CN101338044A - 一种麻纤维毡增强的淀粉基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种麻纤维毡增强的淀粉基复合材料及其制备方法，其组分包括：质量份数为5－20份的麻纤维、100－120份的淀粉、10－30份的增塑剂；其制备包括：(1)将100－120质量份的淀粉与10－30质量份的增塑剂机械搅拌混合10－30min，并于室温下密封于塑料袋中平衡8－24h，得到淀粉增塑剂的多组分基体；(2)将5－20质量份的麻纤维经脱胶处理、梳理成纤网、然后热压制成二层纤维毡，再铺设在淀粉增塑剂的多组分基体中，经模压或热压成型，冷却15－20min脱模得到麻纤维毡增强的淀粉基复合材料。本发明所得复合材料具有很好的力学性能和较高的耐水性能，是一种可完全降解且具备开发潜质的新型材料，制备方法简单可控，原料来源广泛、可再生降解、安全无毒。
Description
技术领域
本发明涉及淀粉复合材料及其制备领域，特别是涉及一种麻纤维毡增强的淀粉基复合材料及其制备方法。
背景技术
众所周知，世界范围内石油储量逐日减少，以石油产物为原料的高分子材料在世界范围内的产量持续快速增长，也就是说增长着的高分子材料产量与不断上升的能源消耗共同需要更多的类石油资源。
此外石油基聚合物的不可降解已经对环境保护造成很大的压力。全球塑料产量约30％作为包装材料使用，大多数包装材料或农用薄膜材料经一次使用后成了废弃物。由于质轻体大量多、难以降解、不可随意焚化，日积月累便成了触目惊心的“白色污染”。塑料垃圾使环境恶化，它造成酸雨、臭氧层空洞，释放的多种有毒化学气体将破坏人类的免疫系统，增加癌症和其它疾病发病率。同时目前对塑料垃圾的填埋处理，不仅占用大量的土地资源，而且破坏土壤生态平衡、污染地下水源。
在寻找石油替代品及可降解高分子材料的努力中，全球产量巨大、可降解再生的天然大分子自然地成为人们的研究重点。2000年美国国家研究委员会在全国农业生物技术协会上提出了“生物经济”目标，通过农林生物质植物/农作物资源利用，加强美国经济安全性，到2020年化学基础产品中至少有10％来自植物的农林生物质资源，2050年提高到50％。世界经合组织(OCED)2004年9月研究报告指出：各国政府应大力支持和鼓励生物质资源领域的技术创新。生物质是指由植物或动物生命体衍生得到的物质总称，主要由有机物组成。生物质最大特点就是在一定条件下，能够被微生物降解成二氧化碳和水，或者正常掩埋土壤一段时间后可自行分解成二氧化碳和水，实现真正意义上的绿色环保。在四大类生物大分子中，能在材料领域有发展前途的主要涉及植物蛋白质和多糖类。淀粉来源丰富、价格低廉、易被微生物侵蚀，属于多糖类高分子。
通过挤出、密炼、模压等成型方法可制备淀粉基可降解塑料，实验结果表明淀粉基塑料显示较优良的综合性能，但淀粉基塑料的加工和力学性能不够理想。所以自淀粉基塑料被研究开发以来，增强增韧淀粉基塑料的努力就没有停止过。可通过丙烯酸酯类接枝淀粉，共混聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)等生物基高分子和添加水、氨基酸、尿素、甘油和乙二醇等助剂。还可在淀粉基体里分散多壁碳纳米管、纤维素晶须、层状纳米硅酸盐等增强淀粉基塑料。纤维材料密度低、空隙大，所以纤维增强复合材料比强度、比模量高。天然纤维如剑麻、苎麻或黄麻的密度大多为1.3-1.5g/cm3，强度可达345-1100Mpa，模量达20-80Gpa。则以天然纤维共混生物大分子基体材料可提高多组分体系的机械力学性能，但共混纤维不易按照设计要求铺设，对体系机械力学性能提升效果不够明显，因此本专利创新性地提出利用麻纤维毡增强增韧淀粉基塑料，制备可完全生物降解且力学性能提高的复合材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种麻纤维毡增强的淀粉基复合材料及其制备方法，所得复合材料具有很好的力学性能和耐水性能，是一种可完全降解且具备开发潜质的新型材料，制备方法简单可控，原料来源广泛、可再生降解、安全无毒。
本发明的一种麻纤维毡增强的淀粉基复合材料，其组分包括：质量份数为5-20份的麻纤维、100-120份的淀粉、10-30份的增塑剂。
所述的淀粉为经化学和物理改性的变性淀粉，优选木薯淀粉、玉米淀粉、小麦淀粉、马铃薯淀粉或土豆淀粉。
所述的增塑剂为多羟基化合物、聚氨酯化合物或脲类试剂。
所述的增塑剂为丙三醇、丙二醇、乙二醇、尿素或水性聚氨酯。
所述的麻纤维为苎麻、剑麻、黄麻或洋麻纤维。
本发明的一种麻纤维毡增强的淀粉基复合材料的制备方法，包括：
(1)将100-120质量份的淀粉与10-30质量份的增塑剂机械搅拌混合10-30min，并于室温下密封于塑料袋中平衡8-24h，得到淀粉增塑剂的多组分基体；
(2)将5-20质量份的麻纤维经脱胶处理、梳理成纤网、然后热压制成二层纤维毡，再铺设在淀粉增塑剂的多组分基体中，经模压或热压成型，冷却15-20min脱模得到麻纤维毡增强的淀粉基复合材料。
所述的步骤(1)中模压或热压条件为：130-160℃、3-10MPa，平板硫化机处理10-30min。
本发明提供的增强淀粉基复合材料利用麻纤维、淀粉等天然可再生的农副产品资源，通过相对简单可控的加工条件成型，制品具有生物可降解性、利于环境保护。所制备的天然纤维增强淀粉基复合材料具备很好的力学性能，如拉伸强度、杨氏模量、断裂伸长率和耐水性能，可用于汽车、家用电器等有限使用寿命的领域，待产品达到规定使用寿命，可生物降解的复合材料即能降解、回归自然，对生态环境不造成压力。同时还可增加麻纤维、淀粉等农产品的附加值，这对于增加农民收入、发展农村经济具有一定的社会和经济价值。
有益效果
(1)所得复合材料具有很好的力学性能和耐水性能，与仅用增塑剂的淀粉材料相比，机械力学性能明显提高，是一种可完全降解且具备开发潜质的新型材料；
(2)本发明制备方法简单可控，原料来源广泛、可再生降解、安全无毒。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
10份的苎麻纤维经脱胶处理、梳理成纤网，然后热压制成纤维毡备用。将木薯淀粉、丙三醇按100∶10的比例机械搅拌混合20min，室温下密封于塑料袋中平衡一昼夜；将二层纤维毡分别铺设于木薯淀粉/丙三醇的多组分体系中；于145℃、5MPa条件平板硫化机热压10min，室温冷却15min，制得2.5mm厚的苎麻纤维毡增强木薯淀粉复合材料样条。WDW电子万能试验机上测其力学性能，见附表1中1#；耐水性(R0)为湿态与干态的抗张强度之比，湿态强度即为水浸泡4h后所测数据。
实施例2
20份的苎麻纤维经脱胶处理、梳理成纤网，然后热压制成纤维毡备用。将玉米淀粉、尿素按100∶20的比例机械搅拌混合30min，室温密封于塑料袋中平衡一昼夜；将二层纤维毡隔层分别铺设于玉米淀粉/尿素的多组分体系中；于150℃、5MPa条件下平板硫化机热压20min，室温冷却20min，制得2.5mm厚的苎麻纤维毡增强玉米淀粉复合材料样条。WDW电子万能试验机上测其力学性能，见附表1中2#；耐水性(R0)为湿态与干态的抗张强度之比，湿态强度即为水浸泡4h后所测数据。
实施例3
20份的剑麻纤维经脱胶处理、梳理成纤网，然后热压制成纤维毡备用。将木薯淀粉、丙三醇分别按100∶20的比例机械搅拌混合30min，室温密封于塑料袋中平衡一昼夜；将二层纤维毡分别铺设于木薯淀粉/丙三醇的多组分体系中；于135℃、10MPa条件下平板硫化机热压15min，室温冷却20min，制得2.5mm厚的剑麻纤维毡增强淀粉复合材料样条。WDW电子万能试验机上测其力学性能，见附表1中3#；耐水性(R0)为湿态与干态的抗张强度之比，湿态强度即为水浸泡4h后所测数据。
实施例4
20份的黄麻纤维经脱胶处理、梳理成纤网，然后热压制成纤维毡备用。将玉米淀粉、尿素分别按100∶20的比例机械搅拌混合30min，室温密封于塑料袋中平衡一昼夜；将二层纤维毡分别铺设于玉米淀粉/尿素的多组分体系中；于150℃、15MPa条件平板硫化机模压15min，室温冷却20min，制得2.5mm厚的黄麻纤维增强淀粉复合材料样条。WDW电子万能试验机上测其力学性能，见附表1中4#；耐水性(R0)为湿态与干态的抗张强度之比，湿态强度即为水浸泡4h后所测数据。
实施例5
20份的洋麻纤维经脱胶处理、梳理成纤网，然后热压制成纤维毡备用。将木薯淀粉、丙二醇分别按100∶20的比例机械搅拌混合30min，室温密封于塑料袋中平衡一昼夜；将二层纤维毡分别铺设于木薯淀粉/丙二醇的多组分体系中；于145℃、10MPa条件平板硫化机模压20min，室温冷却20min，制得2.5mm厚的大麻纤维增强淀粉复合材料样条。WDW电子万能试验机上测其力学性能，见附表1中5#；耐水性(R0)为湿态与干态的抗张强度之比，湿态强度即为水浸泡4h后所测数据。
实施例6
15份的剑麻纤维经脱胶处理、梳理成纤网，然后热压制成纤维毡备用。将小麦淀粉、尿素分别按100∶15的比例机械搅拌混合20min，室温密封于塑料袋中平衡一昼夜；将二层纤维毡分别铺设于小麦淀粉/尿素的多组分体系中；于150℃、10MPa条件平板硫化机模压20min，室温冷却20min制成2.5mm厚的剑麻纤维增强淀粉复合材料样条。WDW电子万能试验机上测其力学性能，见附表1中6#；耐水性(R0)为湿态与干态的抗张强度之比，湿态强度即为水浸泡4h后所测数据。
实施例7
10份的剑麻纤维经脱胶处理、梳理成纤网，然后热压制成纤维毡备用。将马铃薯淀粉、水性聚氨酯分别按100∶15的比例机械搅拌混合20min，室温密封于塑料袋中平衡一昼夜；将二层纤维毡分别铺设于马铃薯淀粉/水性聚氨酯的多组分体系中；于140℃、15MPa条件平板硫化机模压15min，室温冷却20min制成2.5mm厚的剑麻纤维增强淀粉基复合材料样条。WDW电子万能试验机上测其力学性能，见附表1中7#；耐水性(R0)为湿态与干态的抗张强度之比，湿态强度即为水浸泡4h后所测数据。
实施例8
15份的苎麻纤维经脱胶处理、梳理成纤网，然后热压制成纤维毡备用。将土豆淀粉、乙二醇分别按100∶20的比例机械搅拌混合25min，室温密封于塑料袋中平衡一昼夜；将二层纤维毡分别铺设于土豆淀粉/乙二醇的多组分体系中；于155℃、10MPa条件平板硫化机模压20min，室温冷却20min制成2.5mm厚的苎麻纤维增强淀粉基复合材料样条。WDW电子万能试验机上测其力学性能，见附表1中8#；耐水性(R0)为湿态与干态的抗张强度之比，湿态强度即为水浸泡4h后所测数据。
附表1：麻纤维毡增强淀粉基复合材料的力学性能、耐水性
注：0#为不含麻纤维的木薯淀粉模压材料
Claims (8)
1.一种麻纤维毡增强的淀粉基复合材料，其组分包括：质量份数为5-20份的麻纤维、100～120份的淀粉、10-30份的增塑剂。
2.根据权利要求1所述的麻纤维毡增强的淀粉基复合材料，其特征在于：所述的麻纤维为苎麻、剑麻、黄麻或洋麻纤维。
3.根据权利要求1所述的麻纤维毡增强的淀粉基复合材料，其特征在于：所述的淀粉为经化学和物理改性的变性淀粉。
4.根据权利要求3所述的麻纤维毡增强的淀粉基复合材料，其特征在于：所述的淀粉为木薯淀粉、玉米淀粉、小麦淀粉、马铃薯淀粉或土豆淀粉。
5.根据权利要求1所述的麻纤维毡增强的淀粉基复合材料，其特征在于：所述的增塑剂为多羟基化合物、聚氨酯化合物或脲类试剂。
6.根据权利要求5所述的麻纤维毡增强的淀粉基复合材料，其特征在于：所述的增塑剂为丙三醇、丙二醇、乙二醇、尿素或水性聚氨酯。
7.一种麻纤维毡增强的淀粉基复合材料的制备方法，包括：
(1)将100-120质量份的淀粉与10-30质量份的增塑剂机械搅拌混合10-30min，并于室温下密封于塑料袋中平衡8-24h，得到淀粉增塑剂的多组分基体；
(2)将5-20质量份的麻纤维经脱胶处理、梳理成纤网、然后热压制成二层纤维毡，再铺设在淀粉增塑剂的多组分基体中，经模压或热压成型，冷却15-20min脱模得到麻纤维毡增强的淀粉基复合材料。
8.根据权利要求7所述的麻纤维毡增强的淀粉基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤(2)中模压或热压条件为：130-160℃、5-15MPa，平板硫化机处理10-30min。
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