一種微波原位表面改性植物纖維的方法
2023-06-02 13:46:26
專利名稱：一種微波原位表面改性植物纖維的方法
技術領域：
本發明涉及一種微波預處理提高植物纖維的可及度並對植物纖維進行原位 表面改性的方法。
技術背景植物纖維是自然界中最為豐富的可再生資源，每年通過光合作用可合成約1000 X 109 t。近年來隨著石油、煤炭儲量的下降，特別是80年代以來，隨著 各國對環境汙染問題的日益關注和重視，纖維素的應用愈來愈受到重視。近年 來隨著複合材料的快速發展以及以石油為原料的合成樹脂量減價漲，在塑料、 橡膠、油墨、塗料、皮革以及各種複合材料加工過程中，為達到增量和降低成 本的目的，利用環保可再生的生物質資源——植物纖維作為填充改性劑已成為 研究熱點。目前世界各國對各種廢舊塑料汙染進行了全方位治理，並已取得了一定的 成效，其中用植物纖維填充，經專用設備擠出、壓制或注塑成型，可用來在某 些場合替代木材製品的塑木製品尤為實用。植物纖維完全來源於自然，環境協 調性良好，在農業生產和建築建材加工行業中有較大量的富餘，且主要以廢料 的形式存在，與石化產品相比有明顯的價格優勢。對植物纖維的資源化利用既 為解決了廢料堆積問題，使其進入新一輪的工業領域，又為石化產品廢棄的降 解提供生物通道。合理使用植物纖維不僅能降低成本，還可改善塑料性能或賦 予新的功能，如可環境消納性能等。其應用範圍也很廣，主要應用在建材、汽 車工業、貨物的包裝運輸、裝飾材料及日常生活用具等方面，有廣闊的發展前景。植物纖維作為塑料的一種有機填料，具有許多其他的無機填料所無法比擬 的優良性能來源廣泛、價格低廉、密度低、絕緣性好、對加工設備磨損小。 但它並沒有像無機填料那樣得到廣泛應用，原因主要有與基體樹脂的相容性差、 在熔融的熱塑性塑料中分散效果差、流動性差、擠出成型加工困難等。隨著塑木技術的不斷發展和環保需求的日益提高，塑木技術已由單一組分 的廢舊塑料和木粉共混合生產塑木製品，向多組分廢舊塑料和木粉共混合生產 塑木製品過渡，這樣多組分的廢舊塑料間的相容性就變得十分重要。由於木粉中主要成分是纖維素，纖維素中含大量的羥基，這些羥基形成分 子間氫鍵或分子內氫鍵，使木粉具有吸水性，吸溼率可達8%-12%,且極性很 強；而熱塑性塑料多數為非極性的，具有疏水性，所以兩者之間的相容性較差， 界面的粘結力很小。使用適當的添加劑來改性聚合物一木粉表面，可以提高木 粉與樹脂之間的界面親和能力，且改性的木粉填料具有增強的性質，能夠很好 地傳遞填料與樹脂之間的應力，從而達到增強複合材料強度的作用。因此，要 得到性能優良、符合條件的塑木複合材料，首先要解決的是材料相容性的問題。 其中偶聯劑可以提高無機填料、無機纖維與基體樹脂之間的相容性，同時也可 改善木粉與聚合物之間的界面狀況。矽烷偶聯劑和鈦酸酯偶聯劑是應用最廣泛 的兩類偶聯劑。實驗表明，這兩種偶聯劑都能改善填料與樹脂的相容性。充分利用纖維素資源的一個重要步驟是對纖維素進行適當的預處理。這是 因為天然纖維素的分子內和分子間存在著大量的氫鍵，同時纖維素以聚集態結 構存在，具有高度的複雜性和結晶度，使得纖維素對試劑的可及度低，溶解困 難，反應性能及化學反應的均一性差，這直接影響到纖維素製品的使用性能。 對植物纖維改性研究起步較早，以紡織行業中傳統的絲光化鹼處理為始逐漸向新型的物理化學處理方法為主，化學方法中，氫氧化鈉溶液的潤脹處理是 發現最早、應用最廣、最有效的預處理手段之一，而纖維素經液氨處理後有利 於增進纖維素對各種化學試劑的可及度，提高纖維素的化學反應性能；物理機 械作用可提高纖維素對各種化學反應和酶水解的可及度和反應性，其作用的大 小與採用的機械處理的方式，即機械力大小和能量大小有關；新興的高能射線 如電子射線處理可減少溶解用或反應用化學藥品造成的廢水、環境等汙染，且 輻射纖維素所產生的游離基還可引發乙烯類單體在纖維素游離基位置上的接枝 共聚。華南理工大學的唐愛民、葉君等教授對植物纖維採用微波處理，研究了 微波和超聲波處理後纖維素超分子結構及反應性能的變化，考察了微波和超聲 輻射對纖維素鹼化反應和高碘酸高選擇性氧化纖維素反應的影響。木塑複合材料製備過程中對植物纖維的改性處理主要運用的是高速捏合 機，通過機械攪拌作用，擴大植物纖維與改性劑的接觸面積，提高改性劑包覆 植物纖維的均勻程度，高速捏合機提供的能量不足以促進結晶區的破壞和改性 劑與植物纖維表面官能團的反應。微波是一種新型節能、無溫度梯度的加熱技術，它具有反應速度快、產率 高、價格低廉及對環境友好的特點。預先利用微波輻射植物纖維，可破壞植物 纖維分子間的氫鍵，使植物纖維的結晶區在微波的高能作用下逐步瓦解，轉化 為無定形區，減小了結晶區和無定形區之間的比率，從而提高植物纖維的可及 度。與此同時，加入適當化學藥品，在提高植物纖維可及度的同時與植物纖維 發生反應，有利於改性化學藥品的快速均勻滲透，從而起到表面原位改性的作 用。以上對植物纖維的微波處理主要運用於製漿工業，本專利在微波處理的同時引入改性劑，對植物纖維主要進行原位表面處理，以改善原有在高速捏合攪 拌機中物理機械作用中能耗大，環境汙染大，且對可及度提高不足，結晶區破 壞少的缺點，並提高植物纖維與基體樹脂，如塑料、橡膠、塗料的結合力，從 而起到填充改性的目的。發明內容為了提高植物纖維與反應試劑的反應活性，需提高植物纖維的可及度，本 發明提供了一種微波預處理提高植物纖維的可及度並對植物纖維進行微波原位 表面改性的方法，能在不破壞植物纖維的情況下工業化提高植物纖維的可及度， 並在可及度提高的同時進行原位表面改性，提高改性劑與植物纖維的接觸反應 性，提高植物纖維與基體樹脂的相容性，提高改性劑與植物纖維的接觸反應性， 提高植物纖維與基體樹脂的相容性。本發明的技術方案是將植物纖維物料置於帶有微波和攪拌器的反應器中，啟動微波源對植物纖維物料進行第一次微波輻射，微波功率為200-800W，輻射 時間為20-30秒；在達到預定時間後，加入植物纖維1.0-6. 25%的改性劑，啟動 攪拌器使物料和改性劑均勻接觸；再次啟動微波源對植物纖維物料進行二次微 波輻射，輻射時間為1-1.5分鐘，利用改性劑對植物纖維進行表面原位改性。本發明所述的改性劑是指矽烷偶聯劑、鈦酸酯偶聯劑、稀土偶聯劑、鋁酸 酯偶聯劑或鋁鋯偶聯劑；或馬來酸酐接枝聚合物、異氰酸酯、甲基丁二酸酐中 的一種。本發明與現有技術相比，工藝簡單，在預處理的同時即可實現表面偶聯原 位改性，生產效率高，較傳統的處理方法節能。
具體實施例方式
實施例1取經過乾燥的300克竹子纖維，置於帶有微波和攪拌器的反應器中，啟動 微波源對植物纖維物料進行微波輻射，微波功率650W，輻射時間為20秒；加入 3克的A-143矽烷偶聯劑，啟動攪拌器使物料和偶聯劑均勻接觸；再次啟動微波 源對植物纖維物料進行二次微波輻射，輻射時間為1分鐘，得到利用偶聯劑對 植物纖維進行表面原位改性的竹子纖維。實施例2取經過乾燥的300克木纖維，置於帶有微波和攪拌器的反應器中，啟動微 波源對植物纖維物料進行微波輻射，微波功率200W，輻射時間為30秒；加入 1.5克的稀土偶聯劑，啟動攪拌器使物料和偶聯劑均勻接觸；再次啟動微波源對 植物纖維物料進行二次微波輻射，輻射時間為1.5分鐘，得到利用偶聯劑對植 物纖維進行表面原位改性的木纖維。實施例3取經過乾燥並粉碎的300克甘蔗渣，置於帶有微波和攪拌器的反應器中， 啟動微波源對植物纖維物料進行微波輻射，微波功率200W，輻射時間為30秒； 加入1.5克的稀土偶聯劑，啟動攪拌器使物料和偶聯劑均勻接觸；再次啟動微 波源對植物纖維物料進行二次微波輻射，輻射時間為1.5分鐘，得到利用偶聯 劑對植物纖維進行表面原位改性的木纖維。
權利要求
1、一種微波原位表面改性植物纖維的方法，其特徵是啟動微波源對植物纖維物料進行第一次微波輻射；加入植物纖維物料1.0-6.25％的改性劑，攪拌使物料和改性劑均勻接觸；再次啟動微波源對植物纖維物料進行二次微波輻射。
2、 根據權利要求1所述的微波原位表面改性植物纖維的方法,其特徵是第一 次微波輻射，微波功率為200-800W，輻射時間為20-30秒。
3、 根據權利要求1所述的微波原位表面改性植物纖維的方法，其特徵是所述 的改性劑是指矽烷偶聯劑、鈦酸酯偶聯劑、稀土偶聯劑、鋁酸酯偶聯劑或鋁鋯 偶聯劑；或馬來酸酐接枝聚合物、異氰酸酯、甲基丁二酸酐中的一種。
4、 根據權利要求1所述的微波原位偶聯改性植物纖維的方法，其特徵是第二 次微波輻射，微波功率為200-800W，輻射時間為1-1.5分鐘。
全文摘要
本發明涉及一種微波預處理提高植物纖維的可及度並對植物纖維進行原位表面改性的方法。其技術方案是將植物纖維物料至於帶有微波和攪拌器的反應器中，啟動微波源對植物纖維物料進行第一次微波輻射，微波功率為200-800W，輻射時間為20-30秒；在達到預定時間後，加入植物纖維1.0-6.25％的改性劑，啟動攪拌器使物料和偶聯劑均勻接觸；再次啟動微波源對植物纖維物料進行二次微波輻射，輻射時間為1-1.5分鐘，利用改性劑對植物纖維進行原位表面改性。本發明與現有技術相比，工藝簡單，在預處理的同時即可實現表面原位改性，生產效率高，較傳統的處理方法節能。
文檔編號D06M13/192GK101333767SQ20081007150
公開日2008年12月31日 申請日期2008年7月31日 優先權日2008年7月31日
發明者劉敏毅, 劉欣萍, 肖荔人, 兢 許, 錢慶榮, 陳慶華, 黃寶銓 申請人:福建師範大學