纤维，即可制备出质量轻、密度低且结构稳定的杨絮/生物质纤维复合保温材料，该制备方法工艺简单、制备能耗低、成本低，实际应用前景广阔。

最后，以上仅为本发明的较佳实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，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。

Claims (10)

1.一种杨絮/生物质纤维复合保温材料的制备方法，其特征在于，包括，将杨絮进行脱脂处理得到脱脂杨絮，同时将生物质纤维进行预处理制得帚化纤维溶胶，控制杨絮和帚化纤维的原料质量比为10：1-4，随后将脱脂杨絮加入帚化纤维溶胶中，搅拌均匀制得脱脂杨絮/帚化纤维混合液，再依次经过预冷冻和真空冷冻干燥后，即得。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述脱脂处理包括，采用碱液在加热条件下与杨絮混合发生脱脂反应后，随后加入酸液中和反应，再洗涤至中性。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，

所述碱液为浓度为1-5wt％的氢氧化钠溶液；

和/或，所述脱脂反应的反应温度和反应时间分别为80-95℃和30-60min；

和/或，所述酸液为浓度为0.8-1.2wt％的盐酸溶液；

和/或，所述中和反应的反应温度和反应时间分别为80-90℃和30-45min。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述预处理包括，依次对生物质纤维进行粉碎过筛、化学精制处理和机械处理，所述生物质纤维为棉、麻、竹、木等天然原生纤维和竹浆、木浆、麻浆等生物质再生纤维中的一种或多种，优选为棉、麻、软质木纤维和竹材薄壁细胞中的一种。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述化学精制处理包括杂质抽提处理和纤维素纯化处理。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，

所述杂质抽提处理具体为，采用体积比为1.8-2.4：1的苯和乙醇的混合溶液，抽提5-8h；

和/或，所述纤维素纯化处理具体为，首先采用pH值为2-4的1-3wt％的酸化亚氯酸钠溶液在70-88℃下处理5-8h脱除木质素，再采用2-5wt％的氢氧化钠溶液在80-95℃下处理2-4h脱除半纤维素，同时，在脱除木质素过程中，间隔55-65min更换相同浓度的酸化亚氯酸钠溶液一次。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述机械处理为高压均质处理、高频超声处理和超细研磨处理中的一种，优选为高压均质处理或高频超声处理。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括在将脱脂杨絮加入帚化纤维溶胶前，加入稀释剂将帚化纤维溶胶进行稀释，以及在进行预冷冻处理前，排出脱脂杨絮/帚化纤维混合液中的多余稀释剂；

优选地，所述帚化纤维溶胶的稀释采用水性稀释剂，稀释倍数为2.5-4倍。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

所述预冷冻的冷冻温度和冷冻时间分别为-180℃～-15℃和5-25min；

和/或，所述真空冷冻干燥的温度为-100℃～-70℃，时间为48-96h，真空度小于0.01Torr。

10.根据权利要求1-9任一项所述的制备方法制备得到的杨絮/生物质纤维复合保温材料。