CN114806206B - 一种改性可降解的生物质纤维及其制备方法 - Google Patents

一种改性可降解的生物质纤维及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了生物质纤维技术领域的一种改性可降解的生物质纤维及其制备方法，所述可降解的生物质纤维包括：改性秸秆粉末：80～160份；淀粉：20～50份；聚乳酸：20～50份；增韧剂：0.5～5.5份；调色剂：0.5～6.5份；本发明通过制备一种BiNSe纳米材料，使纳米粒子牢固接枝在生物质纤维表面，同时BiNSe纳米材料形成的疏水膜阻碍有害离子入侵，实现了可降解的生物质纤维的改性效果，提高了防水性和力学性能；同时使用低温预冷处理，有效降低纤维素的结晶度，实现了既降低吸湿性又能提高降解速度的效果；此外，可降解的生物质纤维的制备选用天然植物废料，制备方法简单，成本低廉，可大量投产使用。

Description

一种改性可降解的生物质纤维及其制备方法
技术领域
本发明属于生物质纤维技术领域，具体是指一种改性可降解的生物质纤维及其制备方法。
背景技术
目前，全球经济正加快发展，导致了人类对各种能源的需求量与日俱增，然而化石燃料等能源的储量急剧减少，且不可再生，另外，环境污染问题亦逐渐加剧，人类正面临着能源危机和环境污染的双重挑战，因此寻找新的可再生能源是当前的首要任务之一。
在这种情况下，能替代石油的可再生、可降解的新型化纤原料的经济性日益显现，以生物质工程技术为核心的绿色纤维及材料替代化石原料资源，并对化工加工工艺路线替代，对生化方法改性，从而实现生化差别化发展将成为引领化纤工业发展的新潮流，因此目前对于可降解的生物质纤维的制备中如何提高可降解的生物质纤维的性能成为未来研究的热点，而现有技术存在以下问题：
生物质原生纤维历史悠久，而降解生物质纤维以及生物质合成纤维制备发展较晚，所以目前我国更多关注生物质纤维制备得产业化，然而缺失了对材料的生物降解循环再生的关注；现有技术能够高效的制备出可降解的生物质纤维，然而可降解的生物质纤维的吸湿性较高，力学性能较差，使用受到局限性，亟待完善提高可降解的生物质纤维的防水性和力学性能；目前一些现有技术对可降解的生物质纤维的改性虽然可以降低吸湿性，然而降解速度也随之减慢，因此无法实现既要降低吸湿性又能使降解速度不变；对于可降解的生物质纤维的制备过程，可以通过化学法进行预处理加快降解速度，但是处理过程需要加入化学试剂，并对生物质纤维产生一定影响，不利于生物质纤维的充分利用，使用受到局限。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种改性可降解的生物质纤维及其制备方法，为了解决现有可降解的生物质纤维吸湿性高、力学性能差的问题，本发明通过发明一种BiNSe纳米材料，利用BiNSe纳米材料水解后形成的铋基团和生物质纤维表面的羟基(-OH)之间的共价作用，使纳米粒子牢固接枝在生物质纤维表面，同时BiNSe纳米材料形成的疏水膜阻碍有害离子入侵，提高生物质纤维的体积稳定性，实现了可降解的生物质纤维的改性效果，提高了防水性和力学性能；同时，本发明使用低温预冷处理，使纤维素之间的结合力减弱，有效降低纤维素的结晶度，从而加快了生物质纤维的降解速度，实现了既降低吸湿性又能提高降解速度的效果；此外，可降解的生物质纤维的制备选用天然植物废料，制备方法简单，成本低廉，可大量投产使用。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：本发明提供了一种改性可降解的生物质纤维，所述生物质纤维包括下述重量份配比的原料：
改性秸秆粉末：80～160份；
淀粉：20～50份；
聚乳酸：20～50份；
增韧剂：0.5～5.5份；
调色剂：0.5～6.5份。
优选地，所述生物质纤维包括下述重量份配比的原料：
改性秸秆粉末：100～140份；
淀粉：30～40份；
聚乳酸：30～40份；
增韧剂：1～4份；
调色剂：1～5份。
进一步地，所述改性秸秆粉末包括下述重量份配比的原料：
BiNSe粉末：10～20份；
秸秆粉末：100～150份；
助溶剂：1～5份。
作为本发明优选地，所述BiNSe粉末为铋粉、尿素、硒粉呈1：1：1混合，所述助溶剂为四己基醋酸铵。
进一步地，所述改性秸秆粉末粒径范围为100～200目，所述淀粉的粒径范围为30～400目，所述增韧剂为马来酸酐接枝聚乙烯和马来酸酐接枝聚丙烯中的至少一种，所述调色剂为铁红、铁黄和金银色粉中的至少一种。
本发明还提出了一种改性可降解的生物质纤维的制备方法，包括如下步骤：
（1）制备改性秸秆粉末，所述铋粉、尿素、硒粉呈1：1：1混合得到BiNSe粉末，然后加入秸秆粉末和助溶剂即得到改性秸秆粉末；
（2）将改性秸秆粉末放入预处理装置中进行低温预冷处理；
（3）取出低温预冷处理的改性秸秆粉末与其他成分按比例充分混合后即可制备得到改性可降解的生物质纤维。
优先地，所述低温预冷处理包括如下步骤：与现有常用设备相比，所述预处理装置设有内囊和外囊，将液氮置于预处理装置的外囊，将所述改性秸秆粉末置于预处理装置的内囊，进而避免了改性秸秆粉末与液氮直接接触，所述的预处理装置上设有旋转可拆卸搅拌器，所述旋转可拆卸搅拌器不断搅拌改性秸秆粉末，有效解决了改性秸秆粉末易低温凝结成块进而导致冷却不充分的问题，使纤维素之间的结合力减弱，有效降低纤维素的结晶度，同时旋转可拆卸搅拌器上设有刮片，所述刮片可收集低温预冷处理后的改性秸秆粉末，其他组件为常用。
优选地，所述低温预冷处理的温度为-80～0℃，所述低温预冷处理的时间为3～5h。采用上述结构本发明取得的有益效果如下：
本发明通过引入BiNSe纳米材料，利用BiNSe纳米材料水解后形成的铋基团和生物质纤维表面的羟基(-OH)之间的共价作用，使纳米粒子牢固接枝在生物质纤维表面，同时BiNSe纳米材料形成的疏水膜阻碍有害离子入侵，提高生物质纤维的体积稳定性，实现了可降解的生物质纤维的改性效果，提高了防水性和力学性能；本发明使用了低温预冷处理，避免具有低湿性的改性秸秆粉末与液氮直接接触，并且结合预处理装置不断搅拌改性秸秆粉末，使得纤维素之间的结合力减弱，有效降低纤维素的结晶度，实现了在不改变其低湿性的条件下仍然能大幅度的加快生物质纤维的降解速度的技术效果；可降解的生物质纤维的制备选用天然植物废料，制备方法简单，成本低廉，可大量投产使用。
附图说明
图1为本发明中实施例1制备的改性可降解的生物质纤维的扫描电镜图；
图2为本发明中实施例2制备的改性可降解的生物质纤维的扫描电镜图；
图3为本发明中实施例3制备的改性可降解的生物质纤维的扫描电镜图；
图4为本发明中实施例4制备的改性可降解的生物质纤维的扫描电镜图；
图5为本发明中实施例5制备的改性可降解的生物质纤维的扫描电镜图；
图6为本发明中对比例1制备的改性可降解的生物质纤维的扫描电镜图；
图7为本发明中对比例2制备的改性可降解的生物质纤维的扫描电镜图；
图8为本发明中对比例3制备的改性可降解的生物质纤维的扫描电镜图；
图9为本发明中实施例4制备的改性可降解的生物质纤维的预冷处理前后结晶度对比图。
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中，如无特别说明的原料或处理技术，则表明其均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。
实施例1
本发明提供了一种改性可降解的生物质纤维，改性可降解的生物质纤维材料组成为：
改性秸秆粉末：100份；
淀粉：30份；
聚乳酸：30份；
增韧剂：1份；
调色剂：1份。
其中，改性秸秆粉末粒径范围为100～200目，淀粉的粒径范围为30～400目，增韧剂为马来酸酐接枝聚乙烯和马来酸酐接枝聚丙烯中的至少一种，调色剂为铁红、铁黄和金银色粉中的至少一种。
改性秸秆粉末的组成为：
BiNSe粉末：10份；
秸秆粉末：100份；
助溶剂：1份。
其中，BiNSe粉末为铋粉、尿素、硒粉呈1：1：1混合，助溶剂为四己基醋酸铵。
本发明还提出了一种改性可降解的生物质纤维的制备方法，包括如下步骤：
（1）制备改性秸秆粉末，所述铋粉、尿素、硒粉呈1：1：1混合得到BiNSe粉末，然后加入秸秆粉末和助溶剂即得到改性秸秆粉末；
（2）将改性秸秆粉末放入预处理装置中进行低温预冷处理；
（3）取出低温预冷处理的改性秸秆粉末与其他成分按比例充分混合后即可制备得到改性可降解的生物质纤维。
其中，低温预冷处理包括如下步骤：与现有常用设备相比，预处理装置设有内囊和外囊，将液氮置于预处理装置的外囊，将改性秸秆粉末置于预处理装置的内囊，进而避免了改性秸秆粉末与液氮直接接触，预处理装置上设有旋转可拆卸搅拌器，旋转可拆卸搅拌器不断搅拌改性秸秆粉末，有效解决了改性秸秆粉末易低温凝结成块进而导致冷却不充分的问题，使纤维素之间的结合力减弱，有效降低纤维素的结晶度，同时旋转可拆卸搅拌器上设有刮片，可收集低温预冷处理后的改性秸秆粉末，其他组件为常用，低温预冷处理的温度为-80～0℃，低温预冷处理的时间为3～5 h。
实施例2
本发明提供了一种改性可降解的生物质纤维，改性可降解的生物质纤维材料组成为：
改性秸秆粉末：110份；
淀粉：32份；
聚乳酸：30份；
增韧剂：2份；
调色剂：2份。
其中，改性秸秆粉末粒径范围为100～200目，淀粉的粒径范围为30～400目，增韧剂为马来酸酐接枝聚乙烯和马来酸酐接枝聚丙烯中的至少一种，调色剂为铁红、铁黄和金银色粉中的至少一种。
改性秸秆粉末的组成为：
BiNSe粉末：12份；
秸秆粉末：110份；
助溶剂：2份。
其中，BiNSe粉末为铋粉、尿素、硒粉呈1：1：1混合，助溶剂为四己基醋酸铵。
一种改性可降解的生物质纤维的制备方法参照实施例1。
实施例3
本发明提供了一种改性可降解的生物质纤维，改性可降解的生物质纤维材料组成为：
改性秸秆粉末：120份；
淀粉：34份；
聚乳酸：30份；
增韧剂：3份；
调色剂：3份。
其中，改性秸秆粉末粒径范围为100～200目，淀粉的粒径范围为30～400目，增韧剂为马来酸酐接枝聚乙烯和马来酸酐接枝聚丙烯中的至少一种，调色剂为铁红、铁黄和金银色粉中的至少一种。
改性秸秆粉末的组成为：
BiNSe粉末：14份；
秸秆粉末：120份；
助溶剂：3份。
其中，BiNSe粉末为铋粉、尿素、硒粉呈1：1：1混合，助溶剂为四己基醋酸铵。
一种改性可降解的生物质纤维的制备方法参照实施例1。
实施例4
本发明提供了一种改性可降解的生物质纤维，改性可降解的生物质纤维材料组成为：
改性秸秆粉末：130份；
淀粉：37份；
聚乳酸：30份；
增韧剂：3.5份；
调色剂：4份。
其中，改性秸秆粉末粒径范围为100～200目，淀粉的粒径范围为30～400目，增韧剂为马来酸酐接枝聚乙烯和马来酸酐接枝聚丙烯中的至少一种，调色剂为铁红、铁黄和金银色粉中的至少一种。
改性秸秆粉末的组成为：
BiNSe粉末：17份；
秸秆粉末：135份；
助溶剂：4份。
其中，BiNSe粉末为铋粉、尿素、硒粉呈1：1：1混合，助溶剂为四己基醋酸铵。
一种改性可降解的生物质纤维的制备方法参照实施例1。
实施例5
本发明提供了一种改性可降解的生物质纤维，改性可降解的生物质纤维材料组成为：
改性秸秆粉末：140份；
淀粉：40份；
聚乳酸：30份；
增韧剂：4份；
调色剂：5份。
其中，改性秸秆粉末粒径范围为100～200目，淀粉的粒径范围为30～400目，增韧剂为马来酸酐接枝聚乙烯和马来酸酐接枝聚丙烯中的至少一种，调色剂为铁红、铁黄和金银色粉中的至少一种。
改性秸秆粉末的组成为：
BiNSe粉末：20份；
秸秆粉末：150份；
助溶剂：5份。
其中，BiNSe粉末为铋粉、尿素、硒粉呈1：1：1混合，助溶剂为四己基醋酸铵。
一种改性可降解的生物质纤维的制备方法参照实施例1。
对比例1
本对比例提供一种改性可降解的生物质纤维，其与实施例1的区别仅在于组分中不包含BiNSe粉末、助溶剂，将BiNSe粉末、助溶剂的减少量分摊至秸秆粉末中，其余组分、组分含量与实施例1相同，制备方法参照实施例1。
对比例2
本对比例提供一种改性可降解的生物质纤维，其与实施例1的区别仅在于组分中改性秸秆粉末不进行低温预冷处理，其余组分、组分含量与实施例1相同，制备方法参照实施例1。
对比例3
本对比例提供一种改性可降解的生物质纤维，其与实施例1的区别仅在于组分中不包含BiNSe粉末、助溶剂，将BiNSe粉末、助溶剂的减少量分摊至秸秆粉末中，同时秸秆粉末不进行低温预冷处理，制备方法参照实施例1。
性能测试
参照GB/T19276.1-2003的标准，测试拉伸强度、吸水率和降解速度，每组样品测定3个试件。
表1 一种改性可降解的生物质纤维的性能
Figure 687444DEST_PATH_IMAGE001
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和表1所示，本发明实施例中改性可降解的生物质纤维的拉伸强度显著高于对比例，吸水率、降解速度显著低于对比例，说明本发明的改性可降解的生物质纤维，具有高的拉伸强度、低的吸水率、较快的降解速度等优良性能，实现低成本大规模生产。
采用本发明提供的改性可降解的生物质纤维的制备方法，拉伸强度在12.0-26.2Mpa范围内，吸水率在69.2-97.1 %范围内，降解速度在90.9-150.6 d范围内，其中，实施例4的拉伸强度、吸水率和降解速度最优，拉伸强度达到26.2 Mpa，吸水率达到69.2 %，降解速度达到90.9 d，由此可知引入的纳米材料需在一定的数量内，加入过多或者过少都会对性能产生影响；而对比例1、对比例2和对比例3的性能都比较差，没有明显差别，因此考虑改性可降解的生物质纤维的综合性能影响，本发明的改性可降解的生物质纤维在实现了降低吸湿性的条件下，拉伸强度有了显著提升、降解速度有了显著加快。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的应用并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种改性可降解的生物质纤维，其特征在于，所述改性可降解的生物质纤维包括下述重量份配比的原料：
改性秸秆粉末：80～160份；
淀粉：20～50份；
聚乳酸：20～50份；
增韧剂：0.5～5.5份；
调色剂：0.5～6.5份，
所述改性秸秆粉末包括下述重量份配比的成分：
BiNSe粉末：10～20份；
秸秆粉末：100～150份；
助溶剂：1～5份，
所述BiNSe粉末为铋粉、尿素、硒粉呈1：1：1混合，所述助溶剂为四己基醋酸铵。
2.根据权利要求1所述的一种改性可降解的生物质纤维，其特征在于，所述改性可降解的生物质纤维包括下述重量份配比的原料：
改性秸秆粉末：100～140份；
淀粉：30～40份；
聚乳酸：30～40份；
增韧剂：1～4份；
调色剂：1～5份。
3.根据权利要求2所述的一种改性可降解的生物质纤维，其特征在于：所述改性秸秆粉末粒径范围为100～200目，所述淀粉粒径范围为30～400目。
4.根据权利要求2所述的一种改性可降解的生物质纤维，其特征在于：所述增韧剂为马来酸酐接枝聚乙烯和马来酸酐接枝聚丙烯中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的一种改性可降解的生物质纤维，其特征在于：所述调色剂为铁红、铁黄和金银色粉中的至少一种。
6.一种改性可降解的生物质纤维的制备方法，其特征在于，用以制备如权利要求5所述的一种改性可降解的生物质纤维，包括以下步骤：
（1）制备改性秸秆粉末；
（2）将改性秸秆粉末放入预处理装置中进行低温预冷处理；
（3）取出低温预冷处理的改性秸秆粉末与其他成分按比例充分混合后即可制备得到改性可降解的生物质纤维。
7.根据权利要求6所述的一种改性可降解的生物质纤维的制备方法，其特征在于，所述低温预冷处理包括如下步骤：所述预处理装置设有内囊和外囊，将液氮置于预处理装置的外囊，将所述改性秸秆粉末置于预处理装置的内囊，所述的预处理装置上设有旋转可拆卸搅拌器，所述旋转可拆卸搅拌器上设有刮片，所述低温预冷处理的温度为-80～0℃，所述低温预冷处理的时间为3～5 h。
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