CN110819132A - 一种植物纤维基复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种植物纤维基复合材料,所述植物纤维基复合材料主要由水和以下各组分组成:植物纤维60‑100重量份,胶黏剂0‑10重量份,填充剂0‑10重量份,防水剂0‑10重量份,所述植物纤维基复合材料的含水率为5‑20%,其密度为0.2‑1.2kg/m3。该植物纤维基复合材料耐腐蚀,可生物降解,生产过程无污染,制品密度低,制品强度高,制品可回收利用,制品原材料可再生,且来源广泛,成本低。本发明还公开了该植物纤维基复合材料的制备方法及其应用,工艺简单、生产耗时短、成本低、生产过程环保,植物纤维基复合材料可以用于制备物流托盘、烟花底座或产品包装,具有耐腐蚀、强度高、重量轻、成本低且经济环保等优点。
Description
技术领域
本发明属于纤维材料领域,尤其涉及一种植物纤维基复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
物流托盘是用于集装、堆放、搬运和运输的放置作为单元负荷的货物和制品的水平平台装置。作为与集装箱类似的一种集装设备,物流托盘现已广泛应用于生产、运输、仓储和流通等领域,被认为是20世纪物流产业中两大关键性创新之一。物流托盘作为物流运作过程中重要的装卸、储存和运输设备,与叉车配套使用在现代物流中发挥着巨大的作用,可以实现物品包装的单元化、规范化和标准化,保护物品,方便物流和商流。
目前,普遍采用的物流托盘、烟花底座或产品包装主要由原木、胶合板、塑料、金属等制成。其中,木制托盘具有不耐腐蚀、需砍伐树木、使用寿命短等缺点,而且出口还需要检验检疫;塑料托盘价格较高,刚性不够,承载能力差,且不可降解;金属托盘强度很好,但是价格昂贵,且比重高,运输成本高。因此,迫切地需要发明一种耐腐蚀、强度高、重量轻、成本低且经济环保的物流托盘制造材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是,克服以上背景技术中提到的不足和缺陷,提供一种耐腐蚀、强度高、重量轻、成本低且经济环保的植物纤维基复合材料及其制备方法和应用。
为解决上述技术问题,本发明提出的技术方案为:
一种用于物流托盘的植物纤维基复合材料,所述植物纤维基复合材料主要由水和以下各组分组成:植物纤维60-100重量份,胶黏剂0-10重量份,填充剂0-10重量份,防水剂0-10重量份,所述植物纤维基复合材料的含水率为5-20%,所述植物纤维基复合材料呈多孔结构,其密度为0.2-1.2kg/m3。
本发明的植物纤维基复合材料制品,以植物纤维为主要原料,通过纤维、水、纤维之间的作用力,纤维与纤维之间的氢键作用,使制品能够保持一定的固体形状,可以承受一定的压力、拉力、摩擦力和冲击力等载荷,可用于物流运输等。植物纤维基复合材料制品的强度与含水率有关,如果纤维制品的含水率过低,则无法保证足够的氢键作用,如果含水率过高,则使纤维与纤维之间的距离拉长,影响纤维之间作用力,所以纤维制品在使用过程中,其含水率不能过低也不能过高,最佳含水率在5-20%之间。加入一定的环保添加剂,例如胶黏剂、防水剂、以及填充剂等,可以提高制品的强度、耐水性能,降低成本,但并非必须添加物,可视情况而定。
上述的植物纤维基复合材料,优选的,所述植物纤维为长径比>2的长纤维和/或粒径≤1000目(更优选为≤200目)的纤维颗粒;所述植物纤维包括竹子、稻草、芦苇、木材、棉杆、秸秆、麻秆、米糠、中药材及中药材渣中的任意一种或几种。
上述的植物纤维基复合材料,优选的,所述胶黏剂包括聚乙烯醇、淀粉糊、纤维素、单宁、阿拉伯树胶、海藻酸钠、骨胶、鱼胶、紫胶、白乳胶、硅酸盐和氧化钙中的任意一种或几种;所述填充剂包括碳酸钙、二氧化硅、二氧化钛、高岭土、煤灰和黄土中的任意一种或几种;所述防水剂包括丙烯酸酯和/或聚氨酯。更优选的,所述胶黏剂包括聚乙烯醇、淀粉糊、硅酸盐和氧化钙中的任意一种或几种。
胶黏剂的加入主要是为了提高制品的抗压、抗拉、抗冲击等性能,填充剂的加入能够提高制品的抗压能力和刚性,同时能够降低成本。部分填充剂也能够促进制品成型,提高脱模效果等功能。防水剂的加入,主要是为了提高制品在使用过程中的耐水性能,扩大制品的使用范围,提高使用寿命。
更优选的,所述植物纤维基复合材料主要由水和以下各组分组成:植物纤维84重量份,胶黏剂3重量份,填充剂10重量份,防水剂3重量份。
基于一个总的技术构思,本发明还相应提供一种上述植物纤维基复合材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)将植物纤维与水混合,使植物纤维完全浸润后,加入胶黏剂、防水剂和填充剂,搅拌均匀,得到混合物料;
(2)将所述步骤(1)得到的混合物料加入制品模具中,填满模腔,封闭加热,使混合物料中的水分形成水蒸气促进混合物料发泡,得到发泡物料;
(3)将所述步骤(2)后得到的发泡物料,干燥至含水率为7-20%后,开模取出制品,即得到所述的植物纤维基复合材料。
上述的制备方法,优选的,所述步骤(1)中,所述植物纤维与水混合完全浸润后,其含水率为30-300%;所述植物纤维在与水混合之前要先用碱、酸、盐、生物酶、蒸气闪爆、辐射、无氧碳化中的一种或多种进行预处理。用碱、酸、盐、生物酶做前处理,可以改变纤维表观形貌、分子链结构,提高纤维的结合强度;而用蒸气闪爆、辐射、无氧碳化等处理,可以改变纤维形貌,破坏氢键作用,提高纤维强度,从而提高制品强度。
碱处理作用:脱离植物纤维中的灰分、木质素、半木质素、油脂、蛋白质等成分,使纤维部分酯化,破坏纤维中的氢键作用,提高纤维的熔融、溶解、塑化、流动以及与其他物质(包括纤维与纤维之间)之间的界面作用力。其作用效果与碱液浓度、作用时间、温度、压力等因素相关。
酸作用:主要脱离纤维中的油脂和蛋白质,同时,能够在植物纤维降解中起催化作用,促进纤维分子链的断链,提高纤维的熔融塑化能力。
盐作用:盐溶液能够促进植物纤维中的无定形区和结晶区的溶胀,提高植物纤维的塑化流动能力,以及促进纤维的缠绕与界面作用力。
生物酶:能够促进纤维素部分酶解,提高纤维的柔性和缠绕性能,提高纤维制品的力学性能。
蒸汽闪爆:物理方法破坏植物纤维结构,改变纤维表观形貌,部分破坏氢键作用,去掉部分油脂、果胶等成分。
辐射:主要作用是破坏纤维氢键作用,提高纤维的熔融、溶解、塑化流动成型的能力。
无氧炭化:使部分纤维炭化成炭纤维,显著提高制品的刚性和强度,同时,提高制品的防腐、防霉、防水等性能。
水:在固定成型之前,水量要较大,主要作用是溶解其他添加剂,溶胀纤维,使纤维成为具有一定成型能力甚至流动能力的物料。物料干燥定型后,水分含量要适中,其主要作用是为纤维提供形成氢键所需要的水分子,植物纤维与纤维之间主要通过氢键作用,牢固地结合在一起,水分子过多或者过少,都会削弱氢键作用。
优选的,所述步骤(2)中,封闭加热的温度为100-120℃,封闭加热的过程中往模腔中充气,充入的气体为空气、氮气、二氧化碳或水蒸气;一般来说,充气压力越大,则发泡效果越好,但是,压力越大,则发泡成本就会越高,对设备的要求越高,所以以能够使物料完全填满模腔空间时的压力为标准压力,充气压力为标准压力的1.1-4倍。充气可以促进制品发泡,减少制品比重;更优选为高温水蒸气,既能促进发泡,也能加快水的蒸发,提高制品干燥速度。由于本发明采用充入气体作为发泡源物料在发泡之间,其含水率要远大于20%,这样,才能够在100℃以上温度下释放出大量的水蒸气,促进制品发泡。
当然,也可以不充气,直接通过室温干燥,但是干燥时间会比较长。或者不施加充气压力,可以加热干燥,干燥速度较快,但是其发泡倍率小于充气的方案。
优选的,所述步骤(3)中,干燥的温度为25-200℃,更优选为50-80℃。也可以不加热,在室温下,缓慢干燥。
将植物纤维与大量水共混,使纤维充分吸收水分,物料进入模具发泡前,其含水率要大于7%,最佳范围在30-70%左右,物料充分浸润好后,与各添加剂充分混合,然后将物料加入模腔中,封闭加热,温度在100-120℃,物料中的水分在高温下蒸发成水蒸气,水蒸气在蒸发的同时,对纤维有个压力,使物料体积膨胀,会形成多孔结构,同时,水分蒸发后,其原来所占的体积也会形成孔洞,水气挥发后,纤维物料干燥成型,得到具有一定强度和形状的制品。植物纤维基复合材料,其处理过程是一个世界性难题,目前,很难通过某个单一技术处理就能够获得较好的效果,因此,本发明采用多技术协同作用,充分发挥各技术的优势,达到最佳的处理效果。
基于一个总的技术构思,本发明还相应提供一种上述植物纤维基复合材料的应用,采用所述植物纤维基复合材料制备物流托盘、烟花底座或其他形状的制品。
上述的应用,优选的,所述物流托盘、烟花底座或其他形状的制品的表面喷涂有防火和/或防水涂层。
防水涂层:主要是制品完成后,在制品表面喷涂一层防水漆或防水涂料,主要是聚氨酯类或丙烯酸酯类产品,市场可以买到。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
1、本发明的植物纤维基复合材料,耐腐蚀,可生物降解,生产过程无污染,制品密度低(比重在0.2-1.2kg/m3之间),制品强度高(抗压强度:5-30MPa;拉伸强度:5-40MPa),制品可回收利用,制品原材料可再生,且来源广泛,成本低。
2、本发明的制备方法,以植物纤维为原材料,加入过量的水,搅拌均匀后,放入模具中,在一定温度下加热使水分形成水蒸气,促进发泡,将水分蒸发后,得到一种具有超低密度、较高强度、可生物降解的托盘制品;工艺简单、生产耗时短、成本低、生产过程环保。
3、本发明的植物纤维基复合材料可以用于制备物流托盘、烟花底座或产品包装,具有耐腐蚀、强度高、重量轻、成本低且经济环保等优点。
具体实施方式
为了便于理解本发明,下文将结合说明书较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述,但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义,下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的,并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明,本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1:
一种用于物料托盘的植物纤维基复合材料,由含水率为10%的植物纤维组成;其中,植物纤维为长径比>2的竹子长纤维。
采用上述植物纤维基复合材料制备物料托盘,其制备方法包括如下步骤:
(1)将植物纤维与水混合,使植物纤维完全浸润后含水率达到300%,得到混合物料;
(2)将所述步骤(1)得到的混合物料加入物料托盘制品模具中,填满模腔,在100℃下封闭加热,使混合物料中的水分形成水蒸气促进混合物料发泡,得到发泡物料;
(3)将所述步骤(2)后得到的发泡物料,干燥至含水率为10%后,开模取出制品,在制品表面喷涂防水漆形成防水涂层,即得到植物纤维基复合材料制成的物料托盘。
针对本实施例的物料托盘进行性能测试,测试结果如表1所示。
表1:本实施例制备得到的物料托盘的性能测试结果
密度(kg/m<sup>3</sup>) | 抗压强度(MPa) | 拉伸强度(MPa) | 生物降解 | 标准 |
0.75 | 11 | 10.8 | 100% | GB/T1447-2005 |
由此可见,本实施例的物料托盘具有耐腐蚀、可生物降解、生产过程无污染、制品密度低、制品强度高、成本低、经济环保等优点。
实施例2:
一种用于物料托盘的植物纤维基复合材料,由水和以下各组分组成:植物纤维84重量份,胶黏剂3重量份,填充剂5重量份,防水剂3重量份,所述植物纤维基复合材料的含水率为5%;其中,植物纤维为长径比>2的稻草长纤维,胶黏剂为聚乙烯醇,填充剂为二氧化硅,防水剂为丙烯酸酯。
采用上述植物纤维基复合材料制备物料托盘,其制备方法包括如下步骤:
(1)将植物纤维与水混合,使植物纤维完全浸润后含水率达到80%,加入胶黏剂、防水剂和填充剂,搅拌均匀,得到混合物料;
(2)将所述步骤(1)得到的混合物料加入物料托盘制品模具中,填满模腔,在100℃下封闭加热,封闭加热的过程中往模腔中充入水蒸气,充气压力为标准压力的1.5倍,使混合物料中的水分形成水蒸气促进混合物料发泡,得到发泡物料;
(3)将所述步骤(2)后得到的发泡物料,干燥至含水率为5%后,开模取出制品,在制品表面喷涂防水漆形成防水涂层,即得到植物纤维基复合材料制成的物料托盘。
针对本实施例的物料托盘进行性能测试,测试结果如表2所示。
表2:本实施例制备得到的物料托盘的性能测试结果
密度(kg/m<sup>3</sup>) | 抗压强度(MPa) | 拉伸强度(MPa) | 生物降解 | 标准 |
0.55 | 17 | 19 | 100% | GB/T1447-2005 |
由此可见,本实施例的物料托盘具有耐腐蚀、可生物降解、生产过程无污染、制品密度低、制品强度高、成本低、经济环保等优点。
实施例3:
一种用于物料托盘的植物纤维基复合材料,由水和以下各组分组成:植物纤维72重量份,胶黏剂8重量份,填充剂17重量份,防水剂3重量份,所述植物纤维基复合材料的含水率为5%;其中,植物纤维为粒径≤200目的中药材渣颗粒,胶黏剂为淀粉糊,填充剂为碳酸钙,防水剂为聚氨酯。
采用上述植物纤维基复合材料制备物料托盘,其制备方法包括如下步骤:
(1)先用碱对植物纤维进行预处理,然后将植物纤维与水混合,使植物纤维完全浸润后含水率达到80%,加入胶黏剂、防水剂和填充剂,搅拌均匀,得到混合物料;
(2)将所述步骤(1)得到的混合物料加入物料托盘制品模具中,填满模腔,在100℃下封闭加热,封闭加热的过程中往模腔中充入空气,充气压力为标准压力的2倍,使混合物料中的水分形成水蒸气促进混合物料发泡,得到发泡物料;
(3)将所述步骤(2)后得到的发泡物料,干燥至含水率为5%后,开模取出制品,在制品表面喷涂防水漆形成防水涂层,即得到植物纤维基复合材料制成的物料托盘。
针对本实施例的物料托盘进行性能测试,测试结果如表3所示。
表3:本实施例制备得到的物料托盘的性能测试结果
密度(kg/m<sup>3</sup>) | 抗压强度(MPa) | 拉伸强度(MPa) | 生物降解 | 标准 |
0.6 | 22 | 25 | 100% | GB/T1447-2005 |
由此可见,本实施例的物料托盘具有耐腐蚀、可生物降解、生产过程无污染、制品密度低、制品强度高、成本低、经济环保等优点。
实施例4:
一种用于烟花底座的植物纤维基复合材料,由水和以下各组分组成:植物纤维92重量份,胶黏剂3重量份,填充剂5重量份,所述植物纤维基复合材料的含水率为5%;其中,植物纤维为长径比>2的秸秆长纤维,胶黏剂为氧化钙,填充剂为碳酸钙。
采用上述植物纤维基复合材料制备烟花底座,其制备方法包括如下步骤:
(1)将植物纤维与水混合,使植物纤维完全浸润后含水率达到100%,加入胶黏剂、防水剂和填充剂,搅拌均匀,得到混合物料;
(2)将所述步骤(1)得到的混合物料加入烟花底座的制品模具中,填满模腔,在100℃下封闭加热,封闭加热的过程中往模腔中充入空气,充气压力为标准压力的2倍,使混合物料中的水分形成水蒸气促进混合物料发泡,得到发泡物料;
(3)将所述步骤(2)后得到的发泡物料,干燥至含水率为5%后,开模取出制品,即得到植物纤维基复合材料制成的烟花底座。
针对本实施例的烟花底座进行性能测试,测试结果如表4所示。
表4:本实施例制备得到的烟花底座的性能测试结果
密度(kg/m<sup>3</sup>) | 抗压强度(MPa) | 拉伸强度(MPa) | 生物降解 | 标准 |
0.45 | 7 | 6.5 | 100% | GB/T1447-2005 |
由此可见,本实施例的烟花底座具有耐腐蚀、可生物降解、生产过程无污染、制品密度低、制品强度高、成本低、经济环保等优点。
实施例5:
一种用于家具产品包装的植物纤维基复合材料,由水和以下各组分组成:植物纤维87重量份,胶黏剂5重量份,填充剂5重量份,防水剂3重量份,所述植物纤维基复合材料的含水率为7%;其中,植物纤维为长径比>2的芦苇长纤维,胶黏剂为硅酸盐,填充剂为碳酸钙,防水剂为聚氨酯。
采用上述植物纤维基复合材料制备家具产品包装,其制备方法包括如下步骤:
(1)将植物纤维与水混合,使植物纤维完全浸润后含水率达到100%,加入胶黏剂、防水剂和填充剂,搅拌均匀,得到混合物料;
(2)将所述步骤(1)得到的混合物料加入家具产品包装的制品模具中,填满模腔,在120℃下封闭加热,封闭加热的过程中往模腔中充入空气,充气压力为标准压力的2倍,使混合物料中的水分形成水蒸气促进混合物料发泡,得到发泡物料;
(3)将所述步骤(2)后得到的发泡物料,干燥至含水率为7%后,开模取出制品,即得到植物纤维基复合材料制成的家具产品包装。
针对本实施例的家具产品包装进行性能测试,测试结果如表5所示。
表5:本实施例制备得到的家具产品包装的性能测试结果
密度(kg/m<sup>3</sup>) | 抗压强度(MPa) | 拉伸强度(MPa) | 生物降解 | 标准 |
0.5 | 8.5 | 7.8 | 100% | GB/T1447-2005 |
由此可见,本实施例的家具产品包装具有耐腐蚀、可生物降解、生产过程无污染、制品密度低、制品强度高、成本低、经济环保等优点。
实施例6:
一种用于电子产品包装的植物纤维基复合材料,由水和以下各组分组成:植物纤维70重量份,胶黏剂15重量份,填充剂10重量份,防水剂5重量份,所述植物纤维基复合材料的含水率为7%;其中,植物纤维为粒径≤200目的米糠纤维颗粒,胶黏剂为海藻酸钠,填充剂为二氧化硅,防水剂为丙烯酸酯。
采用上述植物纤维基复合材料制备电子产品包装,其制备方法包括如下步骤:
(1)先对植物纤维进行无氧碳化处理,然后将植物纤维与水混合,使植物纤维完全浸润后含水率达到100%,加入胶黏剂、防水剂和填充剂,搅拌均匀,得到混合物料;
(2)将所述步骤(1)得到的混合物料加入电子产品包装的制品模具中,填满模腔,在120℃下封闭加热,封闭加热的过程中往模腔中充入氮气,充气压力为标准压力的4倍,使混合物料中的水分形成水蒸气促进混合物料发泡,得到发泡物料;
(3)将所述步骤(2)后得到的发泡物料,干燥至含水率为7%后,开模取出制品,即得到植物纤维基复合材料制成的电子产品包装。
针对本实施例的电子产品包装进行性能测试,测试结果如表6所示。
表6:本实施例制备得到的电子产品包装的性能测试结果
密度(kg/m<sup>3</sup>) | 抗压强度(MPa) | 拉伸强度(MPa) | 生物降解 | 标准 |
0.25 | 12 | 13 | 100% | GB/T1447-2005 |
由此可见,本实施例的电子产品包装具有耐腐蚀、可生物降解、生产过程无污染、制品密度低、制品强度高、成本低、经济环保等优点。
Claims (10)
1.一种植物纤维基复合材料,其特征在于,所述植物纤维基复合材料主要由水和以下各组分组成:植物纤维60-100重量份,胶黏剂0-10重量份,填充剂0-10重量份,防水剂0-10重量份,所述植物纤维基复合材料的含水率为5-20%,其密度为0.2-1.2kg/m3。
2.根据权利要求1所述的植物纤维基复合材料,其特征在于,所述植物纤维为长径比>2的长纤维和/或粒径≤1000目的纤维颗粒;所述植物纤维包括竹子、稻草、芦苇、木材、棉杆、秸秆、麻秆、米糠、中药材及中药材渣中的任意一种或几种。
3.根据权利要求1所述的植物纤维基复合材料,其特征在于,所述胶黏剂包括聚乙烯醇、淀粉糊、纤维素、单宁、阿拉伯树胶、海藻酸钠、骨胶、鱼胶、紫胶、白乳胶、硅酸盐和氧化钙中的任意一种或几种;所述填充剂包括碳酸钙、二氧化硅、二氧化钛、高岭土、煤灰和黄土中的任意一种或几种;所述防水剂包括丙烯酸酯和/或聚氨酯。
4.根据权利要求1所述的植物纤维基复合材料,其特征在于,所述植物纤维基复合材料主要由水和以下各组分组成:植物纤维84重量份,胶黏剂3重量份,填充剂10重量份,防水剂3重量份。
5.一种如权利要求1-4中任一项所述植物纤维基复合材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将植物纤维与水混合,使植物纤维完全浸润后,加入胶黏剂、防水剂和填充剂,搅拌均匀,得到混合物料;
(2)将所述步骤(1)得到的混合物料加入制品模具中,填满模腔,封闭加热,使混合物料中的水分形成水蒸气促进混合物料发泡,得到发泡物料;
(3)将所述步骤(2)后得到的发泡物料,干燥至含水率为7-20%后,开模取出制品,即得到所述的植物纤维基复合材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中,所述植物纤维完全浸润后,其含水率为30-300%;所述植物纤维在与水混合之前要先用碱、酸、盐、生物酶、蒸气闪爆、辐射、无氧碳化中的一种或多种进行预处理。
7.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中,封闭加热的温度为100-120℃,封闭加热的过程中往模腔中充气,充入的气体为空气、氮气、二氧化碳或水蒸气;以能够使物料完全填满模腔空间时的压力为标准压力,充气压力为所述标准压力的1.1-4倍。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中,干燥的温度为25-200℃。
9.一种如权利要求1-4中任一项所述、或由权利要求6或7所述制备方法制备得到的植物纤维基复合材料的应用,其特征在于,采用所述植物纤维基复合材料制备物流托盘、烟花底座或其他形状的制品。
10.根据权利要求9所述的应用,其特征在于,所述物流托盘、烟花底座或其他形状制品的表面喷涂有防火和/或防水涂层。
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