CN112759811A - 生物质活性炭粉/超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是生物质活性炭粉/超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，其内容包括：将生物质活性炭粉和超高分子量聚乙烯在干燥箱中干燥；称取不同比例的原料；在搅拌机中干混；将混合物加入到双螺杆挤出机中熔融复合挤出成型。优点：采用生物质活性炭原料，延续了生物质材料可再生、绿色，高附加值等特点，减少对大气中碳元素的排放，对于环境的保护具有重要的意义。在加工过程中不需要任何其他助剂，采用物理结合的方式制备高效且成本低廉。挤出成品表面光滑不粗糙，具有很高的拉伸强度和弹性模量，在管材和包装用材上具有非常大的应用价值潜力。
Description
技术领域
本发明涉及的是生物质活性炭粉/超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，属于炭塑复合材料技术领域。
背景技术
生物质活性炭由含碳生物质原料经热解、活化加工制备而成，是特异性吸附能力较强的炭材料。活性炭拥有众多优异的性能，如较好的耐水性、耐高温性、耐溶剂耐酸碱性、化学稳定性好、孔隙结构发达以及巨大的比表面积，通常能达到1500cm2/g以上，被广泛应用于生产生活以及科研如气相吸附，液相吸附，催化剂以及催化剂载体同时还有医学等诸多领域。
从原料上来说，活性炭大致被分成四类，分别是煤质活性炭，石油类活性炭，木质活性炭，果壳类活性炭。
活性炭的制备方法主要有三种，第一种是用物理方法以空气、水蒸气或二氧化碳等作为活化剂，让炭化材料在高温的环境下，然后利用CO2气体、空气或水蒸气等氧化性气体与炭材料发生反应，使炭材料的内部形成丰富的孔状结构；第二种是用化学方法是以氯化锌等作为活化剂，在原料中加入试剂，然后加入试剂的混合物中通入氮气或是其他的惰性气体，使其在惰性气体的环境中发生反应从而使氢气以及氧气在炭材料中有选择性的被去除，同时将原料炭化以及活化。第三种是物理化学法将加入一定量添加剂的活性炭原料加工成型，然后再利用炭化以及气体活化反应制造出的活性炭具有特殊的性能，利用化学物理方法制备的活性炭孔径的分布比较规整，且具有较为复杂的孔隙结构。
国际理论(化学)与应用化学联合会(IUPIC)提出了一种针对活性炭的孔隙的分类方法，这种方法以活性炭中不同尺寸孔隙中分子吸附的不同为分类依据将活性炭的孔隙分别命名为大孔、中孔、微孔三类。微孔(孔内径＜2nm)的比表面积大可以产生毛细吸附作用，对活性炭的吸附量起重要影响。中孔(孔内径在2-50nm范围内)可以通过吸附质分子使其扩散，可以改变吸附速率，另外又可以使毛细管凝结发生在一定的相对压力，将一些无法进入微孔的分子吸附，所以中孔在大分子吸附方面有重要作用。大孔(孔内径＞50nm)在活性炭中所占比例较小，同样是活性炭中吸附质分子的通路，对于活性炭的吸附速率具有较大的影响作用。
超高分子量聚乙烯作为单一聚合物中性能最高的材料之一，其在工程应用中有许多优越的性能如：耐磨性能高、耐冲击性能优良、自润滑性优良、化学稳定性较好、没有毒性、环境友好。但是，超高分子量聚乙烯的模量较低、表面硬度偏低、抗蠕变性能较差、实际应用中会产生磨屑碎片进而引起骨质溶解、关节松散等缺点，限制了其作为人工骨关节材料的使用。此外，由于其高分子量，它具有极高的粘度，甚至高于熔点，因此通过常规的螺杆挤出方法难以加工该材料。为了改善上述超高分子量聚乙烯的缺点，在聚合物基体中添加高性能填料是最为简单和常用的方法。
炭塑复合材料在木塑复合材料的基础上改善了其木塑材料受热易变形膨胀，界面相容性差，化学稳定性差等缺点。
发明内容
本发明提出的是一种生物质活性炭粉/超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，其目的是选用生物质资源制作而成的活性炭替代传统的木质纤维与聚合物复合，同时对超高分子量聚乙烯进行改性研究。
本发明的技术解决方案：一种生物质活性炭粉/超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将生物质活性炭粉末原料用100～300目标准筛网进行过滤后置于100℃真空干燥箱中48小时，直至原料中的水分完全消失；
(2)将超高分子量聚乙烯粉末置于真空干燥箱中在60℃下恒温干燥24小时；
(3)将烧杯放置于电子天平上，清零后称取按照质量百分数为60％～80％的活性炭粉末以及质量百分数为20％～40％的超高分子量聚乙烯粉末；
(4)将步骤(3)所得两种粉末原料置于高剪切混合搅拌器中在室温下干混5～10分钟以获得均匀的混合物；
(5)将步骤(4)中所得混合物置于同向旋转的双螺杆挤出机中在170～190℃下熔融混合，螺杆转速设置在30～50转/分；
(6)混合完成后挤出成型。
本发明的优点：解决复合材料受热膨胀收缩易变形，使用寿命短及界面相容性差的问题。同时在加工过程中不需要任何其他助剂，采用物理结合的方式，工艺流程简单易操作，便于生产。且生物质活性炭作为秸秆资源的衍生物延续了生物质材料可再生、绿色，高附加值等特点，减少对大气中碳元素的排放，对于环境的保护具有重要的意义。
附图说明
图1为活性炭粒径为100目的样品拉伸断面扫描电镜图。(放大倍数400倍)
图2为活性炭粒径为200目的样品拉伸断面扫描电镜图。(放大倍数1000倍)
图3为活性炭粒径为300目的样品拉伸断面扫描电镜图。(放大倍数1500倍)
具体实施方式
一种生物质活性炭粉/超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将生物质活性炭粉末原料用100～300目标准筛网进行过滤后置于100℃真空干燥箱中48小时，直至原料中的水分完全消失；
(2)将超高分子量聚乙烯粉末置于真空干燥箱中在60℃下恒温干燥24小时；
(3)将烧杯放置于电子天平上，清零后称取按照质量百分数为60％～80％的活性炭粉末以及质量百分数为20％～40％的超高分子量聚乙烯粉末；
(4)将步骤(3)所得两种粉末原料置于高剪切混合搅拌器中在室温下干混5～10分钟以获得均匀的混合物；
(5)将步骤(4)中所得混合物置于同向旋转的双螺杆挤出机中在170～190℃下熔融混合，螺杆转速设置在30～50转/分；
(6)混合完成后挤出成型。
步骤(1)所述生物质活性炭粉购于普通商业产品，来源广泛，成本低廉。
步骤(2)所述超高分子量聚乙烯密度为150万分子量。
步骤(3)所述称量操作要求准确无误，因为质量分数的差异对产品的性能有极大的影响。
步骤(4)所述干混之前将搅拌容器先置于60℃恒温鼓风干燥箱中干燥2小时，以保证整个实验在干燥过程中进行。
步骤(5)所述工艺过程可以直接挤出成型，也可以进行造粒加工。
实施例1
生物质活性炭粉的添加量为60％(按总质量计，wt％)，粉末粒径为100目，超高分子量聚乙烯的添加量为40％，将两者干混均匀以后投放入双螺杆挤出机中挤出成型。加工温度为 170℃，螺杆转速为同向旋转，螺杆转速为30rpm。
实施例2
生物质活性炭粉的添加量为60％(按总质量计，wt％)，粉末粒径为200目，超高分子量聚乙烯的添加量为40％，将两者干混均匀以后投放入双螺杆挤出机中挤出成型。加工温度为 180℃，螺杆转速为同向旋转，螺杆转速为30rpm。
实施例3
生物质活性炭粉的添加量为60％(按总质量计，wt％)，粉末粒径为300目，超高分子量聚乙烯的添加量为40％，将两者干混均匀以后投放入双螺杆挤出机中挤出成型。加工温度为 190℃，螺杆转速为同向旋转，螺杆转速为30rpm。
实施例4
生物质活性炭粉的添加量为65％(按总质量计，wt％)，粉末粒径为100目，超高分子量聚乙烯的添加量为35％，将两者干混均匀以后投放入双螺杆挤出机中挤出成型。加工温度为 170℃，螺杆转速为同向旋转，螺杆转速为30rpm。
实施例5
生物质活性炭粉的添加量为65％(按总质量计，wt％)，粉末粒径为200目，超高分子量聚乙烯的添加量为35％，将两者干混均匀以后投放入双螺杆挤出机中挤出成型。加工温度为 180℃，螺杆转速为同向旋转，螺杆转速为30rpm。
实施例6
生物质活性炭粉的添加量为65％(按总质量计，wt％)，粉末粒径为300目，超高分子量聚乙烯的添加量为35％，将两者干混均匀以后投放入双螺杆挤出机中挤出成型。加工温度为 190℃，螺杆转速为同向旋转，螺杆转速为30rpm。
实施例7
生物质活性炭粉的添加量为70％(按总质量计，wt％)，粉末粒径为100目，超高分子量聚乙烯的添加量为30％，将两者干混均匀以后投放入双螺杆挤出机中挤出成型。加工温度为 170℃，螺杆转速为同向旋转，螺杆转速为30rpm。
实施例8
生物质活性炭粉的添加量为70％(按总质量计，wt％)，粉末粒径为200目，超高分子量聚乙烯的添加量为30％，将两者干混均匀以后投放入双螺杆挤出机中挤出成型。加工温度为 180℃，螺杆转速为同向旋转，螺杆转速为30rpm。
实施例9
生物质活性炭粉的添加量为70％(按总质量计，wt％)，粉末粒径为300目，超高分子量聚乙烯的添加量为30％，将两者干混均匀以后投放入双螺杆挤出机中挤出成型。加工温度为 190℃，螺杆转速为同向旋转，螺杆转速为30rpm。
实施例10
生物质活性炭粉的添加量为75％(按总质量计，wt％)，粉末粒径为100目，超高分子量聚乙烯的添加量为25％，将两者干混均匀以后投放入双螺杆挤出机中挤出成型。加工温度为 170℃，螺杆转速为同向旋转，螺杆转速为30rpm。
实施例11
生物质活性炭粉的添加量为75％(按总质量计，wt％)，粉末粒径为200目，超高分子量聚乙烯的添加量为25％，将两者干混均匀以后投放入双螺杆挤出机中挤出成型。加工温度为 180℃，螺杆转速为同向旋转，螺杆转速为30rpm。
实施例12
生物质活性炭粉的添加量为75％(按总质量计，wt％)，粉末粒径为300目，超高分子量聚乙烯的添加量为25％，将两者干混均匀以后投放入双螺杆挤出机中挤出成型。加工温度为 190℃，螺杆转速为同向旋转，螺杆转速为30rpm。
实施例13
生物质活性炭粉的添加量为80％(按总质量计，wt％)，粉末粒径为100目，超高分子量聚乙烯的添加量为20％，将两者干混均匀以后投放入双螺杆挤出机中挤出成型。加工温度为 170℃，螺杆转速为同向旋转，螺杆转速为30rpm。
实施例14
生物质活性炭粉的添加量为80％(按总质量计，wt％)，粉末粒径为200目，超高分子量聚乙烯的添加量为20％，将两者干混均匀以后投放入双螺杆挤出机中挤出成型。加工温度为 180℃，螺杆转速为同向旋转，螺杆转速为30rpm。
实施例15
生物质活性炭粉的添加量为80％(按总质量计，wt％)，粉末粒径为300目，超高分子量聚乙烯的添加量为20％，将两者干混均匀以后投放入双螺杆挤出机中挤出成型。加工温度为 190℃，螺杆转速为同向旋转，螺杆转速为30rpm。
Claims (5)
1.生物质活性炭粉/超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，其制备方法包括如下骤：
(1)将生物质活性炭粉末原料用100～300目筛网进行过滤后置于100℃真空干燥箱中48小时，直至原料中的水分完全消失；
(2)将超高分子量聚乙烯粉末置于真空干燥箱中在60℃下恒温干燥24小时；
(3)将烧杯放置于电子天平上，清零后称取按照质量百分数为60％～80％的活性炭粉末以及质量百分数为20％～40％的超高分子量聚乙烯粉末；
(4)将步骤(3)所得两种粉末原料置于高剪切混合搅拌器中在室温下干混5～10分钟以获得均匀的混合物；
(5)将步骤(4)中所得混合物置于同向旋转的双螺杆挤出机中在170～190℃下熔融混合，螺杆转速设置在30～50转/分；
(6)混合完成后挤出成型。
2.根据权利要求1所述的一种生物质活性炭粉/超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法中，其步骤(1)中所述生物质活性炭可以由麦秸秆炭或玉米秸秆炭制成，所用活性炭粒度为100～300目。
3.根据权利要求1所述的一种生物质活性炭粉/超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法中，其特征是所述的步骤(2)中的超高分子量聚乙烯密度为150万分子量。
4.根据权利要求1所述的一种生物质活性炭粉/超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法中，其特征是所述的步骤(4)中高剪切混合搅拌器所选用的搅拌速度为15000～24000转/分。
5.根据权利要求1所述的一种生物质活性炭粉/超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法中，其特征是所述的步骤(5)中混合物不添加任何偶联剂或者其他助剂，不发生化学反应，复合材料结合方式为物理结合。
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