一種全降解纖維素泡沫材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種全降解纖維素泡沫材料及其制備方法，屬生物化工技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著石油資源的日益緊缺，以及開(kāi)發(fā)精煉石油化工產(chǎn)品所帶來(lái)的環(huán)境污染等一系列問(wèn)題的日益突出，具有良好的環(huán)境相容性的“綠色緩沖包裝材料”的研制與應(yīng)用己成為21世紀(jì)的必然趨勢(shì)。綠色緩沖包裝材料是指制備、生產(chǎn)、使用、廢棄以及回收處理再利用的整個(gè)生命周期過(guò)程中，對(duì)環(huán)境和人體不造成危害，廢棄后能迅速自然降解或再利用，不會(huì)破壞生態(tài)平衡的材料或制品。
[0003]我國(guó)農(nóng)作物秸桿資源十分豐富，年產(chǎn)近6億噸，是來(lái)源豐富的可再生資源。從農(nóng)作物秸桿中提取的天然纖維素具有質(zhì)輕、可降解、可再生、相對(duì)高的強(qiáng)度和硬度等優(yōu)點(diǎn)。因此，開(kāi)發(fā)植物纖維發(fā)泡材料是綠色緩沖包裝材料的主要途徑。但是由于纖維素纖維是一種多孔性的非熱塑性材料，而且難溶于一般溶劑，因此單獨(dú)使其形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)較為困難，需要借助其他介質(zhì)。目前雖然已有植物纖維發(fā)泡材料的專利報(bào)道，但纖維素的添加量都沒(méi)有超過(guò)30%，同時(shí)所得到的泡沫塑料密度高、抗拉強(qiáng)度低和回彈性差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明克服了上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種全降解植物纖維泡沫材料及其制備方法。該方法中植物纖維素的添加量達(dá)到70 %以上，制備的泡沫材料密度降低，抗拉強(qiáng)度增尚和回彈性提尚。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種全降解纖維素泡沫材料，其特征是，由下述原料經(jīng)混勻、擠壓造粒、膨化或模壓成型得到，其原料及重量份為:改性植物纖維70-80份，羥丙基淀粉5-10份，聚丁二酸乙二醇酯(PBS)5-10份，納米碳酸鈣(70-700納米)2-5份，復(fù)合交聯(lián)劑1-3份，復(fù)合發(fā)泡劑1-3份，硬脂酸2-3份，液體石蠟1-3份。
[0006]其中改性植物纖維的制備方法為:將木纖維或秸桿纖維(優(yōu)選為秸桿纖維)粉碎至2000目以上，得到超細(xì)植物纖維，然后加入1-3%的蛋氨酸，在高混機(jī)中75-85°C強(qiáng)力攪拌混勻，進(jìn)行纖維表面改性處理I?2小時(shí)，得改性植物纖維。
[0007]所述復(fù)合交聯(lián)劑:按按質(zhì)量比，二叔丁基過(guò)氧化異丙基苯:三烯丙基異氰脲酸酯(TAIC) = 1:0.25-0.35(優(yōu)選配比1:0.3)，混合均勻。
[0008]所述復(fù)合發(fā)泡劑:按按質(zhì)量比，偶氮二甲酸二異丙酯:偶氮二甲酰胺=4.5-5.5:3(優(yōu)選配比5:3)，混合均勻。
[0009]上述全降解纖維素泡沫材料的制備方法，具體包括以下步驟:
[0010](I)將上述材料加入高混機(jī)中75-85°C，強(qiáng)力攪拌混勻，得均相體料；
[0011](2)將攪拌好的均相體料用雙螺桿擠出機(jī)在120-150°c溫度下，擠壓造粒得到全降解植物纖維發(fā)泡粒料；
[0012](3)全降解植物纖維發(fā)泡粒料經(jīng)膨化機(jī)膨化制成包裝緩沖用全降解發(fā)泡膠；
[0013]或者全降解植物纖維發(fā)泡粒料稱重后放入模具中，設(shè)定上模溫度175-185°C，下模溫度190-210°C，壓力7.5-8.5MPa，合模后保壓成型20-40秒，泄壓保溫干燥80-120秒，脫模，取出制品，即得全降解泡沫材料成品。
[0014]優(yōu)選的，步驟(3)具體為:全降解植物纖維發(fā)泡粒料稱重后放入模具中，設(shè)定上模溫度180°C，下模溫度200°C，壓力8MPa，合模后保壓成型30秒，泄壓保溫干燥100秒，脫模，取出制品，即得全降解泡沫材料成品。
[0015]聚丁二酸乙二醇酯(PES)是一種化學(xué)合成的可生物降解型聚酯，也是一種半結(jié)晶型聚酯，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg約為一 12.5°C，熔點(diǎn)Tm約為104°C，結(jié)晶速度快，具有良好的柔順性和熱穩(wěn)定性。PES的機(jī)械性能較好，加工性能不錯(cuò)，力學(xué)性能與聚烯烴LDPE、PP接近。PES易被自然界的多種微生物或動(dòng)植物體內(nèi)的酶分解代謝，最終生成二氧化碳和水，常作為PBS的替代物或填充物。本發(fā)明中加入PES不僅提高了產(chǎn)品的加工性能，還提高了產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度。
[0016]本發(fā)明以二叔丁基過(guò)氧化異丙基苯和三烯丙基異氰脲酸酯復(fù)配制成復(fù)合交聯(lián)劑。其中二叔丁基過(guò)氧化異丙基苯為基礎(chǔ)的交聯(lián)劑，其交聯(lián)效果好，用量少。產(chǎn)品中加入少量三烯丙基異氰脲酸酯交聯(lián)后可顯著提高制品的耐熱性、阻燃性、耐溶劑性、機(jī)械強(qiáng)度等。二者復(fù)合形成的復(fù)合交聯(lián)劑比單獨(dú)采用二叔丁基過(guò)氧化異丙基苯進(jìn)行交聯(lián)，能顯著地提高產(chǎn)品質(zhì)量。
[0017]本發(fā)明采用偶氮二甲酸二異丙酯與偶氮二甲酰胺作為復(fù)合發(fā)泡性。其中偶氮二甲酰胺發(fā)泡的制品彈性好、泡孔徑勻、強(qiáng)度好;而偶氮二甲酸二異丙酯在40?120°C范圍內(nèi)可獲得高發(fā)氣量。二者復(fù)配作為發(fā)泡劑不僅起到優(yōu)良的發(fā)泡效果，還能增加產(chǎn)品的彈性。
[0018]本發(fā)明的有益效果是:
[0019](I)本發(fā)明以改性植物纖維為主要原料。改性植物纖維是以植物纖維為原料經(jīng)超細(xì)粉碎后再經(jīng)過(guò)蛋氨酸進(jìn)行纖維表面改性而得到，經(jīng)過(guò)改性后的植物纖維消除了其內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)，且增加了植物纖維與其他助劑的相容性，使得在制備全降解纖維素泡沫材料中植物纖維素的使用量占總原料的70%以上。
[0020](2)本發(fā)明以改性植物纖維為主要原料，配合羥丙基淀粉、復(fù)合交聯(lián)劑、復(fù)合發(fā)泡劑、硬脂酸(增塑劑、脫模劑)、液體石蠟(潤(rùn)滑劑)、納米碳酸鈣(改善母料的流變性，提高其成型性)和聚丁二酸乙二醇酯等輔料或助劑制備全降解纖維素泡沫材料。各材料之間相互協(xié)同，不僅使植物纖維素交聯(lián)形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)并具有良好的加工性能，滿足了泡沫材料的一般要求，同時(shí)還提高了產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度和彈性模量。
[0021 ] (3)本發(fā)明制備的全降解纖維素泡沫材料，其密度< 15.0Kg/m3，達(dá)到聚苯乙烯泡沫塑料的要求。其抗拉強(qiáng)度2 2.0MPa，其彈性模量2 400MPa，抗拉強(qiáng)度和彈性模量性能優(yōu)升。
【具體實(shí)施方式】
[0022]實(shí)施例1
[0023]復(fù)合交聯(lián)劑的制備:將二叔丁基過(guò)氧化異丙基苯10公斤和三烯丙基異氰脲酸酯3公斤，混合均勻得復(fù)合交聯(lián)劑13公斤，用于下面的實(shí)施例1-2。
[0024]復(fù)合發(fā)泡劑的制備:將偶氮二甲酸二異丙酯10公斤和偶氮二甲酰胺6公斤，混合均勻得復(fù)合發(fā)泡劑16公斤，用于下面的實(shí)施例1-2。
[0025](I)將70公斤木纖維經(jīng)超級(jí)精細(xì)粉碎至2500目，加入0.7公斤蛋氨酸混合，在高混機(jī)中80°C，強(qiáng)力攪拌混勻，進(jìn)行纖維表面改性處理I小時(shí)，得改性植物纖維70.7公斤；
[0026](2)將改性植物纖維70.7公斤，羥丙基淀粉5公斤，聚丁二酸乙二醇酯5公斤，納米碳酸鈣2公斤，復(fù)合交聯(lián)劑I公斤，復(fù)合發(fā)泡劑I公斤，硬脂酸2公斤，液體石蠟I公斤，加入在高混機(jī)中80°C，強(qiáng)力攪拌混勻，得均相體料；
[0027](3)將攪拌好的均相體料用雙螺桿擠出機(jī)在120-150 V溫度范圍內(nèi)擠壓造粒得到全降解植物纖維發(fā)泡粒料；
[0028](4)全降解植物纖維發(fā)泡粒料經(jīng)膨化機(jī)膨化制成包裝緩沖用全降解發(fā)泡膠。所得產(chǎn)品的密度為14.3Kg/m3，抗拉強(qiáng)度為2.3MPa，彈性模量為427MPa。
[0029]實(shí)施例2:
[0030](I)將75公斤玉米秸桿纖維經(jīng)超級(jí)精細(xì)粉碎至2500目，加入2.25公斤蛋氨酸混合，在高混機(jī)中80°C，強(qiáng)力攪拌混勻，進(jìn)行纖維表面改性處理I小時(shí)，得改性玉米秸桿纖維77.25公斤；
[0031](2)將改性玉米秸桿纖維77.25公斤，羥丙基淀粉10公斤，聚丁二酸乙二醇酯10公斤，納米碳酸媽5公斤，復(fù)合交聯(lián)劑3公斤，復(fù)合發(fā)泡劑3公斤，硬脂酸3公斤，液體石錯(cuò)3公斤，加入在高混機(jī)中80°C，強(qiáng)力攪拌混勻，得均相體料；
[0032 ] (3)將攪拌好的均相體料用雙螺桿擠出機(jī)在120-150 °C溫度范圍內(nèi)擠壓造粒得到全降解植物纖維發(fā)泡粒料；
[0033](4)全降解植物纖維發(fā)泡粒料稱重后放入模具中，設(shè)定上模溫度180°C，下模溫度200°C，壓力8MPa，合模后保壓成型30秒，泄壓保溫干燥100秒，脫模，取出制品，即得全降解泡沫材料成品。所得產(chǎn)品的密度為14.2Kg/m3，抗拉強(qiáng)度為2.5MPa，彈性模量為432MPa。
[0034]實(shí)施例3:
[0035]復(fù)合交聯(lián)劑的制備:將二叔丁基過(guò)氧化異丙基苯10公斤和三烯丙基異氰脲酸酯2.5公斤，混合均勻得復(fù)合交聯(lián)劑12.5公斤，用于下面的實(shí)施例3-4。
[0036]復(fù)合發(fā)泡劑的制備:將偶氮二甲酸二異丙酯9公斤和偶氮二甲酰胺6公斤，混合均勻得復(fù)合發(fā)泡劑15公斤，用于下面的實(shí)施例3-4。
[0037](I)將78公斤麥桿纖維經(jīng)超級(jí)精細(xì)粉碎至2000目，加入1.56公斤蛋氨酸混合，在高混機(jī)中80°C，強(qiáng)力攪拌混勻，進(jìn)行纖維表面改性處理I小時(shí)，得改性麥桿纖維79.56公斤；
[0038](2)將改性麥桿纖維79.56公斤，羥丙基淀粉8公斤，聚丁二酸乙二醇酯7公斤份，納米碳酸鈣3公斤，復(fù)合交聯(lián)劑2公斤，復(fù)合發(fā)泡劑2公斤，硬脂酸2公斤，液體石蠟2公斤，加入在高混機(jī)中80°C，強(qiáng)力攪拌混勻，得均相體料；
[0039 ] (3)將攪拌好的均相體料用雙螺桿擠出機(jī)在120-150 °C溫度范圍內(nèi)擠壓造粒得到全降解植物纖維發(fā)泡粒料；
[0040] (4)全降解植物纖維發(fā)泡粒料稱重后放入模具中，設(shè)定上模溫度180°C，下模溫度200°C，壓力8MPa，合模后保壓成型30秒，泄壓保溫干燥100秒，脫模，取出制品，即得全降解泡沫材料成品。所得產(chǎn)品的密度為13.9Kg/m3，抗拉強(qiáng)度為2.3MPa，彈性模量為42 IMPa。
[0041 ] 實(shí)施例4:
[0042](I)將73公斤稻草纖維經(jīng)超級(jí)精細(xì)粉碎至2000目，加入2.19公斤蛋氨酸混合，在高混機(jī)中80°C，強(qiáng)力攪拌混勻，進(jìn)行纖維表面改性處理I小時(shí)，得改性麥桿纖維75.19公斤；
[0043](2)將改性稻草纖維75.19公斤，羥丙基淀粉6公斤，聚丁二酸乙二醇酯8公斤份，納米碳酸鈣2公斤，復(fù)合交聯(lián)劑2公斤，復(fù)合發(fā)泡劑I公斤，硬脂酸3公斤，液體石蠟3公斤，加入在高混機(jī)中80°C，強(qiáng)力攪拌混勻，得均相體料；
[0044](3)將攪拌好的均相體料用雙螺桿擠出機(jī)在120-150 V溫度范圍內(nèi)擠壓造粒得到全降解植物纖維發(fā)泡粒料；
[0045](4)全降解植物纖維發(fā)泡粒料經(jīng)膨化機(jī)膨化制成包裝緩沖用全降解發(fā)泡膠。所得產(chǎn)品的密度為14.6Kg/m3，抗拉強(qiáng)度為2.2MPa，彈性模量為418MPa。
[0046]實(shí)施例5:
[0047]復(fù)合交聯(lián)劑的制備:將二叔丁基過(guò)氧化異丙基苯10公斤和三烯丙基異氰脲酸酯3.5公斤，混合均勻得復(fù)合交聯(lián)劑13.5公斤，用于下面的實(shí)施例5-6。
[0048]復(fù)合發(fā)泡劑的制備:將偶氮二甲酸二異丙酯10.5公斤和偶氮二甲酰胺6公斤，混合均勻得復(fù)合發(fā)泡劑16.5公斤，用于下面的實(shí)施例5-6。
[0049](I)將76公斤棉桿纖維經(jīng)超級(jí)精細(xì)粉碎至3000目，加入1.52公斤蛋氨酸混合，在高混機(jī)中80°C，強(qiáng)力攪拌混勻，進(jìn)行纖維表面改性處理I小時(shí)，得改性棉桿纖維77.52公斤；
[0050](2)將改性棉桿纖維77.52公斤，羥丙基淀粉9公斤，聚丁二酸乙二醇酯8公斤份，納米碳酸鈣2公斤，復(fù)合交聯(lián)劑I公斤，復(fù)合發(fā)泡劑2公斤，硬脂酸3公斤，液體石蠟2公斤，加入在高混機(jī)中80°C，強(qiáng)力攪拌混勻，得均相體料；
[0051 ] (3)將攪拌好的均相體料用雙螺桿擠出機(jī)在120-150 V溫度范圍內(nèi)擠壓造粒得到全降解植物纖維發(fā)泡粒料；
[0052](4)全降解植物纖維發(fā)泡粒料稱重后放入模具中，設(shè)定上模溫度180°C，下模溫度200°C，壓力8MPa，合模后保壓成型30秒，泄壓保溫干燥100秒，脫模，取出制品，即得全降解泡沫材料成品。所得產(chǎn)品的密度為14.3Kg/m3，抗拉強(qiáng)度為2.6MPa，彈性模量為437MPa。
[0053]實(shí)施例6:
[0054](I)將77公斤甘蔗渣纖維經(jīng)超級(jí)精細(xì)粉碎至2500目，加入2.31公斤蛋氨酸混合，在高混機(jī)中80°C，強(qiáng)力攪拌混勻，進(jìn)行纖維表面改性處理I小時(shí)，得改性甘蔗渣纖維79.31公斤；
[0055](2)將改性甘蔗渣纖維79.31公斤，羥丙基淀粉9公斤，聚丁二酸乙二醇酯7公斤份，納米碳酸鈣3公斤，復(fù)合交聯(lián)劑I公斤，復(fù)合發(fā)泡劑3公斤，硬脂酸2公斤，液體石蠟2公斤，加入在高混機(jī)中80°C，強(qiáng)力攪拌混勻，得均相體料；
[0056](3)將攪拌好的均相體料用雙螺桿擠出機(jī)在120-150 V溫度范圍內(nèi)擠壓造粒得到全降解植物纖維發(fā)泡粒料；
[0057](4)全降解植物纖維發(fā)泡粒料經(jīng)膨化機(jī)膨化制成包裝緩沖用全降解發(fā)泡膠。所得產(chǎn)品的密度為14.7Kg/m3，抗拉強(qiáng)度為2.1MPa，彈性模量為412MPa。
[0058]本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域的技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種全降解纖維素泡沫材料，其特征是，由下述原料經(jīng)混勻、擠壓造粒、膨化或模壓成型得到，其原料及重量份為:改性植物纖維70-80份，羥丙基淀粉5-10份，聚丁二酸乙二醇酯5-10份，納米碳酸鈣2-5份，復(fù)合交聯(lián)劑1-3份，復(fù)合發(fā)泡劑1-3份，硬脂酸2-3份和液體石錯(cuò)1-3份； 所述改性植物纖維由下述方法制備而成:將木纖維或秸桿纖維粉碎至2000目以上，得到超細(xì)植物纖維，然后加入1-3%的蛋氨酸，在高混機(jī)中75-85°C強(qiáng)力攪拌混勻，進(jìn)行纖維表面改性處理I?2小時(shí)，得改性植物纖維； 所述復(fù)合交聯(lián)劑:按質(zhì)量比，二叔丁基過(guò)氧化異丙基苯:三烯丙基異氰脲酸酯=1:0.25-0.35，混合均勻; 所述復(fù)合發(fā)泡劑:按質(zhì)量比，偶氮二甲酸二異丙酯:偶氮二甲酰胺=4.5-5.5:3，混合均勻。2.如權(quán)利要求1所述的一種全降解纖維素泡沫材料，其特征是，所述復(fù)合交聯(lián)劑:按質(zhì)量比，二叔丁基過(guò)氧化異丙基苯:三烯丙基異氰脲酸酯= 1:0.3，混合均勻。3.如權(quán)利要求1所述的一種全降解纖維素泡沫材料，其特征是，所述復(fù)合發(fā)泡劑:按質(zhì)量比，偶氮二甲酸二異丙酯:偶氮二甲酰胺= 5:3，混合均勻。4.權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)所述的全降解纖維素泡沫材料的制備方法，其特征是，包括以下步驟: (1)將原料全部加入高混機(jī)中75-850C，強(qiáng)力攪拌混勻，得均相體料； (2)將攪拌好的均相體料用雙螺桿擠出機(jī)在120-150°C溫度下，擠壓造粒得到全降解植物纖維發(fā)泡粒料； (3)全降解植物纖維發(fā)泡粒料經(jīng)膨化機(jī)膨化制成包裝緩沖用全降解發(fā)泡膠。5.權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)所述的全降解纖維素泡沫材料的制備方法，其特征是，具包括以下步驟: (1)將原料全部加入高混機(jī)中75-850C，強(qiáng)力攪拌混勻，得均相體料； (2)將攪拌好的均相體料用雙螺桿擠出機(jī)在120-150°C溫度下，擠壓造粒得到全降解植物纖維發(fā)泡粒料； (3)全降解植物纖維發(fā)泡粒料稱重后放入模具中，設(shè)定上模溫度175-185Γ，下模溫度190-210°C，壓力7.5-8.5MPa，合模后保壓成型20-40秒，泄壓保溫干燥80_120秒，脫模，取出制品，即得全降解泡沫材料成品。6.如權(quán)利要求5所述的全降解纖維素泡沫材料的制備方法，其特征是，所述步驟(3)具體為:全降解植物纖維發(fā)泡粒料稱重后放入模具中，設(shè)定上模溫度180°C，下模溫度200°C，壓力8MPa，合模后保壓成型30秒，泄壓保溫干燥100秒，脫模，取出制品，即得全降解泡沫材料成品。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種全降解纖維素泡沫材料及其制備方法。它由改性植物纖維、羥丙基淀粉、聚丁二酸乙二醇酯、納米碳酸鈣、復(fù)合交聯(lián)劑、復(fù)合發(fā)泡劑、硬脂酸和液體石蠟經(jīng)混勻、擠壓造粒、膨化或模壓成型得到。其中改性植物纖維是由植物纖維經(jīng)超級(jí)精細(xì)粉碎至2000目以上用蛋氨酸改性制得；所述復(fù)合交聯(lián)劑由二叔丁基過(guò)氧化異丙基苯和三烯丙基異氰脲酸酯組成；所述復(fù)合發(fā)泡劑由偶氮二甲酸二異丙酯和偶氮二甲酰胺組成。本發(fā)明制備的全降解纖維素泡沫材料中纖維素的用量在70％以上，產(chǎn)品達(dá)到了聚苯乙烯泡沫塑料的標(biāo)準(zhǔn)，并且完全生物降解。
【IPC分類】C08K5/09, C08J9/10, C08L3/08, C08K13/02, C08L97/02, C08K5/3492, C08L91/06, C08K3/26, C08L67/02, C08K5/14, C08H7/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105713409
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610293334
【發(fā)明人】王美嶺
【申請(qǐng)人】王美嶺