CN110128842A - 一种界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料的制备方法 - Google Patents
一种界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料的制备方法，包括以下步骤：将稻壳磨成80‑200目的粉末，用氢氧化钠溶液碱处理后干燥备用；按重量分数计，将干燥后的稻壳粉、聚乳酸、硅烷偶联剂等原料按60：40：4‑6的比例注入双螺旋挤出机，由螺杆挤出得到界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料。该方法简单且原料易得，易于实现大规模生产。该方法简单，易于实现大规模生产，经本发明提供的制备方法获得的稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料，具有坚硬、高密度、无毒、环保等特性，且具有良好的韧性，牢固度和耐老化性，结束使用后能够自行降解成为有机肥料。
Description
技术领域
本发明涉及化工材料领域。具体涉及一种界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料的制备方法。
背景技术
塑料和我们的生活息息相关，是使用最广泛的人工合成材料。传统的塑料多以聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等热塑性树脂材料为主，这类材料原料产量大、价格低廉、易于加工。但是，树脂塑料在使用完成后极难自然降解，人工处理的成本很高，处理过程中容易产生毒气影响人们的健康生活。随着全球人口的膨胀和环境压力的增长，开发可降解的塑料产品迫在眉睫。在这一背景下，生物基复合材料日益受到重视，其复合工艺对充分利用农林废弃物、提高资源利用率，减轻环境压力和提高生产效益等都具有重要意义。可降解生物基复合材料选用聚乳酸等环保塑料作为基材，材料在使用完成后不会产生二次污染，已在汽车、室内装饰、城市景观等多个领域得到了应用。
聚乳酸是一种无毒、无刺激性、生物相容性良好的合成高分子材料，其原料是乳酸，主要由淀粉(如玉米、小麦、大豆)发酵制备，也可以以纤维素、厨房垃圾或鱼体废料为原料获取。可替代传统的石油化工产品。但聚乳酸价格昂贵，如果直接进行加工利用难以满足大众的需求。如果将聚乳酸和其他生物质材料共混改性，就可以降低使用成本，同时也可以形成交联网络结构，提高产品的使用寿命。稻壳作为稻谷加工剩余物，是一种来源广、成本低的可再生资源。本发明拟将稻壳纤维与聚乳酸复合制成RH/PLA复合材料，从而达到充分利用自然资源，改进聚乳酸的综合性能，降低生产成本的目的。
然而，聚乳酸为非极性线性聚高分子，而稻壳粉中的木质素和纤维素具有强极性，二者的界面相容性差。聚乳酸为硬而脆的疏水性材料，其制品的结晶度低，不易成膜，一般呈非晶态，造成聚乳酸材料的耐热性和力学性能较差。此外，稻壳粉表面有一层以二氧化硅为主要成分的覆盖膜，二氧化硅会阻碍聚乳酸对纤维的渗透，影响二者之间的界面结合。因此，提高聚乳酸和稻壳粉之间的界面相容性是制备性能优异的木塑复合材料、扩大应用范围的关键。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料的制备方法，该制备方法简单，可实现大规模生产；
本发明还有一个目的是提供一种界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料，其具有良好的耐水性；
本发明还有一个目的是提供一种界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料，在结束使用后可完全生物降解。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将稻壳磨成80-200目的粉末，用氢氧化钠溶液碱处理后干燥备用；
步骤二、按重量分数计，将干燥后的稻壳粉、聚乳酸、硅烷偶联剂等原料按60：40：4-6的比例注入双螺旋挤出机，由螺杆挤出得到界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料。
优选的是，其中，所述步骤一中，稻壳粉处理的具体方法为：
将稻壳用清水洗涤1～2遍，除去固体杂质及灰尘，风干后用万能粉碎机碾磨粉碎至80目～200目。
优选的是，其中，所述步骤一中，氢氧化钠溶液碱处理的具体方法为：
按重量份数计，将浓度为5％的氢氧化钠溶液与稻壳粉按照5：1的比例混合均匀，密封后在常温下静置反应48h。48h后滴加浓度为5％的乙酸溶液直至PH值呈中性，用清水洗净，在103±2℃的温度下烘干24h，其含水率控制在2％左右。
优选的是，其中，所述步骤二中，按重量分数计，控制稻壳粉为40份，硅烷偶联剂KH550为4份，将4份KH550与无水乙醇以1：2的质量比混合后均匀喷洒在稻壳粉表面，在80℃～85℃下干燥1h，使乙醇完全挥发。
优选的是，其中，所述步骤二中，按重量分数计，控制稻壳粉为40份，硅烷偶联剂KH550为4.5份，将4.5份KH550与无水乙醇以1：2的质量比混合后均匀喷洒在稻壳粉表面，在80℃～85℃下干燥1h，使乙醇完全挥发。
优选的是，其中，所述步骤二中，按重量分数计，控制稻壳粉为40份，硅烷偶联剂KH550为5份，将5份KH550与无水乙醇以1：2的质量比混合后均匀喷洒在稻壳粉表面，在80℃～85℃下干燥1h，使乙醇完全挥发。
优选的是，其中，所述步骤二中，按重量分数计，控制稻壳粉为40份，硅烷偶联剂KH550为5.5份，将5.5份KH550与无水乙醇以1：2的质量比混合后均匀喷洒在稻壳粉表面，在80℃～85℃下干燥1h，使乙醇完全挥发。
优选的是，其中，所述步骤二中，按重量分数计，控制稻壳粉为40份，硅烷偶联剂KH550为6份，将6份KH550与无水乙醇以1：2的质量比混合后均匀喷洒在稻壳粉表面，在80℃～85℃下干燥1h，使乙醇完全挥发。
优选的是，其中，所述步骤二中，混料前，控制聚乳酸在50℃～60℃下干燥12h。
优选的是，其中，所述步骤二中，按质量分数计，控制聚乳酸为60份，加入经4～6份KH550处理后的稻壳粉、2份润滑剂、1份纳米TiO2、14份纳米CaCO3。将处理后的稻壳粉、聚乳酸和所选助剂加入混料机，在常温下搅拌5～10分钟。。
优选的是，其中，所述步骤二中，将混合的物料在180℃下熔融共混挤出。挤出物料冷却、裁切，即可得到界面改性稻壳粉/聚乳酸复合材料。
应用所述的界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料的制备方法制得的界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料。
所述的界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料的应用。
一种所述的界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将混合后的物料加入到双螺杆挤出机料筒中进行挤出造粒，双螺杆挤出机料筒温度为180℃。将基础材料风干冷却后使用碎料机碎料，得到粒状试样。
步骤二、用热压机对粒状试样进行压板，热压工艺如表1所示。热压结束后，使用冷压机进行冷却，冷压工艺为4Mpa，时间为5min。取出即可得到生物可降解稻壳粉/聚乳酸复合板材。
表1热压工艺表
本发明至少包括以下有益效果：
1.稻壳作为原材料，来源广、成本低，提高了它的副产品价值。而聚乳酸以地球上不断再生的玉米等为原料，原料来源充分，具有良好的物理力学性能。
2.综合了稻壳粉和聚乳酸的优势，本发明的产品具有良好的耐水性，还具有坚硬、高密度、光滑、无毒等特性，可用于汽车制造、室内装饰、城市景观等多个领域，在结束使用后可自行降解为有机肥料，减轻环境的压力。
3.本发明用硅烷偶联剂KH550改善稻壳粉和聚乳酸之间的界面相容性，通过调控物料比、反应时间、温度等实验参数，控制稻壳粉和聚乳酸之间的交联程度，从而使制成的材料具有良好的力学性能和耐老化性。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所述的界面改性稻壳粉/聚乳酸复合材料的SEM微观构造照片；
图2为本发明所述的界面改性稻壳粉/聚乳酸复合材料的TGA图谱。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行具体描述，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，以下仅为本发明的优选实施例，不能因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接、间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
本发明提供了一种界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将稻壳磨成80-200目的粉末，用氢氧化钠溶液碱处理后干燥备用；
步骤二、按重量分数计，将干燥后的稻壳粉、聚乳酸、硅烷偶联剂等原料按60：40：4-6的比例注入双螺旋挤出机，由螺杆挤出得到界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料。
一个优选方案中，所述步骤一中，稻壳粉处理的具体方法为：
将稻壳用清水洗涤1～2遍，除去固体杂质及灰尘，风干后用万能粉碎机碾磨粉碎至80目～200目。
一个优选方案中，所述步骤一中，氢氧化钠溶液碱处理的具体方法为：
按重量份数计，将浓度为5％的氢氧化钠溶液与稻壳粉按照5：1的比例混合均匀，密封后在常温下静置反应48h。48h后滴加浓度为5％的乙酸溶液直至PH值呈中性，用清水洗净，在103±2℃的温度下烘干24h，其含水率控制在2％左右。
一个优选方案中，所述步骤二中，按重量分数计，控制稻壳粉为40份，硅烷偶联剂KH550为4份，将4份KH550与无水乙醇以1：2的质量比混合后均匀喷洒在稻壳粉表面，在80℃～85℃下干燥1h，使乙醇完全挥发。
一个优选方案中，所述步骤二中，按重量分数计，控制稻壳粉为40份，硅烷偶联剂KH550为4.5份，将4.5份KH550与无水乙醇以1：2的质量比混合后均匀喷洒在稻壳粉表面，在80℃～85℃下干燥1h，使乙醇完全挥发。
一个优选方案中，所述步骤二中，按重量分数计，控制稻壳粉为40份，硅烷偶联剂KH550为5份，将5份KH550与无水乙醇以1：2的质量比混合后均匀喷洒在稻壳粉表面，在80℃～85℃下干燥1h，使乙醇完全挥发。
一个优选方案中，所述步骤二中，按重量分数计，控制稻壳粉为40份，硅烷偶联剂KH550为5.5份，将5.5份KH550与无水乙醇以1：2的质量比混合后均匀喷洒在稻壳粉表面，在80℃～85℃下干燥1h，使乙醇完全挥发。
一个优选方案中，所述步骤二中，按重量分数计，控制稻壳粉为40份，硅烷偶联剂KH550为6份，将6份KH550与无水乙醇以1：2的质量比混合后均匀喷洒在稻壳粉表面，在80℃～85℃下干燥1h，使乙醇完全挥发。
一个优选方案中，所述步骤二中，混料前，控制聚乳酸在50℃～60℃下干燥12h。
一个优选方案中，所述步骤二中，按质量分数计，控制聚乳酸为60份，加入经4～6份KH550处理后的稻壳粉、2份润滑剂、1份纳米TiO2、14份纳米CaCO3。将处理后的稻壳粉、聚乳酸和所选助剂加入混料机，在常温下搅拌5～10分钟。。
一个优选方案中，所述步骤二中，将混合的物料在180℃下熔融共混挤出。挤出物料冷却、裁切，即可得到界面改性稻壳粉/聚乳酸复合材料。
应用所述的界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料的制备方法制得的界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料，按重量分数计，其包括以下组份：
聚乳酸60份，稻壳粉40份，硅烷偶联剂4-6份，纳米碳酸钙14份，纳米二氧化钛1份，润滑剂2份。
所述的界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料的应用。
一种所述的界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将混合后的物料加入到双螺杆挤出机料筒中进行挤出造粒，双螺杆挤出机料筒温度为180℃。将基础材料风干冷却后使用碎料机碎料，得到粒状试样。
步骤二、用热压机对粒状试样进行压板，热压工艺如表1所示。热压结束后，使用冷压机进行冷却，冷压工艺为4Mpa，时间为5min。取出即可得到生物可降解稻壳粉/聚乳酸复合板材。
表1热压工艺表
根据上述方法进行具体的防霉抗菌剂的制备：
实施例1
步骤一、将稻壳磨成80-200目的粉末，用氢氧化钠溶液碱处理后干燥备用；
步骤二、按重量分数计，将干燥后的稻壳粉、聚乳酸、硅烷偶联剂等原料按60：40：4的比例注入双螺旋挤出机，由螺杆挤出得到界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料。
实施例2
步骤一、将稻壳磨成80-200目的粉末，用氢氧化钠溶液碱处理后干燥备用；
步骤二、按重量分数计，将干燥后的稻壳粉、聚乳酸、硅烷偶联剂等原料按60：40：4.5的比例注入双螺旋挤出机，由螺杆挤出得到界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料。
实施例3
步骤一、将稻壳磨成80-200目的粉末，用氢氧化钠溶液碱处理后干燥备用；
步骤二、按重量分数计，将干燥后的稻壳粉、聚乳酸、硅烷偶联剂等原料按60：40：5的比例注入双螺旋挤出机，由螺杆挤出得到界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料。
实施例4
步骤一、将稻壳磨成80-200目的粉末，用氢氧化钠溶液碱处理后干燥备用；
步骤二、按重量分数计，将干燥后的稻壳粉、聚乳酸、硅烷偶联剂等原料按60：40：5.5的比例注入双螺旋挤出机，由螺杆挤出得到界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料。
实施例5
步骤一、将稻壳磨成80-200目的粉末，用氢氧化钠溶液碱处理后干燥备用；
步骤二、按重量分数计，将干燥后的稻壳粉、聚乳酸、硅烷偶联剂等原料按60：40：6的比例注入双螺旋挤出机，由螺杆挤出得到界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料。
对上述实施例1-5制备的复合材料和板材进行吸水性和接触角性测验：
实验一：吸水性测验
按GB/T 1462—2005制备试样条；将制备好的样条置于恒温水槽中(水温设为23℃)，待样条浸泡24h后取出、擦干，测其浸水前后的质量的变化，计算试样的吸水率。
实验二：接触角测验：
在接触角仪的进样控制系统取被测液体1微滴滴落在试样表面上，使用CA-W接触角测量仪获取从初始到平衡不同时间段液滴在试样表面的形态，然后直接测量液滴在试件表面接触角的变化，试验值测量5次后取平均值。根据硅烷偶联剂不同使用量测得的数据见表2。
表2硅烷偶联剂使用量对接触角的影响
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。
Claims (14)
1.一种界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料的制备方法，其特征先在于，包括以下步骤：
步骤一、将稻壳磨成80-200目的粉末，用氢氧化钠溶液碱处理后干燥备用；
步骤二、按重量分数计，将干燥后的稻壳粉、聚乳酸、硅烷偶联剂等原料按60：40：4-6的比例注入双螺旋挤出机，由螺杆挤出得到界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料。
2.如权利要求1所述界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料的制备方法，其特征在于：所述聚乳酸是以玉米淀粉、糯玉米淀粉、高蜡质淀粉、木薯淀粉、马铃薯淀粉、支链淀粉中一种或多种作为原料制成的聚乳酸。
3.如权利要求1所述界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，稻壳粉处理的具体方法为：
将稻壳用清水洗涤1～2遍，除去固体杂质及灰尘，风干后用万能粉碎机碾磨粉碎至80目～200目。
4.如权利要求1所述界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，氢氧化钠溶液碱处理的具体方法为：
按重量份数计，将浓度为5％的氢氧化钠溶液与稻壳粉按照5：1的比例混合均匀，密封后在常温下静置反应48h。48h后滴加浓度为5％的乙酸溶液直至PH值呈中性，用清水洗净，在103±2℃的温度下烘干24h，其含水率控制在2％左右。
5.如权利要求1所述界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，按重量分数计，控制稻壳粉为40份，硅烷偶联剂KH550为4份，将4份KH550与无水乙醇以1：2的质量比混合后均匀喷洒在稻壳粉表面，在80℃～85℃下干燥1h，使乙醇完全挥发。
6.如权利要求1所述界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，按重量分数计，控制稻壳粉为40份，硅烷偶联剂KH550为4.5份，将4.5份KH550与无水乙醇以1：2的质量比混合后均匀喷洒在稻壳粉表面，在80℃～85℃下干燥1h，使乙醇完全挥发。
7.如权利要求1所述界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，按重量分数计，控制稻壳粉为40份，硅烷偶联剂KH550为5份，将5份KH550与无水乙醇以1：2的质量比混合后均匀喷洒在稻壳粉表面，在80℃～85℃下干燥1h，使乙醇完全挥发。
8.如权利要求1所述界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，按重量分数计，控制稻壳粉为40份，硅烷偶联剂KH550为5.5份，将5.5份KH550与无水乙醇以1：2的质量比混合后均匀喷洒在稻壳粉表面，在80℃～85℃下干燥1h，使乙醇完全挥发。
9.如权利要求1所述界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，按重量分数计，控制稻壳粉为40份，硅烷偶联剂KH550为6份，将6份KH550与无水乙醇以1：2的质量比混合后均匀喷洒在稻壳粉表面，在80℃～85℃下干燥1h，使乙醇完全挥发。
10.如权利要求1所述界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，混料前，控制聚乳酸在50℃～60℃下干燥12h。
11.如权利要求1所述界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，按质量分数计，控制聚乳酸为60份，加入经4～6份KH550处理后的稻壳粉、2份润滑剂、1份纳米TiO2、14份纳米CaCO3。将处理后的稻壳粉、聚乳酸和所选助剂加入混料机，在常温下搅拌5～10分钟。
12.如权利要求1所述界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，将混合的物料在180℃下熔融共混挤出。挤出物料冷却、裁切，即可得到界面改性稻壳粉/聚乳酸复合材料。
13.应用如权利要求1-12中任一项所述的界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料的制备方法制得的界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料。
14.一种如权利要求13所述的界面改性稻壳粉/聚乳酸可生物降解复合材料的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将混合后的物料加入到双螺杆挤出机料筒中进行挤出造粒，双螺杆挤出机料筒温度为180℃。将基础材料风干冷却后使用碎料机碎料，得到粒状试样；
步骤二、用热压机对粒状试样进行压板。热压结束后，使用冷压机进行冷却，冷压工艺为4Mpa，时间为5min。取出即可得到生物可降解稻壳粉/聚乳酸复合板材。
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