CN111534071A - 一种秸秆/聚乳酸复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种秸秆/聚乳酸复合材料及其制备方法。该复合材料的制备原料和质量组成为：秸秆20％‑50％，聚乳酸50％‑80％，天然橡胶5％‑10％，其中秸秆是用石蜡进行表面处理后的秸秆粉；制备方法为：首先将秸秆粉碎，然后将石蜡细乳液均匀喷洒在秸秆粉表面，干燥后在秸秆表面形成石蜡包覆层；再将各种原料混合并通过双螺杆挤出机挤出造粒得到复合材料母粒；制备的母粒可通过挤出、注塑、模压等成型工艺生产制品。本发明的秸秆/聚乳酸复合材料具有良好的力学性能，可环境降解；制备方法简便，易于实施。

Description

一种秸秆/聚乳酸复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种具有优良力学性能、可环境降解的秸秆/聚乳酸复合材料及其制备方法。
背景技术
木塑复合材料兼具木材与塑料的性能，而且环保、节约资源，是国内外蓬勃兴起的一类新型复合材料。传统的木塑复合材料采用的塑料基体主要为聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯，这些聚合物在自然环境下难以降解，木塑复合材料制品在废弃后变为所谓的“白色污染”。因此，开发可降解的环境友好型木塑复合材料具有重要意义。
聚乳酸是一种具有良好力学性能和生物降解性能的热塑性塑料，在许多领域得到了广泛的应用。近年来，以聚乳酸为基体，与秸秆复合制备可降解木塑复合材料成为研究的热点。秸秆主要成分为纤维素、木质素和半纤维素，具有很强的极性和亲水性，与聚乳酸之间相容性较差，两者直接复合生产出的材料力学强度较低，受外力冲击时，往往会发生脆性断裂。因此，改善秸秆与聚乳酸之间的界面相容性，并提高复合材料的韧性是秸秆/聚乳酸复合材料研究的重点方向。研究人员采取了多种方法对秸秆进行改性，主要分为物理法、化学法和生物处理法等。然而，许多秸秆改性方法过程繁琐，增加了制备成本。如有文献使用黄麻纤维增强聚乳酸性能，纤维与聚乳酸有良好的相容性和粘结性。然而单一纤维对于增强聚乳酸性能存在不稳定性和局限性，同时因麻类植物种植的地域局限性，其成本日益增高。同样，采用人造纤维制备聚乳酸复合材料，可有效改善材料性能，但其价格较贵，
因此，研究简便的秸秆改性方法，提高与聚乳酸的相容性，改善材料性能，制备具有良好力学性能和加工性能的秸秆/聚乳酸复合材料仍是具有挑战性的课题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，提供一种具有良好力学性能，可降解的环境友好型秸秆/聚乳酸复合材料及其制备方法。
为了实现以上目的，本发明首先提供一种秸秆/聚乳酸复合材料，由以下重量百分数的原料制成：秸秆20％-50％，聚乳酸50％-80％，天然橡胶5％-10％；其中秸秆具体为石蜡细乳液喷洒后的秸秆粉。
优选的，所述秸秆为水稻秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆、棉花秸秆或芦苇中的一种或几种。
优选的，所述秸秆40％，聚乳酸52％，天然橡胶8％。
本发明还提供一种秸秆/聚乳酸复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)秸秆预处理：将秸秆用粉碎机粉碎，过50～80目标准筛，得到秸秆粉；
(2)秸秆的石蜡表面改性：将固体石蜡加入到十二烷基硫酸钠的水溶液中，然后加热使石蜡融化，再利用超声波细胞破碎仪超声细乳化，得到石蜡细乳液，并将石蜡细乳液均匀喷洒在干燥的秸秆粉上，干燥至含水率1％以下；
(3)秸秆/聚乳酸复合材料母粒的制备：选取聚乳酸颗粒、天然橡胶颗粒与步骤(2)处理后的秸秆粉混合，通过双螺杆挤出机挤出造粒，得到复合材料母粒，即为秸秆/聚乳酸复合材料。
优选的，步骤(2)中所述十二烷基硫酸钠的水溶液的质量浓度为0.06％-0.2％。
优选的，步骤(2)中所述固体石蜡与十二烷基硫酸钠的水溶液的用量比为8g:100mL。
优选的，步骤(2)中所述超声细乳化的时间为5～20min；所述细乳化过程将石蜡分散成100nm以下的颗粒。
优选的，步骤(2)中所述石蜡与秸秆粉的质量比为1:10～20。
优选的，步骤(2)中所述干燥的温度为110℃。
本发明的优点和技术效果是：
(1)本发明通过一种简便的方法巧妙地实现了秸秆表面的疏水改性；通过细乳化过程将石蜡分散成100nm以下的颗粒，在表面活性剂十二烷基硫酸钠的作用下稳定分散在水中，将石蜡细乳液喷雾到秸秆上并干燥处理，从而在秸秆表面形成均匀的石蜡包覆层，秸秆表面经过石蜡改性后，疏水性提高，与聚乳酸相容性得到改善；石蜡同时也是润滑剂，可以提高复合材料的加工性能；加入天然橡胶对复合材料起到增韧作用。
(2)本发明制备的秸秆/聚乳酸母粒具有良好的加工性能，可通过挤出、注塑、模压等成型工艺生产制品。
(3)本发明制备的秸秆/聚乳酸复合材料具有良好的力学性能，在自然环境下可完全降解，环境友好；将本发明制备的复合材料埋入土中，180天后降解率超过80％，300天后的降解率为100％。
具体实施方式
以下结合实例对本发明进行详细描述，但本发明不局限于这些实施例。
实施例1：
(1)秸秆预处理：将秸秆用粉碎机粉碎，过50目标准筛，得到秸秆粉；
(2)秸秆的表面疏水改性：将8.0g固体石蜡加入到100mL浓度0.08％的十二烷基硫酸钠水溶液中，然后加热使石蜡融化，然后用超声波细胞破碎仪超声细乳化10min，得到石蜡细乳液，将石蜡细乳液均匀喷洒在干燥的秸秆粉上，其中石蜡与秸秆粉的质量比为1:15，在110℃下干燥至含水率1％以下；
(3)秸秆/聚乳酸复合材料母粒的制备：将石蜡表面处理的秸秆粉、聚乳酸颗粒、天然橡胶颗粒混合，通过双螺杆挤出机挤出造粒，得到复合材料母粒。秸秆粉、聚乳酸颗粒、天然橡胶的质量百分比分别为40％、52％和8％；
将上述制备的秸秆/聚乳酸复合材料母粒通过注塑工艺制备试样，并测定力学性能。秸秆/聚乳酸复合材料的拉伸强度为24.2MPa，弯曲强度为22.8MPa，冲击强度为26.0MPa。
实施例2：
设计四组平行实验，制备过程与实施例1相同，不同之处仅为改变石蜡与秸秆粉的质量比，其他条件与实施例1相同，考察石蜡与秸秆粉的质量比对复合材料力学性能的影响。样品2-1为未进行石蜡表面的秸秆粉、样品2-2、2-3和2-4的石蜡与秸秆粉的质量比分别为1:10、1:15和1:20。
表1石蜡与秸秆粉的质量比对秸秆/聚乳酸复合材料力学性能的影响
样品编号 弯曲强度(MPa) 拉伸强度(MPa) 冲击强度(MPa)
2-1 9.5 9.3 10.5
2-2 16.2 15.6 17.3
2-3 22.8 24.2 26.0
2-4 14.3 15.4 15.6
实验结果表明，未改性秸秆粉与聚乳酸相容性很差，秸秆粉在聚乳酸基体中难以分散，制备的复合材料力学性能较差。秸秆粉表面经石蜡改性后，与聚乳酸的相容性大大改善，制备的秸秆/聚乳酸复合材料的力学性能明显提高。当石蜡与秸秆粉的质量比为1:15时，制备的复合材料具有最优的力学性能，石蜡用量较低或较高时制备的复合材料力学强度降低。这是由于当石蜡用量较少时，只有部分秸秆粉表面能够被石蜡包覆改性，与聚乳酸相容性未能达到最佳；而当石蜡用量过多时，复合材料中含有较多的小分子，使得复合材料力学强度下降。
实施例3：
设计四组平行实验，制备过程与实施例1相同，天然橡胶含量与实施例1相同，不同之处仅为改变秸秆在原料中的质量百分比，聚乳酸在原料中所占百分比相应改变，考察复合材料中秸秆含量对复合材料力学性能的影响。样品3-1、3-2、3-3和3-4的秸秆粉的含量分别为20％、30％、40％和50％。
表2秸秆/聚乳酸复合材料中秸秆含量对力学性能的影响
样品编号 弯曲强度(MPa) 拉伸强度(MPa) 冲击强度(MPa)
3-1 15.7 14.9 16.1
3-2 17.6 16.9 18.5
3-3 22.8 24.2 26.0
3-4 16.3 15.8 17.0
实验结果表明，随着秸秆在秸秆/聚乳酸复合材料中含量增大，复合材料力学性能先增大后减小，当秸秆粉含量为40％时，制备的复合材料力学性能最佳；当秸秆粉含量较低时，秸秆呈“海岛”状形态分散在聚乳酸集体中，容易产生应力集中，导致复合材料受外力作用时易发生破坏；当秸秆含量增加时，部分秸秆纤维间产生交错接触，提高了抵抗外力作用下材料变形和破坏的能力。而当秸秆含量过多时，秸秆互相团聚，导致秸秆、聚乳酸复合材料力学性能的下降。
实施例4：
设计四组平行实验，制备过程与实施例1相同，石蜡改性秸秆的含量与实施例1相同，不同之处仅为改变天然橡胶在原料中的质量百分比，聚乳酸含量相应变化，考察复合材料中天然橡胶的含量对复合材料力学性能的影响。样品4-1中未加天然橡胶，样品4-2、4-3和4-4中天然橡胶含量分别为5％、8％和10％。
表3秸秆/聚乳酸复合材料中天然橡胶的含量对力学性能的影响
样品编号 弯曲强度(MPa) 拉伸强度(MPa) 冲击强度(MPa)
4-1 11.2 12.3 12.5
4-2 17.6 16.9 18.1
4-3 22.8 24.2 26.0
4-4 18.5 17.2 18.8
实验结果表明，未加天然橡胶制备的复合材料力学性能较差，试样易发生脆性断裂。这是由于秸秆/聚乳酸复合材料属于脆性材料，在外力作用下易发生脆性断裂。添加天然橡胶后，天然橡胶起到良好的增韧作用，复合材料的力学性能明显改善。当天然橡胶在复合材料中的含量为8％时，制备的秸秆/聚乳酸复合材料具有最佳的力学性能。
秸秆/聚乳酸复合材料的环境降解性能：秸秆/聚乳酸复合材料具有良好的可降解性能，将上述实施例制备的复合材料埋入土中，180天后降解率超过80％，300天后的降解率为100％。
综上所述，本发明通过秸秆表面石蜡改性，显著提高了秸秆与聚乳酸的相容性，通过天然橡胶增韧改性改善了复合材料的脆性，制备的秸秆/聚乳酸复合材料具有良好的力学性能，在自然环境下可完全降解。复合材料中添加的秸秆不仅改善了材料的综合性能，还大大降低了材料成本。复合材料具有良好的加工性能，可通过注塑、挤出、热压等多种成型方法生产制品。本发明的秸秆/聚乳酸复合材料制备方法简便，易于实施。
说明：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种秸秆/聚乳酸复合材料，其特征在于，由以下重量百分数的原料制成：秸秆20％-50％，聚乳酸50％-80％，天然橡胶5％-10％；其中秸秆具体为石蜡细乳液喷洒后的秸秆粉。
2.根据权利要求1所述的一种秸秆/聚乳酸复合材料，其特征在于，所述秸秆为水稻秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆、棉花秸秆或芦苇中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种秸秆/聚乳酸复合材料，其特征在于，所述秸秆40％，聚乳酸52％，天然橡胶8％。
4.根据权利要求1～3任一所述的秸秆/聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)秸秆预处理：将秸秆用粉碎机粉碎，过50～80目标准筛，得到秸秆粉；
(2)秸秆的石蜡表面改性：将固体石蜡加入到十二烷基硫酸钠水溶液中，然后加热使石蜡融化，再利用超声波细胞破碎仪超声细乳化，得到石蜡细乳液，并将石蜡细乳液均匀喷洒在干燥的秸秆粉上，干燥至含水率1％以下；
(3)秸秆/聚乳酸复合材料母粒的制备：选取聚乳酸颗粒、天然橡胶颗粒与步骤(2)处理后的秸秆粉混合，通过双螺杆挤出机挤出造粒，得到复合材料母粒，即为秸秆/聚乳酸复合材料。
5.根据权利要求4所述的秸秆/聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述十二烷基硫酸钠的水溶液的质量浓度为0.06％-0.2％。
6.根据权利要求4所述的秸秆/聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述固体石蜡与十二烷基硫酸钠水溶液的用量比为8g:100mL。
7.根据权利要求4所述的秸秆/聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述超声细乳化的时间为5～20min；所述细乳化过程将石蜡分散成100nm以下的颗粒。
8.根据权利要求4所述的秸秆/聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述石蜡与秸秆粉的质量比为1:10～20。
9.根据权利要求4所述的秸秆/聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述干燥的温度为110℃。
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