專(zhuān)利名稱(chēng)：冷等離子體改性酶解木素/植物纖維復(fù)合材料制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以植物纖維為原料，以冷等離子體改性酶解木素為增強(qiáng)劑制成復(fù)
合材料的方法。屬于木質(zhì)復(fù)合材料制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
能源危機(jī)和環(huán)境污染是21世紀(jì)人類(lèi)共同面臨的兩大難題，快速發(fā)展的中國(guó)問(wèn)題尤為突出。能源是現(xiàn)代社會(huì)賴(lài)以生存和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。作為能源支柱的化石能源(如石油、煤炭和天然氣等)的不可再生性，以及使用過(guò)程所帶來(lái)的環(huán)境惡化效應(yīng)，迫使人們不得不重新審視和調(diào)整長(zhǎng)期以來(lái)實(shí)行的化石能源發(fā)展戰(zhàn)略?？稍偕纳镔|(zhì)能源成為人類(lèi)社會(huì)21世紀(jì)能源研究發(fā)展的熱點(diǎn)。 近年來(lái)，許多科研人員正致力于開(kāi)發(fā)利用木質(zhì)纖維素制取生物燃料乙醇的技術(shù)，并已取得了一定的進(jìn)展。該項(xiàng)技術(shù)是以植物纖維材料(如木材、秸稈等)為原料，利用微生物、酶催化等生物技術(shù)使植物纖維材料中的多糖轉(zhuǎn)化成生物燃料乙醇。據(jù)相關(guān)資料表明，6噸秸稈可以制得1噸生物燃料乙醇，但同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生1噸殘?jiān)?。殘?jiān)谐撕猩倭课唇?jīng)酶解原料和其他雜質(zhì)之外，其余大部分為酶解木素。目前，對(duì)酶解木素的處理僅是作為燃料燒掉，利用價(jià)值很低，造成了資源浪費(fèi)。迫切需要開(kāi)發(fā)酶解木素規(guī)模化工業(yè)應(yīng)用技術(shù)，以期獲得較高的附加值，從而可使利用木質(zhì)纖維素制取生物燃料乙醇技術(shù)的工業(yè)化推廣應(yīng)用獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。 木素是構(gòu)成植物細(xì)胞壁的主要成分之一，是自然界唯一能提供可再生芳基化合物的非石油資源，且數(shù)量?jī)H次于纖維素，為第二多天然高分子材料。具有良好的分散性、粘合性和表面活性。有研究表明，酶解秸稈殘?jiān)械哪舅貨](méi)有經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間高溫高壓處理等嚴(yán)酷的工藝過(guò)程，保留了木素較多的活性基團(tuán)(如芳香基、酚羥基、醇羥基、羰基、甲氧基、羧基、共軛雙鍵等)，又具有可再生、可降解、無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)，有望成為優(yōu)良的綠色化工原料。目前木素主要以大分子形式進(jìn)行工業(yè)化利用，如作為水泥緩凝劑，用作石油、瀝青、蠟等的乳化劑，用作染料溶液的穩(wěn)定劑、除蟲(chóng)殺菌劑的分散劑、粘土或固體燃料水懸浮液穩(wěn)定劑、循環(huán)冷凝水的緩蝕阻垢劑等。但木素在這些領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用效應(yīng)較小，消耗量較低。木素以其特有的粘合性，自19世紀(jì)中未期就出現(xiàn)了關(guān)于利用木素制備膠黏劑的專(zhuān)利技術(shù)。20世紀(jì)50年代以后，利用木素改性脲醛樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂的報(bào)道屢見(jiàn)不鮮。時(shí)至今日，一些木素膠黏劑特別是制備木素-酚醛樹(shù)脂膠黏劑的技術(shù)也趨于成熟，但由于能耗大、工藝不合理、條件苛刻和強(qiáng)酸的腐蝕性等原因，目前仍停留在小試或中試階段，沒(méi)有工業(yè)化生產(chǎn)。開(kāi)發(fā)酶解木素規(guī)?；眉夹g(shù)具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和深遠(yuǎn)的社會(huì)意義。 等離子體是一種高能量的物質(zhì)聚集態(tài)，其中含有大量的電子、離子、激發(fā)態(tài)的原子、分子、光子和自由基等活性粒子。利用等離子體對(duì)材料進(jìn)行處理可引起材料表面的物理變化(如刻蝕、解吸、濺射、注入、激發(fā)和電離等)和化學(xué)變化(如氧化、分解、交聯(lián)、聚合和接枝等)，以達(dá)到改變材料表面特性(包括親水性、疏水性、粘合性、阻燃性、防腐性、防靜電性以及生物適應(yīng)性)的目的。等離子體按照組成粒子能量的大小及熱力學(xué)性質(zhì)可分為高溫等離子體和低溫等離子體，低溫等離子體又分為熱等離子體(熱力學(xué)平衡)和冷等離子體 (非熱力學(xué)平衡)，其中熱等離子體中粒子的能量約幾千度到幾十萬(wàn)度，通常用于需要高溫 作業(yè)的領(lǐng)域，如磁流體發(fā)電、等離子體焊接、切割、等離子體冶煉、等離子體噴涂、等離子體 制備超細(xì)粉等。冷等離子體中不同粒子的溫度是不相同的，其中電子的溫度從幾千度到幾 十萬(wàn)度，而離子的溫度與室溫相差無(wú)幾，正因?yàn)槿绱?，它有著重要的?yīng)用價(jià)值，如用于對(duì)材 料表面進(jìn)行改性以及光源等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過(guò)冷等離子體處理使酶解木素表面活化，以其為增強(qiáng)劑與植物 纖維(包括木纖維和各類(lèi)秸稈纖維)混合，不添加其他膠黏劑和化學(xué)藥劑，經(jīng)熱壓后制成復(fù) 合材料。這種材料不含游離甲醛，可廣泛用于建筑裝修、家具制造、包裝、兒童玩具制造等行 業(yè)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案該方法的工藝步驟依次分為， (1)酶解木素改性處理酶解木素取自生物燃料乙醇工業(yè)化生產(chǎn)線(xiàn)，經(jīng)脫水干燥， 含水率控制在6 10%之間。為了提高酶解木素的比表面積，充分發(fā)揮其膠粘性，將酶解 木素粗碎后經(jīng)高能球磨機(jī)研磨制成粒徑為200 300目的粉體。經(jīng)球磨后酶解木素的表面 自由基濃度大幅度增加，有利于促進(jìn)其與植物纖維的粘合。然后將其置于冷等離子體改性 設(shè)備樣品室中，封閉樣品室，打開(kāi)真空泵，抽至2 4Pa的本底真空，然后通入氧氣或氮?dú)猓?并將真空度調(diào)至10 30Pa。啟動(dòng)射頻電源，調(diào)節(jié)處理功率至100 300W，樣品室內(nèi)氣體起 輝，利用射頻輝光放電產(chǎn)生含有大量電子、離子和自由基等高能粒子的氧或氮冷等離子體， 通過(guò)這些粒子對(duì)酶解木素的激發(fā)、電離和氧化等作用，使其表面產(chǎn)生大量活性基團(tuán)，有利于 促進(jìn)植物纖維間的膠合。處理時(shí)間為30 150s。 (2)植物纖維制備以木材或秸稈為原料，經(jīng)熱磨后獲得植物纖維，然后經(jīng)干燥將 植物纖維的含水率控制在10 20%之間。 (3)復(fù)合材料制造將絕干重量占絕干植物纖維重量5 25%的改性酶解木素 與植物纖維均勻混合后，鋪成板坯進(jìn)行熱壓，熱壓溫度160 21(TC，熱壓壓力3.0 4. OMPa，熱壓時(shí)間20 40s/mm。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)以植物纖維為原料，以冷等離子體改性酶解木素為增強(qiáng)劑，不添加 其他膠黏劑和化學(xué)藥劑，經(jīng)熱壓后制成復(fù)合材料，它不含游離甲醛，是一種真正的綠色環(huán)保 人造板產(chǎn)品；酶解木素經(jīng)球磨和冷等離子體改性，可有效地發(fā)揮木素的膠粘性，以提高復(fù)合 材料的強(qiáng)度；該處理方法環(huán)保，操作簡(jiǎn)便，可控性強(qiáng)。
具體實(shí)施方式

實(shí)施例1 : 酶解木素含水率為6%，經(jīng)高能球磨機(jī)研磨制成粒徑為200 300目的粉體。然 后置于冷等離子體改性設(shè)備樣品室中，封閉樣品室，打開(kāi)真空泵，抽至2Pa的本底真空，然 后通入氧氣，并將真空度調(diào)至10Pa。啟動(dòng)射頻電源，調(diào)節(jié)處理功率至IOOW，對(duì)酶解木素表面 進(jìn)行改性處理。處理時(shí)間為30s。按絕干植物纖維重量計(jì)，將絕干重量占絕干植物纖維重 量5%的改性酶解木素與棉稈纖維(含水率為10% )均勻混合后，鋪成板坯進(jìn)行熱壓，熱壓溫度160。C，熱壓壓力3. OMPa，熱壓時(shí)間20s/mm，制成密度為0. 95g/cm3，厚度為6mm的板 材。經(jīng)檢測(cè)，其靜曲強(qiáng)度為19. lMPa，彈性模量為1882. 2MPa，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度為O. 31MPa，吸水厚 度膨脹率為41.6%。
實(shí)施例2: 酶解木素含水率為8%，經(jīng)高能球磨機(jī)研磨制成粒徑為200 300目的粉體。然 后置于冷等離子體改性設(shè)備樣品室中，封閉樣品室，打開(kāi)真空泵，抽至2Pa的本底真空，然 后通入氧氣，并將真空度調(diào)至20Pa。啟動(dòng)射頻電源，調(diào)節(jié)處理功率至200W，對(duì)酶解木素表面 進(jìn)行改性處理。處理時(shí)間為90s。按絕干植物纖維重量計(jì)，將絕干重量占絕干植物纖維重 量15%的改性酶解木素與棉稈纖維(含水率為15% )均勻混合后，鋪成板坯進(jìn)行熱壓，熱 壓溫度190。C，熱壓壓力3. 5MPa，熱壓時(shí)間30s/mm，制成密度為0. 95g/cm3，厚度為6mm的 板材。經(jīng)檢測(cè)，其靜曲強(qiáng)度為25. 9MPa，彈性模量為2790. 2MPa，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度為0. 56MPa，吸水 厚度膨脹率為27.9%。
實(shí)施例3: 酶解木素含水率為10%，經(jīng)高能球磨機(jī)研磨制成粒徑為200 300目的粉體。然 后置于冷等離子體改性設(shè)備樣品室中，封閉樣品室，打開(kāi)真空泵，抽至4Pa的本底真空，然 后通入氧氣，并將真空度調(diào)至30Pa。啟動(dòng)射頻電源，調(diào)節(jié)處理功率至300W，對(duì)酶解木素表面 進(jìn)行改性處理。處理時(shí)間為150s。按絕干植物纖維重量計(jì)，將絕干重量占絕干植物纖維重 量25%的改性酶解木素與棉稈纖維(含水率為20%)均勻混合后，鋪成板坯進(jìn)行熱壓，熱 壓溫度21(TC ，熱壓壓力4. OMPa，熱壓時(shí)間40s/mm，制成密度為0. 95g/cm3，厚度為6mm的 板材。經(jīng)檢測(cè)，其靜曲強(qiáng)度為22. 7MPa，彈性模量為2180. 2MPa，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度為0. 45MPa，吸水 厚度膨脹率為26.5%。
實(shí)施例4: 酶解木素含水率為8%，經(jīng)高能球磨機(jī)研磨制成粒徑為200 300目的粉體。然 后置于冷等離子體改性設(shè)備樣品室中，封閉樣品室，打開(kāi)真空泵，抽至2Pa的本底真空，然 后通入氮?dú)猓⒄婵斩日{(diào)至20Pa。啟動(dòng)射頻電源，調(diào)節(jié)處理功率至200W，對(duì)酶解木素表面 進(jìn)行改性處理。處理時(shí)間為90s。按絕干植物纖維重量計(jì)，將絕干重量占絕干植物纖維重 量15%的改性酶解木素與棉稈纖維(含水率為15% )均勻混合后，鋪成板坯進(jìn)行熱壓，熱 壓溫度190。C，熱壓壓力3. 5MPa，熱壓時(shí)間30s/mm，制成密度為0. 95g/cm3，厚度為6mm的 板材。經(jīng)檢測(cè)，其靜曲強(qiáng)度為24. 8MPa，彈性模量為2830. lMPa，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度為0. 51MPa，吸水 厚度膨脹率為29.2%。
權(quán)利要求
冷等離子體改性酶解木素/植物纖維復(fù)合材料制造方法，其特征是該方法的工藝步驟依次分為，(1)酶解木素改性處理酶解木素經(jīng)脫水干燥，含水率控制在6～10％之間，經(jīng)高能球磨機(jī)研磨制成粒徑為200～300目的粉體，然后置于冷等離子體改性設(shè)備樣品室中，封閉樣品室，打開(kāi)真空泵，抽至2～4Pa的本底真空，通入氧氣或氮?dú)猓⒄婵斩日{(diào)至10～30Pa，啟動(dòng)射頻電源，調(diào)節(jié)處理功率至100～300W，樣品室氣體起輝，對(duì)酶解木素表面進(jìn)行改性處理，處理時(shí)間為30～150s；(2)植物纖維制備以木材或秸稈為原料，經(jīng)熱磨后獲得植物纖維，然后經(jīng)干燥將植物纖維的含水率控制在10～20％之間；(3)復(fù)合材料制造將絕干重量占絕干植物纖維重量5～25％的改性酶解木素與植物纖維均勻混合后，鋪成板坯進(jìn)行熱壓，熱壓溫度160～210℃，熱壓壓力3.0～4.0MPa，熱壓時(shí)間20～40s/mm。
全文摘要
本發(fā)明是冷等離子體改性酶解木素/植物纖維復(fù)合材料制造方法，其工藝步驟是先將酶解木素脫水干燥至含水率為6～10％，經(jīng)高能球磨制成粒徑為200～300目粉體后置于冷等離子體改性設(shè)備樣品室中，抽真空至2～4Pa，通入氧氣或氮?dú)?，控制真空?0～30Pa。啟動(dòng)射頻電源，調(diào)節(jié)處理功率至100～300W，對(duì)酶解木素進(jìn)行改性處理，處理時(shí)間30～150s。將絕干重量占絕干植物纖維重量5～25％的改性酶解木素與植物纖維均勻混合，鋪成板坯進(jìn)行熱壓，熱壓溫度160～210℃，熱壓壓力3.0～4.0MPa，熱壓時(shí)間20～40s/mm。這種材料不含游離甲醛，可廣泛用于建筑裝修、家具制造、包裝、兒童玩具制造等行業(yè)。
文檔編號(hào)B27N3/18GK101712179SQ20091021357
公開(kāi)日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2009年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月6日
發(fā)明者勇強(qiáng), 周定國(guó), 周曉燕, 張偉東, 徐勇, 楊星, 湯麗娟, 潘明珠, 羅海力, 鄭菲 申請(qǐng)人:南京林業(yè)大學(xué)