一种碳酸钙改性植物纤维复合材料的制备方法技术

本发明专利技术属于改性塑料技术领域，具体为一种碳酸钙改性植物纤维复合材料的制备方法。本发明专利技术将破碎筛分处理过植物纤维在H2O2(质量分数为30%)和CH3COOH配制的混合溶液中浸泡一段时间后，离析出单根纤维，然后浸泡在氢氧化钙溶液中进行超声预处理一段时间，再移入高压反应釜中通二氧化碳气体进行搅拌反应至体系pH为6~7，得到碳酸钙改性植物纤维，即改性填料。最后将得到的改性填料与聚丙烯进行共混，在一定挤出温度、注塑温度下挤塑成型，得到碳酸钙/植物纤维/聚丙烯复合材料。本发明专利技术得到的复合材料具有良好的力学性能，制作成本较低，成分绿色环保，具有良好的市场应用研究前景。具有良好的市场应用研究前景。具有良好的市场应用研究前景。

【技术实现步骤摘要】
一种碳酸钙改性植物纤维复合材料的制备方法


[0001]本专利技术属于改性塑料
，特别涉及一种碳酸钙改性植物纤维复合材料的制备方法。

技术介绍

[0002]随着工业化进程的加快，研究开发性能多样的复合材料成为材料领域学者的聚焦点。几十年来，国内外研究学者通过实验测试，探索研究了纤维增强复合材料的结构与性能等问题。相比较于传统纤维，天然纤维优势显著，植物纤维增强热塑性聚合物因具有环保、质轻、尺寸稳定性高、加工性能好、成本低等优点，而广泛应用于汽车工业、航空器、室内装饰材料及日常生活等诸多领域。
[0003]然而，纤维本身具有的多孔性，其在复合材料中的分散性以及界面相容性限制了植物纤维增强热塑性聚合物的发展和使用。纤维的极性较强，纤维和聚合物共混时两物相容性较差，结合力变弱，从而复合材料的机械性能较差。纳米CaCO3是一种新型超细固体材料，具有填充、沿裂隙或孔隙生长的特点，而采用制浆工艺获取的植物纤维在去除木质素和半纤维素时，细胞壁表面会产生很多微孔，纳米CaCO3可弥补植物纤维表面微孔结构，起到刚性粒子填充作用，可起到铆钉点作用，增强了纤维与聚丙烯的界面相容性，减少“空穴”效应。
[0004]中国专利CN111516073A提供了一种竹纤维模塑复合材料的制备方法，通过将竹片碾压至松散状后，浸入至纳米碳酸钙溶液中，加螯合剂，闪爆处理，得到改性竹纤维粗品。中国专利CN109181335A提供了一种晶须增强植物纤维复合材料，将碳酸钙晶须作填充物与植物纤维粉混合填充树脂，能够阻止裂纹扩展，通过界面可塑性形变起到加速冲击能量耗散的作用，以此达到增强的目的。中国专利CN106182298A提供了一种纳米碳酸钙原位改性竹材的制备方法。利用超声和真空负压辅助浸注含碳酸钙前驱体的水溶液，使钙离子和碳酸二甲酯深度渗透到竹材内部，进而通过调节溶液的pH值原位生成碳酸钙。中国专利CN106273988A提供了一种碳酸钙原位改性竹纤维复合材料的制备方法。采用复分解反应的离子溶液原位合成方法，添加改性剂和分散剂等，成功在竹纤维表面形成 CaCO
3 纳米及亚微米级颗粒，填充后极大地提高了聚丙烯薄膜的综合力学性能，且具有稳定且优异的热学和流变性能。以上碳酸钙改性植物纤维应用于填充树脂材料，主要将CaCO3颗粒和纤维浆料共混搅拌，通过机械黏附作用，使其进入并附着在细胞壁孔隙及细胞腔内。发展原位沉淀CaCO3加填植物纤维工艺则是伴随着化工领域的CaCO3合成工艺发展而来，植物纤维悬浮液成为CaCO3晶体的合成场所。但多采用复分解方法，碳酸钙颗粒较大，且附着量少。闪爆技术，分散剂、偶联剂等的投加使生产成本增加，且给塑料制品带来环保、健康危害。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提出一种基于碳化反应的碳酸钙原位改性植物纤维新材料的制备方法；本专利技术方法不仅实现了天然资源的废物利用，并且能
极大提升植物纤维的填充性能。本专利技术的技术方案具体介绍如下。
[0006]一种碳酸钙原位改性植物纤维材料的制备方法，具体步骤如下：（1）将植物纤维于烘箱内烘干，经高速破碎机粉碎，筛分成不同粒径的产品。所得产品在H2O2( 质量分数为30% ) 和CH3COOH配制的混合溶液中浸泡后，离析出单根纤维，再用去离子水漂洗至无酸味，烘干保存；（2）将步骤（1）得到的植物纤维经氢氧化钙溶液超声预处理一段时间后，氢氧化钙溶液透过纤维表面，进入细胞腔内部，并在纤维表面充分浸润；（3）将步骤（2）得到的混合溶液移入高压反应釜中通二氧化碳气体，搅拌条件下反应至体系pH为6~7，得到碳酸钙改性植物纤维；（4）将经步骤（3）中所得的碳酸钙改性植物纤维用去离子水漂洗，离心过滤，烘干，得到改性填料；（5）将改性填料与聚丙烯进行共混，在一定挤出温度、注塑温度下进行挤塑成型，得到碳酸钙/植物纤维/聚丙烯复合材料。
[0007]上述步骤（1）中，所述植物纤维原料包括油菜杆纤维、秸秆纤维、木材纤维、稻壳纤维、蔗渣纤维、竹纤维中的至少一种；筛分植物纤维目数为60~200目；烘干温度为75
‑
85℃。
[0008]上述步骤（1）中，离析温度为20℃~120℃，离析时间为10
‑
15h，混合溶液中，30wt%H2O2溶液与CH3COOH体积比为1 : 1，植物纤维与混合溶液的投料比为0.1：1~0.5：1 g/mL。
[0009]上述步骤（2）中，碱溶液为浓度为4~40%的氢氧化钙溶液，超声波频率为20KHz，功率为100W，超声预处理时间为10~30h。
[0010]上述步骤（3）中反应釜中二氧化碳气体压力为1~10MPa，搅拌速率200~900r/min。
[0011]上述步骤（4）中，所得碳酸钙改性植物纤维改性填料中碳酸钙：植物纤维的质量比值为1:1~15:1，烘干温度为75
‑
85℃。
[0012]上述步骤（5）中，改性填料和聚丙烯混合的质量比为1:1.5~1:20。优选的，质量比为1:2~1:10。
[0013]上述步骤（5）中，采用双螺旋挤出机进行挤出，并注塑成型，挤出温度为170℃，螺旋杆的转速为75~100r/min，注塑温度为180℃。
[0014]和现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：1、在氢氧化钙浸渍植物纤维的过程中，大量有机质被释放到体系中，部分氢氧化钙溶液会透过植物细胞表面进入纤维细胞腔内，当向体系通二氧化碳气体时，细胞腔内与体系溶液中均能产生碳酸钙，同时大量有机质作为晶型控制剂诱导碳酸钙的生成，体系最终为弱酸性环境，最终形成一种介于有机~无机之间的碳酸钙改性植物纤维复合材料；碳酸钙改性植物纤维与聚丙烯相容性较好，碳酸钙改性植物纤维增强聚丙烯具有优良的力学性能；2、本专利技术利用高压搅拌环境所得的碳酸钙均为微纳米级别，纳米碳酸钙生长于植物纤维内部、以及纤维表面，增加了纤维与CaCO3之间的界面结合力，同时降低了纳米材料的团聚问题，因而可以降低因填料增加对基体的强度影响；3、部分纳米碳酸钙可生长于植物纤维内部，能对纤维起到支撑、补强作用；4、本专利技术采用纳米碳酸钙原位改性植物纤维的方式填充聚丙烯复合材料，同时具有了较高的刚性与韧性；
5、植物纤维产量大，分布广，是良好的可再生资源。利用碳酸钙改性植物纤维增强增韧聚丙烯，相较于其他同类型产品，所需原材料成本大大降低，具有良好的市场应用前景。
[0015]以上，本专利技术方法简单有效，通过对碳化反应体系不同条件的控制而制备成的木塑复合材料的力学性能优异。聚丙烯作为通用塑料，与植物纤维、碳酸钙混合后，具有绿色环保的降碳减排作用，同时可降低复合材料成本，具有可观的经济效益。
附图说明
[0016]图1是实施例1通过生长了碳酸钙的植物纤维的扫描电镜（SEM）图。
[0017]图2是实施例1碳酸钙改性后的植物纤维改性填料中碳酸钙的扫描电镜（SEM）图。
具体实施方式
[0018]下面结合附图说明对本专利技术的实施例作进一步详细说明，但本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳酸钙改性植物纤维复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：（1）将植物纤维烘干，经高速破碎机粉碎，筛分获得不同粒径的产品，所得产品在质量分数为30%H2O
2 和CH3COOH配制的混合溶液中浸泡，离析出单根纤维，再用去离子水漂洗至无酸味，烘干保存；（2）将步骤（1）得到的植物纤维浸泡在一定浓度的氢氧化钙溶液中，超声预处理一段时间；（3）将步骤（2）得到的混合液移入高压反应釜中通二氧化碳气体，搅拌条件下反应至体系pH为6~7，得到碳酸钙改性的植物纤维；（4）将碳酸钙改性的植物纤维用去离子水漂洗，离心过滤，烘干，得到改性填料；（5）将改性填料与聚丙烯进行共混，在一定挤出温度、注塑温度下进行挤塑成型，得到碳酸钙/植物纤维/聚丙烯复合材料。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，植物纤维原料包括油菜杆纤维、秸秆纤维、木材纤维、稻壳纤维、蔗渣纤维、竹纤维中至少一种；筛分获得的植物纤维目数为60~200目；烘干温度为75
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85℃。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，离析温度为20℃~120℃，离析时间为10

【专利技术属性】
技术研发人员：王利军，苏晴，孔令学，李志豪，肖容慧，燕溪溪，张素娜，
申请(专利权)人：上海第二工业大学，
类型：发明
国别省市：