CN107880287A - 一种植物纤维原料的塑化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种植物纤维原料的塑化方法。属于植物纤维原料加工与应用领域，提供了一种新型的植物纤维原料加工工艺，使得木植物纤维原料具有热塑性，在粉碎好的植物纤维原料中加入无机酸混合均匀，然后将混合物送到塑炼装置中；加热、塑炼、剪切，得到可反复加工的植物纤维基料；这种植物纤维原料的塑化方法以无机酸作为增塑剂，通过螺杆或塑练机的挤压、剪切作用，降低了植物纤维素原料的塑化温度，使得木质纤维能在50‑240℃的温度条件下直接热加工成型也可与高分子材料复合。使植物纤维原料能够在塑料、木塑复合材料、纺织和木材加工等领域得到有效应用，拓宽了植物纤维原料的应用领域。

Description

一种植物纤维原料的塑化方法

技术领域

本发明属于植物纤维原料加工与应用领域，主要涉及一种植物纤维原料的塑化方法。

背景技术

目前，不可再生资源日益短缺，能源危机日趋严重，而生物质能源因其来源广泛、可再生性强、价格低廉等优点成为当前国际研究的热点。其中植物纤维原料已经成为化石资源的一个理想替代品。

木材塑化，传统上指通过酯化和醚化等手段，用其他的官能团来取代木材中的羟基，以减少各成分之间的氢键，使其分子之间的结合了下降，破坏纤维素的结晶结构，使得木材在一定的温度下软化，成为热塑性材料。塑化后的木材，可以用普通塑料的加工方法加工成型，用以替代部分石油产品，或用于无胶人造板及木塑复合材料的制造。天然植物纤维原料塑化最早在1979年由funakoshi以及Shiraishi等人提出，通过化学方法，利用其功能性官能团取代或者部分取代植物纤维中纤维素、半纤维素等上面的羟基基团，既能削弱纤维素大分子之间的氢键作用，又可以使得纤维素和半纤维素等分子之间的结合力大大下降。另外，纤维素的结晶结构也会由于改性而遭到破坏，最终使得天然植物纤维材料能够在一定的温度下软化、熔融，成为具有热塑性的新材料。目前天然植物纤维原料塑化方法包括氰乙基化、乙酰化、苄基化、丙酰化、烯丙基化、烷基化等。发展至今，木材乙酰化技术已经实现了工业化生产，很多公司从事乙酰化木材的商业化生产，如瑞典和丹麦的DanAcell、荷兰的Titan等。其缺点是增重率偏低、处理后的溶剂比较难完全去除。

中国专利CN105073928A公布了一种包括高度塑化的纤维素酯的热熔和压敏粘合剂和与之相关的方法和制品，该高度塑化的纤维素酯可以用作粘合剂，包括用于生产层压体。例如生产层压体可以包括提供粘合剂熔体，其包含粘合剂，该粘合剂包含纤维素酯和增塑剂，该增塑剂所占的量是该粘合剂的大约30％重量-大约75％重量，将该粘合剂熔体施用到基底上，和使得该粘合剂熔体冷却，以便在该基底上产生层压体。但是该专利是以高度塑化的纤维素酯为主体，没有具体涉及到纤维素塑化方法且对含有木质素的植物纤维原料该专利没有涉及。

中国专利CN105778549A公布了一种酒石酸铁钠和甘油屏蔽木粉羟基制备注塑级生物基塑料的方法，该方法目的是为了提供一种工艺简单、生产成本低、易实现产业化的生物质塑料的制备方法。取木质纤维原料粉碎，然后用球磨机对原料进行球磨得粉料，球磨时间为4-15h。在配制有酒石酸铁钠溶液的容器中加入经球磨预处理的木质纤维粉料，经冰箱1-5℃低温润胀后放入内腔温度为30-80℃的捏合机中捏合3-6h，烘干制得具有一定热塑性的初始样品，在初始样品中加入质量分数为5-40％的甘油，在温度为50-140℃，转速为30-110r/min的条件下在双螺旋挤出机中循环5-60min，然后挤出得到注塑级的生物基塑料。该发明工艺简单，资源利用率高，得到的产品具有力学性能佳，绿色环保，可生物降解等优点。该专利是利用酒石酸铁钠和甘油使植物纤维原料具备木塑的性能，但是酒石酸铁钠和甘油相对成本较高，且甘油不易固化对将来的应用不利。

中国专利CN105504585A公布了一种木塑材料，通过如下重量配比的原料生产加工而成：废旧聚氯乙烯20～40％、植物纤维10～15％、碳酸氢钙15～25％、胶合剂2～7％、润滑剂3～6％、木粉2～30％、秸秆粉1～22％、聚丙烯酯2～10％、氧化锆1～4％、氧化钌2～6％，该发明木塑材料可一步加工成型，然而，该木塑材料通过加入高分子塑料等其它的塑性材料而成的，依靠的是塑性高分子产生的塑化性能，没有对木质本身进行塑化改性。

中国专利CN105694502A公布了一种木塑材料，采用如下重量份的原料制成：木粉30-40份、秸秆粉25-35份、植物藤粉25-35份、纸粉10-15份、旧塑料粒10-15份、聚丙烯19-25份、聚氯乙烯19-25份、强化剂12-18份、填充剂8-13份、粘合剂8-13份，该发明木塑材料制作简单，充分利用多样化原料，但采用的木质塑化方法仍然是混合塑性高分子为主，没有对木质本身进行塑化改性。

本发明基于长期的实践经验及丰富的专业知识积极加以研究和创新，发明了一种通过螺杆或塑练机的挤压、剪切和塑化作用，降低了植物纤维原料的玻璃化温度，使得木质纤维能在50-240℃温度塑化加工成型的方法。此方法，使植物纤维原料能够在塑料、木塑复合材料、纺织和木材加工等领域得到有效应用，拓宽了植物纤维原料的应用领域。

发明内容

本发明提供一种通过无机酸处理植物纤维原料使得植物纤维原料具备微塑性然后挤出植物纤维原料颗粒与高分子颗粒混合挤出以此进一步对植物纤维原料进行塑化的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)把无机酸与植物纤维原料粉碎原料在高速混合机中混合均匀，制得植物纤维原料与无机酸预混物；

(2)将植物纤维原料无机酸预混物置于塑炼装置中，在热剪切及挤压作用下混炼，制得可反复热塑成型的植物纤维基料；

(3)把植物纤维基料置于造粒设备中制备出可反复热塑成型的粒子或者把植物纤维基料在热成型设备中热机械加工成型。

优选的，步骤(1)中所述的植物纤维原料包括木材纤维原料、非木材纤维原料、棉杆和纸浆，所述植物纤维原料细化为20-60目的粉末。

优选的，步骤(2)中所述的无机酸为硫酸、盐酸、磷酸、硝酸、亚硫酸、氢氟酸中的一种或一种以上的混合物。

优选的，步骤(2)中所述纯无机酸与绝干植物纤维原料的质量比为1/99-50/50。

优选的，所述步骤(3)中所述塑炼装置有单螺杆塑炼机、双螺杆塑炼机、三螺杆塑练机，其混炼温度为60～240℃；开放式炼胶机和密闭式炼胶机，其混炼温度为50～180℃。

优选的，步骤(3)所述造粒设备包括单螺杆挤出造粒机和双螺杆挤出造粒机和三螺杆挤出造粒机，切粒***包括冷切粒***和模面热切力***。成型设备包括挤出成型设备、注射成型设备、吹塑成型设备、压延成型设备、发泡成型设备、滚塑成型设备，所述造粒及成型设备温度设定为50～240℃。

由以上所述的植物纤维原料的塑化方法制可反复热塑成型的材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明方法更加有利于植物纤维原料的利用。

2、本发明所用无机酸成本较低，符合实际生产需求。

3、本发明方法在现有的设备基础上进行，无需增加其它额外贵重设备。

4、本发明方法工艺简单可行，成本较低，绿色环保，属于环境友好型技术。

附图说明

图1是实施例1所制备的纤维素塑化材料的热压样条。

图2是实施例3所制备的纤维素塑化材料的热压膜。

图3是实施例1、2所制备的植物纤维素塑化材料的DSC曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，技术工艺步骤，具体实施条件和材料，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付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。

本实施例中的植物纤维原料为杨麦5号，取自江苏省高淳县。其纤维素含量为44％，半纤维素含量为23％，木质素含量为22％。木质纤维原料经过碎浆机打散，风干，平衡水分，备用。尼龙(柱层析)，购自国药集团化学试剂有限公司。颗粒度≥90％。乙二醇(分析纯)，购自国药集团化学试剂有限公司。硫酸(分析纯)，购自南京化学试剂有限公司，纯度≥98％。马来酸酐接枝高密度聚乙烯纯度≥98％。购自其他所用试剂都为分析纯，直接购买使用，未进行进一步纯化。

实施例1

本实施方式无机酸塑化植物纤维原料的方法，按照以下步骤进行：

1.取300g绝干麦草，用高速混合机把硫酸均匀的分散在麦草中间，纯硫酸与绝干麦草的质量比为5/100。

2.把双螺杆挤出机I、II、III、IV区温度分别设置为160℃、150℃、130℃、120℃。把步骤1所得的混合物在设置好温度的双螺杆挤出机中混炼，即可得到麦草的塑化基料；

3.把步骤2所得基料加入国标磨具中，用平板硫化机在160℃及20Mpa的压力下热压成型。即可得到麦草含量为95wt％标准样条。其力学性能如表1所示，用DSC差热分析仪对基料做热分析的其熔融温度约为135℃。

表1

实施例2

1.取300g的绝干麦草，用高速混合机把硫酸均匀的分散在麦草中间，纯硫酸的质量与绝干麦草质量的比为5/100。

2.把双螺杆挤出机I、II、III、IV区温度分别设置为160℃、150℃、130℃、120℃。把步骤1所得的混合物在设置好温度的双螺杆挤出机中混炼，即可得到麦草的塑化基料。

3.取21.25g、31.75g、42.25g马来酸酐改性聚乙烯分别与75g、65g、55g步骤2所得塑化材料混合均匀，把双螺杆挤出机I、II、III、IV区温度分别设置为170℃、150℃、130℃、120℃。把混合物在设置好的双螺杆挤出机中混炼挤出，即可得到马来酸酐聚乙烯与麦草塑化基料的复合材料。

4.把马来酸酐改性聚乙烯与麦草塑化基料复合材料破碎后加入到模具中，用平板硫化机在160℃及20Mpa的压力下成型。冷却后得到麦草含量分别为75、65、55wt％的样条。其力学性能如表2所示，用差热分析仪对复合材料做热分析的其熔融温度分别为115-125℃。

表2

实施例3

1.取300g的绝干麦草，用高速混合机把硫酸均匀的分散在麦草中间，纯硫酸的质量与绝干麦草质量的比为5/100。

2.把双螺杆挤出机I、II、III、IV区温度分别设置为160℃、150℃、130℃、120℃。把步骤1所得的混合物在设置好温度的双螺杆挤出机中混炼，即可得到麦草塑化基料。

3.取31.75g马来酸酐改性聚乙烯与65g步骤2所得塑化基料混合均匀，把双螺杆挤出机I、II、III、IV区温度分别设置为170℃、150℃、130℃、120℃。把混合物在设置好的双螺杆挤出机中混炼挤出，即可得到马来酸酐改性聚乙烯与麦草塑化基料的复合材料。

4.把上述复合材料破碎后加入到直径10cm厚0.1mm的磨具中，用平板硫化机在160℃及20Mpa的压力下热压成型。冷却后即可得到麦草含量为65wt％的膜。

实施例4

1.取300g绝干麦草，用高速混合机把硫酸均匀的分散在麦草中间，纯硫酸与绝干麦草的质量比为3/100。

2.把双螺杆挤出机I、II、III、IV区温度分别设置为160℃、150℃、130℃、120℃。把步骤1所得的混合物在设置好温度的双螺杆挤出机中混炼，即可得到麦草的塑化基料。

3.把步骤2所得材料加入模具中，用平板硫化机在160℃及20Mpa的压力下热压成型。即可得到麦草含量为97wt％标准样条，其力学性能如表3所示。

表3

实施例5

1.取300g绝干麦草，用高速混合机把硫酸均匀的分散在麦草中间，纯硫酸与绝干麦草的质量比为3/100。

2.把双螺杆挤出机I、II、III、IV区温度分别设置为160℃、150℃、130℃、120℃。把步骤1所得的混合物在设置好温度的双螺杆挤出机中混炼，即可得到木质纤维的塑化基料。

3.取22.75g、33.05g、43.35g尼龙分别与75g、65g、55g步骤2所得塑化基料混合均匀，把双螺杆挤出机I、II、III、IV区温度分别设置为220℃、180℃、150℃、130℃。把混合物在设置好的双螺杆挤出机中混炼挤出，即可得到即可得到尼龙与麦草塑化基料的复合材料。

4.把复合材料破碎后加入到模具中，用平板硫化机在220℃及20Mpa的压力下成型。冷却后得到麦草含量分别为75、65、55wt％的样条，其力学性能如表4所示。

表4

各位技术人员须知：虽然本发明已按照上述具体实施方式做了描述，但是本发明的发明思想并不仅限于此发明，任何运用本发明思想的改装，都将纳入本专利专利权保护范围内。

Claims (7)

1.一种植物纤维原料的塑化方法，该方法将无机酸与物纤维原料充分混合后进行混炼，得到无机酸塑化的植物纤维原料基料。其中，无机酸作为增塑剂对植物纤维原料进行塑化，使植物纤维原料能够被热塑成型。其特征在于，包括如下步骤：

(1)把无机酸与植物纤维原料粉碎原料在高速混合机中混合均匀，制得植物纤维原料与无机酸预混物；

(2)将植物纤维原料无机酸预混物置于塑炼装置中，在热剪切及挤压作用下混炼，制得可反复热塑成型的植物纤维基料；

(3)把植物纤维基料置于造粒设备中制备出可反复热塑成型的粒子或者把植物纤维基料在热成型设备中热机械加工成型。

2.根据权利要求1所述的一种植物纤维原料的塑化方法，其特征在于，步骤(1)中所述的植物纤维原料包括木材纤维原料、非木材纤维原料、棉杆和纸浆，所述植物纤维原料细化为20-60目的粉末。

3.根据权利要求1所述的一种植物纤维原料的塑化方法，其特征在于，步骤(1)中所述的无机酸为硫酸、盐酸、磷酸、硝酸、亚硫酸、氢氟酸中的一种或一种以上的混合物。

4.根据权利要求1所述的一种植物纤维原料的塑化方法，其特征在于，步骤(2)中所述纯无机酸与绝干植物纤维原料的质量比为1/100-1/2。

5.根据权利要求1所述的一种植物纤维原料的塑化方法，其特征在于，所述步骤(2)中所述塑炼装置有单螺杆塑炼机、双螺杆塑炼机、三螺杆塑练机，其混炼温度为60～240℃；开放式炼胶机和密闭式炼胶机，其混炼温度为50～180℃。

6.根据权利要求1或2所述一种植物纤维原料的塑化方法，其特征在于，步骤(3)所述造粒设备包括单螺杆挤出造粒机和双螺杆挤出造粒机和三螺杆挤出造粒机，切粒***包括冷切粒***和模面热切力***。成型设备包括挤出成型设备、注射成型设备、吹塑成型设备、压延成型设备、发泡成型设备、滚塑成型设备，所述造粒及成型设备温度设定为50～240℃。

7.由权利要求1-6任一项所述的植物纤维原料的塑化方法制得的可反复热塑成型的材料。