CN110144064A - 一种生物基增强材料、生物基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种生物基增强材料、生物基复合材料及其制备方法。生物基增强材料包括：丝胶基体和复合在所述丝胶基体中的天然纤维。生物基增强材料，通过天然的丝胶基体与天然纤维复合获得。本发明中的丝胶起到粘合天然纤维的作用，其粘合效果好并可增加复合材料的韧性，利用丝胶基体所获得的生物基增强材料以及生物基复合材料均具有良好的机械性能。且丝胶的生物降解性好无需再使用其他合成粘合剂从而减少了合成粘合剂的使用。丝胶来源广泛且价格低廉，例如在制备蚕丝纤维时需要将丝胶从丝素上分离出来，分离的丝胶通常被废弃，此外，从作为工业废弃品的破损蚕茧上也可提取丝胶。选用丝胶基体，绿色环保且经济效益好。

Description

一种生物基增强材料、生物基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物材料技术领域，尤其涉及一种生物基增强材料、生物基复合材料及其制备方法。
背景技术
在当今世界，能源与环境是日渐突出的两大问题，在此背景下，开发生物基复合材料变得尤为重要。目前，生物基复合材料基本是以天然短/长纤维丝或天然纤维织物增强体与高分子聚合物粘合物基体复合而成。其中，天然纤维一般采用植物纤维，以合成树脂等高分子聚合物作为粘合剂，两者混合后通过压合等方式定型。例如，申请号为CN99115034.1的中国专利文献公开了一种秸秆/塑料复合材料的生产方法，将粉碎处理后的秸秆用表面处理剂处理后，再与塑料一起加热熔融混合，然后用压机压制成板材，或用挤出机或注塑机直接成型。生物基复合材料目前在家装、建筑、日用品等领域均有应用。
生物基复合材料具有较好的生物降解性，相对于全合成的材料更加绿色环保。但是，合成粘合剂多数含有甲醛，具有一定毒性，对人体有一定危害，且会影响生物基复合材料的生物降解性，所以目前的生物基复合材料大多仍不是“纯绿色”材料。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种生物基增强材料、生物基复合材料及其制备方法，本发明提供的生物基增强材料具有较好的生物降解性，且机械性能良好，应用于生物基复合材料更加绿色环保。
本发明提供了一种生物基增强材料，包括：丝胶基体和复合在所述丝胶基体中的天然纤维。
可选的，所述生物基增强材料还包括复合在所述丝胶基体表面的草酸钙颗粒。
可选的，所述生物基增强材料按照质量比包括以下组分：天然纤维70％-85％，丝胶15-25％，草酸钙1.5％-10％。
可选的，所述天然纤维的直径细度为15-50μm，所述草酸钙颗粒的直径为2-5μm，所述天然纤维为麻纤维。
本发明还提供了一种生物基复合材料，包括：相复合的生物基增强材料层和聚合物粘合层；所述生物基增强材料层包括丝胶基体和复合在所述丝胶基体中的天然纤维。
可选的，所述生物基增强材料层还包括复合在所述丝胶基体表面的草酸钙颗粒。
可选的，所述生物基复合材料具有多层结构，包括多个交替复合的生物基增强材料层和聚合物粘合层；
多个生物基增强材料层中的天然纤维细度逐层递增，天然纤维含量递减。
可选的，每个所述生物基增强材料层还包括复合在所述丝胶基体表面的草酸钙颗粒；
按照多个生物基增强材料层中天然细度递增的次序，所述草酸钙颗粒含量递增。
本发明还提供了一种生物基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将生物基增强材料层和聚合物粘合层通过热压的方式进行复合，得到生物基复合材料；所述生物基增强材料层包括丝胶基体和复合在所述丝胶基体中的天然纤维。
可选的，所述生物基增强材料层通过以下步骤制得：
将天然纤维与丝胶基体混合，去除水分，形成天然纤维/丝胶层状物；
在天然纤维/丝胶层状物的表面铺洒草酸钙颗粒，之后进行热压，形成所述生物基增强材料层。
与现有技术相比，本发明提供了一种生物基增强材料，通过天然的丝胶基体与天然纤维复合获得。本发明中的丝胶起到粘合天然纤维的作用，其粘合效果好并可增加复合材料的韧性，利用丝胶基体所获得的生物基增强材料以及生物基复合材料均具有良好的机械性能。且丝胶的生物降解性好无需再使用其他合成粘合剂从而减少了合成粘合剂的使用。丝胶来源广泛且价格低廉，例如在制备蚕丝纤维时需要将丝胶从丝素上分离出来，分离的丝胶通常被废弃，此外，从作为工业废弃品的破损蚕茧上也可提取丝胶。选用丝胶基体，绿色环保且经济效益好。
附图说明
图1为本发明实施例5制备的生物基复合材料的抗拉伸性能测试图；
图2为本发明实施例5制备的生物基复合材料的防刺穿性能测试图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种生物基增强材料，包括：丝胶基体和复合在所述丝胶基体中的天然纤维。
本发明提供的生物基增强材料具有良好的机械性能，尤其是抗拉伸和耐刺穿性能优异，利用其在建筑墙体夹层以及个体防护领域如抗冲击材料中的应用。
并且，本发明提供的生物基增强材料，利用来源于蚕茧的生物材料丝胶作为粘合剂来粘合天然纤维，无需使用传统的合成粘合剂，生物降解性好并且避免了合成粘合剂的毒性问题，绿色环保健康。
本发明的天然纤维可以从植物中获取，也可利用废旧的织物获取对应的天然纤维，如麻织物、机织物、针织物、缝编物和非织物等均可，本发明不进行相关限制。
本发明中，所述生物基增强材料按照质量比包括以下组分：天然纤维为70％-85％，丝胶为15-30％。
天然纤维的直径细度优选为15μm-50μm，长度优选为1cm-2cm。天然纤维优选为麻纤维。麻纤维的直径细度基本满足15μm-50μm的需求，且麻纤维的强度大、韧性好、加工过程生态环保。进一步的，麻纤维优选自黄麻纤维、大麻纤维、亚麻纤维和剑麻纤维中的一种或多种，更优选为黄麻纤维。
本发明实施例中首先制备丝胶基体，所述丝胶基体优选按照以下步骤制得：
将蚕茧和水混合，在高温高压的条件下使丝胶分离，之后过滤去除杂质，获得丝胶基体。
其中，所述高温高压的条件优选为温度100-150℃，压力1.0-2.5MPa，所述条件可利用高压蒸汽锅达成。每1g蚕茧优选和12.5-25mL水(实验室通常采用去离子水)混合。过滤优选使用孔径20-30μm的滤膜。蚕茧优选自桑蚕茧和野蚕茧中的一种或多种。
获得丝胶基体后，本发明实施例将其与天然纤维复合，获得生物基增强材料。所述生物基增强材料具体按照以下步骤制得：
将天然纤维与丝胶基体混合，去除水分，之后进行热压，获得生物基增强材料。
其中，每1g天然纤维优选和20-30mL丝胶基体混合。热压的温度优选为100-130℃，热压的时间优选为10-20min。水分的去除优选使用吸水纸。
为了进一步提升生物基增强材料的机械性能，本发明所述的生物基增强材料，具体还包括：复合在所述丝胶基体表面的草酸钙颗粒。
优选的，本发明所述含有草酸钙颗粒的生物基增强材料按照质量比包括以下组分：天然纤维70％-85％，丝胶15-25％，草酸钙1.5％-10％。所述草酸钙颗粒的直径为2-5μm。
在生物基增强材料中复合硬度较大的草酸钙颗粒，一方面可以增强材料的抗冲击性能，另一方面能有效抑制热对流，增加材料的隔热性能。
本发明实施例将获得的丝胶基体与天然纤维和草酸钙复合，获得含有草酸钙颗粒的生物基增强材料。本发明所述含有草酸钙颗粒的生物基增强材料优选按照以下步骤制得：
将天然纤维与丝胶基体混合，去除水分，形成天然纤维/丝胶层状物；
在天然纤维/丝胶层状物的表面铺洒草酸钙颗粒，之后进行热压，形成生物基增强材料层。所述生物基增强材料层即层状的生物基增强材料。
其中，每1g天然纤维优选和20-30mL丝胶基体混合。热压的温度优选为100-130℃，热压的时间优选为10-20min。水分的去除优选使用吸水纸。
本发明还提供了一种生物基复合材料，包括：相复合的生物基增强材料层和聚合物粘合层。所述生物基增强材料层和前文所述的一致，可以包含或者不包含草酸钙颗粒，其组分和制备方法等在此不再赘述。
具体的，所述生物基增强材料层和聚合物粘合层通过热压的方式复合。
本发明所述的生物基复合材料中，所述聚合物粘合层的厚度优选为0.1-0.5mm，所述生物基增强材料的厚度优选为0.5-1.0mm。进一步的，所述聚合物粘合层优选为PVB(聚乙烯醇缩丁醛)粘合层、EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)粘合层和PU(聚氨酯)粘合层中的一种或多种。
为了进一步提升所述生物基复合材料的机械性能，所述生物基复合材料具有多层结构，包括多个交替复合的生物基增强材料层和聚合物粘合层。
多个生物基增强材料层中天然纤维细度逐层递增，天然纤维含量递减；当所述生物基增强材料层含有草酸钙颗粒时，按照多个生物基增强材料层中天然细度递增的次序，所述草酸钙颗粒含量递增。
本发明还提供了一种生物基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将生物基增强材料层和聚合物粘合层通过热压的方式进行复合，得到生物基复合材料；
其中，所述生物基增强材料层包括丝胶基体和复合在所述丝胶基体中的天然纤维。
本发明制备的生物基复合材料具有良好的机械性能，并且减少了合成粘合剂的使用。
本发明实施例首先制备丝胶基体，具体可将蚕茧和水混合，在高温高压的条件下使丝胶分离，之后过滤去除杂质，获得丝胶基体。所述丝胶基体的制备过程如前文所述，在此不再赘述。
然后，本发明实施例制备单层的生物基增强材料层，具体可将天然纤维与丝胶基体混合，去除水分，形成天然纤维/丝胶层状物；再在天然纤维/丝胶层状物的表面铺洒草酸钙颗粒，之后进行热压，形成生物基增强材料层。所述生物基增强材料层的制备方法如前文所述，在此不再赘述。
接着，本发明实施例将生物基增强材料层和聚合物粘合层复合，获得生物基复合材料。具体可将生物基增强材料层和聚合物粘合层交替排列，进行热压，获得生物基复合材料。所述热压的温度优选为100-150℃，压力优选为2-3MPa多个生物基增强材料层中天然纤维细度逐层递增，天然纤维含量递减，草酸钙颗粒含量递增。所述聚合物粘合层的选择如前文所述，在此不再赘述。
为了进一步理解本申请，下面结合实施例对本发明提供的一种生物基增强材料、生物基复合材料及其制备方法进行具体的描述。
实施例1
将40g的辽宁丹东地区产的榨蚕茧加入1000mL的去离子水中，之后置于120℃(压力2MPa)的高压蒸汽锅内1h，通过膜(孔径20-30μm)过滤去除杂质，获得丝胶基体。获得的丝胶基体中，丝胶的质量百分数为1％，产率10mL。
实施例2
将4g黄麻纤维束(细度为16μm)切成1cm的长度，加入100mL实施例1制得的丝胶基体中搅拌(搅拌转速200r/min，时间3min)，之后倒入铁模具(15cm×15cm)内铺匀，用吸水纸将多余水分去除后，置于热压机上。将0.1g的草酸钙颗粒(直径为2μm)均匀铺撒在去除水分后的丝胶基体的表面，热压形成生物基增强材料。热压的温度为120℃，时间为15min，压力3MPa。制成的生物基增强材料面密度为230g/m2，厚度为0.5mm，测试标准为HB7736.2-2004。
实施例3
将3g黄麻纤维束(细度为25μm)切成1cm的长度，加入100mL实施例制得的丝胶基体中搅拌(搅拌转速100r/min，时间2min)，倒入铁模具(15cm×15cm)内铺匀，用吸水纸将多余水分去除后，置于热压机上，将0.2g的草酸钙颗粒(直径为2μm)均匀铺撒在去除水分后的丝胶基体的表面，热压形成生物基增强材料。热压的温度为120℃，时间为15min，压力2MPa。制成的生物基增强材料面密度为170g/m2，厚度为0.5mm。
实施例4
将2g黄麻纤维束(细度为35μm)切成1cm的长度，加入100mL实施例制得的丝胶基体中搅拌(搅拌转速100r/min，时间2min)，倒入铁模具(长15cm×宽15cm)内铺匀，用吸水纸将多余水分去除后，置于热压机上，将0.4g的草酸钙颗粒(直径为2μm)均匀铺撒在去除水分后的丝胶基体的表面，热压形成生物基增强材料。热压的温度为120℃，时间为15min，压力2MPa。制成的生物基增强材料面密度为115g/m2，厚度为0.5mm。
实施例5
将实施例2所得生物基增强材料记为第一生物基增强材料层，将实施例3所得生物基增强材料记为第二生物基增强材料层，将实施例4所得生物基增强材料记为第三生物基增强材料层。
将第一生物基增强材料层、EVA聚合物粘合层(厚度0.1mm)、第二生物基增强材料层、EVA聚合物粘合层(厚度0.1mm)和第三生物基增强材料层依次排列，并通过热压复合，获得生物基复合材料。热压的温度100-120℃,时间1-2min，压力2-3MPa。获得的生物基复合材料厚度1.8mm。
采用INSTRON万能试验机测试了本实施例5获得的生物基复合材料的抗拉伸性能和防刺穿性能，测试结果分布如图1和图2所示。另外，选择单层黄麻针刺无纺布(克重为560g/m2，厚度为1.8mm)作为对比。测试结果说明，本实施例5获得的生物基复合材料，在同等厚度下，抗拉伸和防刺穿性能均优于黄麻针刺无纺布。
本发明提供了一种生物基增强材料，通过天然的丝胶基体与天然纤维复合获得。本发明中的丝胶起到粘合天然纤维的作用，其粘合效果好并可增加复合材料的韧性，利用丝胶基体所获得的生物基增强材料以及生物基复合材料均具有良好的机械性能。且丝胶的生物降解性好无需再使用其他合成粘合剂从而减少了合成粘合剂的使用。丝胶来源广泛且价格低廉，例如在制备蚕丝纤维时需要将丝胶从丝素上分离出来，分离的丝胶通常被废弃，此外，从作为工业废弃品的破损蚕茧上也可提取丝胶。选用丝胶基体，绿色环保且经济效益好。
进一步的，本发明中的生物基增强材料中还复合有草酸钙，草酸钙是蚕茧中的物质，硬度较大，复合在生物基增强材料中可提升材料的抗冲击性能和隔热性能。
更进一步的，本发明还提供了一种生物基复合材料及其制备方法，将多个生物基增强材料层通过聚合物粘合层复合，并根据蚕茧中的纤维、草酸钙等梯度分布趋势对于多个生物基增强材料层中的天然纤维、草酸钙的分布进行了限定。蚕茧具有优异的抗冲击性能、穿刺和隔热性能，这与其微结构有关，本发明获得的生物基复合材料模仿了蚕茧的微结构，从而具有良好的机械性能和隔热性能，利于其在建筑墙体夹层和个体防护等领域的应用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于使本技术领域的专业技术人员，在不脱离本发明技术原理的前提下，是能够实现对这些实施例的多种修改的，而这些修改也应视为本发明应该保护的范围。

Claims (10)

1.一种生物基增强材料，其特征在于，包括：丝胶基体和复合在所述丝胶基体中的天然纤维。
2.根据权利要求1所述的生物基增强材料，其特征在于，所述生物基增强材料还包括复合在所述丝胶基体表面的草酸钙颗粒。
3.根据权利要求2所述的生物基增强材料，其特征在于，所述生物基增强材料按照质量比包括以下组分：天然纤维70％-85％，丝胶15-25％，草酸钙1.5％-10％。
4.根据权利要求2所述的生物基增强材料，其特征在于，所述天然纤维的直径细度为15-50μm，所述草酸钙颗粒的直径为2-5μm，所述天然纤维为麻纤维。
5.一种生物基复合材料，其特征在于，包括：相复合的生物基增强材料层和聚合物粘合层；所述生物基增强材料层包括丝胶基体和复合在所述丝胶基体中的天然纤维。
6.根据权利要求5所述的生物基复合材料，其特征在于，所述生物基增强材料层还包括复合在所述丝胶基体表面的草酸钙颗粒。
7.根据权利要求5所述的生物基复合材料，其特征在于，所述生物基复合材料具有多层结构，包括多个交替复合的生物基增强材料层和聚合物粘合层；
多个生物基增强材料层中的天然纤维细度逐层递增，天然纤维含量递减。
8.根据权利要求7所述的生物基复合材料，其特征在于，每个所述生物基增强材料层还包括复合在所述丝胶基体表面的草酸钙颗粒；
按照多个生物基增强材料层中天然细度递增的次序，所述草酸钙颗粒含量递增。
9.一种生物基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将生物基增强材料层和聚合物粘合层通过热压的方式进行复合，得到生物基复合材料；所述生物基增强材料层包括丝胶基体和复合在所述丝胶基体中的天然纤维。
10.根据权利要求9所述的生物基复合材料的制备方法，其特征在于，所述生物基增强材料层通过以下步骤制得：
将天然纤维与丝胶基体混合，去除水分，形成天然纤维/丝胶层状物；
在天然纤维/丝胶层状物的表面铺洒草酸钙颗粒，之后进行热压，形成所述生物基增强材料层。
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