CN113136060A - 一种芳纶纳米纤维增强甜高粱渣复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种芳纶纳米纤维增强甜高粱渣复合材料的制备方法，采用二甲基亚砜/氢氧化钾体系对甜高粱渣及芳纶线进行预处理，利用生物基材料制备技术来生产具有良好力学强度的复合材料，进而扩宽废弃物甜高粱渣的应用途径，提高甜高粱渣的综合利用率，生产具有高附加值的产品，有效改善了甜高粱渣木塑复合材料的力学性能，提高了甜高粱渣废弃物的利用价值，实现了燃料乙醇工业废弃物甜高粱残渣在材料方面的高值化利用。

Description

一种芳纶纳米纤维增强甜高粱渣复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于新型复合材料领域，具体涉及一种采用二甲基亚砜/氢氧化钾体系预处理甜高粱渣及芳纶线，制备芳纶纳米纤维增强甜高粱渣/高密度聚乙烯复合材料的方法。
背景技术
甜高粱作为一种能源作物，其茎秆含糖量很高，可以通过固态发酵生产燃料乙醇，解决能源短缺的问题。但是在燃料乙醇工业生产中产生了大量的废弃物残渣——甜高粱渣，大部分残渣被当作废弃物直接丢弃，造成了极大的生物质资源浪费和严重的环境污染。虽然甜高粱渣是一种工业废弃物，但是仍然含有较高的纤维素、半纤维素及木质素含量，其资源化利用价值较高，开发潜力巨大，可进一步转化为具有高附加值的产品。
目前甜高粱渣的利用方法包括用作青贮饲料、造纸原料以及复合材料等，但甜高粱渣木塑复合材料的力学强度偏低，残渣的规模化有效处理仍是燃料乙醇行业发展面临的重要挑战。一种芳纶纳米纤维增强甜高粱渣复合材料的制备方法是采用二甲基亚砜/氢氧化钾体系预处理甜高粱渣及芳纶线，通过熔融挤出及注塑成型制备芳纶纳米纤维增强甜高粱渣/高密度聚乙烯复合材料。这为废弃物甜高粱渣的利用提供了一种新途径，也实现了废旧塑料的回收再利用，变废为宝，得到了一种新型复合材料，在一定程度上有利于缓解环境污染和资源短缺的问题。
公开号为CN110080036A的中国专利申请提供了一种含微纤化纤维素的纤维复合材料及其制备方法。该发明分别用阴离子助剂和阳离子助剂对微纤化纤维素和无机填料进行改性，然后将改性后两种水分散液混合，并加入纤维、胶乳和助剂，所得浆料再经抄造、脱水、干燥、硫化后得到含微纤化纤维素的纤维复合材料。该发明需要的纤维种类及无机填料种类繁多，且制备过程较为繁琐，所得纤维复合材料横向拉伸强度为10.9MPa。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种芳纶纳米纤维增强甜高粱渣复合材料的制备方法，目的是采用二甲基亚砜/氢氧化钾体系对甜高粱渣及芳纶线进行预处理，利用生物基材料制备技术来生产具有良好力学强度的复合材料，进而扩宽废弃物甜高粱渣的应用途径，提高甜高粱渣的综合利用率，生产具有高附加值的产品，进而实现良好的经济效益和社会效益。
本发明所提供的方案如下：
一种芳纶纳米纤维增强甜高粱渣复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、取重量份40份的甜高粱渣，粉碎至130-150目，将粉碎后的粉末放入 50-70℃烘箱干燥至含水率2％以下；
本步骤中，甜高粱渣可以选择使用改性甜高粱渣，具体的改性方法为：
将未改性甜高粱渣与二甲基亚砜/氢氧化钾体系溶液混合，在室温下搅拌 24h，将得到的均匀混合物经水洗后干燥，得到改性甜高粱渣；
其中，所述的二甲基亚砜/氢氧化钾体系溶液的制备方法为：
将二甲基亚砜与去离子水按体积比25:1混合，得到二甲基亚砜溶液，向所得二甲基亚砜溶液中每100ml加入0.5g氢氧化钾，得到二甲基亚砜/氢氧化钾体系溶液；
S2、取重量份1-10份芳纶线，使用乙醇清洗去除表面杂质，干燥；
S3、将S2干燥后的芳纶线与二甲基亚砜/氢氧化钾体系溶液混合，在室温下搅拌24h，将得到的均匀混合物经水洗后干燥，得到芳纶纳米纤维；
其中，本步骤中所述的二甲基亚砜/氢氧化钾体系溶液的制备方法与上述相同，具体为，将二甲基亚砜与去离子水按体积比25:1混合，得到二甲基亚砜溶液，向所得二甲基亚砜溶液中每100ml加入0.5g氢氧化钾，得到二甲基亚砜/ 氢氧化钾体系溶液；
本步骤中，干燥的方法可以选择烘箱干燥或冷冻干燥，当选择烘箱干燥时，烘干温度为60℃，烘干时间24h；选择冷冻干燥时，冷冻温度为-80℃，冷冻时间24h；
S4、将S1所得甜高粱渣粉末、S3所得芳纶纳米纤维、重量份50-60份高密度聚乙烯和1-5份润滑剂充分混合，得到混合料；
本步骤中，所述润滑剂一般选择为粉末状聚乙烯蜡(PE蜡)；
S5、将S4所得混合料投入到锥形双螺杆挤出机中进行熔融共混，挤出至料筒内，投入到微型注塑机中进行注塑成型，得到所述复合材料；
本步骤中，所述挤出机的挤出转速为30-50r/min，挤出温度170-180℃，注塑机的料筒温度和注塑温度为170-180℃，注塑压力为5-10MPa，保压时间为5-10s，模具温度为40-50℃。
根据甜高粱渣的加入方法不同，本发明还有另外一种方案：
其中，S1、S2与上述方案相同，
S3、将S2干燥后的芳纶线与二甲基亚砜/氢氧化钾体系溶液混合，在室温下搅拌24h，投入S1所得甜高粱渣粉末，室温下搅拌72h，使得甜高粱渣分散均匀，混合物水洗至中性，干燥，得到甜高粱渣芳纶纳米纤维杂化物；
S4中，将S3所得甜高粱渣芳纶纳米纤维杂化物、重量份50-60份高密度聚乙烯和1-5份润滑剂充分混合，得到混合料；
S5与上述方案相同。
本方案实质是采用芳纶纳米纤维溶液处理甜高粱渣，以制备甜高粱渣芳纶纳米纤维杂化物，再以所得杂化物制备复合材料，根据芳纶纳米纤维掺入方式的不同，会给最终产物的复合材料带来更好的性能。
与现有技术相比，本发明优点是：
1)通过利用二甲基亚砜/氢氧化钾体系预处理甜高粱渣及芳纶线，得到了一种新型材料，有效改善了甜高粱渣木塑复合材料的力学性能；
2)提高了甜高粱渣废弃物的利用价值，实现了燃料乙醇工业废弃物甜高粱残渣在材料方面的高值化利用。
附图说明
图1是本发明工艺流程图。
具体实施方式
下面是结合实施例对本发明进一步说明。
以下实施例中所选用高密度聚乙烯(HDPE)为中国台湾聚合化学品有限公司生产，型号为9001，密度0.936g/cm3；
所选用聚乙烯蜡的密度为0.94g/cm3；
所使用的二甲基亚砜/氢氧化钾体系溶液的制备方法为，将二甲基亚砜与去离子水按体积比25:1混合，得到二甲基亚砜溶液，向所得二甲基亚砜溶液中每 100ml加入0.5g氢氧化钾。
以下实施例中原料均为重量份。
对比例
1)将甜高粱渣粉碎至140目，放入60℃烘箱内干燥24h，使其含水率降至2％；
2)按重量份数称取原料：未改性甜高粱渣40份、高密度聚乙烯60份、聚乙烯蜡5份，充分混合得到均匀混料。
3)将混合充分的物料投入到锥形双螺杆挤出机中进行熔融共混，挤出至料筒内。挤出机转速为60r/min，挤出温度及料筒温度均为175℃。
4)混合物经料筒投入到微型注塑机中进行注塑成型，得到所需材料。注塑温度为175℃，注塑压力为5MPa，保压时间为5s，模具温度为40℃
实施例1
1)将甜高粱渣粉碎至140目，放入60℃烘箱内干燥24h，使其含水率降至 2％；
2)采用二甲基亚砜/氢氧化钾体系处理甜高粱渣，纤维与溶液质量体积比例为1:10，在室温下搅拌24h，混合物水洗至中性，烘干后得到改性甜高粱渣。
3)按重量份数称取原料：改性甜高粱渣40份、高密度聚乙烯60份、聚乙烯蜡5份，充分混合得到均匀混料。
4)将混合充分的物料投入到锥形双螺杆挤出机中进行熔融共混，挤出至料筒内，挤出机转速为60r/min，挤出温度及料筒温度均为175℃。
5)混合物经料筒投入到微型注塑机中进行注塑成型，得到所需材料。注塑温度为175℃，注塑压力为5MPa，保压时间为5s，模具温度为40℃。
实施例2
1)将甜高粱渣粉碎至140目，放入60℃烘箱内干燥24h，使其含水率降至 2％；
2)芳纶线用乙醇清洗三遍，去除表面杂质，放入60℃烘箱干燥24h；
3)采用二甲基亚砜/氢氧化钾体系配制2mg/ml的芳纶纳米纤维溶液，在室温下搅拌24h，得到的均匀混合物经水洗后，冷冻干燥，冷冻温度为-80℃，冷冻时间24h，得到冻干芳纶纳米纤维；
4)按重量份数称取原料：未改性甜高粱渣40份、高密度聚乙烯50份、冻干芳纶纳米纤维10份、聚乙烯蜡5份，充分混合得到均匀混料。
5)将混合充分的物料投入到锥形双螺杆挤出机中进行熔融共混，挤出至料筒内，挤出机转速为60r/min，挤出温度及料筒温度均为175℃。
6)混合物经料筒投入到微型注塑机中进行注塑成型，得到所需材料。注塑温度为175℃，注塑压力为5MPa，保压时间为5s，模具温度为40℃。
实施例3
1)筛选140目的甜高粱渣放入60℃烘箱内干燥24h，使其含水率降至2％；
2)用乙醇清洗三遍芳纶线，去除表面杂质，放入60℃烘箱干燥；
3)采用二甲基亚砜/氢氧化钾体系配制2mg/ml的芳纶纳米纤维溶液，在室温下搅拌24h。
4)将7g甜高粱渣置于500ml芳纶纳米纤维溶液中，室温下搅拌72h，使甜高粱渣均匀分散在芳纶纳米纤维溶液中，混合物经水洗至中性，置于60℃烘箱干燥，得到甜高粱渣芳纶纳米纤维杂化物。
5)按重量份数称取原料：甜高粱渣及纳米纤维杂化物50份；高密度聚乙烯 50份；聚乙烯蜡5份，室温下充分混合得到均匀混料。
6)将混合充分的物料投入到锥形双螺杆挤出机中进行熔融共混，挤出至料筒内，挤出机转速为60r/min，挤出温度及料筒温度均为175℃。
6)混合物经料筒投入到微型注塑机中进行注塑成型，得到所需材料。注塑温度为175℃，注塑压力为5MPa，保压时间为5s，模具温度为40℃。
按照相关国家标准对复合材料进行测试，对比例及实施例1～3的测试结果如表1所示：
表1对比例及实施例1～3所得复合材料的力学测试数据
实施例 拉伸强度 弯曲强度 冲击强度
对比例 20.48 31.39 8.28
实施例1 23.53 31.54 11.67
实施例2 21.59 29.77 5.25
实施例3 25.38 35.36 11.58
可以看出，相对于单纯的甜高粱渣复合材料，本发明所提供的芳纶纳米纤维增强甜高粱渣复合材料具有更好的力学性能，可循环使用，应用前景良好。

Claims (9)

1.一种芳纶纳米纤维增强甜高粱渣复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、取重量份40份的甜高粱渣，粉碎至130-150目，将粉碎后的粉末放入50-70℃烘箱干燥至含水率2％以下；
S2、取重量份1-10份芳纶线，使用乙醇清洗去除表面杂质，干燥；
S3、将S2干燥后的芳纶线与二甲基亚砜/氢氧化钾体系溶液混合，在室温下搅拌24h，将得到的均匀混合物经水洗后干燥，得到芳纶纳米纤维；
S4、将S1所得甜高粱渣粉末、S3所得芳纶纳米纤维、重量份50-60份高密度聚乙烯和1-5份润滑剂充分混合，得到混合料；
S5、将S4所得混合料投入到锥形双螺杆挤出机中进行熔融共混，挤出至料筒内，投入到微型注塑机中进行注塑成型，得到所述复合材料。
2.根据权利要求1所述一种芳纶纳米纤维增强甜高粱渣复合材料的制备方法，其特征在于，S3中，将S2干燥后的芳纶线与二甲基亚砜/氢氧化钾体系溶液混合，在室温下搅拌24h，投入S1所得甜高粱渣粉末，室温下搅拌72h，混合物水洗至中性，干燥，得到甜高粱渣芳纶纳米纤维杂化物；
S4中，将S3所得甜高粱渣芳纶纳米纤维杂化物、重量份50-60份高密度聚乙烯和1-5份润滑剂充分混合，得到混合料。
3.根据权利要求1所述一种芳纶纳米纤维增强甜高粱渣复合材料的制备方法，其特征在于，S1中所述甜高粱渣为改性甜高粱渣，其改性方法为，将未改性甜高粱渣与二甲基亚砜/氢氧化钾体系溶液混合，在室温下搅拌24h，将得到的均匀混合物经水洗后干燥，得到改性甜高粱渣。
4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述一种芳纶纳米纤维增强甜高粱渣复合材料的制备方法，其特征在于，所述二甲基亚砜/氢氧化钾体系溶液的制备方法为，将二甲基亚砜与去离子水按体积比25:1混合，得到二甲基亚砜溶液，向所得二甲基亚砜溶液中每100ml加入0.5g氢氧化钾，得到二甲基亚砜/氢氧化钾体系溶液。
5.根据权利要求1或2所述一种芳纶纳米纤维增强甜高粱渣复合材料的制备方法，其特征在于，S3中所述干燥为烘箱干燥或冷冻干燥。
6.根据权利要求5所述一种芳纶纳米纤维增强甜高粱渣复合材料的制备方法，其特征在于，所述烘箱干燥的烘干温度为60℃，烘干时间24h。
7.根据权利要求5所述一种芳纶纳米纤维增强甜高粱渣复合材料的制备方法，其特征在于，所述冷冻干燥的冷冻温度为-80℃，冷冻时间24h。
8.根据权利要求1所述一种芳纶纳米纤维增强甜高粱渣复合材料的制备方法，其特征在于，S4中所述润滑剂为聚乙烯蜡。
9.根据权利要求1所述一种芳纶纳米纤维增强甜高粱渣复合材料的制备方法，其特征在于，S5中所述挤出机的挤出转速为30-50r/min，挤出温度170-180℃，注塑机的料筒温度和注塑温度为170-180℃，注塑压力为5-10MPa，保压时间为5-10s，模具温度为40-50℃。
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