石墨烯在保存天然乳胶中的应用和乳胶制品
技术领域
本发明涉及天然乳胶技术领域,尤其涉及一种石墨烯在保存天然乳胶中的应用和乳胶制品。
背景技术
天然乳胶一般指天然胶乳,属于橡胶类的热塑性合成树脂,具有高弹性、粘接时成膜性能良好、胶膜富于柔韧性等特点。为了提高天然胶乳的耐热性、耐久性和耐老化性能,常对天然胶乳进行硫化后再作为基料使用。从胶树流出的鲜胶乳流动性好,带有特殊的甜香气味。天然乳胶中一般含有蛋白质和糖类等成分,会在微生物或酶的作用下使天然乳胶凝固。新鲜的胶乳如不经任何处理,一般经过6至12个小时就会发生明显的腐败或变质,温度高时腐败更快,从而对制胶工艺和产品质量产生不利影响,进而影响橡胶产量和农民的经济收入。
例如,腐败的胶乳粘度大,过滤和沉降困难,而且凝粒会堵塞过滤筛的筛孔,清洗非常困难;腐败的胶乳稳定性低,加酸凝固时易产生局部凝固,致使凝块软硬不一,从而影响压片操作和胶片的干燥;腐败的胶乳进入高速旋转的离心机以后,在强烈的机械力作用下,容易凝固而堵塞离心机,因而要经常停机拆洗,缩短了离心机正常运转时间,降低了生产效率和干胶制成率;腐致变质胶乳中的杂质不易除去,因而残留在初制品中的有害杂质较多,产品质量较差;腐败变质胶乳所产生的CO2较多,如果这些气体在胶乳凝固和压片时来不及逸出,则会在胶片中形成气泡。同时,由于细菌的腐败作用,往往会使胶片变色,产生水印等,降低胶片的外观质量;腐败变质胶乳的挥发脂肪酸含最高,制得的浓缩天然胶乳的挥发脂肪酸值也高,机械稳定度低,很难达到规定的质量指标。如果胶乳已经自然凝固,则所得橡胶因蛋白质及其分解产物受到破坏或被除去,耐老化性能也较差。胶乳发生腐败之后,所得初制品的等级率必然降低。
为了防止胶乳在初加工或制成制品前不发生腐败或变质,就必须做好胶乳的保存工作。通常天然乳胶中都要加入氨和其他稳定剂来达到抑菌等效果,从而保存胶乳。但是加入氨后的产品存在两大问题:一个是气味问题,人体对于产品中挥发出的氨的气味难以接受或者会引起皮肤过敏,对人体健康有刺激、伤害,也可能会影响产品的出口;另一个是化学问题,天然乳胶的硫化过程是一个化学交联的过程,氨的存在会使这一过程发生有害的副反应,造成硫化困难,对天然乳胶的应用及改性技术的发展有着一定的限制。
现有技术中有用低氨保存剂保存天然乳胶,如Calvert等(Calvertetal.,1984)用TMTD/氧化锌加上氨及其它试剂作为保存体系,控制氨含量更低。或者,现有技术用技术手段去除氨保存后天然乳胶中的氨。但是,现有技术仍难以保证天然乳胶存放的保质期不受影响。
发明内容
有鉴于此,本申请提供一种石墨烯在保存天然乳胶中的应用和乳胶制品,本发明用石墨烯保存天然乳胶,其存放的保质期不受影响,且刺激气味小,利于乳胶产品的应用。
本发明提供一种石墨烯在保存天然乳胶中的应用。
优选地,所述天然乳胶为胶树流出的新鲜胶乳。
优选地,在胶树流出的新鲜胶乳中引入石墨烯,石墨烯的引入量在新鲜胶乳质量的10%以下。
本发明所述的用于保存天然乳胶的石墨烯可通过不同制备方法得到,例如机械剥离法、外延生长法、化学气相沉淀法,石墨氧化还原法,还可以是通过对生物质资源水热碳化法,以及现有技术中其他方法制备的石墨烯。但是,无论哪种方法都很难实现大规模制备得到严格意义理论上的石墨烯,例如现有技术制备得到的石墨烯中会存在某些杂质元素、碳元素的其他同素异形体或层数非单层甚至多层的石墨烯结构(例如3层、5层、10层、20层等),本发明所利用的石墨烯也包括上述非严格意义理论上的石墨烯。
优选地,所述石墨烯是以生物质为原料制备得到的石墨烯,也即生物质石墨烯。
优选地,所述天然乳胶中还加入氨保存剂和/或其他天然乳胶保存剂。
所述其他天然乳胶保存剂可以是壳聚糖、五氯酚钠、硫醇基苯并噻唑、十二烷酸二羟丙基盐等现有技术中的天然乳胶保存剂,可以选择一种或多种加入。
优选地,所述氨保存剂的加入量占天然乳胶质量的百分比小于0.35wt%。
优选地,所述天然乳胶中还加入分散剂;
所述分散剂选自羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇、吐温80、十二烷基硫酸钠和十二烷基苯磺酸钠中的一种或多种。
优选地,所述天然乳胶为用保存剂处理过的天然乳胶材料。
与现有技术相比,本发明采用石墨烯对天然乳胶进行保存,这样天然乳胶中可不需要另加氨稳定剂或少加氨稳定剂。本发明以石墨烯保存的天然乳胶具有较小的刺激气味甚至没有刺激气味,并且存放的保质期不受影响,利于乳胶产品的应用。
此外,本发明用石墨烯保存的天然乳胶还具有远红外功能。
本发明还提供一种乳胶制品,由上文所述的石墨烯在保存天然乳胶中的应用过程得到的天然乳胶制成。此处所述的天然乳胶是指胶树流出的新鲜胶乳用石墨烯保存和/或其他保存剂处理后得到的天然乳胶。
优选地,所述乳胶制品包括浸渍制品、海绵制品、压出制品、铸膜制品或织造制品。所述乳胶制品包括胶粘剂、地毯背衬、胶乳纸张、不织布、人造革、乳胶水泥、乳胶沥青、乳胶胶布、乳胶涂料或毛棕垫等,还包括其他现有技术中的乳胶制品。
更进一步地,所述海绵制品包括枕头、床垫、坐垫、靠垫、沙发、护腰、鞋垫、乳罩、汽车座椅、马桶坐垫或暖手宝。
与现有技术相比,本发明在天然乳胶保存时可不需加入或少量加入氨或其他保存剂。在本发明中,石墨烯在作为保存剂的同时,还为天然乳胶带来了抗菌抑菌功能和远红外功能等。本发明提供的乳胶制品由上文保存得到的天然乳胶制成,该乳胶制品具有抗菌抑菌的功能,刺激气味小,存放的保质期长的特点。本发明提供的乳胶制品还具有远红外功能,能够促进人体的微循环,利于人体健康。
本发明用石墨烯保存得到的天然乳胶用于制备相应乳胶制品时,无需再加入其它具备远红外功能和抗菌抑菌功能的物质,即可达到抗菌抑菌的功能和远红外功能,刺激气味小,存放的保质期长的效果。同时,在天然乳胶采集后保存到制备乳胶制品的过程中,若要达到抗菌抑菌功能,本发明则可减少生产步骤,工艺简便。或者说本发明提供的乳胶制品在制备过程中,无需进行抗菌抑菌和远红外方面的处理,直接生产即可具备远红外功能,从而促进人体的微循环。
此外,所述乳胶制品具有优异的力学性能、吸附功能和吸湿排汗功能等,应用性能好。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种石墨烯在保存天然乳胶中的应用。
本发明以石墨烯保存的天然乳胶具有较小的刺激气味,甚至没有刺激气味,并且存放的保质期不受影响。
本发明实施例可在天然乳胶中加入石墨烯,进行无氨/低氨保存。所述天然乳胶可以是从橡胶树上直接取下的新鲜胶乳;本发明优选对胶树流出的新鲜胶乳进行保存。所述天然乳胶是一种特殊的水包油型胶体体系,是复杂的橡胶-水基型分散体系。在天然乳胶中,橡胶粒子、非橡胶粒子组成分散相;乳清组成分散介质,而乳清是由蛋白质、磷脂、无机盐和糖类等能溶于水的物质所构成的;本发明对所述天然乳胶的来源没有特殊限制。
在本发明的一些实施例中,所述天然乳胶也可以是用保存剂处理过的天然乳胶材料,再经石墨烯保存,增强其保存效果。此处,本发明对保存剂以及处理方法没有特殊限制,采用本领域常用的保存剂和处理方法即可。
本发明采用石墨烯可对天然乳胶进行无氨/低氨保存,石墨烯对天然乳胶因外界污染而含有的细菌有优异的抗菌作用,可以很好地保存天然乳胶。在本发明实施例低氨保存天然乳胶尤其是保存新鲜胶乳时,所述石墨烯占天然乳胶质量的百分比大于0且小于10%,例如0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、1%、3%、5%、6%、7.8%、8.9%、10%等。本发明可以采用粉体石墨烯,也可以采用石墨烯浆料。本发明对所述石墨烯的来源没有特殊限制,可以采用市售产品,也可以制备获得。
在本发明的一个实施例中,所述石墨烯优选为生物质石墨烯。所述生物质石墨烯含有10层以下石墨烯的片层结构、碳的SP3杂化结构和矿质元素;所述矿质元素包括Fe、Si和Al元素。在本发明的实施例中,所述矿质元素元素含量为生物质石墨烯的0.5wt%~6wt%,优选为1.5wt%~5wt%。所述矿质元素优选还包括P、Ca、Na、Ni、Mn、K、Mg、Cr、S和Co中的任意一种或多种;所述矿质元素以单质和/或化合物的形式存在,化合物包括氧化物、碳化物,它们吸附在生物质石墨烯的表面或内部。在本发明的实施例中,所述生物质石墨烯中碳元素含量≥80wt%,优选大于85wt%,再优选大于90wt%,最优选大于95wt%。在本发明的实施例中,所述石墨烯为具有厚度在100nm以下的碳的六元环蜂窝状片层结构。
在本发明的实施例中,所述生物质石墨烯可利用生物质资源水热碳化法制得。具体地,以下仅举例说明:
方法1:
(1)在催化剂的作用下,将生物质碳源进行催化处理,得到前驱体;
(2)在保护性气体的条件下,将所述前驱体在140℃~180℃保温1.5h~2.5h,得到第一中间体;
(3)在保护性气体的条件下,将所述第一中间体升温至350℃~450℃保温3h~4h,得到第二中间体;
(4)在保护性气体的条件下,将所述第二中间体升温至1100℃~1300℃保温2h~4h,得到第三中间体;
(5)将所述第三中间体依次碱洗、酸洗、水洗,得到石墨烯;
所述步骤(3)、(4)中的升温速率为14℃/min~18℃/min。
上述方法1中制备得到的生物质石墨烯(现有技术制备得到的石墨烯中会存在某些杂质元素、碳元素的其他同素异形体或层数非单层甚至多层的石墨烯结构,而此生物质方法制备出的石墨烯也为混合物)中,含有石墨烯、无定形碳和非碳非氧元素。
方法2:CN104118873A公开的方法。
方法3:CN104016341A公开的方法。
方法4:CN104724696A公开的方法。
方法5:CN104724699A公开的方法。
方法6:CN105060289A公开的方法。
在本发明实施例中,所述无氨/低氨保存即保存天然乳胶时,可不需要另加氨稳定剂或少加氨稳定剂(也称氨保存剂)。在本发明的一个实施例中,可以在天然乳胶尤其是新鲜胶乳中,少加一定量的氨稳定剂和/或其他天然乳胶保存剂。在本发明中,其他天然乳胶保存剂可以是壳聚糖、五氯酚钠、硫醇基苯并噻唑、十二烷酸二羟丙基盐等现有技术中的天然乳胶保存剂。
在本发明的一个实施例中,所述氨保存剂的加入量占天然乳胶质量的百分比小于0.35wt%,优选小于等于0.1wt%,更优选小于等于0.05wt%。在本发明的另一个实施例中,可以在天然乳胶中不加入氨稳定剂,使天然乳胶中不含氨。因此,本发明以石墨烯无氨/低氨保存的天然乳胶具有较小的刺激气味,甚至没有刺激气味,并且存放的保质期不受影响。
本发明实施例加入石墨烯保存天然乳胶,优选通过分散的方式使石墨烯在天然乳胶中混合均匀,利于天然乳胶的稳定保存。在本发明实施例中,所述分散的方式为物理分散、采用分散剂分散或物理分散结合采用分散剂分散的方式。其中,所述物理分散包括超声波分散或强剪切力的搅拌等。
进一步的,所述采用分散剂分散属于化学分散方法,本发明可添加分散剂使石墨烯和天然乳胶均匀混合;所述分散剂优选自羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇、吐温80、十二烷基硫酸钠和十二烷基苯磺酸钠中的一种或多种,更优选为十二烷基苯磺酸钠。在本发明的实施例中,所述分散剂与石墨烯的质量比为(0.08~1):1,优选为(0.1~0.5):1。
本发明采用石墨烯对天然乳胶进行保存,起到了意想不到的抑菌抗菌功效,这样天然乳胶中可不需要另加氨稳定剂或少加氨稳定剂,其存放的保质期长,刺激气味小,利于乳胶产品的应用。
此外,本发明用石墨烯保存的天然乳胶还起到了意想不到的远红外功能。
本发明还提供了一种乳胶制品,由上文所述的石墨烯在保存天然乳胶中的应用过程得到的天然乳胶制成。此处所述的天然乳胶是指胶树流出的新鲜胶乳用石墨烯保存和/或其他保存剂处理后得到的天然乳胶。
本发明以上述用石墨烯保存的天然乳胶作为原料,可生产各类乳胶制品,例如乳胶枕头、乳胶床垫、乳胶手套等。本发明提供的乳胶制品具有抗菌抑菌的功能,刺激气味小,存放的保质期长。
在本发明的实施例中,所述乳胶制品包括浸渍制品、海绵制品、压出制品、铸膜制品或织造制品。所述乳胶制品包括胶粘剂、地毯背衬、胶乳纸张、不织布、人造革、乳胶水泥、乳胶沥青、乳胶胶布、乳胶涂料或毛棕垫等,还包括其他现有技术中的乳胶制品。其中,所述海绵制品包括枕头、床垫、坐垫、靠垫、沙发、护腰、鞋垫、乳罩、汽车座椅、马桶坐垫或暖手宝等。
在本发明的一个实施例中,所述乳胶制品优选按照以下方法制得:
将用石墨烯保存处理的天然乳胶和橡胶助剂混合,进行发泡,得到发泡材料;将所述发泡材料在枕头模具中进行硫化,经干燥得到乳胶枕头。
本发明实施例将用石墨烯保存处理的天然乳胶和橡胶助剂混合均匀,得到乳胶混合物料。其中,所述用石墨烯保存处理的天然乳胶的内容如前文所述。在本发明实施例中,可将固体石墨烯或者含石墨烯的溶液与天然乳胶混合,经分散,对天然乳胶进行保存。
在本发明中,所述橡胶助剂为本领域技术人员熟知的乳胶制品原料,如包括硫化剂、防老剂、抗氧化剂、增塑剂等。在本发明的一个实施例中,所述橡胶助剂包括硫化剂和抗氧化剂。在本发明的一个实施例中,所述橡胶助剂包括3~5质量份的硫化剂、5~8质量份的胶凝剂、2~3质量份的抗氧化剂、1~2质量份的硬脂酸钠;经过石墨烯处理的天然乳胶的质量份为85~100份。此外,本发明实施例还可以添加0.1~0.2质量份的天然香精油等功能成分。
发泡得到发泡材料后,本发明实施例通过导管将其导入枕头模具的内腔,枕头模具内腔注满泡沫时合模密封;将枕头模具移至加热室内,在加热室内充入高温蒸汽,使得枕头模具内的泡沫硫化固化,固化完成后移出加热室,冷却,打开模具得到成形的乳胶枕头。本发明对固化的工艺条件、枕头模具等设备没有特殊限制,采用本领域常用的即可。
在本发明另外的实施例中,采用石墨烯保存处理后的天然乳胶和橡胶助剂混合得到的乳胶混合物料,也可以制备得到乳胶床垫或乳胶手套等乳胶制品。在本发明这些实施例中,乳胶混合物料可以包括润滑剂、阻燃剂和填料等常规的橡胶助剂。在本发明这些实施例中,乳胶混合物料可以直接在相应的模具等设备中直接硫化、成型,而无需进行发泡等工艺;即采用传统的加工方法,制备得到各类乳胶制品。
得到如乳胶枕头的乳胶制品后,本发明对其进行性能测试。结果显示,本发明提供的乳胶制品具有抗菌抑菌的功能。
并且,本发明提供的乳胶制品具有优良的远红外功能,能够促进人体的微循环。此外,所述乳胶制品含氨稳定剂少,刺激气味小,同时具有优异的力学性能、吸附功能和吸湿排汗功能等性能,利于应用。
为了进一步理解本申请,下面结合实施例对本申请提供的石墨烯在保存天然乳胶中的应用和乳胶制品进行具体地描述。
实施例1:生物质石墨烯的具体制备工艺
(1)在催化剂的作用下,将生物质碳源进行催化处理,得到前驱体;
(2)在保护性气体的条件下,将所述前驱体在150℃保温2h,得到第一中间体;
(3)在保护性气体的条件下,将所述第一中间体升温至400℃保温3.5h,得到第二中间体;
(4)在保护性气体的条件下,将所述第二中间体升温至1200℃保温3h,得到第三中间体;
(5)将所述第三中间体依次碱洗、酸洗、水洗,得到石墨烯;
所述步骤(3)、(4)中的升温速率为15℃/min~16℃/min。
所述生物质石墨烯含有10层以下石墨烯的片层结构、碳的SP3杂化结构和矿质元素;所述矿质元素包括Fe、Si和Al元素。在本发明的实施例中,所述矿质元素元素含量为生物质石墨烯的4wt%;所述矿质元素主要包括P、Si、Ca、Al、Fe、Mg元素。
实施例2~11
在新鲜胶乳中,添加不同质量的实施例1制得的石墨烯进行保存。相关数据和结果参见表1,表1为实施例2~17保存天然乳胶和天然乳胶制品(天然生胶)以及比较例的相关数据和结果。
实施例12~13
在新鲜乳胶中,添加0.5%的实施例1制得的石墨烯,同时加入分散剂,以使石墨烯达到更好的分散效果,利于对天然乳胶保存。
相关数据和结果参见表1。
实施例14~15
在新鲜乳胶中,添加0.5%的实施例1制得的石墨烯,同时加入其他天然乳胶保存剂,以达到更好的保存效果。
相关数据和结果参见表1。
实施例16~17
在新鲜乳胶中,添加0.5%的实施例1制得的石墨烯,同时加入分散剂和其他天然乳胶保存剂,进而提高保存效果。
相关数据和结果参见表1。
比较例1
在新鲜乳胶中,不添加任何保存剂,在上述保存条件下进行保存。
比较例2
在新鲜乳胶中,添加0.35%的NH3,在上述保存条件下进行保存。
比较例3
在新鲜乳胶中,添加1%的NH3,在上述保存条件下进行保存。
比较例4
在新鲜乳胶中,添加2%的NH3,在上述保存条件下进行保存。
下表1中保存时间为以下条件下的保存时间:保存温度25℃以下,密封保存。
另外,采用上述实施例2~17经过所述石墨烯处理的天然乳胶、上述比较例1~4中的天然乳胶制备天然生胶,制备方法为用冰醋酸将保存20天的新鲜天然乳胶凝固,然后进行绉片、造粒、干燥操作,得到天然生胶样品;检测其塑性初值和塑性保持率(检测方法采用SN/T0541.2-1996进出口标准橡胶检验方法检测)。具体数值见下表1所示。
表1实施例2~17保存天然乳胶和天然乳胶制品(天然生胶)以及比较例的相关数据和结果
实施例18
采用上述实施例2~17经过所述石墨烯处理的天然乳胶、上述比较例1~4中的天然乳胶制备乳胶枕头,以下举例说明:
以质量份数计,将85~100份经过所述石墨烯处理的天然乳胶(实施例2~14经过所述石墨烯处理的天然乳胶、上述比较例1~4中的天然乳胶)、1~5份硫化剂(不溶性硫磺)、0.1~1份硫化促进剂(二苯胍)、0.1~1份分散剂(硬脂酸钠)混合均匀,得到乳胶混合物料。
将上述的乳胶混合物料、5份胶凝剂(氟硅酸钠)、5份氧化锌分别导入乳胶发泡机中,调节发泡倍率至形成泡沫密度为40,然后通过管道把泡沫导入枕头模具的内腔,枕头模具内腔注满泡沫时进行合模密封;将枕头模具移至硫化室进行硫化(温度为20~30℃,时间为30min),硫化完成后将模具移至加热室内,在90℃条件下使得枕头模具内的乳胶熟化;最后移出加热室,冷却,打开模具,得到成形的乳胶枕头,然后将乳胶枕头水洗,烘干得到成品乳胶枕头。
按照上文所述的方法,测试所得乳胶枕头的性能,结果参见表2。
对乳胶枕头的远红外性能和抗菌性能等进行检测,检测标准如下:
红外检测数据依据:GBT7286.1-1987《金属与非金属材料全法向发射率试验方法》;
抑菌检测数据依据:GB/T31402-2015《塑料、塑料表面抗菌性能试验方法》中,以金黄色葡萄球菌为例。
乳胶枕头气味检测,采用Oeko-TexStandard200进行气味检测。具体方法:将测试物置于以密闭***中,记录下时间、温度、湿度,由6个人评判,6名检测人员独立进行。
气味测试标准(此测试中,排除乳胶本身的气味):
1级:无气味;
2级:轻微气味;
3级:可容忍的气味;
4级:讨厌的气味;
5级:不可容忍的气味。
表2实施例2~17保存天然乳胶制品(以乳胶枕头为例)以及比较例的相关数据和结果
由以上实施例可知,本发明在天然乳胶保存时可不需加入或少量加入氨或其他保存剂。在本发明中,石墨烯在作为保存剂的同时,还为天然乳胶带来了抗菌抑菌功能和远红外功能等。本发明提供的乳胶制品由上文保存得到的天然乳胶制成,该乳胶制品具有抗菌抑菌的功能,刺激气味小,存放的保质期长的特点。本发明提供的乳胶制品还具有远红外功能,能够促进人体的微循环,利于人体健康。同时,该乳胶制品具有优异的力学性能、吸附功能和吸湿排汗功能等性能,利于应用。
申请人声明,本发明通过上述实施例来说明本发明的工艺方法,但本发明并不局限于上述工艺步骤,即不意味着本发明必须依赖上述工艺步骤才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了,对本发明的任何改进,对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。