一种基于农业废弃物的复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种基于农业废弃物的复合材料及其制备方法和应用。通过制得含有农业废弃物、纤维素、溶剂的混合溶液，再将所述混合溶液在凝固浴中沉淀再生，得到所述基于农业废弃物的复合材料。本发明专利技术通过引入少量纤维素构建缠结网络来提高农业废弃物再生材料的成型性和力学强度，在不使用化学处理的前提下制得农业废弃物/纤维素复合材料，具有工艺简单、成本低、无污染的特点。所得的复合材料中保留了农业废弃物中的几乎所有组份，使得材料显示出多功能性，如良好的力学强度、防紫外性、抗氧化性、杀菌性和高雾度等，在绿色和功能化包装材料、环保胶带、纺织、生物医用、保温隔热等领域具有应用潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于农业废弃物的复合材料及其制备方法和应用
本专利技术属于高分子加工和绿色化学领域，具体涉及一种基于农业废弃物的复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
农业废弃物的主要成分包括纤维素、半纤维素和木质素，此外还含有少量的蛋白质、蜡质和无机灰分等，是极具价值和应用潜力的生物质资源。全世界每年的农业废弃物大约为1010-1011t，是农作物产量的1.4倍。目前，仅有一部分农业废弃物被转化为饲料、肥料和纸张等低附加值的产品，绝大部分的农业废弃物被作为废弃物丢弃或焚烧，对环境造成了严重污染，同时也造成了资源的浪费。因此，实现农业废弃物的有效和高值化利用对环境保护和生物质资源充分利用具有重要意义。目前，农业废弃物的高值化利用主要是作为生物质燃料、生物化学品和生物材料的潜在起始原料。但是，农业废弃物中各成分以复杂的形式结合在一起，形成了具有难于破坏的阻抗结构，使农业废弃物的转化和利用面临成本高、工艺复杂、能量耗费大、产率低的巨大挑战。寻找简单、绿色、经济的方法实现农业废弃物的有效和高值利用十分关键。通过简单的溶解再生，可以将农业废弃物制备成再生材料。但是单纯的农业废弃物溶解再生后得到的再生水凝胶十分脆弱，干燥过程中很容易破裂，无法得到完整的材料。农业废弃物溶解再生所得材料力学性能差的原因是：首先，农业废弃物中纤维素组分含量较低，纤维素的聚合度较低，因此在溶液中纤维素难以形成缠结结构；第二，大量木质素、半纤维素和无机盐等杂质的存在阻碍了农业废弃物中的高分子形成稳定的缠结网络；第三，溶解过程破坏了农业废弃物中原有的多级结构和结晶结构，再生过程中这些结构也无法恢复。因此，为了得到具有一定力学强度的再生材料，需要增强农业废弃物制备的生物质溶液中的缠结网络。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于农业废弃物的复合材料的制备方法，包括以下步骤：制得含有农业废弃物、纤维素、溶剂的混合溶液，所述混合溶液中农业废弃物全部或部分溶解，纤维素完全溶解；再将所述混合溶液在凝固浴中沉淀再生，得到所述基于农业废弃物的复合材料。任选地，所述混合溶液可经纺丝后再于凝固浴中沉淀再生。根据本专利技术的实施方案，所述农业废弃物至少包含纤维素和木质素两种组分，其中纤维素的质量百分比为10％～70％；优选地，所述农业废弃物中纤维素的质量百分比为20％～60％，例如25％，30％，37％，40％，45％，47％，48％，50％，52％，56％。根据本专利技术的实施方案，所述农业废弃物可以为秸秆、植物叶片、芦苇、甘蔗渣、玉米芯、果实外壳、藤蔓、树枝中的一种或多种；其中，所述秸秆可选自例如小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆、大豆秸秆、棉花秸秆、姜杆、芝麻秸秆中的一种或多种；所述植物叶片可选自例如玉米叶、杨树叶片、银杏叶片中的一种或多种；所述藤蔓可以为红薯藤蔓。根据本专利技术的实施方案，所述纤维素为聚合度较高的纯纤维素，优选地，所述纤维素的聚合度>250，例如所述纤维素的聚合度为500～5000；优选地，所述纤维素的聚合度为1000～5000，更优选1000～3000，例如1300，2000，2700。根据本专利技术的实施方案，所述纤维素可以为棉浆粕、精制棉、脱脂棉、木浆粕、棉短绒、竹浆粕、草浆粕、细菌纤维素原料中的一种或多种；优选为精制棉、脱脂棉、木浆粕中的一种或多种。上述的方法中，将所述纤维素和所述农业废弃物原料粉碎后使用，溶解效率更高。根据本专利技术的实施方案，所述溶剂没有特别限定，可以是本领域已知的任何纤维素良溶剂，例如可以是离子液体、离子液体与有机溶剂形成的混合溶剂、N,N-二甲基乙酰胺/氯化锂(DMAc/LiCl)体系、胺氧化物体系、氨基甲酸酯体系、氢氧化钠/水体系、碱/尿素体系或硫脲/水体系、液氨/NH4SCN中的任一种；所述胺氧化物体系可以为NMMO/H2O/DMSO体系、NMMO/H2O/二乙基三胺、NMMO/H2O体系。当采用离子液体与有机溶剂形成的混合溶剂时，所述混合溶剂中，所述离子液体与所述有机溶剂的质量比为1:(0.01～4)，优选1:(0.5～2)，例如1:1。根据本专利技术的实施方案，所述有机溶剂选自N,N-二甲基亚砜(DMSO)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N-甲基咪唑、咪唑中的一种或多种，例如DMSO。根据本专利技术的实施方案，所述离子液体是由取代或未取代的咪唑或吡啶阳离子与阴离子所形成的熔点低于100℃的熔融盐；例如，所述咪唑或吡啶阳离子上的取代基可以为C1-6烷基、C1-6烯基中的一种或多种；例如为甲基、乙基、丁基、烯丙基中的一种或多种；所述阴离子可以为卤离子、烷基酸离子、有机磷酸酯离子(例如烷基磷酸酯离子、二烷基磷酸酯离子)中的一种或多种；例如为溴离子、氯离子、甲酸根离子、乙酸根离子、二甲基磷酸酯离子、二乙基磷酸酯离子中的一种或多种。优选地，所述离子液体可选自下述离子液体中的至少一种：1-乙基-3-甲基咪唑氯盐离子液体(EMIMCl)、1-乙基-3-甲基咪唑溴盐离子液体(EMIMBr)、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐离子液体(AMIMCl)、1-烯丙基-3-甲基咪唑溴盐离子液体(AMIMBr)、1-丁基-3-甲基咪唑氯盐离子液体(BMIMCl)、1-丁基-3-甲基咪唑溴盐离子液体(BMIMBr)、1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐离子液体(EMIMAc)、1-烯丙基-3-甲基咪唑醋酸盐离子液体(AMIMAc)、1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐离子液体(BMIMAc)、N-乙基吡啶氯盐离子液体(EPyCl)、N-乙基吡啶溴盐离子液体(EPyBr)、1,3-二甲基咪唑二甲基磷酸酯盐离子液体([MMIM][DMP])、1-乙基-3-甲基咪唑二乙基磷酸酯盐离子液体([EMIM][DEP])、3-甲基咪唑甲酸盐离子液体([MIM][HCOO])、N-甲基吡啶甲酸盐离子液体([MPy][HCOO])、1-乙基-3-甲基咪唑甲酸盐离子液体([EMIM][HCOO])、1-丁基-3-甲基咪唑甲酸盐离子液体([BMIM][HCOO])；更优选地，所述离子液体选自AMIMCl、BMIMCl、EMIMAc、BMIMAc中的一种或多种。根据本专利技术的实施方案，所述的离子液体溶剂可回收重复利用，可通过多效蒸发、膜分离或盐析的办法回收。根据本专利技术的实施方案，所述混合溶液中，所述农业废弃物的质量百分比浓度可以为2％～30％，优选3％～15％，更优选3％～10％，例如3.2％，4％，5％，6.3％，6.4％，8％，8.75％；所述混合溶液中，纤维素与农业废弃物的质量比为1:(2～20)，优选1:(2～10)，例如1:9，1:7，1:6，1:4。根据本专利技术的实施方案，所述复合材料的制备方法中，所述混合溶液可由下述四种方案中的任一种制备：方案一：用所述溶剂将所述农业废弃物全部或部分溶解，得到农业废弃物溶液，向所述农业废弃物溶液中加入所述纤维素，加热搅拌使所加本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于农业废弃物的复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：制得含有农业废弃物、纤维素、溶剂的混合溶液，所述混合溶液中所述农业废弃物全部或部分溶解，所述纤维素完全溶解；再将所述混合溶液在凝固浴中沉淀再生，得到所述基于农业废弃物的复合材料；/n任选地，所述混合溶液可经纺丝后再于凝固浴中沉淀再生；/n优选地，所述农业废弃物至少包含纤维素和木质素两种组分，其中纤维素的质量百分比为10％～70％。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于农业废弃物的复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：制得含有农业废弃物、纤维素、溶剂的混合溶液，所述混合溶液中所述农业废弃物全部或部分溶解，所述纤维素完全溶解；再将所述混合溶液在凝固浴中沉淀再生，得到所述基于农业废弃物的复合材料；
任选地，所述混合溶液可经纺丝后再于凝固浴中沉淀再生；
优选地，所述农业废弃物至少包含纤维素和木质素两种组分，其中纤维素的质量百分比为10％～70％。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述农业废弃物为秸秆、植物叶片、芦苇、甘蔗渣、玉米芯、果实外壳、藤蔓、树枝中的一种或多种。


3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述纤维素的聚合度为>250；优选聚合度为500-5000；
优选地，所述纤维素为棉浆粕、精制棉、脱脂棉、木浆粕、棉短绒、竹浆粕、草浆粕、细菌纤维素原料中的一种或多种。


4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂是离子液体、离子液体与有机溶剂形成的混合溶剂、N,N-二甲基乙酰胺/氯化锂(DMAc/LiCl)体系、胺氧化物体系、氨基甲酸酯体系、氢氧化钠/水体系、碱/尿素体系或硫脲/水体系、液氨/NH4SCN中的任一种；
优选地，所述离子液体是由取代或未取代的咪唑或吡啶阳离子与阴离子所形成的熔点低于100℃的熔融盐；
优选地，所述咪唑或吡啶阳离子上的取代基为C1-6烷基、C1-6烯基中的一种或多种；所述阴离子为卤离子、烷基酸离子、有机磷酸酯离子中的一种或多种。


5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述混合溶液中，所述农业废弃物的质量百分比浓度为2％～30％；所述混合溶液中，所述纤维素与所述农业废弃物的质...

【专利技术属性】
技术研发人员：张军，李锦阳，张金明，张晓程，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11