一种全纤维素复合材料及其制备方法技术

一种全纤维素复合材料及其制备方法，采用碘催化制备表层乙酰化纤维素并以此作为力学增强型填料纤维，纤维素纤维的表面在碘催下逐步乙酰化。纤维素纤维的乙酰化处理增强了与醋酸纤维素的相容性，但也降低了纤维素本身的结晶度，削弱了纤维的拉伸强度，因此，乙酰基在纤维上的取代度应受反应时间的控制，以保持这两种相反作用的平衡，从而达到最优化，本发明专利技术将作为力学增强填料的纤维素将部分乙酰化改性，与塑化的CDA通过热混方式，制备出全醋酸纤维素复合材料，由于母体和填料在表面均具有乙酰基，且具有相似的化学结构，因而加入部分乙酰化纤维素可以促进CDA母体和乙酰化纤维素纤维之间的界面相容性提高，最终提高复合材料的力学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种全纤维素复合材料及其制备方法
本专利技术涉及生物复合材料
，特别涉及一种全纤维素复合材料及其制备方法。
技术介绍
近十年来，由于生物材料的降解性、可再生性和取之不尽等优点，生物复合材料取代传统塑料的相关研究受到了广泛的关注。纤维素及其衍生物作为地球上最丰富、最取之不尽的原料，被认为是理想的生物基高分子材料，未来能够满足产业界日益增长的对生态友好型环保生物材料的需求。在工业上，醋酸纤维素(CDA)作为主要的纤维素衍生物，已广泛应用于纺织、包装、卷烟滤嘴等产业。然而，作为一种生物可降解的塑料材料，还需要进一步提高其力学性能以满足工业需求。目前，传统的提高力学性能的思路是加入各种力学增强填料，如玻璃纤维、碳纤维和无机颗粒填料，然而这些填充物大多是不可降解材料，削弱了CDA作为一种完全可生物降解塑料的应用价值。此外，文献报道了可通过部分溶解的方法制备一种全纤维素复合材料，该复合材料的母体为溶解后析出的纤维素，增强纤维为部分溶解或非溶解的纤维素。由于母体和填料均由纤维素组成，所以全纤维素复合材料具有良好的界面相容性、较高的力学性能和生物降解性。然而，此方法只限于纤维素，并且限制于通过部分溶解方法制备全纤维素薄膜，不具备热塑性，不适合在工业中通过热加工制备生物塑料产品。
技术实现思路
为了解决现有技术的缺陷与不足，本专利技术提供一种全纤维素复合材料及其制备方法，作为力学增强填料的纤维素将部分乙酰化改性，然后与塑化的醋酸纤维素通过热混方式，制备出全醋酸纤维素复合材料。由于母体和填料在表面均具有乙酰基，且具有相似的化学结构，因而加入部分乙酰化纤维素可以促进醋酸纤维素母体和乙酰化纤维素纤维之间的界面相容性提高，最终提高复合材料的力学性能。本专利技术采用的技术解决方案是：一种全纤维素复合材料，所述的全纤维素复合材料由母体材料和力学增强填料热混而成，所述的母体材料为呈现完全的无定形态的商用醋酸纤维素，所述的力学增强填料为碘催化改性得到的半结晶乙酰化衍生物纤维素，所述的半结晶乙酰化衍生物纤维素的乙酰化程度低于1.0,且结晶度高于50。所述的半结晶乙酰化衍生物纤维素的最高结晶度CrI=68.5%。一种全纤维素复合材料的制备方法，包括以下步骤：（1）半结晶乙酰化衍生物纤维素的制备：将原料纤维素、乙酸酐，碘作为催化剂分别加入圆底烧瓶，100℃条件下反应，搅拌反应5-20min，反应后，分别用乙醇和水清洗混合物,在60℃烘箱内干燥24h得到半结晶乙酰化衍生物纤维素；（2）全醋酸纤维素复合材料的制备:将70wt%无定形态的商用醋酸纤维素和30wt%增塑剂在高速搅拌2min，然后在70℃烘箱中干燥12h,最后,将增塑过的商用醋酸纤维素和半结晶乙酰化衍生物纤维素按照4:1的质量分数热混后在80℃烘干24h,然后通过注塑得到所述的全醋酸纤维素复合材料。所述的步骤（2）中热混的温度、螺杆速度和混合时间分别设定为200℃、60rpm、和10min。所述的步骤（1）中原料搅拌反应时间为5-10min。所述的步骤（1）中原料搅拌反应时间为5min。本专利技术的有益效果是：本专利技术提供了一种全纤维素复合材料及其制备方法，采用碘催化制备表层乙酰化纤维素并以此作为力学增强型填料纤维，纤维素纤维的表面在碘催下逐步乙酰化。纤维素纤维的乙酰化处理增强了与醋酸纤维素的相容性，但也降低了纤维素本身的结晶度，削弱了纤维的拉伸强度，因此，乙酰基在纤维上的取代度(DS)应受反应时间的控制，以保持这两种相反作用的平衡，从而达到最优化，本专利技术将作为力学增强填料的纤维素将部分乙酰化改性，然后与塑化的CDA通过热混方式，制备出全醋酸纤维素复合材料，由于母体和填料在表面均具有乙酰基，且具有相似的化学结构，因而加入部分乙酰化纤维素可以促进CDA母体和乙酰化纤维素纤维之间的界面相容性提高，最终提高复合材料的力学性能。附图说明图1为纤维素分别乙酰化0、5、10、20min后的FTIR光谱。图2为乙酰化纤维素纤维取代度与反应时间关系。图3为商用醋酸纤维素、纤维素、和纤维素分别乙酰化5、10、20min的XRD衍射图。图4为商用醋酸纤维素、醋酸纤维素/纤维素和醋酸纤维素/乙酰化纤维素的拉伸性能(a)和杨氏模量(b)。具体实施方式为了更清楚地说明本
技术实现思路
，用具体实施例说明如下，具体实施例不限定本
技术实现思路
范围。由于此种纤维素复合材料的力学性能主要取决于所添加的纤维素的乙酰化取代度，晶体结构，形貌结构等等。重点优化乙酰化纤维素的制备过程，通过控制碘催化制备乙酰化纤维素的时间调节纤维素的乙酰化的取代度和纤维素本身的结晶度，使醋酸纤维素既能通过乙酰化提高与醋酸纤维素的相容性又能保证足够的力学强度。最终显著提高热塑性纤维素的力学性能。半结晶乙酰化衍生物纤维素的制备：将纤维素6g、乙酸酐20ml、碘0.2g分别加入圆底烧瓶，反应温度设为100°C，分别搅拌5、10、20min。反应后，分别用乙醇和水清洗混合物。样品分别标记为AC5、AC10和AC20,在60°C烘箱内干燥24h。全醋酸纤维素复合材料的制备将70wt%CDA和30wt%增塑剂在高速机械搅拌机中搅拌2min，然后在70℃烘箱中干燥12h。最后,将增塑过的CDA和纤维素按照4:1的质量分数在Haake混合器(HaakeRheomix600,德国)中热混。桶内温度、螺杆速度和混合时间分别设定为200℃、60rpm、和10min。后在80℃烘箱内烘干24h。增塑的CDA,CDA/纤维素和CDA/AC通过注塑方式制备拉伸测试用的全醋酸纤维素塑料长条。表征纤维素的化学组分的变化在室温条件下通过全反射红外光谱进行表征。纤维素的乙酰化取代度DS采用用化学滴定法进行定量分析，DS由如下公式式计算:DS=(3.86×%乙酰)/(102.4-%乙酰)(1)纤维素的晶体结构及变化在室温下通过X射线衍射并且采用西格尔经验法对纤维素的晶体指数进行了评估,计算公式如下：CrI(%)=(I200-Iam)/I200×100(2)其中CrI代表纤维素结晶度、I200代表纤维素I组分对应的峰值强度、Iam代表纤维素非晶态组分的峰值强度。全醋酸纤维素复合材料的力学性能通过万能拉伸机进行拉伸测试表征。结论如图1所示，纤维素成功碘催化的主要根据来自于1754cm-1的乙酰峰出现，同时观察到纤维素的3322cm-1处的羟基(-OH)峰随着反应时间延长强度降低，也表明纤维素的羟基被乙酰基成功取代。用化学滴定法对纤维素乙酰化的取代度DS进行定性分析。图2为纤维素的DS随乙酰化时间的变化曲线。随着乙酰化时间的增加，DS逐渐增加，当反应时间低于10分钟的时候，纤维素的取代度低于1.0,纤维素仍可以保持一定纤维形貌和一定的结晶度，当20分钟后，纤维素取代度保持在2.7不再改变，说明纤维素的羟基基团几乎已经全被乙酰基取代，形貌和纤维素原有晶体结构基本消失。采用XRD分析方法对乙酰化维素的晶体结构和结晶度进行了评价。图3分别为纯纤维素、AC5、AC10、AC20、和商用CDA的衍射图。为了测定纤维素的结晶度，采用西格尔经验法计算了纤维素中结晶纤维素的含量。在图3中,未改性的纯纤维素显示一系列原生纤维素(纤维素I)的典型特征衍射峰。2θ角14.8,16.6,22.3,和34.4°分别对应于11本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全纤维素复合材料，其特征在于，所述的全纤维素复合材料由母体材料和力学增强填料热混而成，所述的母体材料为呈现完全的无定形态的商用醋酸纤维素，所述的力学增强填料为碘催化改性得到的半结晶乙酰化衍生物纤维素，所述的半结晶乙酰化衍生物纤维素的乙酰化程度低于1.0, 且结晶度高于50。

【技术特征摘要】
1.一种全纤维素复合材料，其特征在于，所述的全纤维素复合材料由母体材料和力学增强填料热混而成，所述的母体材料为呈现完全的无定形态的商用醋酸纤维素，所述的力学增强填料为碘催化改性得到的半结晶乙酰化衍生物纤维素，所述的半结晶乙酰化衍生物纤维素的乙酰化程度低于1.0,且结晶度高于50。2.根据权利要求1所述的一种全纤维素复合材料，其特征在于，所述的半结晶乙酰化衍生物纤维素的最高结晶度CrI=68.5%。3.一种权利要求1所述的全纤维素复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）半结晶乙酰化衍生物纤维素的制备：将原料纤维素、乙酸酐，碘作为催化剂分别加入圆底烧瓶，100℃条件下反应，搅拌反应5-20min，反应后，分别用乙醇和水清洗混合物,在60℃烘箱内干燥24h得到半结晶乙酰...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈超，赵健伟，陈峰，刘连梅，程娜，贺园园，
申请(专利权)人：嘉兴学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33