專利名稱：高性能秸稈纖維木塑復(fù)合材料的制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及秸桿纖維基木塑復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高性能秸桿纖維木塑復(fù)合材料的制備工藝。
背景技術(shù)：
中國的秸桿資源擁有量居世界第一，年產(chǎn)量約為7億多噸，并且呈逐年增長趨勢。 然而這豐富的秸桿資源在我國的利用率卻很低，目前僅有33%，主要用于焚燒、直接還田以及摻入肥料發(fā)酵。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年焚燒的秸桿會產(chǎn)生3. 5億多噸的CO2排放量，造成了嚴(yán)重的空氣污染和溫室氣體效應(yīng)。隨著人們環(huán)保意識的加強(qiáng)，要求保護(hù)森林資源，減少利用新木材的呼聲日趨高漲， 回收利用成本低的廢舊木材及農(nóng)業(yè)秸桿和塑料成為工業(yè)界和科學(xué)界普遍關(guān)注的問題，促進(jìn)和推動了對木塑復(fù)合材料的研究和開發(fā)工作，并取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，其應(yīng)用也呈加速發(fā)展態(tài)勢。木塑復(fù)合材料是將木纖維等浸潰以其他高分子材料的有機(jī)單體或預(yù)聚物，并經(jīng)物理和化學(xué)的方法引發(fā)而聚合成的改性材料。該材料集木材和塑料的優(yōu)點(diǎn)于一體，具有環(huán)保、防水、耐蝕、防蟲、阻燃、可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)，是理想的代塑和代木材料，在工業(yè)包裝、園林、運(yùn)輸、建筑、家裝和車船內(nèi)飾等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。將農(nóng)作物秸桿用于制造生態(tài)環(huán)保型秸桿纖維基木塑復(fù)合材料，既能解決農(nóng)作物秸桿的不當(dāng)處理造成的環(huán)境污染，又能實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源的高效綜合利用，提高了農(nóng)作物產(chǎn)后附加值，增加農(nóng)民收入，促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化。同時， 又能在一定程度上緩解我國森林保護(hù)法實(shí)施力度加大之后木材供需關(guān)系的矛盾和廢舊塑料造成的白色污染難題。用秸桿制造人造板是秸桿工業(yè)化利用最具有市場發(fā)展?jié)摿彤a(chǎn)業(yè)化前景的技術(shù)， 是解決農(nóng)作物秸桿綜合利用的最佳途徑之一。但是，與木質(zhì)木塑復(fù)合板相比，秸桿的物理性能，包括熱穩(wěn)定性、強(qiáng)度、吸水性等還存在一定的缺陷，其木塑復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、抗沖擊力強(qiáng)度、維卡軟化溫度等應(yīng)用性能還達(dá)不到木質(zhì)板及木質(zhì)人造板的水準(zhǔn)，這是制約該類材料產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的技術(shù)瓶頸。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高性能秸桿纖維木塑復(fù)合材料的制備工藝，它可以有效降低爆破處理的溫度和時間，防止秸桿纖維在高溫下的熱降解，提高秸桿纖維的力學(xué)性能； 可以有效降低秸桿木塑復(fù)合材料熔體的粘度，改善其流變性及減少成型過程的內(nèi)阻力，從而改善其加工成型工藝，同時還可以提高了秸桿木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐侯、耐熱性能；可以有效地控制烘干制程，從而控制秸桿纖維含水率達(dá)到理想值，還可以改變秸桿纖維的表面粗糙度，增加其與樹脂的相容性，起到提高秸桿木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能的協(xié)同作用。為了解決背景技術(shù)所存在的問題，本發(fā)明是采用以下技術(shù)方案它的制備工藝為 以農(nóng)作物水稻秸桿作為原料，經(jīng)微波烘干處理、高溫高壓蒸汽爆破改性處理和無機(jī)納米氮化硼包覆改性預(yù)處理后，與熱塑性樹脂、界面改性劑和其它添加劑均勻混合，混合均勻后在模具中微發(fā)泡擠出成型，冷卻脫模后即可。本發(fā)明制備過程中各工序環(huán)節(jié)參數(shù)的確定方法為利用紅外光譜分析儀(IR)對秸桿纖維的羥基結(jié)構(gòu)和含量進(jìn)行分析；用X射線衍射儀(XRD)分析材料的結(jié)構(gòu)和組成；用掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)觀察秸桿纖維的顯微結(jié)構(gòu)和形貌；利用熱重分析儀(TG) 和差熱分析儀(DSC)表征秸桿纖維的熱穩(wěn)定性和結(jié)晶動力學(xué)特征；利用粒度分析儀分析秸桿纖維的粒徑大小和分布；利用分析天平、流變分析儀分別對材料的吸水性、密度和流變性進(jìn)行測試；利用萬能電子實(shí)驗(yàn)機(jī)和沖擊試驗(yàn)機(jī)對材料的拉伸、彎曲和沖擊性能進(jìn)行測試； 最后綜合研究制備過程中各工序環(huán)節(jié)參數(shù)的協(xié)同作用規(guī)律，確保工藝過程的最佳組合，研制出高性能秸桿纖維木塑復(fù)合材料。本發(fā)明具有以下有益效果I、利用微波烘干代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電加熱烘干方式，具有加熱速度快、加熱均勻、反應(yīng)靈敏和易控制等優(yōu)點(diǎn)，可以有效地控制烘干制程，從而控制秸桿纖維含水率達(dá)到理想值。同時，利用微波烘干技術(shù)還可以改變秸桿纖維的表面粗糙度，增加其與樹脂的相容性，起到提高秸桿木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能的協(xié)同作用。2、高溫高壓蒸汽爆破處理可改變木纖維的微觀結(jié)構(gòu)，使細(xì)胞壁破裂，改變纖維分子間的氫鍵作用，增加纖維表觀結(jié)晶度，半纖維素和木質(zhì)素被除去，提高木纖維素的含量， 增加界面面積，從而改善其與樹脂的相容性。本項(xiàng)目采用的爆破技術(shù)由于使用了高壓手段， 可以有效降低爆破處理的溫度和時間，防止秸桿纖維在高溫下的熱降解，提高秸桿纖維的力學(xué)性能，從而為提高木塑復(fù)合材料的機(jī)械性能提供技術(shù)保證。3、在纖維表面包覆無機(jī)納米氮化硼粉體，可以有效降低秸桿木塑復(fù)合材料熔體的粘度，改善其流變性及減少成型過程的內(nèi)阻力，從而改善其加工成型工藝，同時還可以提高了秸桿木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐侯、耐熱性能。4、利用微發(fā)泡技術(shù)來實(shí)現(xiàn)木塑復(fù)合材料的輕質(zhì)的問題，同時通過微發(fā)泡技術(shù)還可以節(jié)約樹脂和纖維的用量，這樣制備出的制品不但保持了木材料的優(yōu)點(diǎn)，同時在防火，防潮、防蛀、隔音等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于木材。發(fā)泡劑本身的性質(zhì)是決定制品微孔數(shù)量、大小、分布等的關(guān)鍵。比如，發(fā)泡劑的分解溫度和分解時間以及發(fā)泡劑分解時產(chǎn)生的氣體和放出的熱量都影響著制品中孔的數(shù)量、大小、分布等。要想獲得理想的微孔木塑復(fù)合材料，木塑復(fù)合材料的發(fā)泡技術(shù)是重點(diǎn)解決的關(guān)鍵技術(shù)。
圖I為本發(fā)明的制備工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式參照圖1，本具體實(shí)施方式
采用以下技術(shù)方案它的制備工藝為以農(nóng)作物水稻秸桿作為原料，經(jīng)微波烘干處理、高溫高壓蒸汽爆破改性處理和無機(jī)納米氮化硼包覆改性預(yù)處理后，與熱塑性樹脂、界面改性劑和其它添加劑均勻混合，混合均勻后在模具中微發(fā)泡擠出成型，冷卻脫模后即可。本具體實(shí)施方式
制備過程中各工序環(huán)節(jié)參數(shù)的確定方法為利用纖外光譜分析儀(IR)對秸桿纖維的羥基結(jié)構(gòu)和含量進(jìn)行分析；用X射線衍射儀(XRD)分析材料的結(jié)構(gòu)和組成；用掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)觀察秸桿纖維的顯微結(jié)構(gòu)和形貌；利用熱重分析儀(TG)和差熱分析儀(DSC)表征秸桿纖維的熱穩(wěn)定性和結(jié)晶動力學(xué)特征；利用粒度分析儀分析秸桿纖維的粒徑大小和分布；利用分析天平、流變分析儀分別對材料的吸水性、密度和流變性進(jìn)行測試；利用萬能電子實(shí)驗(yàn)機(jī)和沖擊試驗(yàn)機(jī)對材料的拉伸、彎曲和沖擊性能進(jìn)行測試；最后綜合研究制備過程中各工序環(huán)節(jié)參數(shù)的協(xié)同作用規(guī)律，確保工藝過程的最佳組合，研制出高性能秸桿纖維木塑復(fù)合材料。本具體實(shí)施方式
的具體研究方法為(a)秸桿纖維的預(yù)處理技術(shù)研究采用微波烘干技術(shù)、高溫高壓蒸汽爆破改性處理和無機(jī)納米氮化硼包覆改性等預(yù)處理技術(shù)分別對秸桿纖維進(jìn)行脫水處理和表面改性。研究三種預(yù)處理技術(shù)對秸桿纖維的含水率、表面微觀結(jié)構(gòu)和形貌以及與在樹脂中分散性的影響。探討三種預(yù)處理工藝參數(shù)、改性劑種類及用量對材料改性效果的影響，獲得秸桿纖維最佳的改性處理技術(shù)及工藝參數(shù)。(b)秸桿植物纖維與熱塑性樹脂界面結(jié)合性能研究通過添加界面改性劑和對材料表面進(jìn)行物理方法處理來提高二者的界面結(jié)合強(qiáng)度。研究界面改性劑的種類和用量及表面物理處理方法的工藝參數(shù)對界面結(jié)合強(qiáng)度的協(xié)同作用效應(yīng)。(C)秸桿植物纖維與熱塑性樹脂復(fù)合材料體系的流動性和成型性研究通過在復(fù)合材料體系中加入增塑劑和高效流變潤滑劑改善復(fù)合材料體系的粘度和成型時的內(nèi)阻力，從而改善復(fù)合材料體系的流動性和成型性。研究增塑劑種類和用量及潤滑劑種類和用量及引入工藝對復(fù)合材料體系粘度、流變性和成型性的影響。對擠出微發(fā)泡成型技術(shù)的工藝參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究。恒定原料配方，改變成型溫度、成型壓力、成型時間和冷卻速率以及模具結(jié)構(gòu)，觀察不同工藝條件下擠出和壓制試樣斷面的微孔形態(tài)，分析微孔結(jié)構(gòu)形成機(jī)理和影響復(fù)合材料微孔尺寸及分布、孔隙率的工藝因素。(d)秸桿纖維基木塑復(fù)合材料原料配方設(shè)計(jì)與優(yōu)化以秸桿、樹脂為主要原料，加入界面改性劑和功能添加劑，經(jīng)改性處理、混料、烘干，在模具中模壓成型制備出秸桿纖維基木塑復(fù)合材料。采用正交試驗(yàn)原理設(shè)計(jì)試驗(yàn)，研究秸桿纖維粒徑、分布、用量和預(yù)處理工藝以及樹脂基體、界面改性劑及其它的功能添加劑 (如阻燃劑、光穩(wěn)定劑、發(fā)泡劑、紫外光吸收劑、著色劑和防霉劑等)的性質(zhì)和用量等對木塑復(fù)合材料力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能的影響。探討秸桿纖維基木塑復(fù)合材料的最佳原料配方，以期獲得環(huán)保、質(zhì)輕、不變質(zhì)和力學(xué)性能優(yōu)良的多功能秸桿纖維木塑復(fù)合材料。本具體實(shí)施方式
產(chǎn)品達(dá)到的技術(shù)參數(shù)為密度彡I. 25g/cm3 ;拉伸強(qiáng)度>25Mpa;沖擊強(qiáng)度彡6. 5kJ/m2 ；抗彎強(qiáng)度彡40MPa ；彎曲模量彡2000Mpa。本具體實(shí)施方式
從界面原子結(jié)合和微發(fā)泡技術(shù)控制原理著手，擬采用高溫高壓蒸汽爆破技術(shù)，改善秸桿纖維與塑料聚合物的相容性的同時，減少秸桿纖維的熱降解，提高纖維強(qiáng)度；采用微波烘干技術(shù)，有效控制纖維的含水率，提高微發(fā)泡過程中的發(fā)泡倍率、改善泡孔結(jié)構(gòu)；采用無機(jī)納米潤滑劑氮化硼表面包覆，改善材料的流變成型性。在此基礎(chǔ)上，研究組成配方和制備工藝技術(shù)參數(shù)的協(xié)調(diào)優(yōu)化規(guī)律，獲得一種有效獲得高性能秸桿纖維基木塑復(fù)合材料的制備方法，以期解決秸桿木塑復(fù)合材料生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸，為其產(chǎn)業(yè)化提供技術(shù)保證，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物秸桿無害化處理與資源高效綜合利用。
權(quán)利要求
1.高性能秸桿纖維木塑復(fù)合材料的制備工藝，其特征在于它的制備工藝為以農(nóng)作物水稻秸桿作為原料，經(jīng)微波烘干處理、高溫高壓蒸汽爆破改性處理和無機(jī)納米氮化硼包覆改性預(yù)處理后，與熱塑性樹脂、界面改性劑和其它添加劑均勻混合，混合均勻后在模具中微發(fā)泡擠出成型，冷卻脫模后即可。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高性能秸桿纖維木塑復(fù)合材料的制備工藝，其特征在于它的制備過程中各工序環(huán)節(jié)參數(shù)的確定方法為利用紅外光譜分析儀對秸桿纖維的羥基結(jié)構(gòu)和含量進(jìn)行分析；用X射線衍射儀分析材料的結(jié)構(gòu)和組成；用掃描電鏡和透射電鏡觀察秸桿纖維的顯微結(jié)構(gòu)和形貌；利用熱重分析儀和差熱分析儀表征秸桿纖維的熱穩(wěn)定性和結(jié)晶動力學(xué)特征；利用粒度分析儀分析秸桿纖維的粒徑大小和分布；利用分析天平、流變分析儀分別對材料的吸水性、密度和流變性進(jìn)行測試；利用萬能電子實(shí)驗(yàn)機(jī)和沖擊試驗(yàn)機(jī)對材料的拉伸、彎曲和沖擊性能進(jìn)行測試；最后綜合研究制備過程中各工序環(huán)節(jié)參數(shù)的協(xié)同作用規(guī)律，確保工藝過程的最佳組合，研制出高性能秸桿纖維木塑復(fù)合材料。
全文摘要
高性能秸稈纖維木塑復(fù)合材料的制備工藝，它涉及秸稈纖維基木塑復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。它的制備工藝為以農(nóng)作物水稻秸稈作為原料，經(jīng)微波烘干處理、高溫高壓蒸汽爆破改性處理和無機(jī)納米氮化硼包覆改性預(yù)處理后，與熱塑性樹脂、界面改性劑和其它添加劑均勻混合，混合均勻后在模具中微發(fā)泡擠出成型，冷卻脫模后即可。它從界面原子結(jié)合和微發(fā)泡技術(shù)控制原理著手，擬采用高溫高壓蒸汽爆破技術(shù)，采用微波烘干技術(shù)，采用無機(jī)納米潤滑劑氮化硼表面包覆，獲得一種有效獲得高性能秸稈纖維基木塑復(fù)合材料的制備方法，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物秸稈無害化處理與資源高效綜合利用。
文檔編號C08L97/02GK102604403SQ20121006085
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月9日
發(fā)明者王愛軍 申請人:南通升環(huán)木業(yè)有限公司