CN112778578B - 一种植物塑料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种植物塑料及其制备方法。该塑料仅由微米级的植物纤维构成，植物纤维弯曲变形并紧密缠绕，形成致密的微结构。植物塑料外观性质类似普通塑料，光学半透明，质地硬，强度高，密度(约1.2‑1.6g/cm3)接近纤维素的理论密度(约1.6g/cm3)；其成分为天然纤维素，无热塑性，可完全生物降解。本发明的制备方法为：将植物纤维表面用化学溶液处理；然后用酸或水溶液处理；最后用水清洗去除样品中的化学残留物、干燥，获得植物塑料。本发明制备的植物塑料是一种全新的材料，其制备方法具有原料来源广泛，成本低、制备步骤简单等特点，具有广阔的应用范围。

Description

一种植物塑料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种植物塑料的新材料及其制备方法，属于人工微结构材料、生态材料及其制备技术。
背景技术
塑料是石油化工的重要产物，是人类最伟大的发明之一。然而，由于塑料的难降解性，随着塑料废弃物的日益增多，近年来引发了所谓的“塑料危机”。不仅在陆地，甚至在海洋的最深处，都发现了塑料颗粒。塑料不仅导致环境污染，甚至以水、水生动物等的形式进入人的体内，影响着人类健康。因此，寻找塑料的替代品，发展完全可生物降解、环境友好的新材料是环境可持续发展的重要保障。天然纤维素是自然界最丰富的天然高分子，具有成本低廉、可再生、环境友好、可生物降解等优点，因而利用纤维素制备新型的材料具有重大的科学价值和社会意义。
传统上，人们将天然植物中蕴含的植物纤维通过粘结胶等方式粘结起来，形成具有一定强度的块材，如地板、装修木板材等。由于加入了胶等物质，大大影响了其环境友好性。采用淀粉等环境友好的胶粘结植物纤维形成的块材，成本高，容易霉变。还有一种方式是将植物纤维全部溶解成纳米纤维素纤维，然后在溶液中重新析出固化获得再生纤维素，获得纤维素丝或者纤维素块材。但将纳米纤维从植物中抽取出来形成纳米纤维的制备时间和成本非常高，同时纳米纤维制备块材的时间和成本也非常高，导致所得材料很难具有生产和应用价值。
使用植物的微米纤维，即植物的细胞(如造纸纤维)，来构筑具有塑料功能性能的新材料，将极大降低成本，使得所得的植物塑料具有代替难降解塑料实现大规模应用的可能性。然而，由于在不加粘结胶等外来物质辅助的情况下，植物微米纤维间的强相互作用很难实现，纯植物微米纤维形成类似塑料的材料目前未见报道。
发明内容
本发明的目的是利用微米级的植物纤维制备出一种可完全生物降解、性能优异的植物塑料新材料，以满足部分替代塑料的环境友好的应用。本发明的另外一个目的是提供该新材料的制备方法。
本发明采用的技术方案为：
一种植物塑料，仅由微米级的植物纤维构成，植物纤维弯曲变形并紧密缠绕，形成致密的微结构；所述植物塑料无热塑性并可完全生物降解。
进一步地，所述植物塑料的密度为1.2-1.6g/cm3，肖氏硬度为60-80。
进一步地，所述微米级的植物纤维为破壁或非破壁的植物细胞。
本发明一种植物塑料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将分散的植物纤维用A处理溶液处理一定时间，以提高微米级的植物纤维的表面活性；
(2)再用B处理溶液处理一定时间，使得植物纤维硬化形成块材；
(3)将步骤(2)得到的块材用水清洗去除化学残留物，干燥后即可获得所述植物塑料。
进一步地，在步骤(1)中，所述A处理溶液包括强碱溶液、碱/尿素混合溶液、氯化锂/二甲基乙酰胺溶液、离子液体、铜氨溶液或者N-甲基吗啉-N-氧化物溶液。
进一步地，在步骤(1)中，所述处理一定时间具体为5分钟到72小时。
进一步地，在步骤(2)中，所述B处理溶液为盐酸溶液、醋酸溶液、硫酸溶液、氢氧化钠溶液或水，或以上溶液任意安全的组合方式。
进一步地，在步骤(2)中，所述处理一定时间具体为1分钟到72小时。
本发明以植物纤维为原料(如造纸纤维但不局限于造纸纤维)，通过调控纤维的形态从而调控材料的微结构，形成具有新的宏观性能的新材料。本发明的优势在于：
(1)所得的植物塑料仅由植物纤维构成，不含有任何外来物质，具有常用塑料的外观和力学性质。
(2)整个制备过程中不需要将纤维素纤维溶解成纳米纤维，只进行植物原始纤维的结构调控，从而保留了植物纤维的性能，同时极大降低了成本，提高了生产率。
(3)植物纤维是一种绿色环保材料，其原料的来源十分丰富，使得本发明的制备方法可操作性强。
(4)制备过程成本低，耗能耗时少，且不需要机械压力辅助。
(5)本发明制备的植物塑料作为一种可完全生物降解的具有优异性能的生态新材料，可望取代很多塑料的应用，因此在日用品、机械零部件、军用品、电绝缘零件和医药卫生用品等方面具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为实施例1中制备的植物塑料表面形貌扫描电镜图；
图2为实施例1中制备的植物塑料的块材照片；
图3为实施例1中制备的植物塑料的拉伸强度；
图4为实施例1中制备的植物塑料的硬度与常用塑料的比较。
具体实施方式
实施例1：
将来源于棉花的纤维素纤维10g与7％NaOH，12％尿素水溶液混合，并充分搅拌均匀，所需氢氧化钠尿素水溶液的体积为100ml，在－18℃温度下冷冻1小时后取出，纤维形态从平直变成扭曲，纤维表面被轻微溶解，露出新鲜表面，取出之后浸入稀盐酸中10小时，之后用去离子水多次清洗，然后将洗净的样品干燥，失水过程中，纤维主动收缩，形成致密的结构，最后得到植物塑料新材料。其扫描电镜图如图1所示，图中植物塑料由微米级的植物纤维构成，植物纤维弯曲变形并紧密缠绕，形成非常致密的结构。
从图2可以看出，本实施例的植物塑料(白色块状)外观类似普通的塑料，光学半透明，质地硬，强度高，密度(约1.2-1.6g/cm3)接近纤维素的理论密度(约1.6g/cm3)。该植物塑料的成分为天然纤维素，无热塑性，可完全生物降解。
实施例2：
将来源于木材的8g纤维素纤维与7％NaOH，12％尿素水溶液混合，并充分搅拌均匀，所需水溶液的体积为100ml，将所得混合体系在-13℃温度下冷冻处理3小时，纤维形态从平直变成扭曲，纤维表面被轻微溶解，露出新鲜表面，取出之后浸入稀硫酸中72小时，之后用去离子水清洗，然后将洗净的样品干燥，失水过程中，纤维主动收缩，形成致密的结构，最后得到植物塑料。
实施例3：
将来源于稻草的10g纤维素纤维与氯化锂/DMAc＝8g：100ml溶液混合，在温度140℃反应30min后，将所得混合体系静置10小时，纤维素表面被轻微溶解，暴露出新鲜的表面，用去离子水多次清洗，然后将洗净的样品干燥，最后得到植物塑料。
实施例4：
将来源于竹子的纤维素纤维20g与1-丁基-3-甲基咪唑盐酸盐离子液体150g混合后再压力1MPa,100℃的温度下反应并处理1小时，此时纤维溶胀扭曲，纤维表面被轻微溶解。暴露新鲜表面，静置30分钟之后，用去离子水多次清洗，然后将洗净的样品干燥，样品主动收缩，形成致密的结构，最后得到植物塑料。
实施例5：
将来源于麦秆的纤维素纤维20g与7％NaOH，12％尿素水溶液混合，并充分搅拌均匀，所需氢氧化钠尿素水溶液的体积为160ml，在－15℃温度下冷冻2小时后取出，该过程纤维溶胀和螺旋扭曲，纤维表面被轻微溶解，暴露出新鲜表面，取出之后浸入盐酸中48小时，之后用去离子水多次清洗，然后将洗净的样品干燥，干燥过程纤维主动收缩，形成致密的结构，最后得到植物塑料。
实施例6：
将来源于棉花的纤维素纤维10g与7％NaOH，12％尿素水溶液混合，并充分搅拌均匀，所需氢氧化钠尿素水溶液的体积为110ml，在－18℃温度下冷冻10min后取出，此时纤维溶胀和螺旋扭曲，纤维表面被轻微溶解，暴露新鲜表面，取出之后浸入稀硫酸中2分钟，之后用去离子水多次清洗，然后将洗净的样品干燥，此时样品主动收缩，形成致密结构，最后得到植物塑料。
实施例7：
将来源于藤本植物的纤维素纤维100g与7％NaOH，12％尿素水溶液混合，并充分搅拌均匀，所需水溶液的体积为1000ml，在－13℃温度下冷冻24小时，此时纤维溶胀和螺旋扭曲，纤维表面被轻微溶解，暴露新鲜表面，取出之后浸入醋酸中50小时，之后用去离子水多次清洗，然后将洗净的样品干燥，此时样品主动收缩，形成致密结构，最后得到植物塑料。
实施例8：
将来源于棉花的纤维素纤维10g与铜氨溶液混合并充分搅拌均匀，溶液中的Cu/NH3摩尔比为0.046/0.36，所需铜氨溶液50ml,将所得混合体系处理1小时，取出之后浸入10％NaOH溶液中10小时，此时纤维扭曲、缠绕，纤维表面被轻微溶解，之后用去离子水多次清洗，然后将洗净的样品干燥，干燥时样品主动收缩，形成致密结构，最后得到植物塑料。
实施例9：
将来源于棉花的纤维素纤维10g与87％150mlNMMO溶液混合并充分搅拌均匀，在温度120℃温度下反应两小时，纤维溶胀，纤维表面被轻微溶解，暴露出新鲜表面，取出之后浸入去离子水中70小时，之后用去离子水多次清洗，然后将洗净的样品干燥，此时样品主动收缩，形成致密结构，最后得到植物塑料。
实施例10：
将来源于棉花的纤维素纤维10g与18％NaOH强碱溶液混合并充分搅拌均匀，所需强碱溶液30ml，将所得混合体系处理20小时，此时纤维溶胀，纤维螺旋状扭曲，纤维之间相互缠绕，取出之后浸入盐酸中1小时，之后用去离子水多次清洗，然后将洗净的样品干燥，干燥时样品主动收缩，形成致密结构，最后得到植物塑料。

Claims (3)

1.一种植物塑料，其特征在于，该塑料仅由微米级的植物纤维构成，植物纤维弯曲变形并紧密缠绕，形成致密的微结构；所述植物塑料无热塑性并可完全生物降解；
所述植物塑料由以下方法制得：
（1）将分散的植物纤维用A处理溶液处理5分钟到72小时，以提高微米级的植物纤维的表面活性；所述A处理溶液包括强碱溶液、碱/尿素混合溶液、氯化锂/二甲基乙酰胺溶液、离子液体、铜氨溶液或者N-甲基吗啉-N-氧化物溶液；
（2）再用B处理溶液处理1分钟到72小时，使得植物纤维硬化形成块材；所述B处理溶液为盐酸溶液、醋酸溶液、硫酸溶液、氢氧化钠溶液或水，或以上溶液任意安全的组合方式；
（3）将步骤（2）得到的块材用水清洗去除化学残留物，干燥后即可获得所述植物塑料。
2.根据权利要求1所述的一种植物塑料，其特征在于，所述植物塑料的密度为1.2-1.6g/cm3，肖氏硬度为60-80。
3.根据权利要求1或2所述的一种植物塑料，其特征在于，所述微米级的植物纤维为破壁或非破壁的植物细胞。
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