一種製備全纖維素複合層壓材料的方法
2023-07-05 06:23:21
一種製備全纖維素複合層壓材料的方法
【專利摘要】本發明公開了一種製備全纖維素複合層壓材料的方法，即將纖維素漿粕溶解在鹼、尿素和硫脲所組成的混合水溶液當中，製備出纖維素溶液，然後將纖維素溶液塗覆於紙張表面，若干塗覆後的紙張疊加，在一定溫度和壓力下靜置，然後取出在凝固浴中固化，去離子水洗滌後乾燥。本發明通過簡單方法得到了一種全纖維素層壓材料，強度高，無汙染，綠色環保。可廣泛應用於包裝、功能材料領域，而且可生物降解。
【專利說明】一種製備全纖維素複合層壓材料的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於天然高分子化學【技術領域】。特別涉及一種製備全纖維素層壓材料的方法。
【背景技術】
[0002]當前，科學與技術已趨向可再生的原料以及環境友好、可持續發展的方法和過程(Tilman, D.; Socolow, R.et al.Science 200? 325，270-271.)。地球上存在著很多具有各種形態、結構和功能的天然高分子，它們來源豐富且可再生，產物在廢棄後能被自然界中的微生物分解為水、二氧化碳及無機小分子，屬於生物可降解材料。纖維素作為地球上含量最大的天然高分子，生物相容性好、易衍生化，將成為未來的主要化工原料之一(Klemm, D.; Heublein, B.et al.Angew.Chem.1nt.Ed.2005, 44, 3358-3393.)。纖維素已用於紡絲、制膜、生產無紡布和各種纖維素衍生物。共混改性是開發高分子新材料的重要途徑之一。共混材料綜合了各個組分的特點，力學性能、熱穩定性、生物相容性等得到改善和提高，甚至具備了特定的功能。因此，研究與開發完全可再生的、可生物降解的纖維素天然高分子共混材料具有重要意義。植物纖維是最具吸引力的天然增強體之一。天然纖維素具有高強度(模量達數十GPa)和低密度1.47-1.59g/cm3，是力學性能最為優異的天然生物質材料，可比擬鋁(70 GPa)和玻璃纖維(76 GPa) (Wegst U, Ashby M.Philos Mag84(21):2167; Lyons ff.J Chem Phys 9:377)，而且價格低廉、可完全生物降解，是高性能低成本增強材料，可完全取代能耗高、汙染大的玻璃纖維。
[0003]研究報導製備全纖維素複合材料的方法有兩種:一是二步法，即先溶解纖維素得到纖維素溶液，然後與纖維素纖維混合凝固(Nishino T, Matsuda I, Hirao K.Macromolecules 37 (20): 7683) ; 二是一步法，即纖維素纖維在溶劑中部分溶解，然後與未溶解部分一起凝固，例如 Gindl et al.(Gindl W，Keckes J.Polymer 2005,46(23):10221)採用此方法溶解10 % v/v的纖維素，餘下纖維素作為增強體製備了全纖維素複合材料，這種方法也被稱為「表面選擇溶解法」(Soykeabkaew N, Arimoto N.ComposSci Technol 2008, 68 (10 - 11): 2201)。Gindl (Gindl ff, Keckes J.Polymer 2005，46 (23):10221), Soykeabkaew(Soykeabkaew N, Arimoto N.Compos Sci Technol 2008,68 (10 - 11):2201)和 Duchemin(Duchemin BJC, Newman RH, Staiger MP.Compos SciTechnol 2009, 69 (7 - 8): 1225)等人一步法製備了離子液體溶劑體系全纖維素複合材料，所用纖維素包括微晶纖維素、山毛櫸纖維、濾紙、竹麻、天絲等天然和人造纖維素纖維，複合材料拉伸強度可達數百MPa。然而，離子液體成本高昂，限制其應用發展。二步法受工藝限制，所報導的研究不多，多以納米纖維素增強的全纖維素材料為主，Qi等人(Qi H, Cai JBiomacromolecules 2008, 10 (6): 1597)製備含IOwt.%納米纖維素的纖維素膜,拉伸強度達124MPa，比空白 纖維素膜高出50%，而且具有很好的透光性。
【發明內容】
[0004]本發明的目的就是針對上述【背景技術】的現狀，以低汙染、低成本、簡便為目標提供一種製備全纖維素層壓材料的新方法。
[0005]為實現上述目的，本發明的技術方案是:
1、配製纖維素溶液:將分子量為1.0X ΙΟ4、.4X IO5的纖維素加入到-12.0 V以下的含有5 - 12 wt.%氫氧化鈉、O - 20 wt.%尿素和O - 20 wt.%硫脲混合水溶液，或3 -12 wt.%氫氧化鋰、O - 20 wt.%尿素和O - 20 wt.%硫脲混合水溶液中，並迅速攪拌3_5min ;纖維素溶液的濃度為2-8 wt.%。
[0006]2、將纖維素溶液塗覆於紙張表面，疊加，疊加層數為2-20層，在溫度為10 - 80°C，壓力為 100 Pa - 1000 kPa 下靜置 1- 24 h。
[0007]3、取出材料浸入凝固浴中固化，洗滌，乾燥。
[0008]本發明方法用「綠色」溶解方法得到的纖維素溶液作為膠層，通過塗覆、施壓、固化使紙張層層結合在一起，得到全纖維素層壓材料。所製備的全纖維素層壓材料力學性能優良、可生物降解，能廣泛用於化工、醫用、環保等領域中的包裝材料以及功能材料製備。
[0009]與現有技術相比，本發明具有如下顯著優點:
1.材料完全是由纖維素構成，廢棄後可完全生物降解，且在製備過程中不使用任何有毒、揮發化學藥劑，不會帶來環境汙染以及生態危機等問題。
[0010]2.製備方法簡便，無需大型、精密儀器，生產周期短。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]附圖1為本發明製備全纖維素複合層壓材料橫截面掃描電鏡(SEM)圖。
[0012]附圖2為本發明製備的不同編號的全纖維素複合層壓材料的拉伸強度(Sb)和斷裂伸長率(eb)圖。
【具體實施方式】
[0013]以下結合實施例對本發明的【具體實施方式】作進一步的介紹:
實施例1
將8.34 g的棉短絨(分子量1.0XlO5)加入到200 g預冷至-12.0 °C且含有7wt.%NaOH和12 wt.%尿素的溶液中，迅速攪拌5 min,高速離心機脫泡，得到濃度為4%纖維素溶液。將纖維素溶液塗覆於濾紙上，疊加2層，25°C加壓5 kPa靜置4 h,然後放入5%H2S04溶液中凝固，經洗滌、乾燥後所得層壓材料分別標記為4%-2、4%-3、4%-4和4%-5。同上得到
3.5%和3%纖維素溶液製備的纖維素層壓材料。由萬能電子拉力試驗機測得的拉伸強度(sb)、斷裂伸長率(eb)匯集於附圖2中。
[0014]實施例2
將16.68 g的棉短絨(分子量1.0X IO4)加入到200 g預冷至-12.5 °C且含有12wt.%NaOH和20 wt%尿素的溶液中，迅速攪拌5 min,高速離心機脫泡得到8 wt.%纖維素溶液。將纖維素溶液塗覆於濾紙上，疊加20層,80 °C加壓I MPa靜置I h,然後放入10 wt.%H2SO4溶液中凝固，經洗滌、乾燥後得到全纖維素層壓材料。
[0015]實施例3
將4.17 g的棉短絨(分子量1.4X IO5)加入到200 g預冷至-12.5 °C且含有5wt.%NaOH和20 wt.%硫脲的溶液中,迅速攪拌5 min,高速離心機脫泡得到2 wt.%纖維素溶液。將纖維素溶液塗覆於濾紙上，疊加2層，10 °C加壓100 Pa靜置24 h，然後放入3 wt.%H2SO4水溶液中凝固，經洗滌、乾燥後得到全纖維素層壓材料。
[0016]實施例4
將16.68 g的棉短絨(分子量1.0X IO4)加入到200 g預冷至-12.5 °C且含有12wt.%NaOH和20 wt.%尿素的溶液中，迅速攪拌5 min,高速離心機脫泡得到8 wt.%纖維素溶液。將纖維素溶液塗覆於濾紙上，疊加20層,80 °C加壓I MPa靜置I h,然後放入5 wt.%Na2SO4水溶液中凝固，經洗滌、乾燥後得到全纖維素層壓材料。
[0017]實施例5
將4.17 g的棉短絨(分子量1.4X IO5)加入到200 g預冷至-12.5 °C且含有5wt.%NaOH和20 wt.%硫脲的溶液中，迅速攪拌5 min,高速離心機脫泡得到2 wt.%纖維素溶液。將纖維素溶液塗覆於濾紙上，疊加2層，10 °C加壓100 Pa靜置24 h,然後放入20wt.% Na2SO4水溶液中凝固，經洗滌、乾燥後得到全纖維素層壓材料。
[0018]實施例6
將16.68 g的棉短絨(分子量1.0X IO4)加入到200 g預冷至-12.5 °C且含有12wt.%NaOH和20 wt.%尿素的溶液中，迅速攪拌5 min,高速離心機脫泡得到8wt.%纖維素溶液。將纖維素溶液塗覆於濾紙上，疊加20層，80°C加壓IMPa靜置I h，然後放入3 wt.%H2S04和20 wt.%Na2S04混合水溶液中凝固，經洗滌、乾燥後得到全纖維素層壓材料。
[0019]實施例7
將4.17g的棉短絨(分子量1.4X IO5)加入到200g預冷至-12.5°C且含有5 wt.%NaOH和20 wt.%硫脲的溶液中，迅速攪拌5 min，高速離心機脫泡得到2 wt%纖維素溶液。將纖維素溶液塗覆於濾紙上，疊加2層，10°C加壓100 Pa靜置24 h，然後放入10 wt.%H2S04和5wt.%Na2S04混合水溶液中凝固，經洗滌、乾燥後得到全纖維素層壓材料。
[0020]實施例8
將16.68 g的棉短絨(分子量1.0X IO4)加入到200 g預冷至-12.5 °C且含有12wt.%NaOH和20 wt.%尿素的溶液中，迅速攪拌5min,高速離心機脫泡得到8 wt.%纖維素溶液。將纖維素溶液塗覆於濾紙上，疊加20層，80°C加壓IMPa靜置lh，然後放入20°C水中凝固，經洗滌、乾燥後得到全纖維素層壓材料。
[0021]實施例9
將4.17g的棉短絨(分子量1.4X IO5)加入到200 g預冷至-12.5°C且含有5 wt.%NaOH和20 wt.%硫脲的溶液中，迅速攪拌5 min，高速離心機脫泡得到2 wt.%纖維素溶液。將纖維素溶液塗覆於濾紙上，疊加2層，10 °C加壓100 Pa靜置24 h，然後放入60 °C水中凝固，經洗滌、乾燥後得到全纖維素層壓材料。
[0022]以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
【權利要求】
1.一種製備全纖維素複合層壓材料的方法，其特徵在於:將纖維素溶解在溶劑當中，充分攪拌，製得纖維素溶液，再將纖維素溶液塗覆於紙張表面，疊加，靜置，取出材料浸入凝固浴中固化，洗滌，乾燥，既得到全纖維素層壓材料。
2.根據權利要求1所述的製備全纖維素複合層壓材料的方法，其特徵在於:所用的溶劑為5-12 wt.%氫氧化鈉、O - 20 wt.%尿素和O - 20 wt.%硫脲混合溶液，或3 - 12wt.%氫氧化鋰、O - 20 wt.%尿素和O - 20 wt.%硫脲混合溶液,纖維素溶液濃度為2 -8 wt.%o
3.根據權利要求1所述的製備全纖維素複合層壓材料的方法，其特徵在於:所用纖維素原料為棉短絨漿柏、木漿、竹漿、薴麻漿等α-纖維素含量高、纖維素的分子量為IXlO4-L 4X IO5的纖維素漿。
4.根據權利要求1所述的製備全纖維素複合層壓材料的方法，其特徵在於:所用紙張為濾紙、複印紙、牛皮紙等纖維素含量高的紙張。
5.根據權利要求1所述的製備全纖維素複合層壓材料的方法，其特徵在於:疊加層數2-20 層。
6.根據權利要求1所述的製備全纖維素複合層壓材料的方法，其特徵在於:靜置條件為溫度為10 - 80 °C，靜置壓力為100 Pa - 1000 kPa，靜置時間為1- 24 h。
7.根據權利要求1所述的製備全纖維素複合層壓材料的方法，其特徵在於:凝固劑為3-10 wt.%H2S04 溶液，或 5 - 20 wt.%Na2S04 溶液，或 3 - 10 wt.%H2S04 和 5 - 20 wt.%Na2S04混合溶液，或20 - 60 °C水凝固浴。
8.根據權利要求1所述的製備方法製得的即為全纖維素複合層壓材料。
【文檔編號】B32B29/06GK103552353SQ201310510514
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月26日 優先權日:2013年10月26日
【發明者】李燃, 楊文斌, 張俐娜 申請人:福建農林大學