CN115417931A - 一种耐温型纤维素的制备方法与应用 - Google Patents

一种耐温型纤维素的制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于纤维增强热塑性树脂复合材料技术领域，尤指一种耐温型纤维素的制备方法与应用。该制备方法具体为：对于粉状纤维素进行碱性条件热处理，所述碱性条件热处理的碱液浓度为0.5～3％，处理温度为20～50℃，及处理时长为0.5～3h。本案制取的耐温型纤维素与热塑性树脂材料复合，可显著提高纤维素的纯度，并在复合过程中避免纤维素变色及产生臭气的缺陷。

Description

一种耐温型纤维素的制备方法与应用
技术领域
本发明属于纤维增强热塑性树脂复合材料技术领域，尤指一种耐温型纤维素的制备方法与应用。
背景技术
粉状纤维素与热塑性树脂复合是一种常见的应用方式，粉状纤维素可以作为填充材料提高复合材料的弹性模量和强度。此外，粉状纤维素还有质轻，燃烧后也几乎不残留残渣、可降解等优势。
但是，实际上与热塑性树脂复合时，需要在比热塑性树脂熔点高的温度环境下进行混炼，因此纤维素的耐热性是重要的问题。普通的粉状纤维素与热塑性树脂复合时，时常会发生纤维素变色、产生气体(臭气)等诸多问题，在实际进行热分析时发现，主要检测到的是来自低分子量物质的分解物。
通常酸处理纸浆的方法容易使纸浆低分子量的部分优先分解去除，可以得到高纯度的纤维素。但是，用该方法生产纤维素也容易破坏纤维素的结晶部分，收率显著降低之外，生产成本也比较高。
发明内容
在一方面，本发明提供一种耐温型纤维素的制备方法，其通过对粉状纤维素进行碱性条件热处理，制备兼具高纯度与优选结晶结构的耐温型纤维素。
为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：
一种耐温型纤维素的制备方法，
对于粉状纤维素进行碱性条件热处理，所述碱性条件热处理的碱液浓度为0.5～3％，处理温度为20～50℃，及处理时长为0.5～3h。
一些技术方案中，所述耐温型纤维素为纤维素1型结晶结构，其由广角X射线衍射像测定得到的衍射谱图中，在2θ＝14～17°与2θ＝22～23°的二个位置具有典型峰。
一些技术方案中，所述碱性条件热处理在真空条件或充填惰性保护气体条件下进行。
另一方面，本发明提供采用前述制备方法制取的耐温型纤维素在纤维增强热塑性树脂复合材料中的应用，本案制取的耐温型纤维素与热塑性树脂材料复合，可显著提高纤维素的纯度，并在复合过程中避免纤维素变色及产生臭气的缺陷。
本发明采用以上技术方案至少具有如下的有益效果：
1.本案通过碱处理纤维素，在化学反应生成碱纤维素情况下，还可使纤维素剧烈溶胀而产生形态结构和微细结构的巨大改变，同时伴随半纤维素、杂质与低分子物质的溶出，提高纤维纯度；
2.本案通过碱液浓度与处理温度、处理时间的协同调控，使得粉状纤维素既保有相对低温环境下的高结晶区溶胀能力，以充分溶出半纤维素、杂质与低分子物质，提升纤维纯度，又不至于破坏纤维素的结晶结构，当其与热塑性树脂复合过程中，可耐受热塑性树脂熔融温度，过程中不发生纤维素变色与产生臭气的情况；
3.本案采用晶型结构为1型的纤维素与热塑性树脂复合，其具有更优异的耐高温性，适合应用至纤维增强热塑性树脂复合材料中。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例中所用到的各种常用试剂，均为市售产品。
实施例1
粉状纤维素来源使用阔叶树漂白牛皮纸浆，将纸浆粉碎成2cm*2cm大小的小片。取300g纸浆片，加入质量分数为0.5％的氢氧化钠水溶液1700g，持续搅拌分散，抽真空后在35℃下处理3小时。加热结束后冷却过滤，用质量分数为10％的乙酸水溶液中和，再进行水洗。最终滤液的pH为7.2。在105℃下干燥，随后粉碎筛分得到粉状纤维素。
该粉状纤维素平均粒径为30μm，灰分为0.12质量％，因碱处理而损失的重量为5％，纤维素晶型为Ⅰ型(在其由广角X射线衍射像测定得到的衍射谱图中，在2θ＝14.8°附近与2θ＝22.6°附近的二个位置具有典型峰)。
接着，将粉状纤维素加热到150℃除去水分后，在空气中以20℃/分钟升温速度加热到300℃，比较从150℃开始的加热减量结果为3.8％。并且，得到的粉状纤维素用质量分数为17.5％的氢氧化钠浸渍30分钟测定重量减少时，剩余为96％。
将得到粉末状纤维素与PP在双轴混炼机中进行混炼，温度190-230℃，在230℃附近没有发现纤维素变色或产生气味。
实施例2
将实施例1中纸浆片300g在1700g的3％的氢氧化钠水溶液中搅拌分散，抽真空后在50℃下处理2小时。后按照实施例1的处理方式得到粉状纤维素。
该粉状纤维素平均粒径为29μm、灰分为0.08％、重量损失为15％，纤维素晶型为Ⅰ性。
在150℃除去水分后，在空气中以20℃/分钟的升温速度加到300℃，重量减少2.1％；进而用17.5％氢氧化钠浸渍30分钟，残留量为98％。
将得到粉状纤维素与PP在双轴混炼机中进行混炼，温度190-230℃，在230℃附近没有发现纤维素变色或产生气味。
对比例1
将实施例1中纸浆片300g在1700g的0.02％的氢氧化钠水溶液中搅拌分散，抽真空后在50℃下处理2小时。后按照实施例1的处理方式得到粉状纤维素。
该粉状纤维素平均粒径为32μm、灰分为0.24％、重量损失为4％。
在150℃除去水分后，在空气中以20℃/分钟的升温速度加到300℃，重量减少4％，纤维素晶型为Ⅰ型；进而用17.5％氢氧化钠浸渍30分钟，残留量为92％。
将得到粉状纤维素与PP在双轴混炼机中进行混炼，温度190-230℃，在230℃附近没有发现稍有臭气产生，稍有变色。
对比例2
将实施例1中纸浆片300g在1700g的9％的氢氧化钠水溶液中搅拌分散，抽真空后在50℃下处理2小时。后按照实施例1的处理方式得到粉状纤维素。
该粉状纤维素平均粒径为28μm、灰分为0.05％、重量损失为18％。
在150℃除去水分后，在空气中以20℃/分钟的升温速度加到300℃，重量减少1.9％，在X射线衍射图中可以明显看到在11.8°、19.8°、21.6°处有新的衍射峰生成，表明纤维素有部分转变为纤维素Ⅱ晶型；进而用17.5％氢氧化钠浸渍30分钟，残留量为98％。
将得到粉状纤维素与PP在双轴混炼机中进行混炼，温度190-230℃，在230℃附近没有发现稍有臭气产生，稍有变色。
对比例3
将实施例1中纸浆片300g在1700g的3％的氢氧化钠水溶液中搅拌分散，抽真空后在50℃下处理12小时。后按照实施例1的处理方式得到粉状纤维素。
该粉状纤维素平均粒径为30μm、灰分为0.09％、重量损失为17％。
在150℃除去水分后，在空气中以20℃/分钟的升温速度加到300℃，重量减少2.0％，在X射线衍射图中可以明显看到在11.8°、19.8°、21.6°处有新的衍射峰生成，表明纤维素有部分转变为纤维素Ⅱ晶型；进而用17.5％氢氧化钠浸渍30分钟，残留量为97％。
将得到粉状纤维素与PP在双轴混炼机中进行混炼，温度190-230℃，在230℃附近没有发现稍有臭气产生，稍有变色。
对比例4
将实施例1中的纸浆片300g分散在水中，抽真空后在50℃下加热2小时(持续搅拌)。冷却后与实施例1同样地水洗。将其在105℃下干燥，粉碎得到粉状纤维素。
该粉状纤维素平均粒径为40μm，灰分为0.25％、重量损失为2％，纤维素晶型为Ⅰ性。
进而将粉状纤维素加热至150℃，除去水分后，在空气中以20℃/分钟升温速度加热到300℃，此时的重量减量为5.6％。而且，得到的粉状纤维素用17.5％氢氧化钠浸渍30分钟后剩余量为89％。
将得到粉末状纤维素与PP在双轴混炼机中进行混炼，温度190-230℃，在230℃附近，有强烈的臭气产生，并且纤维素颜色变黄。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种耐温型纤维素的制备方法，其特征在于，
对于粉状纤维素进行碱性条件热处理，所述碱性条件热处理的碱液浓度为0.5～3％，处理温度为20～50℃，及处理时长为0.5～3h。
2.根据权利要求1所述的一种耐温型纤维素的制备方法，其特征在于，
所述耐温型纤维素为纤维素1型结晶结构，其由广角X射线衍射像测定得到的衍射谱图中，在2θ＝14～17°与2θ＝22～23°的二个位置具有典型峰。
3.根据权利要求1所述的一种耐温型纤维素的制备方法，其特征在于，
所述碱性条件热处理在真空条件或充填惰性保护气体条件下进行。
4.采用权利要求1-3任一所述制备方法制取的耐温型纤维素在纤维增强热塑性树脂复合材料中的应用。
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