一种可生物降解的木质素纤维素生物塑料的生产方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种可生物降解的木质素/纤维素生物塑料的生产方法及应用。生产步骤如下：(1)利用碱性水溶液溶解纤维素和木质素；(2)经过酸液再生和原位沉淀纤维素和木质素得到纤维素/木质素复合凝胶材料；(3)水洗和高温干燥上述凝胶得到木质素/纤维素生物塑料。本发明专利技术提供的新型木质素/纤维素生物塑料均直接来源于生物质原料，并且具有高强韧、优良生物相容性和生物可降解性的特点。这种新的制备方法不仅过程环保、成本低，具有工业化生产及实际应用前景。际应用前景。际应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种可生物降解的木质素纤维素生物塑料的生产方法及应用


[0001]高分子材料和高分子合成领域，具体涉及一种木质素/纤维素塑料替代品的制备和加工方法。

技术介绍

[0002]人们的日常生活离不开琳琅满目的塑料产品，如包装袋、家具、器皿、工业管道、工具、汽车和玩具等。但是目前绝大部分的塑料产品都来源石油基高分子，其废弃物大多降解困难且再利用率低。随着人们日常生活、生产对塑料制品的依存度越来越高，造成其废弃物与日俱增。不可降解的塑料垃圾不仅在陆地上大量堆积，而且大量输入湖泊、海洋等水体中，危害海洋生物的生态环境；同时通过动物的摄入，进入人类的食物链中，对人体健康产生巨大威胁。因此，开发具有生物相容性、可生物降解性和高性能的低成本塑料已经迫在眉睫。
[0003]木质素是世界上第二丰富的生物质高聚物，被人为是最有价值的石化制品替代品(ACS Sustainable Chem.Eng.2017,5,7269)。造纸和生物炼制的副产品中，每年大约有5000万吨的木质素作为造纸和生物炼制的副产品产生，并且其中的95％只是作为低端廉价的燃料，造成了严重的资源浪费(Bioresources 2014,9,1055)。木质素是一种廉价、无毒、具有独特紫外光吸收能力的生物质大分子。每年由造纸行业产生的黑液占全国工业废水量的30％，富含丰富的木质素。因此科研工作者们对于探索木质素基高附加值产品都非常感兴趣。
[0004]开发木质素/纤维素复合生物塑料，具有生物相容性好、生物可降解性、抗紫外能力优良等特点，并且木质素能够和纤维素能够产生极强的分子间相互作用，使其具备高强韧和一定抗水性，是传统石油基合成塑料的理想替代品。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种简便、高效且能快速连续化生产的木质素/纤维素复合生物塑料，通过木质素提升纤维素基材的抗水性、抗拉性能、抗冲击性能、抵抗弯曲性能、热稳定性和抗紫外光等。
[0006]本专利技术解决上述技术问题所采用的方案是：
[0007]一种可生物降解的木质素/纤维素生物塑料的生产方法，包括如下步骤：
[0008]步骤(1)，利用碱性水溶液低温溶解纤维素，然后再溶解木质素，得到木质素/纤维素混合溶液；
[0009]步骤(2)，将上述所得的木质素/纤维素混合溶液，直接浸入酸性水溶液中，或加入交联剂进行交联反应一定时间后浸入酸性水溶液中，分别使纤维素和木质素再生和原位沉淀，洗净后得到木质素/纤维素凝胶材料；
[0010]步骤(3)，将上述凝胶材料加热干燥，得到木质素/纤维素生物塑料。
[0011]优选地，步骤(1)所述纤维素包括棉短绒浆、脱脂棉浆、秸秆、木浆、甘蔗渣浆、海藻
纤维素、动物纤维素的一种或多种，聚合度范围在200～2000。
[0012]优选地，步骤(1)所述的碱性溶液包括氢氧化物水溶液、碱性尿素水溶液、碱性硫脲水溶液、季胺盐水溶液或碱性离子液体等。如含有6～8wt％NaOH和4～20wt％尿素的水溶液，或含有3.8～6.3wt％LiOH、4～20wt％尿素的水溶液，或含有6～10wt％NaOH、0.1～10wt％硫脲的水溶液，或含有3.8～6.3wt％LiOH、0.1～10wt％硫脲水溶液等。
[0013]优选地，所选择的木质素，来源包括针叶植物、阔叶植物和禾本植物科植物等。
[0014]优选地，所使用的木质素，由造纸行业产生的纸浆黑液得到，包括碱木质素、硫酸盐木质素、木质素磺酸盐、有机溶剂木质素等。
[0015]优选地，步骤(2)所涉及的交联剂，包括环氧化合物、醛类化合物、硼酸化合物、异氰酸酯化合物等的一种或多种。
[0016]优选地，步骤(2)中所选用的酸性溶液，包括无机酸，如盐酸、硫酸、磷酸等的一种或多种；或有机酸，如甲酸、醋酸、柠檬酸等的一种或多种；或是含有盐的酸性液体，如酸性硫酸盐溶液、酸性醋酸盐溶液、酸性氯化盐溶液等的一种或多种。
[0017]优选地，所述化学交联剂为环氧化合物和/或醛类化合物和/或卤代烷基化学物，如乙二醇二缩水甘油醚、环氧氯丙烷、戊二醛等，且交联剂与天然高分子结构单元的摩尔比为0.1:1～4:1。
[0018]优选地，所述的高温干燥包括高温烘干、平板热压、辊对辊热压，温度范围在60～250℃，干燥纤维素/木质素复合凝胶材料所选的温度一般高于木质素的玻璃化转变温度，以使木质素分子间发生自键合反应，增强纤维素和木质素分子间的相互作用，优选80～170℃。
[0019]优选地，可利用模具制备一定形状的纤维素/木质素凝胶材料，如杯子、饭盒和吸管等，再进行干燥，可得到相应的木质素/纤维素生物塑料杯、饭盒和吸管等。
[0020]优选地，在不损害力学性能、热性能前提下，可进一步添加各种添加剂，提升其性能，丰富其功能，如增塑剂、染料、光稳定剂等；还可以含有填料，如有机、无机填料和纤维补强剂；有机填料包括导电高分子、亲水性高分子；无机填料如石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷、碳纳米管、碳黑、纳米二氧化硅、硅酸盐矿物质、二氧化钛等。纤维补强剂包括无机纤维如玻璃纤维、碳纤维和有机纤维。可以添加这些添加剂或填料的一种或几种。
[0021]本专利技术还提供一种木质素/纤维素生物塑料制品，由上述的方法制备得到。
[0022]本专利技术还提出上述的生物塑料制品在纺织、包装、生物医用材料、储能材料、水处理材料以及纳米催化剂载体材料的应用。
[0023]本专利技术提供了可生物降解性和水稳定性木质素/纤维素生物塑料的制备方法，解决了再生纤维素基材料难以塑性加工和水稳定性差的问题。其优点在于：1，利用碱性溶剂可同时溶解纤维素和木质素，有利于纤维素和木质素的均匀分散和进一步的加工利用；2，木质素分子在干燥过程中和纤维素链之间产生极强的相互作用，提升了纤维素的抗水性；3，木质素分子在干燥过程中发生了自键合反应，形成网络结构，进一步提升了木质素/纤维素生物塑料的抗水性。更重要的是，这种木质素/纤维素生物塑料的制备方法是对农林废弃物和纸浆黑液污水的有效再利用，方法环保高效，而且产品性能优异，是对现有技术的重大突破，适合于工业化生产及实际应用，在部分替代传统塑料方面具有广阔的前景。
附图说明
[0024]图1为本专利技术实施例2所得木质素/纤维素碱性复合溶液照片；
[0025]图2为本专利技术实施例3平板热压干燥得到的木质素/纤维素复合塑料的实物照片；
[0026]图3为本专利技术实施例4所得不同木质素含量的木质素/纤维素复合塑料在拉伸模式下的应力
‑
应变曲线；
[0027]图4为本专利技术实施例4不同热辊温度得到的木质素/纤维素复合塑料液氮淬断截面的扫描电子显微镜图片，其中左图为50℃热辊得到、右图为110℃热辊得到；
[0028]图5为本专利技术实施例4不同热辊温度得到的试样的拉伸强度对比；
[0029]图6为本专利技术实施例8试样和对比例1所得生物塑料的吸水性对比。
具体实施方式
[0030]为更好的理解本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可生物降解的木质素/纤维素生物塑料的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)，利用碱性水溶液溶解纤维素和木质素，得到木质素/纤维素溶液；步骤(2)，将所得的木质素/纤维素溶液直接浸入酸液中，或加入交联剂待化学交联成型后浸入酸液中，分别使纤维素和木质素再生和原位沉淀，得到木质素/纤维素凝胶材料；步骤(3)，将上述得到的凝胶材料水洗并加热干燥，得到木质素/纤维素生物塑料。2.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，步骤(1)所述纤维素包括棉短绒浆料、脱脂棉浆料、秸秆、木浆、甘蔗渣浆料、海藻纤维素、动物纤维素的一种或多种，聚合度范围在200～2000；所述碱性水溶液包括氢氧化物水溶液、碱性尿素水溶液、碱性硫脲水溶液等；所述木质素来源于针叶植物、阔叶植物和禾本科植物中的一种或多种，通过其在造纸过程中产生的纸浆黑液得到，包括碱木质素、硫酸盐木质素、木质素磺酸盐、有机溶剂木质素。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述交联剂包括环氧化合物、醛类化合物、硼酸化合物、异氰酸酯化合物的一种或多种。4.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡杰，胡磊，钟奕，刘迅，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：