一种木质纤维类注塑级生物基塑料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种木质纤维类注塑级生物基塑料的制备方法，包括：1）取木质纤维原料，干燥，粉碎，得粗料备用；2）采用行星球磨机对原料进行球磨处理，得到的球磨木粉置于干燥器中备用；3）配制氢氧化钠/尿素溶液，与甘油混合均匀后预冷，与球磨木粉快速混合搅拌，并于低温下溶解，然后混合物移入捏合机中常温捏合，捏合样取出，冷冻干燥，获得捏合改性产物；4）将捏合改性产物和甘油于双螺杆挤出机中共混循环后挤出，造粒即得最终产物木质纤维生物基塑料粒子。本发明专利技术工艺简单，原料来源广泛、成本低廉，绿色环保，得到的注塑级生物基塑料具有可生物降解等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于木质纤维类生物质资源利用领域，具体涉及一种木质纤维类注塑级生物基塑料的制备方法。
技术介绍
随着石油资源的日益紧缺及开发相应石化产品所带来的环境污染等一系列问题的突出，人们将目光转移到其他可替代资源的研究和开发上。以木质纤维素为代表的生物质资源由于其独特的可再生性和二氧化碳中性使其成为研究的热点。目前国内外对木质纤维材料的开发利用主要是纸浆造纸，但由于该过程只利用了纤维素和半纤维素，木质素随着制浆的过程分离成黑液排放，既不能对木质纤维的充分利用，还污染环境。为降低对矿物资源的过度依赖，生物基塑料的开发以及可再生资源的利用，作为实现可持续发展的有效措施之一，已成为全球瞩目的发展热点。木质纤维的热塑化改性主要是通过化学反应，如酯化、醚化、接枝共聚等。余权英等研究了木材的乙酰化及其热塑性。发现用常规乙酰化方法获得的乙酰化木材不显示熔融行为，而用三氟乙酸预处理后在相同条件下制得的乙酰化木材可在210℃附近软化，在290-300℃出现熔融，并可在110-130℃热压成半透明的薄片。但改性反应过程复杂，成本较大。Hassan等进行了甘蔗渣的塑化改性研究，采用丁二酸酐为酯化试剂，酯化过程中无溶剂，酯化产物增重率最高达约48%，能够在室温条件下被压成薄片。上述改性都属于化学改性范畴，而近几十年来的研究表明：化学改性可使木质纤维材料转化为具有热塑性的新型高分子材料，不过其代价是化学改性造成的分子结构变化使材料丧失了某些固有的优良属性，同时工艺复杂，成本很高，易造成环境污染，至今未能实现产业化。因此，有必要探索一种简单高效、绿色环保，又可实现木质纤维制备生物基塑料的新方法。
技术实现思路
专利技术目的：针对上述现有技术中存在的不足，本专利技术的目的是提供一种木质纤维类注塑级生物基塑料的制备方法，利用氢氧化钠和尿素溶剂体系，在捏合机的剪切力作用下，渗透到木质纤维的纤维素分子链之间，屏蔽羟基，阻止纤维素分子链之间形成氢键，使木质纤维原料结晶度降低，从而使其具有热塑性。技术方案：为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种木质纤维类注塑级生物基塑料的制备方法，包括以下步骤：1）取木质纤维原料，干燥，粉碎，得粗料备用；2）采用行星球磨机对原料进行球磨处理，得到的球磨木粉置于干燥器中备用；3）配制氢氧化钠/尿素溶液，与甘油混合均匀后预冷，与球磨木粉快速混合搅拌，并于低温下溶解，然后混合物移入捏合机中常温捏合，捏合样取出，冷冻干燥，获得捏合改性产物；4）将捏合改性产物和甘油于双螺杆挤出机中共混循环后挤出，造粒即得最终产物木质纤维生物基塑料粒子。步骤1）中，所述的木质纤维原料包含有各种木材，木屑，树木枝条，秸秆，芦苇，稻壳，玉米芯，花生壳和甘蔗渣等一切木质纤维类生物质原料。步骤2）中，所述球磨处理时间为4h，每30min正反交替一次，转速为516r/min，频率为40Hz。步骤3）中，所述氢氧化钠/尿素溶液中，NaOH质量百分浓度为3-8%，尿素质量百分浓度为5-12%，溶液中尿素的浓度高于NaOH浓度。步骤3）中，所述的氢氧化钠/尿素溶液与球磨木粉的质量比为3-7：1。步骤3）中，所述的氢氧化钠/尿素溶液与甘油混合均匀后预冷到-10℃。步骤3）中，所述的氢氧化钠/尿素溶液与甘油混合，甘油用量不超过NaOH/尿素溶液质量的10%。步骤3）中，所述的低温下溶解，溶解温度是-10℃～0℃，溶解时间是1～5h。步骤3）中，常温捏合，捏合时间为2-6h。步骤4）中，甘油用量不超过捏合改性产物质量的35%；挤出条件为：温度100-150℃，转速30-110r/min的双螺杆挤出机中循环5-60min后挤出。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1）以各种木质纤维类生物质为原料，来源广泛且成本低廉。2）本木质纤维生物基塑料制备方法为木质纤维全组分利用，资源利用率高，且过程简便，改变“分离、提取、改性”这种单一改性利用纤维素的传统模式。3）木质纤维原料只需经过捏合，挤出过程即可制得生物基塑料，生产设备简单常见，过程简单，无“三废”产生，可实现低成本绿色制备工艺。4）所用试剂为常见的氢氧化钠、尿素、甘油等成本低廉毒性低、污染小的试剂，绿色环保，符合“绿色化学”的初衷。5）本专利技术所制备的注塑级生物基塑料具有较好的力学性能，具有一定的应用前景。附图说明图1是实施例1的球磨木粉和捏合后产物的红外谱图对比图；a为球磨木粉，b为捏合产物；图2是实施例1捏合产物加甘油挤出前后的FTIR对比图；d为捏合产物加甘油前，c为捏合产物加甘油后；图3是实施例2原木粉、捏合后木粉与挤出后木粉X射线衍射对比图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步的说明。实施例1一种木质纤维类注塑级生物基塑料的制备方法，包括以下步骤：1）取扶桑枝条剥皮，干燥，粉碎，得粗料备用；2）球磨预处理：称取8.0g粗料置于250mL的玛瑙球磨罐中，磨球材质为氧化锆，大中小磨球（Φ10、Φ8、Φ5）数量分别为20、50、150个，球磨4h。球磨机运行参数为：每30min正反转交替一次，交替间隔停机时间为0min，转速为516r/min。球磨木粉置于干燥器中备用。3）将15g氢氧化钠，35g尿素溶于450g蒸馏水得氢氧化钠/尿素溶液（3%NaOH/7%Urea）。配制好的氢氧化钠溶液预冷到-10℃，与100g球磨木粉快速混合搅拌，并于-10℃下溶解1h，然后将混合物移入捏合机中常温捏合4h，捏合样取出，冻干，即为捏合产物。4）将8.5g捏合改性产物和1.5g甘油（甘油占比为15%）于双螺杆挤出机中共混挤出，挤出机转速为60r/min，挤出温度为120℃。5）挤出产物用研磨机粉碎造粒即得最终改性产物：木质纤维生物基塑料粒子。产品注塑成型后经检测，拉伸强度为7.04MPa，弯曲强度为12.01MPa。图1是本实施例中球磨木粉和捏合后产物的红外谱图对比图。谱图中没有显示出新的官能团峰谱，这说明在捏合改性过程中没有发生化学反应生成新的官能团。所有样品在2995～4000cm-1处都出现了氢键的O-H伸缩振动峰。比较图中a、b两种样品在3400cm-1左右处的羟基伸缩振动峰可以看出，与原球磨木粉相比较，捏合改性产物的羟基峰朝高波数方向发生蓝移现象，说明球磨木粉经氢氧化钠尿素体系捏合处理后，纤维素大分子间的氢键作用减弱，-OH缔合程度降低。此外，1736.92cm-1附近的弱峰是半纤维素中葡聚糖醛酸基C=O伸缩振动峰，1047.57cm-1处是纤维素的C-O伸缩振动特征峰。经氢氧化钠和尿素捏合改性后，半纤维素中葡聚糖醛酸基的C=O伸缩振动峰消失，C-O伸缩振动明显减弱。这说明在捏合过程中，体系对半纤维素和木质素起到一定破坏作用。图2为本实施例中捏合产物加甘油挤出前后的FTIR对比图，从图中可以看出各特征峰位置和强度没有明显变化，其中1640～1700cm-1为酰胺特征峰。实施例2一种木质纤维类注塑级生物基塑料的制备方法，包括以下步骤：1）取扶桑枝条剥皮，干燥，粉碎，得粗料备用；2）球磨预处理：称取8.0g粗料置于250mL的玛瑙球磨罐中，磨球材质为氧化锆，大中小磨球（Φ10、Φ8、Φ5）数量分别为20、50、150个，球磨4h。球磨机运行参数为：每30min本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种木质纤维类注塑级生物基塑料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）取木质纤维原料，干燥，粉碎，得粗料备用；2）采用行星球磨机对原料进行球磨处理，得到的球磨木粉置于干燥器中备用；3）配制氢氧化钠/尿素溶液，与甘油混合均匀后预冷，与球磨木粉快速混合搅拌，并于低温下溶解，然后混合物移入捏合机中常温捏合，捏合样取出，冷冻干燥，获得捏合改性产物；4）将捏合改性产物和甘油于双螺杆挤出机中共混循环后挤出，造粒即得最终产物木质纤维生物基塑料粒子。

【技术特征摘要】
1.一种木质纤维类注塑级生物基塑料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）取木质纤维原料，干燥，粉碎，得粗料备用；2）采用行星球磨机对原料进行球磨处理，得到的球磨木粉置于干燥器中备用；3）配制氢氧化钠/尿素溶液，与甘油混合均匀后预冷，与球磨木粉快速混合搅拌，并于低温下溶解，然后混合物移入捏合机中常温捏合，捏合样取出，冷冻干燥，获得捏合改性产物；4）将捏合改性产物和甘油于双螺杆挤出机中共混循环后挤出，造粒即得最终产物木质纤维生物基塑料粒子。2.根据权利要求1所述的木质纤维类注塑级生物基塑料的制备方法，其特征在于，步骤1）中，所述的木质纤维原料选自木材，木屑，枝条，秸秆，芦苇，稻壳，玉米芯，花生壳和甘蔗渣。3.根据权利要求1所述的木质纤维类注塑级生物基塑料的制备方法，其特征在于，步骤2）中，所述球磨处理时间为4h，每30min正反交替一次，转速为516r/min，频率为40Hz。4.根据权利要求1所述的木质纤维类注塑级生物基塑料的制备方法，其特征在于，步骤3）中，所述氢氧化钠/尿素溶液中，NaOH质量百分浓度为3-8%，尿素质量百分浓度为5-12%，溶液中尿素的...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶菊娣，付誉，洪建国，李小保，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32