CN115679682A - 一种植物纤维改性方法及改性后的植物纤维材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种植物纤维改性方法及改性后的植物纤维材料。采用水热法一步合成了负载BiFeO3纳米晶植物纤维，反应体系中的碱性物质KOH既作为反应助剂与Fe(NO3)3·9H2O和Bi(NO3)3·5H2O通过水热反应生成了BiFeO3纳米晶，同时在水热条件下对反应体系中的植物纤维进行了表面处理，增大了植物纤维表面的粗糙度，获得了类似于丝光处理的效果。植物纤维负载的BiFeO3纳米晶一方面有利于增强植物纤维的力学性能与阻燃性能；另一方面利用其催化活性实现了长链脂肪酸与植物纤维表面羟基的酯化反应，绿色环保。酯化改性有利于降低植物纤维表面极性，提高植物纤维与聚合物基体之间的界面强度，获得高性能的植物纤维/聚合物复合材料。
Description
技术领域
本发明属于植物纤维改性技术领域，具体涉及一种植物纤维的改性方法及改性后的植物纤维材料。
背景技术
植物纤维来源于天然植物，具有低成本、低密度、可再生、可降解等优点。在聚合物基体中引入植物纤维，制备出高性能绿色复合材料，在航空航天、汽车、运动、包装、医疗、建筑等工程领域具有广泛的应用场景。然而，复合材料的力学性能不仅取决于纤维和基体的自身性能，还与两相界面的强度密切相关。植物纤维表面存在大量的羟基，具有强烈的亲水性，而聚合物分子往往是低极性、甚至是非极性的物质，如大量用作口罩过滤材料的熔喷布聚丙烯（PP）为非极性材料、广泛用于食品包装的生物基聚合物-聚乳酸（PLA）为低极性材料。这种极性差异导致植物纤维与聚合物材料共混时难以与聚合物结合，对复合材料的力学性能带来不利影响。
为了提高植物纤维与聚合物基体之间的界面强度，不同的物理和化学方法可以用来改性植物纤维，降低纤维的表面极性。物理改性方法包括离子体处理、电晕处理、紫外线处理和热处理等。化学改性方法包括碱处理、硅烷处理、乙酰化处理、苯甲酰化处理、过氧化氢处理、高锰酸钾处理和纳米接枝等。其中碱处理和硅烷处理已被广泛用于植物的表面改性。碱处理是采用强碱性物质，如NaOH、Ca(OH)2等的高质量浓度溶液对植物纤维进行较长时间的浸泡，可以有效去除植物纤维表面的木质素、半纤维素、果胶和蜡质等杂质，提高纤维表面的粗糙度，从而提高纤维与聚合物基体的机械锁强度。碱处理的方法只是对植物纤维的化学组成及表面结构进行了一定的改变，未能改变植物纤维本身的强亲水性能，因而提高植物纤维与聚合物界面强度的效果有限。硅烷偶联剂作为表面涂层可以覆盖纤维表面的微孔，并渗透到微孔中。当水解后，硅烷偶联剂可以得到活性羟基，可以分别与植物纤维表面上的羟基和基体中的活性基团反应，在植物纤维与基体之间形成桥梁。硅烷偶联剂与植物纤维表面的作用通常是依靠氢键、共价键等实现，这种作用力往往比较弱，在与聚合物混合加工的过程中，随着加工温度升高到100 ℃以上，氢键与共价键等弱相互作用会遭到破坏，造成植物纤维与聚合物基体相容性的恶化。酰化处理是采用酰氯类化学物质与植物纤维表面的羟基反应生成酯类物质从而降低植物纤维的亲水性。酰氯作为一种高反应活性的酯化剂存在毒性大、易吸水失活、反应过程易引起植物纤维的降解等缺点。采用脂肪酸加共反应剂（如三氟乙酸酐、甲苯磺酰氯等）的方法虽然可以一定程度降低反应助剂的毒性，但仍存在不绿色环保的问题。
此外，植物纤维复合材料因其有机特性，极易燃烧。在火灾中或高强度热源下，复合材料将受热分解或剧烈燃烧，释放大量热量和烟雾，而且复合材料受热软化会使结构发生屈曲和破坏，导致力学性能的恶化或丧失，带来严重的安全问题。
发明内容
本发明目的在提供一种植物纤维的改性方法。
本发明的再一目的在于：提供一种上述方法改性后的植物纤维材料产品。
本发明目的通过下述方案实现：一种植物纤维的改性方法，包括以下步骤：
（1）用去离子水清洗植物纤维3-5次，在30-50 ℃条件下烘干，切割成5-10 mm小段；
（2）向85.70-91.60重量份的去离子水中加入7.00-11.00重量份的步骤（1）制得的植物纤维小段、0.20-0.40重量份的Fe(NO3)3·9H2O和0.24-0.48重量份的Bi(NO3)3·5H2O，搅拌均匀后，强烈搅拌下逐滴加入1.00-2.50重量份的25 wt% KOH溶液。继续搅拌30-60min后，将得到的混合液转移至水热反应釜中。密封水热反应釜后，在150-170 ℃条件下反应6-12 h。反应结束后自然冷却至室温，得到负载BiFeO3纳米晶植物纤维水分散液；
（3）向步骤（2）制得的负载BiFeO3纳米晶植物纤维水分散液中加入2.00-3.00重量份的长链脂肪酸，搅拌均匀。密封水热反应釜后，在80-90 ℃条件下反应4-8 h。反应结束后自然冷却至室温，过滤得到固体物质，使用乙醇和去离子水重复洗涤3次，置于60-80 ℃烘箱中干燥10-12 h，回收得到负载BiFeO3纳米晶酯化改性植物纤维。
所述步骤（1）中的植物纤维为亚麻纤维与苎麻纤维中的一种或两者的混合物。
所述步骤（2）中Fe(NO3)3·9H2O和Bi(NO3)3·5H2O的物质摩尔比为1:1。
所述步骤（3）中长链脂肪酸为碳原子数为12-18的饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸、或两者的混合物。
另一方面，本发明提供了一种改性植物纤维材料，即采用所述植物纤维改性方法对亚麻纤维与苎麻纤维中的一种或两者的混合物进行改性后得到的负载BiFeO3纳米晶酯化改性亚麻纤维、负载BiFeO3纳米晶酯化改性苎麻纤维、或负载BiFeO3纳米晶酯化改性亚麻纤维与苎麻纤维混合物。
与现有的植物纤维改性方法相比，本发明具有如下优点：
1.本发明采用水热反应一步合成了负载BiFeO3纳米晶植物纤维，反应体系中的碱性物质KOH既作为反应助剂与Fe(NO3)3·9H2O和Bi(NO3)3·5H2O通过水热反应生成了BiFeO3纳米晶，同时在水热条件下对反应体系中的植物纤维进行了表面处理，增大了植物纤维表面的粗糙度，获得了类似于丝光处理的效果。
2.本发明中植物纤维负载的BiFeO3纳米晶一方面有利于增强植物纤维的力学性能与阻燃性能；另一方面利用其催化活性实现了长链脂肪酸与植物纤维表面羟基的酯化反应，绿色环保。酯化改性有利于降低植物纤维表面极性，提高植物纤维与聚合物基体之间的界面强度，获得高性能的植物纤维/聚合物复合材料。
具体实施方式
下面根据具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。本发明的保护范围不限于以下实施例，列举这些实例仅出于示例性目的而不以任何方式限制本发明。
实施例1
一种植物纤维，按以下步骤制备：
（1）用去离子水清洗植物纤维亚麻纤维3次，在30℃条件下烘干，切割成5mm小段；
（2）向91.44重量份的去离子水中加入7.00重量份的步骤（1）制得的植物纤维小段、0.20重量份的Fe(NO3)3·9H2O和0.24重量份的Bi(NO3)3·5H2O，搅拌均匀后，强烈搅拌下逐滴加入1.12重量份的25 wt% KOH溶液；继续搅拌30min后，将得到的混合液转移至水热反应釜中；密封水热反应釜后，在150℃条件下反应12 h，反应结束后自然冷却至室温，得到负载BiFeO3纳米晶植物纤维水分散液；
（3）向步骤（2）制得的负载BiFeO3纳米晶植物纤维水分散液中加入2.00重量份的长链脂肪酸硬脂酸，搅拌均匀。密封水热反应釜后，在80℃条件下反应8 h；反应结束后自然冷却至室温，过滤得到固体物质，使用乙醇和去离子水重复洗涤3次，置于60℃烘箱中干燥12 h，回收得到负载BiFeO3纳米晶酯化改性亚麻纤维。
实施例2
一种植物纤维，按以下步骤制备：
（1）用去离子水清洗植物纤维苎麻纤维5次，在50 ℃条件下烘干，切割成10 mm小段；
（2）向85.89重量份的去离子水中加入11.00重量份的步骤（1）制得的植物纤维小段、0.40重量份的Fe(NO3)3·9H2O和0.48重量份的Bi(NO3)3·5H2O，搅拌均匀后，强烈搅拌下逐滴加入2.23重量份的25 wt% KOH溶液；继续搅拌60 min后，将得到的混合液转移至水热反应釜中。密封水热反应釜后，在170 ℃条件下反应6 h，反应结束后自然冷却至室温，得到负载BiFeO3纳米晶植物纤维水分散液；
（3）向步骤（2）制得的负载BiFeO3纳米晶植物纤维水分散液中加入3.00重量份的月桂酸，搅拌均匀。密封水热反应釜后，在90 ℃条件下反应4 h。反应结束后自然冷却至室温，过滤得到固体物质，使用乙醇和去离子水重复洗涤3次，置于80 ℃烘箱中干燥10 h，回收得到负载BiFeO3纳米晶月桂酸酯化改性苎麻纤维材料。
实施例3
一种植物纤维，按以下步骤制备：
（1）用去离子水清洗植物纤维4次，所述的植物纤维亚麻纤维与苎麻纤维的混合物，质量比为1:1，在40 ℃条件下烘干，切割成8 mm小段；
（2）向88.66重量份的去离子水中加入9.00重量份的步骤（1）制得的植物纤维小段、0.30重量份的Fe(NO3)3·9H2O和0.36重量份的Bi(NO3)3·5H2O，搅拌均匀后，强烈搅拌下逐滴加入1.68重量份的25 wt% KOH溶液；继续搅拌45 min后，将得到的混合液转移至水热反应釜中。密封水热反应釜后，在160 ℃条件下反应8 h，反应结束后自然冷却至室温，得到负载BiFeO3纳米晶植物纤维水分散液；
（3）向步骤（2）制得的负载BiFeO3纳米晶植物纤维水分散液中加入2.50重量份的油酸，搅拌均匀。密封水热反应釜后，在85 ℃条件下反应6 h。反应结束后自然冷却至室温，过滤得到固体物质，使用乙醇和去离子水重复洗涤3次，置于70 ℃烘箱中干燥11 h，回收得到负载BiFeO3纳米晶油酸酯化改性亚麻纤维与苎麻纤维复合材料。
本领域技术人员应当注意的是，本发明所描述的实施方式仅仅是示范性的，可在本发明的范围内作出各种其他替换、改变和改进。因而，本发明不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。
Claims (8)
1.一种植物纤维的改性方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）用去离子水清洗植物纤维3-5次，在30-50 ℃条件下烘干，切割成5-10 mm小段；
（2）向85.70-91.60重量份的去离子水中加入7.00-11.00重量份的步骤（1）制得的植物纤维小段、0.20-0.40重量份的Fe(NO3)3·9H2O和0.24-0.48重量份的Bi(NO3)3·5H2O，搅拌均匀后，强烈搅拌下逐滴加入1.00-2.50重量份的25 wt% KOH溶液；继续搅拌30-60 min后，将得到的混合液转移至水热反应釜中；密封水热反应釜后，在150-170 ℃条件下反应6-12h，反应结束后自然冷却至室温，得到负载BiFeO3纳米晶植物纤维水分散液；
（3）向步骤（2）制得的负载BiFeO3纳米晶植物纤维水分散液中加入2.00-3.00重量份的长链脂肪酸，搅拌均匀。密封水热反应釜后，在80-90℃条件下反应4-8 h；反应结束后自然冷却至室温，过滤得到固体物质，使用乙醇和去离子水重复洗涤3次，置于60-80℃烘箱中干燥10-12 h，回收得到负载BiFeO3纳米晶酯化改性植物纤维。
2.根据权利要求1所述植物纤维的改性方法，其特征在于，所述步骤（1）中的植物纤维为亚麻纤维与苎麻纤维中的一种或两者的混合物。
3.根据权利要求1所述植物纤维的改性方法，其特征在于，所述步骤（2）中Fe(NO3)3·9H2O和Bi(NO3)3·5H2O的物质摩尔比为1:1。
4.根据权利要求1所述植物纤维的改性方法，其特征在于，所述步骤（3）中长链脂肪酸为碳原子数为12-18的饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸、或两者的混合物。
5.根据权利要求1至4任一项所述植物纤维的改性方法，其特征在于，按以下步骤制备：
（1）用去离子水清洗植物纤维亚麻纤维3次，在30℃条件下烘干，切割成5mm小段；
（2）向91.44重量份的去离子水中加入7.00重量份的步骤（1）制得的植物纤维小段、0.20重量份的Fe(NO3)3·9H2O和0.24重量份的Bi(NO3)3·5H2O，搅拌均匀后，强烈搅拌下逐滴加入1.12重量份的25 wt% KOH溶液；继续搅拌30min后，将得到的混合液转移至水热反应釜中；密封水热反应釜后，在150℃条件下反应12 h，反应结束后自然冷却至室温，得到负载BiFeO3纳米晶植物纤维水分散液；
（3）向步骤（2）制得的负载BiFeO3纳米晶植物纤维水分散液中加入2.00重量份的长链脂肪酸硬脂酸，搅拌均匀。密封水热反应釜后，在80℃条件下反应8 h；反应结束后自然冷却至室温，过滤得到固体物质，使用乙醇和去离子水重复洗涤3次，置于60℃烘箱中干燥12 h，回收得到负载BiFeO3纳米晶酯化改性亚麻纤维。
6.根据权利要求1至4任一项所述植物纤维的改性方法，其特征在于，按以下步骤制备：
（1）用去离子水清洗植物纤维苎麻纤维5次，在50 ℃条件下烘干，切割成10 mm小段；
（2）向85.89重量份的去离子水中加入11.00重量份的步骤（1）制得的植物纤维小段、0.40重量份的Fe(NO3)3·9H2O和0.48重量份的Bi(NO3)3·5H2O，搅拌均匀后，强烈搅拌下逐滴加入2.23重量份的25 wt% KOH溶液；继续搅拌60 min后，将得到的混合液转移至水热反应釜中，密封水热反应釜后，在170 ℃条件下反应6 h，反应结束后自然冷却至室温，得到负载BiFeO3纳米晶植物纤维水分散液；
（3）向步骤（2）制得的负载BiFeO3纳米晶植物纤维水分散液中加入3.00重量份的月桂酸，搅拌均匀。密封水热反应釜后，在90 ℃条件下反应4 h。反应结束后自然冷却至室温，过滤得到固体物质，使用乙醇和去离子水重复洗涤3次，置于80 ℃烘箱中干燥10 h，回收得到负载BiFeO3纳米晶月桂酸酯化改性苎麻纤维材料。
7.根据权利要求1至4任一项所述植物纤维的改性方法，其特征在于，按以下步骤制备：
（1）用去离子水清洗植物纤维4次，所述的植物纤维亚麻纤维与苎麻纤维的混合物，质量比为1:1，在40 ℃条件下烘干，切割成8 mm小段；
（2）向88.66重量份的去离子水中加入9.00重量份的步骤（1）制得的植物纤维小段、0.30重量份的Fe(NO3)3·9H2O和0.36重量份的Bi(NO3)3·5H2O，搅拌均匀后，强烈搅拌下逐滴加入1.68重量份的25 wt% KOH溶液；继续搅拌45 min后，将得到的混合液转移至水热反应釜中，密封水热反应釜后，在160 ℃条件下反应8 h，反应结束后自然冷却至室温，得到负载BiFeO3纳米晶植物纤维水分散液；
（3）向步骤（2）制得的负载BiFeO3纳米晶植物纤维水分散液中加入2.50重量份的油酸，搅拌均匀。密封水热反应釜后，在85 ℃条件下反应6 h。反应结束后自然冷却至室温，过滤得到固体物质，使用乙醇和去离子水重复洗涤3次，置于70 ℃烘箱中干燥11 h，回收得到负载BiFeO3纳米晶油酸酯化改性亚麻纤维与苎麻纤维复合材料。
8.一种植物纤维，其特征在于，采用权利要求1至7中任一项所述的改性方法得到的负载BiFeO3纳米晶酯化改性植物纤维。
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