一種改性蔗渣-塑料復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于復(fù)合材料領(lǐng)域，公開了一種改性蔗渣-塑料復(fù)合材料及其制備方法。方法是將干燥蔗渣纖維和研磨介質(zhì)放入球磨機(jī)中，通過機(jī)械活化對蔗渣纖維進(jìn)行活化；將活化后的蔗渣纖維加入馬來酸酐-丙酮溶液中，攪勻后揮干；后將干燥蔗渣再放入球磨機(jī)中，同時(shí)加入引發(fā)劑，升溫至80℃后保溫，機(jī)械活化強(qiáng)化聚合反應(yīng)的進(jìn)行；將產(chǎn)物經(jīng)過丙酮抽提后得改性蔗渣纖維。將樹脂基體，與復(fù)配增塑劑、硼砂以及加工助劑在高速混合機(jī)中預(yù)混至物料溫度為50℃，再加入改性后的蔗渣纖維充分混合，得到預(yù)混物；將預(yù)混物熔融擠出，制成蔗渣-塑料復(fù)合材料。本發(fā)明改性蔗渣-塑料復(fù)合材料可應(yīng)用于制造各種塑料制品，方法簡單易行，成本低廉，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種改性蔗渣-塑料復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于復(fù)合材料領(lǐng)域，特別涉及一種改性蔗渣-塑料復(fù)合材料的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 蔗渣作為一種廣泛存在的天然農(nóng)用廢棄物資源，具有來源廣泛、價(jià)廉、可再生和無 污染等特點(diǎn)，并以其優(yōu)異的可生物降解性能在高分子材料方面越來越受到青睞。蔗渣最主 要的成分是纖維素，其次是半纖維素和木素，其中纖維素約占40%?50%。蔗渣纖維分子 鏈剛性和極性都很大且高度結(jié)晶并取向，能賦予復(fù)合材料較高的模量拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng) 度。但由于蔗渣纖維羥基、酚羥基之間存在較強(qiáng)的氫鍵作用，活性極差，使得其羥基較難與 其他原子或基團(tuán)發(fā)生作用，直接影響了蔗渣纖維同樹脂基體的粘合。因此，蔗渣纖維與樹脂 塑化復(fù)合前，需對蔗渣纖維進(jìn)行表面改性處理。蔗渣纖維表面改性方法主要有兩種：化學(xué) 改性和物理改性。化學(xué)改性的方法改變了植物纖維表而的化學(xué)結(jié)構(gòu)，可以改善纖維與樹脂 基體的界而粘結(jié)情況，有利于纖維在基體樹脂中的均勻分散，從而提高復(fù)合材料的力學(xué)性 能。目前化學(xué)處理的方法主要有堿處理、酸處理、接枝處理、偶聯(lián)劑處理等化學(xué)改性和物理 改性?；瘜W(xué)改性主要是利用各種酸堿及氧化還原反應(yīng)試劑，通過酸堿、氧化/還原等化學(xué)反 應(yīng)，在纖維表面引入羧基、胺基等活性或極性基團(tuán)以提高纖維與樹脂基體之間的粘合強(qiáng)度； 但化學(xué)改性操作產(chǎn)生大量黑液，且使木質(zhì)素、半纖維素大量降解，一方面是資源的浪費(fèi)；另 一方面對環(huán)境造成污染。物理改性不改變纖維的化學(xué)組成，但改變纖維的結(jié)構(gòu)和表而性能， 申請?zhí)枮镃N200410051466.0的中國專利申請"木塑復(fù)合材料用甘蔗渣的超聲化學(xué)前處理 方法"公開了一種采用超聲波對蔗渣纖維表面進(jìn)行改性處理的工藝；但這種物理改性方法 較為復(fù)雜，工業(yè)化生產(chǎn)有一定的難度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，本發(fā)明的首要目的在于提供一種改性 蔗渣-塑料復(fù)合材料的制備方法。
[0004] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種上述方法制備得到的改性蔗渣-塑料復(fù)合材料。
[0005] 本發(fā)明的再一目的在于提供上述改性蔗渣-塑料復(fù)合材料的應(yīng)用。
[0006] 本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0007] -種改性蔗渣-塑料復(fù)合材料的制備方法，包括以下操作步驟：
[0008] (1)將干燥蔗渣纖維和研磨介質(zhì)放入球磨機(jī)中，通過機(jī)械活化對蔗渣纖維進(jìn)行活 化；
[0009] (2)將馬來酸酐溶于丙酮配制成溶液，再將經(jīng)過步驟⑴活化的蔗渣纖維加入該 溶液中，攪拌均勻后，自然揮發(fā)晾干；然后將干燥后的蔗渣再放入球磨機(jī)中，同時(shí)加入引發(fā) 劑BPO,升溫至80°C后保溫10?30min，加入研磨介質(zhì)，通過機(jī)械活化強(qiáng)化馬來酸酐接枝改 性蔗渣聚合反應(yīng)的進(jìn)行；將產(chǎn)物經(jīng)過丙酮抽提后得改性蔗渣纖維；
[0010] (3)將樹脂基體，與復(fù)配增塑劑、硼砂以及加工助劑在高速混合機(jī)中以650?1300 轉(zhuǎn)/min的轉(zhuǎn)速預(yù)混至物料溫度為50°C，再加入步驟（2)所得改性蔗渣纖維以650?1300轉(zhuǎn) /min的轉(zhuǎn)速充分混合，得到預(yù)混物；所述復(fù)配增塑劑的質(zhì)量為樹脂基體質(zhì)量的30?50% ; 所述硼砂的質(zhì)量為樹脂基體質(zhì)量的0.5?1% ;所述加工助劑的質(zhì)量為樹脂基體質(zhì)量的 0. 5% ;所述改性后的蔗渣纖維的質(zhì)量為樹脂基體質(zhì)量的1?50% ;
[0011] ⑷將步驟⑶所得預(yù)混物熔融擠出，制成改性蔗渣-塑料復(fù)合材料。
[0012] 步驟（1)所述干燥蔗渣纖維的細(xì)度為100目；所述研磨介質(zhì)為球介質(zhì)和棒介質(zhì)； 所述機(jī)械活化是以轉(zhuǎn)速為20?60轉(zhuǎn)/min，在溫度40?75°C條件下進(jìn)行的；所述活化的時(shí) 間為10?180min。
[0013] 步驟⑴所述機(jī)械活化是在溫度40°C條件下進(jìn)行的；所述活化的時(shí)間為60? 90min〇
[0014] 步驟（2)所述溶液是將馬來酸酐和丙酮按照質(zhì)量比1:2?1:5混合配置而成；所 述經(jīng)過步驟（1)活化的蔗渣纖維和溶液的固液比為1:2?1:10,馬來酸酐的質(zhì)量是蔗渣纖 維質(zhì)量的5?10% ;所述BPO的加入量為干燥后的蔗渣質(zhì)量的4?10% ;所述研磨介質(zhì)為 球介質(zhì)和棒介質(zhì)；所述機(jī)械活化是以轉(zhuǎn)速為60?120轉(zhuǎn)/min，在溫度75?80°C條件下進(jìn) 行的；所述聚合反應(yīng)的時(shí)間為60?120min ;所述丙酮抽提是在80°C下抽提24?48h。
[0015] 步驟（3)所述樹脂基體為PVA和淀粉中的至少一種，所述PVA為PVA1788或 PVA1799,所述淀粉為玉米淀粉或番薯淀粉；所述復(fù)配增塑劑為水、多元醇和酰胺類化合物 的混合物，三者質(zhì)量比為3 :5 :2 ;所述加工助劑為硬脂酸類化合物；步驟（4)所述熔融擠出 是在單螺桿擠出機(jī)中造粒后將粒料用注塑成型機(jī)注塑成型。
[0016] 所述多元醇為乙二醇、丙二醇或甘油；所述酰胺類化合物為尿素、甲酰胺或乙酰 胺；所述硬脂酸類化合物為硬脂酸單甘脂、硬脂酸鈣或硬脂酸。
[0017] 更加優(yōu)選地，所述多元醇為甘油；所述酰胺類物質(zhì)為尿素；所述硬脂酸類化合物 為硬脂酸單甘脂。
[0018] 所述造粒的溫度區(qū)間分別為115°C、120°C、120°C和115°C;所述注塑成型機(jī)溫度區(qū) 間分別為120°C、115°C和110°C，鎖模壓力140kgf/cm 2注射壓力55kgf/cm2。
[0019] -種根據(jù)上述方法制備得到的改性蔗渣-塑料復(fù)合材料。
[0020] 上述的改性蔗渣-塑料復(fù)合材料在制備快餐盒、食品包裝、育種、栽培領(lǐng)域中的應(yīng) 用。
[0021] 本發(fā)明的作用機(jī)理是：當(dāng)磨介質(zhì)作用于蔗渣纖維時(shí)，蔗渣綜合性能發(fā)生了變化，機(jī) 械活化可改變蔗渣纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，降低纖維的結(jié)晶度，減小其晶粒尺寸；同時(shí)在機(jī)械力的 作用下，蔗渣纖維發(fā)生溶脹與重聚作用，纖維壁上反應(yīng)性能較差的外壁受到破壞發(fā)生位移、 脫除，斷開纖維分子鏈間的氫鍵，打開微孔結(jié)構(gòu)，大大增加纖維的表面積，提高其對試劑的 可及度和化學(xué)反應(yīng)活性，因此，機(jī)械活化處理能顯著提高蔗渣纖維的反應(yīng)活性；機(jī)械力作用 于蔗渣纖維表面時(shí)可使纖維表面發(fā)生氧化、交聯(lián)以及大分子的斷裂，使纖維表面得到刻蝕、 清洗的作用，消除表面弱的邊界層，增加表面的活性基團(tuán)，提高了纖維與基體間的相互作 用（包括物理交聯(lián)作用、靜電吸附作用、化學(xué)鍵合作用以及聚合物大分子的相互擴(kuò)散作用 等），大分子鏈的斷裂提高了纖維與基體之間的界面擴(kuò)散能力。因而，對蔗渣纖維表面進(jìn)行 機(jī)械活化改性活化處理，可使蔗渣纖維素或半纖維素發(fā)生如脫乙酰反應(yīng)、氧化降解反應(yīng)等， 增加纖維表面羥基、羰基等活性基團(tuán)數(shù)量，并可在蔗渣纖維表面形成一些活性中心，引發(fā)接 枝反應(yīng)，形成新的結(jié)構(gòu)，改善蔗渣纖維表面的物理和化學(xué)狀態(tài)，進(jìn)而提高蔗渣纖維與樹脂基 體之間的相互粘合作用。將化學(xué)改性通過機(jī)械力活化進(jìn)行，能夠使機(jī)械活化后的纖維繼續(xù) 保持活化狀態(tài)，又能通過機(jī)械活化力來強(qiáng)化化學(xué)改性，有助于接枝反應(yīng)的進(jìn)行，從而進(jìn)一步 改善改性纖維與樹脂基體的相容性。
[0022] 本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及有益效果：（1)采用機(jī)械活化法對蔗渣 纖維表面進(jìn)行改性處理，操作方便、經(jīng)濟(jì)、安全，可一步完成，處理時(shí)間短，效果好，對環(huán)境無 污染；同時(shí)對纖維本體的損害較小，改性效果顯著，可控性好；（2)機(jī)械活化處理可以是連 續(xù)化或間歇式操作，作用方式靈活，處理批量大，生產(chǎn)成本低；（3)經(jīng)機(jī)械活化表面處理后 的蔗渣纖維活性大，與樹脂基體的粘合力強(qiáng)，所制備的塑料/改性蔗渣復(fù)合材料具有良好 的拉升性能。（4)將化學(xué)改性方法結(jié)合機(jī)械活化的處理手段，既能使得機(jī)械活化后的反應(yīng)物 的活化效果得以很好的保持，又能通過機(jī)械活化力強(qiáng)化了化學(xué)改性方法的進(jìn)行。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1為活化前蔗渣纖維的掃描電子顯微鏡照片圖。
[0024] 圖2為活化后蔗渣纖維的掃描電子顯微鏡照片圖。
[0025] 圖3為未改性蔗渣/PVA/玉米淀粉復(fù)合材料掃描電子顯微鏡照片圖。
[0026] 圖4為實(shí)施例3制得的改性蔗渣/PVA/玉米淀粉復(fù)合材料掃描電子顯微鏡照片 圖。
[0027] 圖5為實(shí)施例4制得的改性蔗渣/PVA/玉米淀粉復(fù)合材料掃描電子顯微鏡照片 圖。

【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0029] 實(shí)施例1
[0030] (1)將蔗渣放進(jìn)鼓風(fēng)干燥箱里，105°C干燥3小時(shí)后用高速粉碎機(jī)粉碎3分鐘，過 100目篩（掃描電子顯微鏡照片如圖1所示）；采用機(jī)械活化法對纖維進(jìn)行表面改性：機(jī) 械活化處理設(shè)備采用球磨機(jī)，在球磨機(jī)研磨筒加入研磨球介質(zhì)和蔗渣纖維，轉(zhuǎn)速為20轉(zhuǎn)/ min、溫度75°C下，表面改性時(shí)間為IOOmin(處理60min時(shí)蔗渣纖維的掃描電鏡照片如圖2 所示）；
[0031] (2)按照馬來酸酐：丙酮質(zhì)量比=1:2將馬來酸酐溶于丙酮配制成溶液，再將經(jīng) 過步驟（1)活化的蔗渣按照固液比1:2投入溶液中攪拌均勻后自然晾干，馬來酸酐的含量 是蔗渣纖維的5% ;然后將干燥后的蔗渣再放入球磨機(jī)中，同時(shí)加入占蔗渣纖維質(zhì)量的4% 的BPO,升溫至80°C后保溫lOmin，加入研磨介質(zhì)，通過機(jī)械活化強(qiáng)化馬來酸酐接枝改性蔗 澄聚合反應(yīng)的進(jìn)行；所述研磨介質(zhì)為球介質(zhì)；所述機(jī)械活化是以轉(zhuǎn)速為60轉(zhuǎn)/min，在溫度 80°C條件下進(jìn)行的；所述聚合反應(yīng)時(shí)間為60min ;出料后將產(chǎn)物通過丙酮80°C下抽提24h 得到改性蔗渣纖維；
[0032] (3)將PVA1799與去離子水、甘油、尿素、硼砂、硬脂酸單甘脂在高速混合機(jī)中預(yù)混 至物料溫度為50°C，加入步驟（2)所得改性蔗渣纖維充分混合，密封放置24h后在單螺桿 擠出機(jī)中造粒（溫度區(qū)間分別為115°〇、120°〇、120°〇和115°〇;將粒料在一定的溫度（溫 度區(qū)間分別為120°C、115°C和IKTC )和一定壓力（鎖模壓力為140kgf/cm2注射壓力為 55kgf/cm2)下用注塑成型機(jī)注塑成型，得到改性蔗渣-塑料復(fù)合材料。
[0033] 物料基本配方：PVA1799 100質(zhì)量份，改性蔗渣纖維10質(zhì)量份，甘油20質(zhì)量份，尿 素8質(zhì)量份，去離子水12質(zhì)量份，硼砂0. 5質(zhì)量份，加工助劑硬脂酸單甘脂0. 5質(zhì)量份。
[0034] 改性蔗渣對蔗渣增強(qiáng)聚乙烯醇復(fù)合材料性能的影響如表1所示：
[0035] 表1、改性蔗渣對蔗渣增強(qiáng)聚乙烯醇復(fù)合材料性能的影響（溫度40°C )
[0036]

【權(quán)利要求】
1. 一種改性蔗渣-塑料復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括以下操作步驟： (1) 將干燥蔗渣纖維和研磨介質(zhì)放入球磨機(jī)中，通過機(jī)械活化對蔗渣纖維進(jìn)行活化； (2) 將馬來酸酐溶于丙酮配制成溶液，再將經(jīng)過步驟⑴活化的蔗渣纖維加入該溶 液中，攪拌均勻后，自然揮發(fā)晾干；然后將干燥后的蔗渣再放入球磨機(jī)中，同時(shí)加入引發(fā)劑 BPO,升溫至80°C后保溫10?30min，加入研磨介質(zhì)，通過機(jī)械活化強(qiáng)化馬來酸酐接枝改性 蔗渣聚合反應(yīng)的進(jìn)行；將產(chǎn)物經(jīng)過丙酮抽提后得改性蔗渣纖維； (3) 將樹脂基體，與復(fù)配增塑劑、硼砂以及加工助劑在高速混合機(jī)中以650?1300轉(zhuǎn)/ min的轉(zhuǎn)速預(yù)混至物料溫度為50°C，再加入步驟（2)所得改性蔗渣纖維以650?1300轉(zhuǎn)/ min的轉(zhuǎn)速充分混合，得到預(yù)混物；所述復(fù)配增塑劑的質(zhì)量為樹脂基體質(zhì)量的30?50%;所 述硼砂的質(zhì)量為樹脂基體質(zhì)量的〇. 5?1%;所述加工助劑的質(zhì)量為樹脂基體質(zhì)量的0. 5%; 所述改性后的蔗渣纖維的質(zhì)量為樹脂基體質(zhì)量的1?50% ; (4) 將步驟（3)所得預(yù)混物熔融擠出，制成改性蔗渣-塑料復(fù)合材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改性蔗渣-塑料復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：步 驟（1)所述干燥蔗渣纖維的細(xì)度為100目；所述研磨介質(zhì)為球介質(zhì)和棒介質(zhì)；所述機(jī)械活 化是以轉(zhuǎn)速為20?60轉(zhuǎn)/min，在溫度40?75°C條件下進(jìn)行的；所述活化的時(shí)間為10? 180min〇
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改性蔗渣-塑料復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：步 驟（1)所述機(jī)械活化是在溫度40°C條件下進(jìn)行的；所述活化的時(shí)間為60?90min。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改性鹿澄-塑料復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：步 驟（2)所述溶液是將馬來酸酐和丙酮按照質(zhì)量比1:2?1:5混合配置而成；所述經(jīng)過步 驟（1)活化的蔗渣纖維和溶液的固液比為1:2?1:10,馬來酸酐的質(zhì)量是蔗渣纖維質(zhì)量的 5?10% ;所述BPO的加入量為干燥后的蔗渣質(zhì)量的4?10% ;所述研磨介質(zhì)為球介質(zhì)和 棒介質(zhì)；所述機(jī)械活化是以轉(zhuǎn)速為60?120轉(zhuǎn)/min，在溫度75?80°C條件下進(jìn)行的；所述 聚合反應(yīng)的時(shí)間為60?120min ;所述丙酮抽提是在80°C下抽提24?48h。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改性蔗渣-塑料復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：步 驟（3)所述樹脂基體為PVA和淀粉中的至少一種，所述PVA為PVA1788或PVA1799,所述淀 粉為玉米淀粉或番薯淀粉；所述復(fù)配增塑劑為水、多元醇和酰胺類化合物的混合物，三者質(zhì) 量比為3 :5 :2 ;所述加工助劑為硬脂酸類化合物；步驟（4)所述熔融擠出是在單螺桿擠出 機(jī)中造粒后將粒料用注塑成型機(jī)注塑成型。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種改性蔗渣-塑料復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：所 述多元醇為乙二醇、丙二醇或甘油；所述酰胺類化合物為尿素、甲酰胺或乙酰胺；所述硬脂 酸類化合物為硬脂酸單甘脂、硬脂酸鈣或硬脂酸。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種改性蔗渣-塑料復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：所 述多元醇為甘油；所述酰胺類物質(zhì)為尿素；所述硬脂酸類化合物為硬脂酸單甘脂。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種改性蔗渣-塑料復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：所 述造粒的溫度區(qū)間分別為115°C、120°C、120°C和115°C ;所述注塑成型機(jī)溫度區(qū)間分別為 120°C、115°C和 110°C，鎖模壓力為 140kgf/cm2注射壓力為 55kgf/cm2。
9. 一種根據(jù)權(quán)利要求1?8任一項(xiàng)所述方法制備得到的改性蔗渣-塑料復(fù)合材料。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的改性蔗渣-塑料復(fù)合材料在制備快餐盒、食品包裝、育種、栽 培領(lǐng)域中的應(yīng)用。
【文檔編號】C08K3/38GK104479267SQ201410710561
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】周向陽, 嚴(yán)志云, 謝東, 賈志欣, 石虹橋, 戈明亮 申請人:仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院