从天然植物材料中提取的脱木素纤维素基纤维，及含有这种纤维的材料制造技术

对天然植物材料的块进行一次或多次化学处理，以从中去除基本上所有的木质素，从而允许提取脱木素纤维素纤维。例如，天然植物材料可以是草，例如竹子或唐菖蒲。随后对提取的纤维进行干燥，使结构致密化，从而提高机械性能。在一些实施例中，提取的纤维可单独或与其他材料组合用作结构材料。例如，提取的纤维可以嵌入聚合物或混凝土内、用聚合物或混凝土渗透、用聚合物或混凝土涂覆、或以其他方式与聚合物或混凝土结合以形成复合材料。或混凝土结合以形成复合材料。或混凝土结合以形成复合材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】从天然植物材料中提取的脱木素纤维素基纤维，及含有这种纤维的材料
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年4月21日提交的标题为“坚固的、脱木素的纤维及其制造和使用方法(Strong,Delignified Fibers,Methods of Making and Using the Same)”的美国临时申请No.63/013,401和于2020年8月14日提交的标题为“解耦的流体输送材料及其制备方法(Decoupled Fluidic Transport Materials and Methods of Preparing the Same)”的美国临时申请No.63/065,994的利益，在此其每一个均通过引用整体并入本文。


[0003]本公开一般涉及天然存在的纤维素基材料的加工，更具体地，涉及从纤维植物材料中提取脱木素纤维素基纤维及其在结构材料和装置中的用途。

技术实现思路

[0004]本公开主题的实施例提供了一种通过从天然植物材料中化学提取纤维素基大纤维(macrofiber)(例如，直径至少为5μm)来制造坚固、坚韧的纤维的简单、具有成本效益的“自上而下”方法。例如，天然植物材料可以是竹子、唐菖蒲、芦苇或其他草。在一些实施例中，制造方法包括两步脱木素过程。在第一步中，用一种或多种化学品的碱溶液处理天然植物材料，以从植物材料中部分去除木质素(lignin)和半纤维素(hemicellulose)。在第二步中，用一种或多种化学品的不同溶液处理部分脱木素的植物材料，以进一步去除木质素和半纤维素。或者，在一些实施例中，制造方法包括使用一种或多种化学品的单一溶液的单步脱木素过程。在任何一种情况下，脱木素的植物材料都可以漂洗和搅拌，从而导致纤维素基大纤维彼此释放。在一些实施例中，释放的大纤维的后续干燥会导致自致密化(self
‑
densification)，这可进一步改善大纤维的机械性能。所得的大纤维可以用作独立的结构组件(例如，绳索、电缆等)或用作基质或基材的增强物(例如，形成复合材料)。
[0005]本公开的各种创新中的任何一种都可以组合或单独使用。提供本概述是为了以简化形式介绍概念的选择，这些概念将在下文的详细描述中进一步描述。本概述不旨在识别所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。从以下参考附图进行的详细描述中，所公开技术的上述和其他目的、特征和优势将更加地显而易见。
附图说明
[0006]下文将参考附图描述实施例，附图不一定按比例绘制。在适用的情况下，某些元件可以简化或不加以说明，以帮助说明和描述基本特征。在整个附图中，相同的附图标记表示相同的元件。
[0007]图1是根据所公开主题的一个或多个实施例的从天然植物材料中提取和使用脱木素纤维素基大纤维的方法的示例性工艺流程图。
[0008]图2A是根据所公开主题的一个或多个实施例的从天然植物材料中提取的脱木素纤维素基大纤维的简化示意图。
[0009]图2B
‑
2D分别示出了根据所公开主题的一个或多个实施例的作为束、一维阵列和二维阵列的多根脱木素大纤维的示例性配置。
[0010]图3A
‑
3D示出了根据所公开主题的一个或多个实施例的复合材料的示例性配置，所述复合材料掺入以非编织配置、双轴编织、三轴编织和针织编织布置的脱木素大纤维。
[0011]图4A是示出了根据所公开主题的一个或多个实施例的聚合物渗透到脱木素大纤维以形成复合材料的简化示意图。
[0012]图4B是示出了根据所公开主题的一个或多个实施例的用于真空辅助树脂转移模塑(VARTM)的示例性装置的简化示意图。
[0013]图5A是根据所公开主题的一个或多个实施例的能够从中提取纤维素基纤维的天然竹节段的简化局部剖视图。
[0014]图5B是天然竹节段的横截面的顶视图。
[0015]图5C是图5B的天然竹节段的秆的放大图像。
[0016]图5D是示出了图5C的秆壁的分层显微结构的进一步放大的扫描电子显微镜(SEM)图像。
[0017]图5E是示出了其中具有大纤维和薄壁细胞的竹茎的壁部分的透视图的SEM图像。
[0018]图5F
‑
5G是图5E的图像的部分的放大SEM图像，其分别示出了形成大纤维的微纤维和微纤维与薄壁细胞之间的区域。
[0019]图5H是天然竹大纤维中微纤维的尺寸分布图。
[0020]图6A是示出了根据所公开主题的一个或多个实施例的部分天然竹的组成和通过脱木素从中提取完整大纤维的简化示意图。
[0021]图6B
‑
6C是示出了根据所公开主题的一个或多个实施例的用于脱木素的化学处理步骤分别在6小时后和12小时后的天然竹的照片。
[0022]图6D
‑
6E是根据所公开主题的一个或多个实施例的在脱木素过程之后分离的纤维素基宏观尺度纤维的图像。
[0023]图6F
‑
6G是分别示出了天然竹茎的顶视图和横截面侧视图的SEM图像。
[0024]图6H
‑
6I是分别示出了根据所公开主题的一个或多个实施例的部分脱木素(例如，化学处理10小时)后竹茎的顶视图和横截面侧视图的SEM图像。
[0025]图6J
‑
6K是分别示出了根据所公开主题的一个或多个实施例的通过脱木素和随后的干燥从竹茎提取的宏观尺度纤维的顶视图和侧视图的SEM图像。
[0026]图7A
‑
7B是根据所公开主题的一个或多个实施例的从竹子提取的纤维素基大纤维的偏振光显微镜图像及其放大视图。
[0027]图7C
‑
7D是从竹子中机械提取的比较的木质纤维素基大纤维的偏振光显微镜图像及其放大视图。
[0028]图8A是比较根据所公开主题的实施例从竹子中提取的纤维素基大纤维、从竹子机械提取的木质纤维素基大纤维和天然竹茎的应力
‑
应变曲线的图。
[0029]图8B是比较根据所公开主题的实施例从竹子中提取的纤维素基大纤维、从竹子机械提取的木质纤维素基大纤维和天然竹茎的拉伸强度和杨氏模量的图。
[0030]图8C是比较根据所公开主题的实施例从竹子中提取的纤维素基大纤维、从竹子机械提取的木质纤维基大纤维和天然竹茎的断裂功的图。
[0031]图8D是比较根据所公开主题的实施例从竹子中提取的具有不同直径和2cm的计量长度的纤维素基大纤维的拉伸强度的图。
[0032]图9A是根据所公开主题的一个或多个实施例的由从竹子中提取的纤维素基大纤维形成的织物垫的图像。
[0033]图9B是根据所公开主题的一个或多个实施例通过将图9A的织物垫包在环氧树脂中而形成的制造的复合材料的图像。
[0034]图9C是比较图9B的制造的复合材料的拉伸强度和杨氏模量的图。
[0035]图10本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种工程植物材料，其包括：一种或多种基本上脱木素的纤维素基纤维，其完整地从天然植物材料的块中的木质素和半纤维素基质中化学提取。2.一种复合材料，其包括：多根基本上脱木素的纤维素基纤维，每根纤维素基纤维都是完整地从各自的天然植物材料的块中的木质素和半纤维素基质中化学提取的；以及渗透到每根纤维素基纤维的聚合物。3.一种复合材料，其包括：结构基质；以及设置在所述结构基质内的多根基本上脱木素的纤维素基纤维，每根纤维素基纤维都是完整地从天然植物材料的相应的块中的木质素和半纤维素基质中化学提取的。4.根据权利要求3所述的材料，其中所述结构基质包括聚合物或混凝土。5.根据权利要求2和4中任一项所述的材料，其中所述聚合物包括环氧树脂、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEO)、聚酰胺(PA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸丙二酯(PTT)、聚丙烯腈(PAN)、聚己内酰胺(PA6)、聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA)、聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)、聚氨酯(PU)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚苯乙烯(PS)、聚己内酯(PCL)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚对苯二甲酸己二酸丁二醇酯(PBAT)、聚(丁二酸
‑
co
‑
己二酸丁二酯)(PBSA)、聚羟基丁酸酯(PHB)、聚(3
‑
羟基丁酸酯
‑
co
‑3‑
羟基戊酸酯)(PHBV)、聚(乙醇酸)(PGA)、聚吡咯(PPy)、聚噻吩(PTh)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、乙烯
‑
乙烯醇(EVOH)、聚(偏二氯乙烯)(PVDC)、聚己二酰间苯二甲胺(MXD6)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、丙烯腈
‑
丁二烯
‑
苯乙烯(ABS)、聚酰亚胺(PI)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚乳酸(PLA)、十八烷基三氯硅烷(OTS)、聚八面体倍半硅氧烷(POSS)、对甲基苯乙烯(PMS)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、丙烯腈
‑
丁二烯
‑
苯乙烯
‑
甲基丙烯酸甲酯的接枝共聚物(ABSM)、十二烷基三甲氧基硅烷(DTMS)、松香、甲壳素、壳聚糖、protain、植物油、羧甲基纤维素、醋酸纤维素、淀粉、琼脂、海藻酸，或前述任何组合。6.根据权利要求4所述的材料，其中所述混凝土包括硅酸盐水泥、农用混凝土、碳酸镁(MgCO3)、氢氧化镁(Mg(OH)2)，或上述任何组合。7.根据权利要求2
‑
3中任一项所述的材料，其中复合材料中的多根纤维素基纤维的含量为至少0.1wt％。8.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的材料，其中所述天然植物材料是禾本目中的物种。9.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的材料，其中所述天然植物材料是禾本科中的物种。10.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的材料，其中所述天然植物材料是天然草。11.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的材料，其中所述天然植物材料包括竹子、芦苇、甘蔗、玉米、小麦、大米、黄麻、大麻、红麻、苎麻、香蕉、玉米、小麦、大米、玫瑰茄、藤、高粱、剑麻、棕榈、赫纳昆、马尼拉、菠萝、curaua、丝兰、卡布亚、露兜树、蕉麻、唐菖蒲或龙舌兰。12.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的材料，其中每根纤维素基纤维的长度为至少5cm且在垂直于长度方向的平面上的最大横截面尺寸为至少5μm。13.根据权利要求12所述的材料，其中每根纤维素基纤维的长度在5cm和200cm之间，包
括5cm和200cm。14.根据权利要求12所述的材料，其中每根纤维素基纤维的最大横截面尺寸在5μm和1mm之间，包括5μm和1mm。15.根据权利要求12所述的材料，其中每根纤维素基纤维的最大横截面尺寸为至少100μm。16.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的材料，其中每根纤维素基纤维具有至少0.5GPa
·
cm3/g的比强度、至少40％的结晶度、至少0.5GPa的拉伸强度、至少20GPa的杨氏模量、至少0.8g/cm3的密度，或前述的任何组合。17.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的材料，其中每根纤维素基纤维具有至少70wt％的纤维素含量、小于或等于10wt％的半纤维素含量、小于或等于10wt％的木质素含量，或上述的任何组合。18.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的材料，其中每根纤维素基纤维具有小于或等于10wt％的水分含量。19.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的材料，其中每根纤维素基纤维上或在每根纤维素基纤维内提供的是导电添加剂、磁性添加剂、压电材料、刺激响应材料、催化材料，或上述的任何组合。20.一种方法，其包括：(a)对天然植物材料的块进行一种或多种化学处理，以便从中基本上去除所有木质素；以及(b)在(a)之后，从经化学处理的块中提取多根彼此分离的基本上脱木素的纤维素基纤维。21.根据权利要求20所述的方法，其中(b)包括在溶液中搅拌经化学处理的块。22.根据权利要求20所述的方法，其中所述一种或多种化学处理中的至少一种包括部分或完全浸没在一种或多种化学溶液中。23.根据权利要求22所述的方法，其中所述一种或多种化学溶液包括碱性溶液。24.根据权利要求22所述的方法，其中所述一种或多种化学溶液包括氢氧化钠(NaOH)、氢氧化锂(LiOH)、氢氧化钾(KOH)、亚硫酸钠(Na2SO3)、硫化钠(Na2S)、Na
n
S(其中n为整数)、尿素(CH4N2O)、亚硫酸氢钠(NaHSO3)、二氧化硫(SO2)、蒽醌(C
14
H8O2)、甲醇(CH3OH)、乙醇(C2H5OH)、丁醇(C4H9OH)、甲酸(CH2O2)、过氧化氢(H2O2)、乙酸(CH3COOH)、丁酸(C4H8O2)、过氧化甲酸(CH2O3)、过氧化乙酸(C2H4O3)、氨(NH3)、对甲苯磺酸(p
‑
TsOH)、次氯酸钠(NaClO)、亚氯酸钠(NaClO2)、二氧化氯(ClO2)、氯(Cl2)，或上述任何组合。25.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡良兵，陈朝吉，李知函，李建国，
申请(专利权)人：马里兰大学帕克分校，
类型：发明
国别省市：