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CN110181895B - 一种生物质的环保再生利用方法 - Google Patents

一种生物质的环保再生利用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种生物质的环保再生利用方法，该利用方法包括如下步骤：(1)利用生物质纤维、偶联剂N、热塑性塑料粉末制备芯板、(2)多层板材热压制备、(3)冷压处理。本发明实现了生物质的环保再生利用，能够避免生物质的浪费，具有工艺简单、经济效益高、成本低的特点，具有推广应用价值。

Description

一种生物质的环保再生利用方法
技术领域
本发明涉及一种生物质的环保再生利用方法。
背景技术
我国是世界上最大的化纤生产国，但是由于能源的短缺，化纤的生产受到越来越多的限制。因为生产化纤的原料主要是石油，为了缓解能源危机，必须找出可替代的材料或能源。而生物质纤维作为一种可再生资源，用来满足人们日渐增长的需求会是一个十分不错的选择。尽管玻璃纤维增强的复合材料比生物质纤维增强的复合材料具有更好的抗拉、抗压性能，但是生物质纤维增强的复合材料具有更好的强重比。还有研究表明，通常添加植物纤维结构的材料可以提高基体的机械性能，并且在材料断裂时纤维能起到很好的延迟效果。以生物质纤维来增强复合材料有着玻璃纤维无法比拟的优势。第一，生物质纤维的原料来源十分广泛，且再生能力强，是“取之不尽，用之不竭”的生物资源；第二，用生物质纤维制备复合材料在生产过程中不会对人体造成任何伤害，由于生物质纤维是一种环保材料，且与人类的亲和性好，人们很愿意接受生物质纤维增强复合材料制品，为生物质纤维复合材料的发展提供了巨大的市场空间。目前在生物质纤维增强的复合材料中，植物纤维的应用较多，植物纤维的主要化学成分是纤维素，故又称为纤维素纤维。植物纤维的种类繁多，根据来源可分为茎杆类纤维、种子纤维和初皮纤维。其中茎秆类纤维包括木纤维、竹原纤维、草茎纤维等，种子纤维有棉纤维等，叶纤维有剑麻纤维等，韧皮纤维主要有亚麻纤维、黄麻纤维、大麻纤维等。其中剑麻纤维和竹原纤维的拉伸强度比其他天然纤维高。如果按照纤维的形态分类，可分为长纤维、短纤维和纤维颗粒等。
安徽省宗正农业科技开发有限公司自主研发了一种生物质复合板(CN 107351473A)，该生物质复合板的加工工艺包括如下步骤：(1)芯板热压制备、(2)多层板材热压制备、(3)冷压处理。本发明对生物质复合板材的加工处理工艺进行了针对性的改进处理，有效增强了界面间的结合能力，同时又保证了良好的外观特性，最终制得的复合板材力学性能好，较一次热压成型的复合板材特性还有所提升。
然而，上述复合板经市场应用后发现该复合板的弯曲强度和冲击强度仍然偏低(弯曲强度仅为28.46MPa，冲击强度仅为7.23kJ/m2)，不能完全满足高端板材的需要。
发明内容
本发明克服了现有技术中生物质复合材料的弯曲强度和冲击强度仍然偏低，不能完全满足高端板材的需要的技术问题。
本发明提供了如下技术方案：
一种生物质的环保再生利用方法，该生物质复合材料采用如下方法制备得到：
(1)芯板热压制备：将生物质纤维、偶联剂N、热塑性塑料粉末混合均匀，然后铺装成厚度为3～4mm的芯层板坯，再将芯层板坯放入热压机中进行热压处理，期间控制热压的温度为185～195℃，热压的压力控制为1.5～2.5MPa，热压处理3～5min后得芯板备用；
(2)多层板材热压制备：将生物质纤维、偶联剂N、热塑性塑料粉末混合均匀，然后铺装成厚度为2～3mm的表层物料，再将表层物料铺放在步骤(1)所得的芯板的上表面和下表面，而在此铺放处理前，先对芯板的上表面和下表面进行喷涂改性液处理，然后将由芯板作为中心层、表层物料作为上下两层结构组成的混合料放入热压机中进行热压处理，期间控制热压的温度为185～195℃，热压的压力控制为1.5～2.5MPa，热压处理3～5min后得多层板材备用；所述的改性液中各成分及其对应重量百分含量为：硼酸锌3％、改性剂M 2％、磷脂酰乙醇胺0.2％，余量为水；
所述改性剂M的结构式如下：
Figure BDA0002084242480000021
(3)冷压处理：
将步骤(2)所得的多层板材放入冷压机中，控制冷压处理时的压力为1.0～2.0MPa，当多层板材的温度不超过50℃时，将其取出自然冷却至室温，即得生物质复合材料。
其中，步骤(1)中所述的生物质纤维、偶联剂N、热塑性塑料粉末的质量比为1：0.05：0.5。
其中，所述的生物质纤维为水稻秸秆、小麦秸秆、竹纤维中的任意一种。
其中，所述的偶联剂N的化学结构式如下：
Figure BDA0002084242480000031
其中，所述的热塑性塑料为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯中的任意一种。
其中，所述的改性液在板材上对应的喷涂量为40～50ml/m2。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)相比于现有技术采用酒石酸，本发明采用改性剂M替换酒石酸使得改性效果更为明显和加强，大幅改善增强纤维表面基团含量和活性，更有利于交联融合，提升芯板表面的纤维细化和毛化程度，更有利于增强纤维间的接触面积和亲和性，最终提升复合材料的品质，完全解决现有技术中生物质复合材料的弯曲强度和冲击强度仍然偏低的技术问题。
(2)本发明还采用偶联剂N替代常用的硅烷偶联剂kh550、硅烷偶联剂kh560、硅烷偶联剂kh570，相比于硅烷偶联剂kh550、硅烷偶联剂kh560、硅烷偶联剂kh570，偶联剂N的偶联效果更为明显，在一定程度上也能提高复合材料的弯曲强度和冲击强度，使材料的综合性能得到进一步优化。
(3)本发明实现了生物质的环保再生利用，能够避免生物质的浪费，具有工艺简单、经济效益高、成本低的特点，具有推广应用价值。
具体实施方式
下面具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种生物质的环保再生利用方法，该生物质复合材料采用如下方法制备得到：
(1)芯板热压制备：将生物质纤维、偶联剂N、热塑性塑料粉末混合均匀，然后铺装成厚度为3～4mm的芯层板坯，再将芯层板坯放入热压机中进行热压处理，期间控制热压的温度为185℃，热压的压力控制为1.5MPa，热压处理3min后得芯板备用；
(2)多层板材热压制备：将生物质纤维、偶联剂N、热塑性塑料粉末混合均匀，然后铺装成厚度为2～3mm的表层物料，再将表层物料铺放在步骤(1)所得的芯板的上表面和下表面，而在此铺放处理前，先对芯板的上表面和下表面进行喷涂改性液处理，然后将由芯板作为中心层、表层物料作为上下两层结构组成的混合料放入热压机中进行热压处理，期间控制热压的温度为185℃，热压的压力控制为1.5MPa，热压处理3min后得多层板材备用；所述的改性液中各成分及其对应重量百分含量为：硼酸锌3％、改性剂M 2％、磷脂酰乙醇胺0.2％，余量为水；
所述改性剂M的结构式如下：
Figure BDA0002084242480000041
(3)冷压处理：
将步骤(2)所得的多层板材放入冷压机中，控制冷压处理时的压力为1.0MPa，当多层板材的温度不超过50℃时，将其取出自然冷却至室温，即得生物质复合材料。
其中，步骤(1)中所述的生物质纤维、偶联剂N、热塑性塑料粉末的质量比为1：0.05：0.5。
其中，所述的生物质纤维为水稻秸秆。
其中，所述的偶联剂N的化学结构式如下：
Figure BDA0002084242480000042
其中，所述的热塑性塑料为聚乙烯。
其中，所述的改性液在板材上对应的喷涂量为40ml/m2。
实施例2
一种生物质的环保再生利用方法，该生物质复合材料采用如下方法制备得到：
(1)芯板热压制备：将生物质纤维、偶联剂N、热塑性塑料粉末混合均匀，然后铺装成厚度为3～4mm的芯层板坯，再将芯层板坯放入热压机中进行热压处理，期间控制热压的温度为190℃，热压的压力控制为2MPa，热压处理4min后得芯板备用；
(2)多层板材热压制备：将生物质纤维、偶联剂N、热塑性塑料粉末混合均匀，然后铺装成厚度为2～3mm的表层物料，再将表层物料铺放在步骤(1)所得的芯板的上表面和下表面，而在此铺放处理前，先对芯板的上表面和下表面进行喷涂改性液处理，然后将由芯板作为中心层、表层物料作为上下两层结构组成的混合料放入热压机中进行热压处理，期间控制热压的温度为190℃，热压的压力控制为2MPa，热压处理4min后得多层板材备用；所述的改性液中各成分及其对应重量百分含量为：硼酸锌3％、改性剂M 2％、磷脂酰乙醇胺0.2％，余量为水；
所述改性剂M的结构式如下：
Figure BDA0002084242480000051
(3)冷压处理：
将步骤(2)所得的多层板材放入冷压机中，控制冷压处理时的压力为1.5MPa，当多层板材的温度不超过50℃时，将其取出自然冷却至室温，即得生物质复合材料。
其中，步骤(1)中所述的生物质纤维、偶联剂N、热塑性塑料粉末的质量比为1：0.05：0.5。
其中，所述的生物质纤维为小麦秸秆。
其中，所述的偶联剂N的化学结构式如下：
Figure BDA0002084242480000052
其中，所述的热塑性塑料为聚丙烯中的任意一种。
其中，所述的改性液在板材上对应的喷涂量为45ml/m2。
实施例3
一种生物质的环保再生利用方法，该生物质复合材料采用如下方法制备得到：
(1)芯板热压制备：将生物质纤维、偶联剂N、热塑性塑料粉末混合均匀，然后铺装成厚度为3～4mm的芯层板坯，再将芯层板坯放入热压机中进行热压处理，期间控制热压的温度为195℃，热压的压力控制为2.5MPa，热压处理5min后得芯板备用；
(2)多层板材热压制备：将生物质纤维、偶联剂N、热塑性塑料粉末混合均匀，然后铺装成厚度为2～3mm的表层物料，再将表层物料铺放在步骤(1)所得的芯板的上表面和下表面，而在此铺放处理前，先对芯板的上表面和下表面进行喷涂改性液处理，然后将由芯板作为中心层、表层物料作为上下两层结构组成的混合料放入热压机中进行热压处理，期间控制热压的温度为195℃，热压的压力控制为2.5MPa，热压处理5min后得多层板材备用；所述的改性液中各成分及其对应重量百分含量为：硼酸锌3％、改性剂M 2％、磷脂酰乙醇胺0.2％，余量为水；
所述改性剂M的结构式如下：
Figure BDA0002084242480000061
(3)冷压处理：
将步骤(2)所得的多层板材放入冷压机中，控制冷压处理时的压力为2.0MPa，当多层板材的温度不超过50℃时，将其取出自然冷却至室温，即得生物质复合材料。
其中，步骤(1)中所述的生物质纤维、偶联剂N、热塑性塑料粉末的质量比为1：0.05：0.5。
其中，所述的生物质纤维为竹纤维。
其中，所述的偶联剂N的化学结构式如下：
Figure BDA0002084242480000062
其中，所述的热塑性塑料为聚氯乙烯。
其中，所述的改性液在板材上对应的喷涂量为50ml/m2。
实施例4
一种生物质的环保再生利用方法，该生物质复合材料采用如下方法制备得到：
(1)芯板热压制备：将生物质纤维、偶联剂N、热塑性塑料粉末混合均匀，然后铺装成厚度为3～4mm的芯层板坯，再将芯层板坯放入热压机中进行热压处理，期间控制热压的温度为185℃，热压的压力控制为1.5MPa，热压处理3min后得芯板备用；
(2)多层板材热压制备：将生物质纤维、偶联剂N、热塑性塑料粉末混合均匀，然后铺装成厚度为2～3mm的表层物料，再将表层物料铺放在步骤(1)所得的芯板的上表面和下表面，而在此铺放处理前，先对芯板的上表面和下表面进行喷涂改性液处理，然后将由芯板作为中心层、表层物料作为上下两层结构组成的混合料放入热压机中进行热压处理，期间控制热压的温度为185℃，热压的压力控制为1.5MPa，热压处理3min后得多层板材备用；所述的改性液中各成分及其对应重量百分含量为：硼酸锌3％、改性剂M 2％、磷脂酰乙醇胺0.2％，余量为水；
所述改性剂M的结构式如下：
Figure BDA0002084242480000071
(3)冷压处理：
将步骤(2)所得的多层板材放入冷压机中，控制冷压处理时的压力为1.0MPa，当多层板材的温度不超过50℃时，将其取出自然冷却至室温，即得生物质复合材料。
其中，步骤(1)中所述的生物质纤维、偶联剂N、热塑性塑料粉末的质量比为1：0.05：0.5。
其中，所述的生物质纤维为水稻秸秆。
其中，所述的偶联剂N为kh550。
其中，所述的热塑性塑料为聚乙烯。
其中，所述的改性液在板材上对应的喷涂量为40ml/m2。
对比例1
一种生物质的环保再生利用方法，该生物质复合材料采用如下方法制备得到：
(1)芯板热压制备：将生物质纤维、偶联剂、热塑性塑料粉末混合均匀，然后铺装成厚度为3～4mm的芯层板坯，再将芯层板坯放入热压机中进行热压处理，期间控制热压的温度为185℃，热压的压力控制为1.5MPa，热压处理3min后得芯板备用；
(2)多层板材热压制备：将生物质纤维、偶联剂、热塑性塑料粉末混合均匀，然后铺装成厚度为2～3mm的表层物料，再将表层物料铺放在步骤(1)所得的芯板的上表面和下表面，而在此铺放处理前，先对芯板的上表面和下表面进行喷涂改性液处理，然后将由芯板作为中心层、表层物料作为上下两层结构组成的混合料放入热压机中进行热压处理，期间控制热压的温度为185℃，热压的压力控制为1.5MPa，热压处理3min后得多层板材备用；所述的改性液中各成分及其对应重量百分含量为：硼酸锌3％、酒石酸2％、磷脂酰乙醇胺0.2％，余量为水；
(3)冷压处理：
将步骤(2)所得的多层板材放入冷压机中，控制冷压处理时的压力为1.0MPa，当多层板材的温度不超过50℃时，将其取出自然冷却至室温，即得生物质复合材料。
其中，步骤(1)中所述的生物质纤维、偶联剂、热塑性塑料粉末的质量比为1：0.05：0.5。
其中，所述的生物质纤维为水稻秸秆。
其中，所述的偶联剂为kh550。
其中，所述的热塑性塑料为聚乙烯。
其中，所述的改性液在板材上对应的喷涂量为40ml/m2。
为了清晰地表明本发明的发明构思，将实施例1、实施例4以及对比例1存在不同的地方列于下表中。
效果表征：对实施例1、实施例4以及对比例1所制得的生物质复合材料进行性能测试，其中，弯曲强度参照ASTM D790进行测试；所述的冲击强度参照GB/T1043.1-2008进行测试，测试结果如下：
编号 改性剂 偶联剂 各层厚度 弯曲强度 冲击强度
实施例1 改性剂M 偶联剂N 2/3/2(mm) 31.13MPa 7.59kJ/m<sup>2</sup>
实施例4 改性剂M kh550 2/3/2(mm) 30.15MPa 7.44kJ/m<sup>2</sup>
对比例1 酒石酸 kh550 2/3/2(mm) 28.46MPa 7.23kJ/m<sup>2</sup>
上述结果表明，相比于现有技术采用酒石酸，本发明采用改性剂M替换酒石酸使得改性效果更为明显和加强，大幅改善增强纤维表面基团含量和活性，更有利于交联融合，提升芯板表面的纤维细化和毛化程度，更有利于增强纤维间的接触面积和亲和性，最终提升复合材料的品质，完全解决现有技术中生物质复合材料的弯曲强度和冲击强度仍然偏低的技术问题。此外，本发明还采用偶联剂N替代常用的硅烷偶联剂kh550、硅烷偶联剂kh560、硅烷偶联剂kh570，相比于硅烷偶联剂kh550、硅烷偶联剂kh560、硅烷偶联剂kh570，偶联剂N的偶联效果更为明显，在一定程度上也能提高复合材料的弯曲强度和冲击强度，使材料的综合性能得到进一步优化。

Claims (3)

1.一种生物质的环保再生利用方法，其特征在于，该利用方法包括如下步骤：
(1)芯板热压制备：将生物质纤维、偶联剂N、热塑性塑料粉末混合均匀，然后铺装成厚度为3～4mm的芯层板坯，再将芯层板坯放入热压机中进行热压处理，期间控制热压的温度为185～195℃，热压的压力控制为1.5～2.5MPa，热压处理3～5min后得芯板备用；
(2)多层板材热压制备：将生物质纤维、偶联剂N、热塑性塑料粉末混合均匀，然后铺装成厚度为2～3mm的表层物料，再将表层物料铺放在步骤(1)所得的芯板的上表面和下表面，而在此铺放处理前，先对芯板的上表面和下表面进行喷涂改性液处理，然后将由芯板作为中心层、表层物料作为上下两层结构组成的混合料放入热压机中进行热压处理，期间控制热压的温度为185～195℃，热压的压力控制为1.5～2.5MPa，热压处理3～5min后得多层板材备用；所述的改性液中各成分及其对应重量百分含量为：硼酸锌3％、改性剂M 2％、磷脂酰乙醇胺0.2％，余量为水；
所述改性剂M的结构式如下：
Figure FDA0002562026170000011
(3)冷压处理：
将步骤(2)所得的多层板材放入冷压机中，控制冷压处理时的压力为1.0～2.0MPa，当多层板材的温度不超过50℃时，将其取出自然冷却至室温，即得生物质复合材料；
其中，步骤(1)中所述的生物质纤维、偶联剂N、热塑性塑料粉末的质量比为1：0.05：0.5；
其中，所述的生物质纤维为水稻秸秆、小麦秸秆、竹纤维中的任意一种；
所述的偶联剂N的化学结构式如下：
Figure FDA0002562026170000021
2.根据权利要求1所述的生物质的环保再生利用方法，其特征在于，所述的热塑性塑料为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的生物质的环保再生利用方法，其特征在于，所述的改性液在板材上对应的喷涂量为40～50ml/m2。
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