疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法與流程

2024-04-09 22:38:05

本發明涉及環保材料領域。更具體地說，本發明涉及一種疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法。
背景技術：
：目前，隨著石油資源的日趨緊張，以及環境汙染越來越嚴重，可降解非石油基高分子材料越來越受到人們的關注，使得人們的研究從面臨枯竭的石化資源不斷向可再生生物質資源轉化，尤其是可降解的可再生生物質資源。澱粉是多糖類化合物，在微生物作用下最終分解為無毒的二氧化碳和水，是目前應用廣泛的可生物降解的天然高分子原料，其來源廣泛，且價格低廉，但因分子鏈上含有大量羥基，容易在分子鏈和分子間形成氫鍵，成型困難，且發泡材料容易變脆，回彈性、防腐抗菌性較差，耐水性也差，一遇水或長期在潮溼的空氣中，容易吸收水分，使其穩定性降低。聚乳酸材料是目前應用最為廣泛的可降解材料之一，其具有很好的透明度、機械性能和生物相容性，高強度、熱塑性、疏水性、成型加工容易、可完全降解，降解產物對人體無毒無害，屬於可再生資源。但聚乳酸價格昂貴、高脆性、低韌性、耐熱性較差的缺陷影響了其在更多領域的應用。劍麻纖維較長，色澤光白，質地堅韌，強力高、耐磨、耐腐蝕、耐低溫，吸溼放溼快，在水溼條件下，纖維強力更高，伸長率低，經海水等浸泡不易腐蝕，價格低廉，適合用作纖維樹脂基複合材料的增強材料，但由於其吸水性大，與樹脂基體的界面粘結不理想，導致複合材料的力學性能不高，從而限制了劍麻纖維/樹脂基複合材料的應用。技術實現要素：本發明的目的是提供一種疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法，以得到疏水、高強度、高耐熱性、成型加工容易、耐磨、耐腐蝕、相容性好，且成本低的複合材料。為了實現根據本發明的這些目的和其它優點，提供了一種疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法，包括以下步驟：步驟一、將劍麻原麻粉碎成短纖維後，將短纖維浸泡在含纖維素保護劑的甘油水溶液中，細胞發生質壁分離後，過濾，得到濾液一和濾渣一，其中，纖維素保護劑的質量分數為1～2％，甘油的濃度大於劍麻細胞液的濃度；步驟二、將濾渣一洗淨後，置於水中，浸泡40～90s後，調節水的ph值為3～4，溫度為45～50℃，再加入0.8～1.2g/l的果膠酶，浸泡1～2h後，過濾，瀝乾，接著放入濾液一中，之後向濾液一中加入質量為濾液一質量1～2％的氧化劑、0.5～1％的表面活性劑、0.15～0.2％的催化劑和0.5～1％的螯合劑，並調節濾液一的ph值為3～13，在溫度為25～90℃下保溫1～2h後，進行離心分離，得到固體物質和液體物質；步驟三、將固體物質放入水或水溶性有機溶劑中浸泡30～50min後，過濾，重複浸泡和過濾2～3次後，烘乾，得到劍麻纖維素；步驟四、將60～70重量份的澱粉和30～32重量份的增塑劑混合後，在混煉機內於80～90℃下共混40～50min後，在90～100℃下乾燥3～4h，再研磨成粉末，得到熱塑性改性澱粉粉末；步驟五、將60～70重量份的改性澱粉粉末、20～30重量份的劍麻纖維素、30～40重量份的聚乳酸、10～20重量份的甘油、3～5重量份的防水劑、0.5～1.5重量份的相容劑和1～2重量份的紫外線吸收劑混合後，送入密煉機中，在溫度為110～120℃下，共混1～1.5h，再模壓成型或擠出成型。優選的是，所述的疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法中，甘油水溶液中甘油的質量分數為40～60％。優選的是，所述的疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法中，所述水溶性有機溶劑為乙醇或丙酮。優選的是，所述的疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法中，所述氧化劑為氯酸鈉、亞氯酸鈉、高碘酸鈉、高碘酸鉀和過碳酸鈉中的任何一種或幾種。優選的是，所述的疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法中，所述纖維素保護劑為氫氧化鎂、聚乙烯醇、檸檬酸鈉和苯甲酸鈉中的任何一種或幾種。優選的是，所述的疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法中，所述表面活性劑為聚乙烯醇、蔗糖酯、十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基磺酸鈉和十二烷基硫酸鈉中的任何一種或幾種。優選的是，所述的疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法中，所述增塑劑為水和/或乙醇。優選的是，所述的疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法中，所述防水劑為木材防水劑。優選的是，所述的疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法中，所述步驟五中，將65重量份的改性澱粉粉末、25重量份的劍麻纖維素、35重量份的聚乳酸、15重量份的甘油、4重量份的防水劑、1重量份的相容劑和2重量份的紫外線吸收劑混合後，送入密煉機中，在溫度為120℃下，共混1.5h，再模壓成型或擠出成型。本發明至少包括以下有益效果：本發明先將短纖維浸泡在含纖維素保護劑的甘油水溶液中，對纖維素進行保護，在高濃度甘油中，由於滲透壓的作用，細胞內水分便向外滲出，細胞發生收縮，再置於水中，由於滲透壓的突然變化，胞外的水迅速滲入胞內，引起細胞快速膨脹，細胞壁被撐開，纖維素、半纖維素和果膠間的結合強度降低，易於分離，進行酶解後，再置於濾液一中，在氧化劑的作用下，能脫除大部分膠質，得到純度較高的纖維素。本發明以改性澱粉粉末、劍麻纖維和聚乳酸為原料，使得製備的複合材料易於降解，且綜合利用了劍麻纖維的耐磨、耐腐蝕性，改性澱粉的低成本，聚乳酸的高強度、疏水性，在共混時加入了防水劑，其能使複合材料具有更強的防水性能，防止複合材料遇水或長期在潮溼的空氣中吸收水分，提高了複合材料的穩定性、機械性能和疏水性。本發明的其它優點、目標和特徵將部分通過下面的說明體現，部分還將通過對本發明的研究和實踐而為本領域的技術人員所理解。具體實施方式下面結合實施例對本發明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。需要說明的是，下述實施方案中所述實驗方法，如無特殊說明，均為常規方法，所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業途徑獲得。實施例1一種疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法，包括以下步驟：步驟一、將劍麻原麻粉碎成短纖維後，將短纖維浸泡在含纖維素保護劑的甘油水溶液中，甘油的濃度較高，能使細胞內的水分向外滲出，細胞發生收縮，細胞發生質壁分離後，過濾，得到濾液一和濾渣一，其中，纖維素保護劑在甘油水溶液中的質量分數為1％，甘油的濃度大於劍麻細胞液的濃度；步驟二、將濾渣一洗淨後，置於水中，浸泡40s使細胞吸水膨脹後，調節水的ph值為3，溫度為45℃，再加入0.8g/l的果膠酶，浸泡1h對果膠進行水解，後，過濾，將得到的濾渣瀝乾後，放入濾液一中，之後向濾液一中加入質量為濾液一質量1％的氧化劑、0.5％的表面活性劑、0.15％的催化劑和0.5％的螯合劑，形成脫膠液後，調節濾液一(脫膠液)的ph值為3，使氧化劑在酸性環境中，具有強氧化性，實際生產時，此處ph值由氧化劑的穩定性和氧化強度決定，以使氧化劑處在適宜的ph值下，脫膠液用鹽酸調至酸性，氫氧化鈉或氫氧化鉀調至鹼性，在溫度為25℃(實際生產時，此處溫度由氧化劑的穩定性和氧化強度決定，以使氧化劑處在適宜的溫度下)下保溫1h，利用脫膠液的氧化性充分去除劍麻原麻中的膠質後，進行離心分離，得到固體物質和液體物質；步驟三、將固體物質放入水(目的是為了除去氧化劑，實際使用時，溶劑根據氧化劑的種類進行選擇，以使氧化劑和氧化劑被還原後的產物溶於所選的溶劑中)中浸泡30min後，過濾，重複浸泡和過濾2次後，烘乾，得到劍麻纖維素；纖維素是植物細胞壁的主要結構成分，通常與半纖維素、果膠和木質素結合在一起，在利用前，必須把纏繞在纖維素上的膠質去掉。步驟四、將60重量份的澱粉和30重量份的增塑劑(塑化劑)混合後，在混煉機內於80℃下共混40min後，在90℃下乾燥3h，再研磨成粉末，得到熱塑性改性澱粉粉末；步驟五、將60重量份的改性澱粉粉末、20重量份的劍麻纖維素、30重量份的聚乳酸、10重量份的甘油、3重量份的防水劑、0.5重量份的相容劑和1重量份的紫外線吸收劑混合後，送入密煉機中，在溫度為110℃下，共混1h，再模壓成型或擠出成型。本發明以改性澱粉粉末、劍麻纖維和聚乳酸為原料，使得製備的複合材料易於降解，且綜合利用了劍麻纖維的耐磨、耐腐蝕性，改性澱粉的低成本，聚乳酸的高強度、疏水性，在共混時加入了防水劑，其能使複合材料具有更強的防水性能，防止複合材料遇水或長期在潮溼的空氣中吸收水分，提高了複合材料的穩定性、機械性能和疏水性。所述的疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法中，甘油水溶液中甘油的質量分數為40％。所述的疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法中，所述氧化劑為氯酸鈉。其在酸性溶液中或有誘導氧化劑和催化劑(如硫酸銅)存在時，是強氧化劑。此時的催化劑為硫酸銅。所述的疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法中，所述纖維素保護劑為氫氧化鎂。所述的疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法中，所述表面活性劑為十二烷基苯磺酸鈉。所述的疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法中，所述增塑劑為水。所述的疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法中，所述防水劑為木材防水劑。實施例2一種疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法，包括以下步驟：步驟一、將劍麻原麻粉碎成短纖維後，將短纖維浸泡在含纖維素保護劑的甘油水溶液中，細胞發生質壁分離後，過濾，得到濾液一和濾渣一，其中，纖維素保護劑的質量分數為2％，甘油的濃度大於劍麻細胞液的濃度；步驟二、將濾渣一洗淨後，置於水中，浸泡90s後，調節水的ph值為4，溫度為50℃，再加入1.2g/l的果膠酶，浸泡2h後，過濾，瀝乾，接著放入濾液一中，之後向濾液一中加入質量為濾液一質量2％的氧化劑、1％的表面活性劑、0.2％的催化劑和1％的螯合劑，並調節濾液一的ph值為7，在溫度為70℃下保溫2h後，進行離心分離，得到固體物質和液體物質；步驟三、將固體物質放入水中浸泡50min後，過濾，重複浸泡和過濾3次後，烘乾，得到劍麻纖維素；步驟四、將70重量份的澱粉和32重量份的增塑劑混合後，在混煉機內於90℃下共混50min後，在100℃下乾燥4h，再研磨成粉末，得到熱塑性改性澱粉粉末；步驟五、將70重量份的改性澱粉粉末、30重量份的劍麻纖維素、40重量份的聚乳酸、20重量份的甘油、5重量份的防水劑、1.5重量份的相容劑和2重量份的紫外線吸收劑混合後，送入密煉機中，在溫度為120℃下，共混1.5h，再模壓成型或擠出成型。所述的疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法中，甘油水溶液中甘油的質量分數為60％。所述的疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法中，所述氧化劑為高碘酸鉀。在中性環境中有強氧化性，溶於氫氧化鉀溶液，溶於熱水。所述的疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法中，所述纖維素保護劑為檸檬酸鈉。所述的疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法中，所述表面活性劑為十二烷基磺酸鈉。所述的疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法中，所述增塑劑為水。所述的疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法中，所述防水劑為木材防水劑。實施例3一種疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法，包括以下步驟：步驟一、將劍麻原麻粉碎成短纖維後，將短纖維浸泡在含纖維素保護劑的甘油水溶液中，細胞發生質壁分離後，過濾，得到濾液一和濾渣一，其中，纖維素保護劑的質量分數為1.5％，甘油的濃度大於劍麻細胞液的濃度；步驟二、將濾渣一洗淨後，置於水中，浸泡65s後，調節水的ph值為4，溫度為47℃，再加入1g/l的果膠酶，浸泡1.5h後，過濾，瀝乾，接著放入濾液一中，之後向濾液一中加入質量為濾液一質量1.5％的氧化劑、0.7％的表面活性劑、0.17％的催化劑和0.7％的螯合劑，並調節濾液一的ph值為7，在溫度為30℃下保溫1.5h後，進行離心分離，得到固體物質和液體物質；步驟三、將固體物質放入水溶性有機溶劑中浸泡40min後，過濾，重複浸泡和過濾2次後，烘乾，得到劍麻纖維素；步驟四、將65重量份的澱粉和31重量份的增塑劑混合後，在混煉機內於85℃下共混45min後，在95℃下乾燥3.5h，再研磨成粉末，得到熱塑性改性澱粉粉末；步驟五、將65重量份的改性澱粉粉末、25重量份的劍麻纖維素、35重量份的聚乳酸、15重量份的甘油、4重量份的防水劑、1重量份的相容劑和2重量份的紫外線吸收劑混合後，送入密煉機中，在溫度為120℃下，共混1.5h，再模壓成型或擠出成型。所述的疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法中，甘油水溶液中甘油的質量分數為50％。所述的疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法中，所述水溶性有機溶劑為乙醇。所述的疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法中，所述氧化劑為亞氯酸鈉。所述的疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法中，所述纖維素保護劑為苯甲酸鈉。所述的疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法中，所述表面活性劑為十二烷基硫酸鈉。所述的疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法中，所述增塑劑為水。所述的疏水性木薯澱粉劍麻纖維複合材料的製備方法中，所述防水劑為木材防水劑。試驗1測量實施例1-3製備的複合材料的拉伸強度(mpa)、吸水率(％)、土埋後失重(％)、斷裂伸長率(％)和熱變形溫度(℃)，見表1。其中，測試降解性能時，將複合材料埋於溼度為60％的土壤中30d和60d失重後，分別測土埋後失重(％)，並測試完全降解時間(月)。其他測試方法按國標方法進行測試。表1實施例1-3製備的複合材料的性能由表1可知，實施例1-3製備的複合材料耐水性較好，且實施例3製備的複合材料的耐水性最好。實施例1-3製備的複合材料降解性能也較好，3-4個月即可完全降解，且拉伸強度較高，加工性能好，熱變形溫度高，耐熱性好。試驗2測量實施例1-3中，脫膠液脫膠(氧化劑處理)之後，劍麻纖維各組分含量(％)，結果見表2。表2脫膠液脫膠後劍麻纖維各組分含量實施例木質素含量/％纖維素含量/％其他組分/％實施例10.696.92.5實施例20.597.32.2實施例30.697.81.6由表2可知，採用實施例1-3的方法進行脫膠，可使纖維素含量達到96％以上，純度較高。儘管本發明的實施方案已公開如上，但其並不僅僅限於說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用於各種適合本發明的領域，對於熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同範圍所限定的一般概念下，本發明並不限於特定的細節和這裡示出與描述的實施例。當前第1頁12