CN110724309A - 一种采用天然植物纤维的生物降解材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种采用天然植物纤维的生物降解材料，包括如下重量分数原料：天然植物纤维15～30份，高分子聚合物20～30份，玉米淀粉30～50份，椰子壳粉5～10份，纤维素酶0.1～0.3份，硅烷偶联剂0.5～3份，石墨烯2～3份，蛋壳粉0.2～0.5份，银纳米离子0.2～0.5份，生物降解剂5～10份。制作方法如下：合成蛋壳/银纳米离子；天然植物纤维制成植物短纤维；植物短纤维预处理；加入蛋壳/银纳米离子、椰子壳粉、生物降解剂进行搅拌、混合处理；加入硅烷偶联剂进行耦合处理；加入其他组分进行共混捏合即可。本发明产品环保无毒、强度高、稳定性好、生物降解性能好，各项性能指标均达到国家标准，具有良好的市场应用价值。

Description

一种采用天然植物纤维的生物降解材料及制备方法
技术领域
本发明属于生物降解材料技术领域，具体涉及一种采用天然植物纤维的生物降解材料及制备方法。
背景技术
随着时代的发展和工业的进步，各种类型的新型材料日常生活中的应用范围越发广泛，使用量越发巨大。但是，许多新型材料在给人类带来各种方便的同时，也给人们带来难以想象的麻烦。由于有些废弃材料在自然条件下不会降解，燃烧又会释放出有害气体，给生态环境造成了难以治理的污染。
因此各国的研究者利用各种材料，例如淀粉，蛋白质，植物纤维等天然高分子生产了各种可完全生物降解的塑料，但是能实际应用的产品还很少。生物降解材料是指在真菌、细菌等自然界微生物的呼吸作用或化能合成作用下可以降解的材料。植物纤维在自然界中分布比较广泛，主要是通过后加工处理从植物和农作物的各部位提取而来，具有可再生、生物可降解、环境友好、无污染等优点，是工业级可持续材料的主要来源。将植物纤维用于复合材料中，能够为植物纤维的循环利用和缓解因燃烧带来的环境问题找到新的解决方法。
然而现有技术中的生物降解塑料在制备过程中由于对植物纤维的改性效果有限，生产出的生物降解塑料力学性能上与传统塑料，甚至与纯全生物降解塑料都有较大差距，无法满足日常使用的要求，不能做到实际真正的应用。
发明内容
针对上述问题，本发明的首要目的是提供一种采用天然植物纤维、环保无毒、强度高、稳定性好的生物降解材料及制备方法，以解决现有生物降解材料力学性能差、无法满足日常使用要求的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种采用天然植物纤维的生物降解材料，包括如下重量分数的原料：天然植物纤维15～30份，高分子聚合物20～30份，玉米淀粉30～50份，椰子壳粉5～10份，纤维素酶0.1～0.3份，硅烷偶联剂0.5～3份，石墨烯2～3份，蛋壳粉0.2～0.5份，银纳米离子0.2～0.5份，生物降解剂5～10份。
进一步地，所述天然植物纤维为木纤维、麻纤维、竹纤维、秸秆纤维中的任意一种或两种以上的混合。
进一步地，所述高分子聚合物为聚乙烯、聚丙烯、乙烯和丙烯酸共聚物、乙烯-醋酸乙烯共聚物中的任意一种或两种以上的混合。
进一步地，所述生物降解剂为聚羟基脂肪酸酯。
进一步地，所述石墨烯的细度为100-200目。
一种采用天然植物纤维的生物降解材料的制作方法，包括如下步骤：
(1)按配方比例称取蛋壳粉、银纳米离子，通过一步球磨法合成蛋壳/银纳米离子(ES-Ag)；
(2)将天然植物纤维进行清洗烘干并粉碎，得到100～150目的植物短纤维；
(3)将处理后的植物短纤维加入纯净水，然后按配方比例加入纤维素酶进行生物催化处理；再在碱液中进行碱化处理，然后水洗至中性，得到预处理的植物短纤维；
(4)将预处理的植物短纤维放置在高速搅拌机中，加入蛋壳/银纳米离子(ES-Ag)、椰子壳粉、生物降解剂进行搅拌、混合处理；
(5)将混合处理后的物料加入硅烷偶联剂进行耦合处理；
(6)往耦合处理后的物料中按配方比例加入玉米淀粉、高分子聚合物、石墨烯，送入混合搅拌机中进行共混捏合，捏合处理完毕后直接生产出高耐磨生物降解材料。
进一步地，步骤(1)中将蛋壳粉、银纳米离子放入球磨机中球磨处理24～48小时，即可得到蛋壳/银纳米离子(ES-Ag)，ES-Ag纳米粒子中游离的Ag+可以促进各组分的相容性，从而提高材料的综合性能。
进一步地，步骤(3)中，将处理后的植物短纤维按照1g：3ml的比例加入纯净水，然后按配方比例加入纤维素酶，在35℃～45℃温度下反应8～12分钟后，再在碱液(质量分数为10％的NaOH溶液)中常温浸泡60～80分钟，再加热沸腾10～15分钟，过滤出来后水洗至中性，得到预处理的植物短纤维。
进一步地，步骤(4)中的搅拌混合的时间为10～15分钟，温度控制在50℃～60℃。
进一步地，步骤(5)中耦合温度控制在95℃～105℃，耦合处理时间为30～40分钟。
进一步地，步骤(6)中捏合处理时间为30～40分钟，捏合处理完毕后，在115℃～125℃的温度下直接生产出采用天然植物纤维的生物降解材料。
本发明的有益效果是：
1、本发明中通过合理配比原料，采用该配方制得的产品在自然条件下可以实现自动降解，大大减少了环境中不可降解的废弃塑料的数量，缓解了环境污染的压力。
2、本发明通过添加硅烷偶联剂、石墨烯、蛋壳/银纳米离子(ES-Ag)来促进天然植物纤维、玉米淀粉和高分子聚合物的混练反应，并通过ES-Ag纳米粒子中游离的Ag+可以促进各组分的相容性，从而提高材料的综合性能。
3、通过添加椰子壳粉作为填充剂来改善物料性能，并起到一定的增容作用；通过添加生物降解剂来加强材料的生物降解性，使材料具有优良的生物降解性，废弃后很容易被微生物分解成二氧化碳和水，不会污染环境。
4、通过添加纤维素酶来对天然植物纤维进行低温酶解，并通过碱处理来粗化天然植物纤维的表面，并去除纤维中的杂质，从而增加天然植物纤维的有效接触面积，使得反应更充分、材料结合更紧密，材料综合性能更优。
5、本发明产品环保无毒，各项性能指标均达到国家标准，具有强度高、稳定性好、生物降解性能好的优点，可以解决现有生物降解材料力学性能差、无法满足日常使用的问题，具有良好的市场应用价值。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
一种采用天然植物纤维的生物降解材料，包括如下重量分数的原料：天然植物纤维15份，高分子聚合物30份，玉米淀粉37份，椰子壳粉5份，纤维素酶0.1份，硅烷偶联剂0.5份，石墨烯2份，蛋壳粉0.2份，银纳米离子0.2份，生物降解剂10份。
具体地，所述天然植物纤维为秸秆纤维；所述高分子聚合物为乙烯和丙烯酸共聚物；所述生物降解剂为聚羟基脂肪酸酯；所述玉米淀粉、椰子壳粉、石墨烯的细度为100-200目。
一种采用天然植物纤维的生物降解材料的制作方法，包括如下步骤：
(1)按配方比例称取蛋壳粉、银纳米离子，并将蛋壳粉、银纳米离子放入球磨机中球磨处理24小时，即通过一步球磨法合成蛋壳/银纳米离子(ES-Ag)，ES-Ag纳米粒子中游离的Ag+可以促进各组分的相容性，从而提高材料的综合性能；
(2)将天然植物纤维进行清洗烘干并粉碎，得到100～150目的植物短纤维；
(3)将处理后的植物短纤维按照1g：3ml的比例加入纯净水，然后按配方比例加入纤维素酶，在35℃下进行生物催化处理，反应8分钟后，再在质量分数为10％的NaOH溶液中常温浸泡60分钟(碱处理)，再加热沸腾10分钟，过滤出来后的物料用清水洗至酸碱度为中性，得到预处理的植物短纤维；
(4)将预处理的植物短纤维放置在高速搅拌机中，加入蛋壳/银纳米离子(ES-Ag)、椰子壳粉、生物降解剂进行搅拌、混合处理，搅拌混合的时间为10分钟，温度控制在55℃±2℃；
(5)将混合处理后的物料加入硅烷偶联剂进行耦合处理，耦合温度控制在100℃±2℃，耦合处理时间为30分钟；
(6)往耦合处理后的物料中按配方比例加入玉米淀粉、高分子聚合物、石墨烯，送入混合搅拌机中进行共混捏合，捏合处理时间为30分钟，捏合处理完毕后在120℃±2℃的温度下直接生产出高耐磨生物降解材料。
本发明中通过添加硅烷偶联剂、石墨烯、蛋壳/银纳米离子(ES-Ag)来促进天然植物纤维、玉米淀粉和高分子聚合物的混练反应，并通过ES-Ag纳米粒子中游离的Ag+可以促进各组分的相容性，从而提高材料的综合性能；通过添加椰子壳粉作为填充剂来改善物料性能，并起到一定的增容作用；通过添加生物降解剂来加强材料的生物降解性，使材料具有优良的生物降解性；通过添加纤维素酶来对天然植物纤维进行低温酶解，并通过碱处理来粗化天然植物纤维的表面，并去除纤维中的杂质，从而增加天然植物纤维的有效接触面积，使得反应更充分、材料结合更紧密，材料综合性能更优。
本发明产品环保无毒，各项性能指标均达到国家标准，具有强度高、稳定性好、生物降解性能好的优点，可以解决现有生物降解材料力学性能差、无法满足日常使用的问题，具有良好的市场应用价值。
实施例2：
一种采用天然植物纤维的生物降解材料，包括如下重量分数的原料：天然植物纤维30份，高分子聚合物20份，玉米淀粉30份，椰子壳粉8份，纤维素酶0.3份，硅烷偶联剂3份，石墨烯2.7份，蛋壳粉0.5份，银纳米离子0.5份，生物降解剂5份。
具体地，所述天然植物纤维为木纤维、麻纤维、竹纤维、秸秆纤维按1:1:1:1(重量比)混合所得的混合物；所述高分子聚合物为聚乙烯、聚丙烯、乙烯和丙烯酸共聚物、乙烯-醋酸乙烯共聚物按1:1:1:1(重量比)混合所得的混合物；所述生物降解剂为聚羟基脂肪酸酯；所述玉米淀粉、椰子壳粉、石墨烯的细度为100-200目。
一种采用天然植物纤维的生物降解材料的制作方法，包括如下步骤：
(1)按配方比例称取蛋壳粉、银纳米离子，并将蛋壳粉、银纳米离子放入球磨机中球磨处理48小时，即通过一步球磨法合成蛋壳/银纳米离子(ES-Ag)，ES-Ag纳米粒子中游离的Ag+可以促进各组分的相容性，从而提高材料的综合性能；
(2)将天然植物纤维进行清洗烘干并粉碎，得到100～150目的植物短纤维；
(3)将处理后的植物短纤维按照1g：3ml的比例加入纯净水，然后按配方比例加入纤维素酶，在35℃下进行生物催化处理，反应12分钟后，再在质量分数为10％的NaOH溶液中常温浸泡80分钟(碱处理)，再加热沸腾15分钟，过滤出来后的物料用清水洗至酸碱度为中性，得到预处理的植物短纤维；
(4)将预处理的植物短纤维放置在高速搅拌机中，加入蛋壳/银纳米离子(ES-Ag)、椰子壳粉、生物降解剂进行搅拌、混合处理，搅拌混合的时间为15分钟，温度控制在55℃±5℃；
(5)将混合处理后的物料加入硅烷偶联剂进行耦合处理，耦合温度控制在100℃±5℃，耦合处理时间为40分钟；
(6)往耦合处理后的物料中按配方比例加入玉米淀粉、高分子聚合物、石墨烯，送入混合搅拌机中进行共混捏合，捏合处理时间为30分钟，捏合处理完毕后在120℃±5℃的温度下直接生产出高耐磨生物降解材料。
实施例3：
一种采用天然植物纤维的生物降解材料，包括如下重量分数的原料：天然植物纤维15份，高分子聚合物20份，玉米淀粉40份，椰子壳粉10份，纤维素酶0.2份，硅烷偶联剂1份，石墨烯3份，蛋壳粉0.4份，银纳米离子0.4份，生物降解剂10份。
具体地，所述天然植物纤维为竹纤维、秸秆纤维按1:2(重量比)混合所得的混合物；所述高分子聚合物为聚丙烯、乙烯和丙烯酸共聚物的组合物按2:1(重量比)混合所得的混合物；所述生物降解剂为聚羟基脂肪酸酯；所述玉米淀粉、椰子壳粉、石墨烯的细度为100-200目。
一种采用天然植物纤维的生物降解材料的制作方法，包括如下步骤：
(1)按配方比例称取蛋壳粉、银纳米离子，并将蛋壳粉、银纳米离子放入球磨机中球磨处理24小时，即通过一步球磨法合成蛋壳/银纳米离子(ES-Ag)，ES-Ag纳米粒子中游离的Ag+可以促进各组分的相容性，从而提高材料的综合性能；
(2)将天然植物纤维进行清洗烘干并粉碎，得到100～150目的植物短纤维；
(3)将处理后的植物短纤维按照1g：3ml的比例加入纯净水，然后按配方比例加入纤维素酶，在40℃下进行生物催化处理，反应10分钟后，再在质量分数为10％的NaOH溶液中常温浸泡60分钟(碱处理)，再加热沸腾10分钟，过滤出来后的物料用清水洗至酸碱度为中性，得到预处理的植物短纤维；
(4)将预处理的植物短纤维放置在高速搅拌机中，加入蛋壳/银纳米离子(ES-Ag)、椰子壳粉、生物降解剂进行搅拌、混合处理，搅拌混合的时间为10分钟，温度控制在55℃±2℃；
(5)将混合处理后的物料加入硅烷偶联剂进行耦合处理，耦合温度控制在100℃±2℃，耦合处理时间为30分钟；
(6)往耦合处理后的物料中按配方比例加入玉米淀粉、高分子聚合物、石墨烯，送入混合搅拌机中进行共混捏合，捏合处理时间为30分钟，捏合处理完毕后在120℃±2℃的温度下直接生产出高耐磨生物降解材料。
实施例4：
一种采用天然植物纤维的生物降解材料，包括如下重量分数的原料：天然植物纤维23份，高分子聚合物20份，玉米淀粉35份，椰子壳粉8份，纤维素酶0.2份，硅烷偶联剂2份，石墨烯3份，蛋壳粉0.4份，银纳米离子0.4份，生物降解剂8份。
具体地，所述天然植物纤维为木纤维、麻纤维、竹纤维、秸秆纤维按1:1:1:1(重量比)混合所得的混合物；所述高分子聚合物为聚丙烯、乙烯和丙烯酸共聚物、乙烯-醋酸乙烯共聚物按1:1:1(重量比)混合所得的混合物；所述生物降解剂为聚羟基脂肪酸酯。
一种采用天然植物纤维的生物降解材料的制作方法，包括如下步骤：
(1)按配方比例称取蛋壳粉、银纳米离子，并将蛋壳粉、银纳米离子放入球磨机中球磨处理24小时，即通过一步球磨法合成蛋壳/银纳米离子(ES-Ag)，ES-Ag纳米粒子中游离的Ag+可以促进各组分的相容性，从而提高材料的综合性能；
(2)将天然植物纤维进行清洗烘干并粉碎，得到100～150目的植物短纤维；
(3)将处理后的植物短纤维按照1g：3ml的比例加入纯净水，然后按配方比例加入纤维素酶，在40℃下进行生物催化处理，反应10分钟后，再在质量分数为10％的NaOH溶液中常温浸泡60分钟(碱处理)，再加热沸腾10分钟，过滤出来后的物料用清水洗至酸碱度为中性，得到预处理的植物短纤维；
(4)将预处理的植物短纤维放置在高速搅拌机中，加入蛋壳/银纳米离子(ES-Ag)、椰子壳粉、生物降解剂进行搅拌、混合处理，搅拌混合的时间为10分钟，温度控制在55℃±2℃；
(5)将混合处理后的物料加入硅烷偶联剂进行耦合处理，耦合温度控制在100℃±2℃，耦合处理时间为30分钟；
(6)往耦合处理后的物料中按配方比例加入玉米淀粉、高分子聚合物、石墨烯，送入混合搅拌机中进行共混捏合，捏合处理时间为30分钟，捏合处理完毕后在120℃±2℃的温度下直接生产出高耐磨生物降解材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种采用天然植物纤维的生物降解材料，其特征在于：包括如下重量分数的原料：天然植物纤维15～30份，高分子聚合物20～30份，玉米淀粉30～50份，椰子壳粉5～10份，纤维素酶0.1～0.3份，硅烷偶联剂0.5～3份，石墨烯2～3份，蛋壳粉0.2～0.5份，银纳米离子0.2～0.5份，生物降解剂5～10份。
2.根据权利要求1所述的一种采用天然植物纤维的生物降解材料，其特征在于：所述天然植物纤维为木纤维、麻纤维、竹纤维、秸秆纤维中的任意一种或两种以上的混合。
3.根据权利要求1所述的一种采用天然植物纤维的生物降解材料，其特征在于：所述高分子聚合物为聚乙烯、聚丙烯、乙烯和丙烯酸共聚物、乙烯-醋酸乙烯共聚物中的任意一种或两种以上的混合。
4.根据权利要求1所述的一种采用天然植物纤维的生物降解材料，其特征在于：所述生物降解剂为聚羟基脂肪酸酯。
5.如权利要求1～4任一所述采用天然植物纤维的生物降解材料的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)按配方比例称取蛋壳粉、银纳米离子，通过一步球磨法合成蛋壳/银纳米离子；
(2)将天然植物纤维进行清洗烘干并粉碎，得到100～150目的植物短纤维；
(3)将处理后的植物短纤维加入纯净水，然后按配方比例加入纤维素酶进行生物催化处理；再在碱液中进行碱化处理，然后水洗至中性，得到预处理的植物短纤维；
(4)将预处理的植物短纤维放置在高速搅拌机中，加入蛋壳/银纳米离子、椰子壳粉、生物降解剂进行搅拌、混合处理；
(5)将混合处理后的物料加入硅烷偶联剂进行耦合处理；
(6)往耦合处理后的物料中按配方比例加入玉米淀粉、高分子聚合物、石墨烯，送入混合搅拌机中进行共混捏合，捏合处理完毕后直接生产出高耐磨生物降解材料。
6.根据权利要求5所述采用天然植物纤维的生物降解材料的制作方法，其特征在于：步骤(3)中，将处理后的植物短纤维按照1g：3ml的比例加入纯净水，然后按配方比例加入纤维素酶，在35℃～45℃温度下反应8～12分钟后，再在碱液中常温浸泡60～80分钟，再加热沸腾10～15分钟，过滤出来后水洗至中性，得到预处理的植物短纤维。
7.根据权利要求5所述采用天然植物纤维的生物降解材料的制作方法，其特征在于：步骤(4)中的搅拌混合的时间为10～15分钟，温度控制在50℃～60℃。
8.根据权利要求5所述采用天然植物纤维的生物降解材料的制作方法，其特征在于：步骤(5)中耦合温度控制在95℃～105℃，耦合处理时间为30～40分钟。
9.根据权利要求5所述采用天然植物纤维的生物降解材料的制作方法，其特征在于：步骤(6)中捏合处理时间为30～40分钟，捏合处理完毕后，在115℃～125℃的温度下直接生产出采用天然植物纤维的生物降解材料。
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