CN115716997A - 一种植物纤维基复合材料及其轻量化高强韧制品 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适合于模压的植物纤维基复合材料及其模压工艺，该复合材料由处理短植物纤维、处理长植物纤维、改性淀粉、淀粉接枝类粘合剂、水溶性纤维素、明胶、柠檬酸三甘油酯组成；各物质经过复配后控制含水率，通过模压或挤出发泡成型工艺控制制备得到复合材料，该模压材料内部具有均匀的微孔结构、其强度、韧性好，形态稳定性好，可适应于民用包装和结构件领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种植物纤维基复合材料及其轻量化高强韧制品的制备方式，尤其是涉及一种具有均匀微孔结构、强度、韧性好的植物纤维基复合模压材料的制备方式。
背景技术
植物纤维是一种天然的可再生资源，广泛存在于农林资源及其加工废弃物中，并且往往得不到充分的利用而被当作垃圾遗弃在大自然，同时也给自然生态的和谐带来了负面的影响，甚至会因为处理不当而造成严重的火灾等。高值化利用农林废弃物国家层面近年来大力鼓励发展的新兴战略性产业。但是这类植物纤维中除了含有大量天然纤维素成分外还含有大量的半纤维素、果胶、木质素以及矿物质等，这些成分会影响复合材料的性能，限制了材料的使用范围。
植物纤维作为工业或民用材料使用，需要其在加工中具备良好的成型性和强度，但这依然是个很大的难题。首先，尽管天然植物纤维单纤强度高，但其常态下无法熔融，成型加工性能差造成制品内部结构不均、且纤维与他物质的结合性不强，综合造成了机械性能的大幅下降。因此，在成型加工前，对植物纤维进行预处理，改变其表观形貌、尺寸特性、表面化学结构及分子力作用，从而提高其成型加工性能及其与其他复配物质的结合强度是非常必要的。植物纤维传统的预处理方法主要包括物理法和化学法。典型的物理法如热处理，蒸汽闪爆法、低温等离子法等，仅通过外力破坏纤维结构，提高纤维与其他物质的结合力以及自身的流动能力。相对以上方式，生物酶处理植物纤维更具优势。首先，生物酶处理过程环保，处理能耗低；其次，生物酶处理被证实可有效的深入植物纤维内部，调节纤维细胞壁结构和表面化学组成。但如何寻找到更优的生物酶处理方式以实现植物纤维在加工中的性能优化以实现制品性能，依然是需要解决的一大难题。
此外，对于以植物纤维为原料的加工成型而言，其性能主要决定于几个方面：一是原料的流变加工性，这将决定其在成型体中的分布和缺陷；二是物质之间的结合，这将决定材料的本征强度；三是轻量化过程中，泡孔的大小和均匀性也将直接影响力学性能。植物纤维基复合材料的流动性直接决定其成型加工的难易程度，其原料的均匀分布直接影响材料最终性能。通常情况下，植物纤维在高温混合加工中易团聚，导致熔体流动困难，严重影响复合材料加工性能并导致性能恶化。为改善这一情况，针对植物纤维基复合材料流动性研究则尤为重要。
本发明针对此问题，开发了一种多层次的生物酶纤维处理模式，同时构建了更加合适的配方体系，通过此方式实现了植物纤维在后续的加工中实现更加紧密的结合，并开发了相应性能更加优越的模压材料，为大含量植物纤维制品的开发提供了更优选项。
发明内容
本发明的目的是为了克服纯植物纤维无法紧密结合形成性能优良的模压制品的缺陷，提供一种特殊的植物纤维处理方式，构建了更加合适的配方体系，并通过这种方式形成具有良好性能的模压制品制备方式。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种植物纤维基复合材料及其轻量化高强韧制品，由以下组分及相应质量比例组成：
处理短植物纤维 100
处理长植物纤维 20-45
改性淀粉 10-15
淀粉接枝类粘合剂 6-12
水溶性纤维素 3-8
明胶 12-24
柠檬酸甘油酯 1.5-3
进一步，所述处理短植物纤维为通过蒸汽闪爆-生物酶联合处理短植物纤维，其具体工艺为：将植物纤维破碎至200-400目粒径，投入水中配置成质量分数为30-50%的均匀浆料，将浆料投入蒸汽闪爆装置中，加热并通入160-180℃过热蒸汽，压力控制于0.8- 1.8MPa之间，保持压力30-60分钟，后突释蒸汽实现闪爆，重复通入蒸汽-保压-突释过程2-3次；取出蒸汽闪爆处理后的植物纤维后投入质量浓度10-15%的漆酶水溶液中，30℃-45℃下缓慢搅拌2-4小时后，升温至80-90℃使得酶失活，后降温至常温，过滤取出干燥得到产物；其中，漆酶水溶液的质量介于植物纤维的5-8倍之间。
进一步，所述漆酶的酶活性介于4000-8000U/g之间。
进一步，所述处理长植物纤维为将植物纤维原料经破碎后得到长纤维，其粒径介于500-1000目之间，长径比介于10-100之间；将长纤维投入3-5倍质量水中形成均匀浆料，搅拌均匀，后加入长纤维质量1-2%的阴离子表面活性剂，继续搅拌均匀后过滤干燥得到产物。
进一步，所述阴离子表面活性剂可为羧酸盐、磺酸盐类表面活性剂，优选的，其分子量小于2000。
进一步，所述植物纤维基为玉米秸秆、水稻秸秆、芦苇秸秆、小麦秸秆中的一种或多种的任意组合。
进一步，所述改性淀粉的制备工艺为：将淀粉加入水中配置成质量浓度为10-15%的水溶液，于40-60℃下搅拌均匀并静置2-3小时，后加入质量浓度为3-6%的甲基纤维素水溶液，搅拌均匀后逐步加入总质量浓度为4-8%的硼砂和戊二醛的水溶液，在40-60℃下进一步搅拌均匀，过滤固体洗涤至pH值至中性，干燥后得到产物；其中，淀粉、硼砂、戊二醛、甲基纤维素的质量比介于100：1-3：2-4：6-12之间。
进一步，所述淀粉为玉米淀粉、木薯淀粉中的一种或任意组合，优选的，淀粉为直链淀粉。
进一步，所述淀粉接枝类粘合剂为淀粉接枝醋酸乙烯酯、淀粉接枝丙烯酸酯类，接枝率按质量计算介于35-55%之间；其中，淀粉接枝丙烯酸酯类可为丙烯酸乙酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸-2-羟乙酯。
进一步，所述淀粉接枝类粘合剂的制备方式为以淀粉经糊化预处理，以氧化还原催化剂体系如过硫酸钾、过硫酸钾-硫代硫酸钠，或以高能射线引发，加入需接枝单体和助剂后，经共聚反应得到接枝共聚物。
进一步，所述水溶性纤维素为羧甲基纤维素、甲基纤维素、醋酸纤维素中的一种，水溶性纤维素以溶液形式加入复合物料中，其质量浓度介于5-10%之间。
进一步，如选择水溶性纤维素为甲基纤维素，其水溶液配置采用高温至90℃后降温得到溶液。
进一步，醋酸纤维素的取代度大于2。
进一步，所述制品的加工工艺为：将处理短植物纤维、处理长植物纤维、改性淀粉、淀粉接枝类粘合剂、明胶混合，投入捏合机内，加入水搅拌均匀，形成含水量介于20-40%的浆料，后加入水溶性纤维素水溶液，继续搅拌均匀后，干燥至含水率介于5-10%之间，切割成达到模压要求的浆料块，在置入模腔后在浆料块中均匀加入柠檬酸甘油酯；开始模压，于1.5-3MPa压力下，120-150℃温度下模压2-4分钟，逐步卸压，先于2秒内卸压至1-1.5MPa，保压1-2分钟后，卸压至常压，降温至60-80℃下保温1-2分钟，于30-50℃下保温1-2分钟，出模得到产品。
进一步，本发明的优势在于：
（1）采用了特殊的植物纤维处理方式，采用蒸汽闪爆破坏植物纤维表面的杂质和表面细胞壁，进而保证生物酶水溶液可更好的进入植物纤维内实现酶催化反应，进一步破坏纤维结构，使得复合配料中的淀粉等可更好的和纤维结合，提升加工性和粘结效果；
（2）采用了长短纤维结合的方式，长纤维作为骨架，短纤维作为填充、淀粉作为粘合剂，形成整体，基于三者的处理形成良好的结合效果；
（3）在形成浆料物质之间紧密结合后通过模压的快速卸压和保温、保压过程，实现在微孔发泡的同时确保材料的结合及泡孔的稳定性。
具体实施方式
以下将详细描述本发明的示例性实施方法。但这些实施方法仅为示范性目的，而本发明不限于此。
实施例1
一种植物纤维基复合材料及其轻量化高强韧制品，由以下组分及相应质量比例组成：
处理短植物纤维 100
处理长植物纤维 32
改性淀粉 12
淀粉接枝类粘合剂 9.5
羧甲基纤维素 6.5
明胶 18
柠檬酸甘油酯 2
所述处理植物纤维的具体工艺为：将芦苇秸秆破碎至300目粒径，投入水中配置成质量分数为45%的均匀浆料，将浆料投入蒸汽闪爆装置中，加热并通入170℃过热蒸汽，压力控制于1.2MPa，保持压力50分钟，后突释蒸汽实现闪爆，重复通入蒸汽-保压-突释过程3次；取出蒸汽闪爆处理后的纤维投入质量浓度为12%的漆酶水溶液中，35℃下缓慢搅拌3小时，升温至85℃使得酶失活，后降温至常温，过滤取出干燥得到产物；其中，漆酶水溶液的质量为纤维的6倍。
所述漆酶的酶活性为6000U/g。
所述处理长植物纤维为将芦苇秸秆原料经破碎后得到长纤维，其粒径为800目，长径比介于20-60之间；将纤维投入4倍质量水中形成浆料，搅拌均匀，后加入植物纤维质量1.2%的十二烷基磺酸钠，继续搅拌均匀后干燥得到产物。
所述改性淀粉的制备工艺为：将直链玉米淀粉加入水中配置成质量浓度为12%的水溶液，于50℃下搅拌均匀并静置2.5小时，后加入质量浓度为4.5%的甲基纤维素水溶液，搅拌均匀后逐步加入总质量浓度为6.5%的硼砂和戊二醛的水溶液，在50℃下进一步搅拌均匀，过滤固体洗涤至pH值至中性，干燥后得到产物；其中，淀粉、硼砂、戊二醛、甲基纤维素的质量比为100：2.2：3.5：9。
所述淀粉接枝类粘合剂为淀粉接枝醋酸乙烯酯，接枝率按质量计算为42%。
所述制品的加工工艺为：将处理短植物纤维、处理长植物纤维、改性淀粉、淀粉接枝类粘合剂、明胶混合，投入捏合机内，加入水搅拌均匀，形成含水量为32%的浆料，后加入质量浓度为8%的羧甲基纤维素水溶液，继续搅拌均匀后，干燥至含水率为8.5%，切割成达到模压要求的浆料块，在置入模腔后在浆料块中均匀加入柠檬酸甘油酯；开始模压，于2MPa压力下，140℃温度下模压3分钟，逐步卸压，先于2秒内卸压至1.2MPa，保压1.5分钟后，卸压至常压，降温至70℃下保温1.5分钟，于45℃下保温1.5分钟，出模得到产品。
所制备材料具体性能见表1。
实施例2
一种植物纤维基复合材料及其轻量化高强韧制品，由以下组分及相应质量比例组成：
处理短植物纤维 100
处理长植物纤维 45
改性淀粉 15
淀粉接枝类粘合剂 10
羧甲基纤维素 7
明胶 14
柠檬酸甘油酯 3
所述处理植物纤维的具体工艺为：将水稻秸秆破碎至250目粒径，投入水中配置成质量分数为35%的均匀浆料，将浆料投入蒸汽闪爆装置中，加热并通入180℃过热蒸汽，压力控制于1.6MPa，保持压力50分钟，后突释蒸汽实现闪爆，重复通入蒸汽-保压-突释过程2次；取出蒸汽闪爆处理后的植物纤维后投入质量浓度12%的漆酶水溶液中，40℃下缓慢搅拌3.5小时后，升温至85℃使得酶失活，后降温至常温，过滤取出干燥得到产物；其中，漆酶水溶液的质量为植物纤维的6倍。
所述漆酶的酶活性为7000U/g。
所述处理长植物纤维为将水稻秸秆原料经破碎后得到长纤维，其粒径为900目，长径比介于30-80之间；将长纤维投入4.5倍质量水中形成均匀浆料，搅拌均匀，后加入长纤维质量1.5%的醇醚羧酸盐AEC阴离子表面活性剂，继续搅拌均匀后过滤干燥得到产物。
所述改性淀粉的制备工艺为：将直链木薯淀粉加入水中配置成质量浓度为14%的水溶液，于50℃下搅拌均匀并静置3小时，后加入质量浓度为4.5%的甲基纤维素水溶液，搅拌均匀后逐步加入总质量浓度为7%的硼砂和戊二醛的水溶液，在50℃下进一步搅拌均匀，过滤固体洗涤至pH值至中性，干燥后得到产物；其中，淀粉、硼砂、戊二醛、甲基纤维素的质量比为100：2.6：3.2：9.8。
所述淀粉接枝类粘合剂为淀粉接枝丙烯酸乙酯、接枝率按质量计算为42%。
所述制品的加工工艺为：将处理短植物纤维、处理长植物纤维、改性淀粉、淀粉接枝类粘合剂、明胶混合，投入捏合机内，加入水搅拌均匀，形成含水量为35%的浆料，后加入质量分数为15%的羧甲基纤维素水溶液，继续搅拌均匀后，干燥至含水率为8%，切割成达到模压要求的浆料块，在置入模腔后在浆料块中均匀加入柠檬酸甘油酯；开始模压，于2.5MPa压力下，140℃温度下模压3分钟，逐步卸压，先于2秒内卸压至1.1MPa，保压2分钟后，卸压至常压，降温至70℃下保温1分钟，于40℃下保温2分钟，出模得到产品。
所制备材料具体性能见表1。
实施例3
一种植物纤维基复合材料及其轻量化高强韧制品，由以下组分及相应质量比例组成：
处理短植物纤维 100
处理长植物纤维 22
改性淀粉 14
淀粉接枝类粘合剂 8
醋酸纤维素 4
明胶 12-24
柠檬酸甘油酯 1.5-3
所述处理植物纤维的具体工艺为：将玉米秸秆破碎至400目粒径，投入水中配置成质量分数为45%的均匀浆料，将浆料投入蒸汽闪爆装置中，加热并通入165℃过热蒸汽，压力控制于1.5MPa，保持压力40分钟，后突释蒸汽实现闪爆，重复通入蒸汽-保压-突释过程3次；取出蒸汽闪爆处理后的植物纤维后投入质量浓度14%的漆酶水溶液中，45℃下缓慢搅拌3小时后，升温至90℃使得酶失活，后降温至常温，过滤取出干燥得到产物；其中，漆酶水溶液的质量为植物纤维的7倍。
所述漆酶的酶活性为6000U/g。
所述处理长植物纤维为将玉米秸秆原料经破碎后得到长纤维，其粒径为900目，长径比介于10-100之间；将长纤维投入4倍质量水中形成均匀浆料，搅拌均匀，后加入长纤维质量2%的十六烷基磺酸钠，继续搅拌均匀后过滤干燥得到产物。
所述改性淀粉的制备工艺为：将直链玉米淀粉加入水中配置成质量浓度为14%的水溶液，于50℃下搅拌均匀并静置3小时，后加入质量浓度为3.5%的甲基纤维素水溶液，搅拌均匀后逐步加入总质量浓度为5%的硼砂和戊二醛的水溶液，在50℃下进一步搅拌均匀，过滤固体洗涤至pH值至中性，干燥后得到产物；其中，淀粉、硼砂、戊二醛、甲基纤维素的质量比为100：1.5：3：10。
所述淀粉接枝类粘合剂为淀粉接枝丙烯酸乙酯，接枝率按质量计算为52%。
所述制品的加工工艺为：将处理短植物纤维、处理长植物纤维、改性淀粉、淀粉接枝类粘合剂、明胶混合，投入捏合机内，加入水搅拌均匀，形成含水量为40%的浆料，后加入醋酸纤维素水溶液，继续搅拌均匀后，干燥至含水率为8.5%，切割成达到模压要求的浆料块，在置入模腔后在浆料块中均匀加入柠檬酸甘油酯；开始模压，于2.5MPa压力，140℃温度下模压3.5分钟，逐步卸压，先于2秒内卸压至1MPa，保压2分钟后，卸压至常压，降温至70℃下保温2分钟，于45℃下保温1分钟，出模得到产品。
所制备材料具体性能如表1：
表1. 实施例1、2、3所制备材料的性能
| 性能参数 | 参考标准 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 |
| 密度（g/cm<sup>3</sup>） | 1.14 | 1.09 | 1.07 | |
| 泡孔直径（μm） | GB/T6343-1995 | 60-150 | 80-200 | 100-240 |
| 压缩强度 | GB/T6669-2001 | 3.14MPa | 2.98MPa | 2.57MPa |
| 压缩永久变形 | GB/T6669-2001 | 30min/24h: 3.13%/0.56% | 30min/24h: 3.33%/0.59% | 30min/24h: 3.54%/0.69% |
| 拉伸强度 | GB/T6344-1996 | 24.3MPa | 27.2MPa | 22.6MPa |
| 断裂伸长率 | GB/T6344-1996 | 82.7% | 69.3% | 94.6% |
Claims (10)
1.一种植物纤维基复合材料及其轻量化高强韧制品，由以下组分及相应质量比例组成：
处理短植物纤维 100
处理长植物纤维 20-45
改性淀粉 10-15
淀粉接枝类粘合剂 6-12
水溶性纤维素 3-8
明胶 12-24
柠檬酸甘油酯 1.5-3。
2. 如权利要求1所述的一种植物纤维基复合材料及其轻量化高强韧制品，其特征在于，所述处理短植物纤维为通过蒸汽闪爆-生物酶联合处理短植物纤维，其具体工艺为：将植物纤维破碎至200-400目粒径，投入水中配置成质量分数为30-50%的均匀浆料，将浆料投入蒸汽闪爆装置中，加热并通入160-180℃过热蒸汽，压力控制于0.8- 1.8MPa之间，保持压力30-60分钟，后突释蒸汽实现闪爆，重复通入蒸汽-保压-突释过程2-3次；取出蒸汽闪爆处理后的植物纤维后投入质量浓度10-15%的漆酶水溶液中，30℃-45℃下缓慢搅拌2-4小时后，升温至80-90℃使得酶失活，后降温至常温，过滤取出干燥得到产物；其中，漆酶水溶液的质量介于植物纤维的5-8倍之间。
3.如权利要求1所述的一种植物纤维基复合材料及其轻量化高强韧制品，其特征在于，所述处理长植物纤维为将植物纤维原料经破碎后得到长纤维，其粒径介于500-1000目之间，长径比介于10-100之间；将长纤维投入3-5倍质量水中形成均匀浆料，搅拌均匀，后加入长纤维质量1-2%的阴离子表面活性剂，继续搅拌均匀后过滤干燥得到产物。
4.如权利要求1、2所述的一种植物纤维基复合材料及其轻量化高强韧制品，其特征在于，所述植物纤维为玉米秸秆、水稻秸秆、芦苇秸秆、小麦秸秆中的一种或多种的任意组合。
5.如权利要求1、2所述的一种植物纤维基复合材料及其轻量化高强韧制品，其特征在于，所述漆酶的酶活性介于4000-8000U/g之间。
6.如权利要求1所述的一种植物纤维基复合材料及其轻量化高强韧制品，其特征在于，所述改性淀粉的制备工艺为：将淀粉加入水中配置成质量浓度为10-15%的水溶液，于40-60℃下搅拌均匀并静置2-3小时，后加入质量浓度为3-6%的甲基纤维素水溶液，搅拌均匀后逐步加入总质量浓度为4-8%的硼砂和戊二醛的水溶液，在40-60℃下进一步搅拌均匀，过滤固体洗涤至pH值至中性，干燥后得到产物；其中，淀粉、硼砂、戊二醛、甲基纤维素的质量比介于100：1-3：2-4：6-12之间。
7.如权利要求1、5所述的一种植物纤维基复合材料及其轻量化高强韧制品，其特征在于，所述淀粉为玉米淀粉、木薯淀粉中的一种或任意组合；所述淀粉为直链淀粉。
8.如权利要求1所述的一种植物纤维基复合材料及其轻量化高强韧制品，其特征在于，所述淀粉接枝类粘合剂为淀粉接枝醋酸乙烯酯、淀粉接枝丙烯酸酯类，接枝率按质量计算介于35-55%之间。
9.如权利要求1所述的一种植物纤维基复合材料及其轻量化高强韧制品，其特征在于，所述水溶性纤维素为羧甲基纤维素、甲基纤维素、醋酸纤维素中的一种。
10.如权利要求1所述的一种植物纤维基复合材料及其轻量化高强韧制品，其特征在于，所述制品的加工工艺为：将处理短植物纤维、处理长植物纤维、改性淀粉、淀粉接枝类粘合剂、明胶混合，投入捏合机内，加入水搅拌均匀，形成含水量介于20-40%的浆料，后加入水溶性纤维素水溶液，继续搅拌均匀后，干燥至含水率介于5-10%之间，切割成达到模压要求的浆料块，在置入模腔后在浆料块中均匀加入柠檬酸甘油酯；开始模压，于1.5-3MPa压力下，120-150℃温度下模压2-4分钟，逐步卸压，先于2秒内卸压至1-1.5MPa，保压1-2分钟后，卸压至常压，降温至60-80℃下保温1-2分钟，于30-50℃下保温1-2分钟，出模得到产品。
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