一种植物纤维、其制备方法及应用与流程

本发明涉及一种纤维、其制备方法及应用，尤其是一种植物纤维、其制备方法及应用。

背景技术：

剑麻纤维质地坚韧，耐磨、耐盐碱、耐腐蚀，广泛运用在运输、渔业、石油、冶金等各种行业，具有重要的经济价值。剑麻在生产和使用的过程中会产生大量的短切纤维，将这些短切纤维加入到聚合物基体内制备成复合材料，能够大幅度提高材料力学性能和耐热性能，这能够替代更多的汽车结构件，从而达到汽车轻量化的目的。

短切玻璃纤维等无机纤维主要通过与聚合物基体高速混合后加入到双螺杆挤出机内混合，从而起到增强聚合物力学性能的效果。由于短切植物纤维较短切玻璃纤维密度小、质地蓬松，很难直接定量加入到聚合物基体内；同时由于使用的设备为双螺杆挤出机，在制备复合材料过程中，短切纤维被剪切成更短的纤维，使其在聚合物基体内无法完全发挥其性能。目前，针对植物纤维增强热塑性塑料的普遍做法为将植物纤维磨成粉料，再与聚合物混合制备复合材料制品，这种工艺无法发挥剑麻纤维的功能，因此植物纤维在聚合物基体中的应用受限。

技术实现要素：

基于此，本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种植物纤维的制备方法。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种植物纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)将短切植物纤维放入搅拌设备内进行搅拌，同时喷洒胶黏剂，得到预处理植物纤维；

(2)将步骤(1)得到的预处理植物纤维进行热压成型，得到植物纤维板；

(3)将步骤(2)得到的植物纤维板进行冲压成型，得到直径为3～9mm的植物纤维圆片，即为所述植物纤维。

所述步骤(1)中的短切植物纤维包括但不限于剑麻、黄麻、苎麻、棉花、麦秸秆等短切植物纤维。

优选地，所述步骤(1)中的胶黏剂为脲醛溶液，所述脲醛溶液的用量为短切植物纤维质量的10％～30％，所述脲醛溶液中脲醛的质量百分含量为40％～70％。喷洒脲醛溶液质量百分含量低于10％时，纤维之间的粘合强度较差，板材在进行冲压制片时，纤维易散开，无法制备成合格的纤维小圆片，合格率较低。喷洒脲醛溶液质量百分含量高于30％时，用上述方法制备的纤维小圆片，在同热塑性塑料混合时，由于脲醛含量高，纤维间的粘结力太强，从而影响植物纤维在塑料基体内的分散。

优选地，所述步骤(1)中，搅拌的速度为30～50r/min，搅拌的时间为5～10分钟。

优选地，所述步骤(2)中，热压成型的温度为160℃～180℃，热压成型的时间为5～10分钟。

优选地，所述步骤(2)中，植物纤维板的厚度为2mm～4mm。使用这种厚度纤维板制备的植物纤维颗粒的外形尺寸同塑料颗粒尺寸相当，利于物料在加工过程中的下料。

本发明还提供一种由上述制备方法制备得到的植物纤维。所述植物纤维能直接定量加入到聚合物基体内，发挥植物纤维的功能，更好的增强聚合物的性能。

同时，本发明还提供一种包含上述植物纤维的聚合物基复合材料。所述复合材料力学性能好、尺寸稳定性高。

优选地，所述聚合物基复合材料，包含以下重量份的组分：

热塑性塑料80～100份、植物纤维10～40份、马来酸酐接枝聚丙烯2～4份、聚乙烯蜡0.5～1份、抗氧剂10100.5～1份、抗氧剂1680.5～1份。

更优选地，所述热塑性塑料为聚乙烯(pe)塑料、聚丙烯(pp)塑料、聚氯乙烯(pvc)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(abs)塑料中的一种。

此外，本发明还提供一种上述聚合物基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将各组分混合均匀，得到混合料；

(2)利用拉伸流变挤出机，将步骤(1)得到的混合料进行挤出造粒，得到复合材料颗粒；

(3)将步骤(2)所得复合材料颗粒进行注射成型，得到所述聚合物基复合材料。

优选地，所述步骤(1)中，将各组分在混料机中混合10～20分钟，其中，混料机的转速为400r/min。

优选地，所述步骤(2)中的拉伸流变挤出机，机筒一区的温度为150℃，机筒二区的温度为200℃，机筒三区的温度200℃，模头温度为200℃。

优选地，所述步骤(2)中的拉伸流变挤出机，转子直径为40mm，转子转速设定为60r/min。

常规双螺杆挤出机主要依靠剪切力将物料分散均匀，但在加工过程中，短切的植物纤维也会被剪断；而本发明所使用的拉伸流变挤出机主要依靠拉伸应力使物料分散(类似揉面动作)，其最大的优点即为保证物料分散均匀的同时，短切纤维不会被剪断，从而保证短切植物纤维的增强功能。

同时，本发明还提供一种本发明所述植物纤维在制备复合材料中的应用。利用植物纤维有效增强复合材料，进一步扩大了植物纤维的应用。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明制备方法得到的植物纤维，能定量加入到聚合物基体内，一方面能保证短切植物纤维在加工过程中不被剪切成更短的纤维，一方面保证短切植物纤维在聚合物基体中起到增强的效果，提高复合材料的力学性能和尺寸稳定性(力学性能提高40％左右，尺寸稳定性提高1倍以上)，扩大复合材料的应用范围；解决了短切植物纤维在聚合物基体中应用限制问题，实现植物废弃物的高质化利用，进一步实现植物废弃物的回收利用。

附图说明

图1为本发明所述植物纤维制备方法步骤(1)中所用到的一种短切植物纤维图；

图2为本发明所述植物纤维制备方法步骤(2)中得到的一种植物纤维板图；

图3为本发明所述植物纤维制备方法步骤(3)中得到的一种植物纤维圆片图；

图4为实施例6中对照组所得聚合物基复合材料的一种扫描电镜图；

图5为本发明所述聚合物基复合材料的一种扫描电镜图。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。本实施例中所用到的拉伸流变挤出机为瞿金平院士发明的拉伸流变挤出机(专利授权号cn100496927c)。

实施例1

本发明所述植物纤维的一种实施例，本实施例所述植物纤维通过以下方法制备所得：

(1)将剑麻短切植物纤维放入特制搅拌设备内进行搅拌，同时喷洒脲醛质量百分含量为70％的脲醛溶液，所述脲醛溶液的用量为短切植物纤维质量的10％，得到预处理植物纤维；其中，搅拌速度为30r/min，搅拌时间为10分钟；

(2)将步骤(1)得到的预处理植物纤维放入特制模具内热压成型为2mm厚的纤维板；其中，热压成型的温度为160℃，热压成型的时间为5分钟；

(3)将步骤(2)得到的纤维板放到冲床上冲压成直径为3mm的小圆片(附图3)，得到剑麻植物纤维。

一种聚合物基复合材料，包含以下重量份的组分：

热塑性pp塑料100份、剑麻植物纤维10份、马来酸酐接枝聚丙烯4份、聚乙烯蜡0.5份、抗氧剂10100.8份、抗氧剂1681份。

一种上述聚合物基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将上述各组分加入到混料机中，在转速为400r/min下，混合10分钟，混合均匀后，得到混合料；

(2)利用拉伸流变挤出机，将步骤(1)得到的混合料进行挤出造粒，得到复合材料颗粒；其中拉伸流变挤出机转子直径为40mm，机筒1区温度150℃，二区温度为200℃，三区温度200℃，模头温度200℃，转子转速设定为60r/min；

(3)将步骤(2)所得复合材料颗粒进行注射成型，得到所述聚合物基复合材料。

实施例2

本发明所述植物纤维的一种实施例，本实施例所述植物纤维通过以下方法制备所得：

(1)将苎麻短切植物纤维放入特制搅拌设备内进行搅拌，同时喷洒脲醛质量百分含量为55％的脲醛溶液，所述脲醛溶液的用量为短切植物纤维质量的20％，得到预处理植物纤维；其中，搅拌速度为50r/min，搅拌时间为5分钟；

(2)将步骤(1)得到的预处理植物纤维放入特制模具内热压成型为3mm厚的纤维板；其中，热压成型的温度为170℃，热压成型的时间为10分钟；

(3)将步骤(2)得到的纤维板放到冲床上冲压成直径为6mm的小圆片(附图3)，得到苎麻植物纤维。

一种聚合物基复合材料，包含以下重量份的组分：

热塑性pvc塑料80份、苎麻植物纤维25份、马来酸酐接枝聚丙烯2份、聚乙烯蜡0.8份、抗氧剂10100.5份、抗氧剂1680.5份。

一种上述聚合物基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将上述各组分加入到混料机中，在转速为400r/min下，混合15分钟，混合均匀后，得到混合料；

(2)利用拉伸流变挤出机，将步骤(1)得到的混合料进行挤出造粒，得到复合材料颗粒；其中拉伸流变挤出机转子直径为40mm，机筒1区温度150℃，二区温度为200℃，三区温度200℃，模头温度200℃，转子转速设定为60r/min。

(3)将步骤(2)所得复合材料颗粒进行注射成型，得到所述聚合物基复合材料。

实施例3

本发明所述植物纤维的一种实施例，本实施例所述植物纤维通过以下方法制备所得：

(1)将麦秸秆短切植物纤维放入特制搅拌设备内进行搅拌，同时喷洒脲醛质量百分含量为40％的脲醛溶液，所述脲醛溶液的用量为短切植物纤维质量的30％，得到预处理植物纤维；其中，搅拌速度为40r/min，搅拌时间为7分钟；

(2)将步骤(1)得到的预处理植物纤维放入特制模具内热压成型为4mm厚的纤维板；其中，热压成型的温度为180℃，热压成型的时间为7分钟；

(3)将步骤(2)得到的纤维板放到冲床上冲压成直径为9mm的小圆片(附图3)，得到麦秸秆植物纤维。

一种聚合物基复合材料，包含以下重量份的组分：

热塑性abs塑料90份、麦秸秆植物纤维40份、马来酸酐接枝聚丙烯3份、聚乙烯蜡1份、抗氧剂10101份、抗氧剂1680.8份。

一种上述聚合物基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将上述各组分加入到混料机中，在转速为400r/min下，混合20分钟，混合均匀后，得到混合料；

(2)利用拉伸流变挤出机，将步骤(1)得到的混合料进行挤出造粒，得到复合材料颗粒；其中拉伸流变挤出机转子直径为40mm，机筒1区温度150℃，二区温度为200℃，三区温度200℃，模头温度200℃，转子转速设定为60r/min。

(3)将步骤(2)所得复合材料颗粒进行注射成型，得到所述聚合物基复合材料。

实施例4

本实施例作为本发明所述聚合物基复合材料的一种对比例，本实施例所述植物纤维通过以下方法制备所得：

(1)称取热塑性塑料pp或树脂80～100份，轻质碳酸钙(1250目)10～40份，马来酸酐接枝pp2～4份，聚乙烯蜡0.5～1份，白矿油0.5～1份，抗氧剂10100.5～1份，抗氧剂1680.5～1份，加入到混合机中，混合10～20分钟；混合速度400r/min。

(2)将混好的原料用平行双螺杆挤出机挤出造粒，得到复合材料颗粒；其中螺杆直径为20mm，机筒1区温度170℃，机筒2区温度为180℃，机筒3区温度190℃，机筒4区温度190℃，机筒5区温度为190℃，机筒6区温度200℃，模头温度200℃。螺杆转速设定为120rpm，喂料速度50rpm。

(3)将制备好的复合材料颗粒采用注射成型制备成测试样条。

实施例5

本实施例作为本发明所述聚合物基复合材料的一种对比例，本实施例所述植物纤维通过以下方法制备所得：

(1)将短切植物纤维加入磨粉机内，制成80目的植物纤维粉末，植物纤维粉末过筛率大于90％；

(2)称取热塑性塑料或树脂80～100份，第1步制备的剑麻粉末10～40份，马来酸酐接枝pp2～4份，聚乙烯蜡0.5～1份，抗氧剂10100.5～1份，抗氧剂1680.5～1份，加入到混料机中，混合10～20分钟；混合速度400r/min；

(3)将混好的原料用平行双螺杆挤出机挤出造粒，得到复合材料颗粒；其中螺杆直径为20mm，机筒1区温度170℃，机筒2区温度为180℃，机筒3区温度190℃，机筒4区温度190℃，机筒5区温度为190℃，机筒6区温度200℃，模头温度200℃。螺杆转速设定为120rpm，喂料速度50rpm；

(4)将制备好的复合材料颗粒采用注射成型制备成测试样条。

实施例6

本实施例对本发明所述聚合物基复合材料的性能进行测试分析，将实施例1～3设置为实验组1～3，将实施例4方法中的各成分含量分别与实施例1～3相同，设置三组对照组，分别为对照组1～3，将实施例5方法中的各成分含量分别与实施例1～3相同，设置三组对照组，分别为对照组4～6，实验组1～3和对照组1～6的性能测试结果如表1所示：

表1聚合物基复合材料的性能测试结果

从表1中可以看出，实验组中的各性能明显优于对照组，这说明与现有技术中常用的方法相比，本发明所述植物纤维的制备方法及所述聚合物基复合材料的制备方法，制备得到的聚合物基复合材料，各性能明显得到了增强。

此外，本实施例分别对对照组和实验组所得聚合物基复合材料进行了扫描电镜分析，如附图4(对照组所得聚合物基复合材料)和附图5(实验组所得聚合物基复合材料)所示，从图4可以看出，对照组所得聚合物基复合材料中，植物纤维分散困难且被剪切变短；从图5可以看出，实验组所得聚合物基复合材料中，植物纤维均匀分散且长度保持良好，从而保证短切植物纤维的增强功能。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。