一種玉米芯纖維素發泡材料及其制備方法和用途與流程

本發明屬于發泡材料技術領域，涉及一種玉米芯纖維素發泡材料及其制備方法和用途。

背景技術：

現在市場上應用沙發家具、枕頭、坐墊等的填充材料的主要成分是聚氨酯。但是，聚氨酯泡沫都是易燃物，一旦燃燒就會產生含有劇毒氰化氫的氣體，人如果吸入一口就會中毒死亡。當聚氨酯類產品超過使用年限后，其性能會大幅度下降而報廢，這些廢料就必須進行回收處理，這樣就加大了成本，還會對環境造成一定的污染。

纖維素作為地球上儲量最豐富的、可再生的生物質資源，具有生物相容性好、易降解、易衍生化的優點，將成為未來化工生產的主要原料之一。纖維素發泡材料具有無毒、環保、可生物降解的優點，可廣泛應用于家具、汽車及包裝等行業。

CN 106084279 A公開了一種纖維素基生物可降解型發泡材料的制備方法，其包括如下步驟：步驟一：準備植物纖維分散體；步驟二：纖維原細化處理；步驟三：將原細化處理后的植物纖維處理得到分散均勻的漿料懸浮液；步驟四：向漿料懸浮液中加入發泡劑，處理得到均勻的泡沫/纖維分散體系；步驟五：取泡沫/纖維分散體，置于泡沫成型裝置中，實現植物纖維發泡材料的成型；步驟六：對成型好的植物纖維發泡材料進行干燥處理，得到纖維素基生物可降解型發泡材料。該發泡材料可用于取代石油基聚合物制備環保型發泡材料。所述制備方法中使用的植物纖維包括木材纖維、非木材纖維或半木材纖維。但是，其得到的纖維素發泡材料用于填充材料性能還較差。

因此，本領域還需要進一步的研究，以制備出以纖維素為原料的性能較好的發泡材料。

技術實現要素：

針對現有技術存在的不足，本發明的目的在于提供一種玉米芯纖維素發泡材料及其制備方法和用途，所述玉米芯纖維素發泡材料的性能較好，具有無毒、環保、可生物降解的優點，可廣泛應用于家具、汽車及包裝等行業，替代聚氨酯填充材料；另外，玉米芯纖維素的利用有利于農村經濟發展。

為達此目的，本發明采用以下技術方案：

本發明的目的之一在于提供一種玉米芯纖維素發泡材料，所述玉米芯纖維素發泡材料的原料組分包括：玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液、發泡劑和成孔劑。

本發明提供的玉米芯纖維素發泡材料在原料組成上用玉米芯纖維素替代現有纖維素發泡材料的原料木材纖維、非木材纖維或半木材纖維等，大大提高了發泡材料的綜合性能，尤其是彈性得到顯著提高，所得發泡材料可用于替代聚氨酯填充材料。

制備的纖維素發泡材料強度佳，氣孔豐富，有良好的緩沖、吸震、保溫、過濾性能，且具有無毒、可生物降解的顯著優勢。

玉米芯纖維素具有多孔性(如圖1-2所示)，不但有利于纖維素的溶解，同時還能降低溶解溫度，即降低了能耗；另外，由于目標發泡材料也為多孔結構，玉米芯纖維素的多孔結構也增加了發泡材料的多孔性，有利于增大發泡體的彈性。

所述玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液中玉米芯纖維素和增強纖維素的總質量百分含量為1％-15％；如1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％或15％等；優選為5-15％，如5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％或15％等；進一步優選為5-10％，如5％、6％、7％、8％、9％或10％等。

優選地，所述玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液通過將玉米芯纖維素和增強纖維素溶解于溶劑中制備得到。

優選地，所述溶劑選自離子液體、N-甲基嗎啉-N-氧化物或NaOH/尿素水溶液體系，優選為離子液體。所述溶劑只要能夠將玉米芯纖維素和增強纖維素溶解即可，無特殊限制。

優選地，所述離子液體選自1-乙基-3-甲基咪唑氯鹽離子液體、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽離子液體和1-乙基-3-甲基-咪唑醋酸鹽離子液體中的一種。

優選地，所述溶解的溫度為60-150℃，如65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃、100℃、105℃、110℃、115℃、120℃、125℃、130℃、135℃、140℃或145℃等。在同等條件下，玉米芯纖維素比其他纖維素的溶解溫度降低5-10℃。

優選地，所述溶解過程中進行攪拌，以加快溶解速率。

優選地，所述玉米芯纖維素和增強纖維素溶解前進行粉碎和烘干，以去除其中的水分。

優選地，粉碎后的玉米芯纖維素和增強纖維素的粒徑獨立地≤0.1μm，如0.1μm、0.08μm、0.05μm、0.03μm或0.01μm等。玉米芯纖維素和增強纖維素的粒徑越小，越有利于其在溶劑中的溶解。

所述增強纖維素選自亞麻、脫脂棉或納米纖維素中的任意一種或至少兩種的組合。典型但非限制性的組合如亞麻與脫脂棉，亞麻與納米纖維素，亞麻、脫脂棉與納米纖維素。所述增強纖維素的使用有利于提高發泡材料的強度。

優選地，所述增強纖維素的質量為玉米芯纖維素質量的10-80％，如10％、15％、20％、25％、30％、35％、42％、48％、51％、55％、58％、62％、68％、70％或75％、80％等，優選為40-60％，進一步優選為50％。

所述發泡劑選自對甲苯磺酰肼、偶氮二甲酸二乙酯或碳酸氫鈉中的任意一種或至少兩種的組合。典型但非限制性的組合如對甲苯磺酰肼與偶氮二甲酸二乙酯，對甲苯磺酰肼與碳酸氫鈉，甲苯磺酰肼、偶氮二甲酸二乙酯與碳酸氫鈉。

優選地，所述發泡劑的質量為玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液質量的1-10％，如1％、2％、2.2％、2.5％、2.8％、3.1％、3.5％、3.8％、4.2％、4.5％或4.8％、5％、7％、9％、10％等；優選為1-6％，如1％、2％、2.2％、2.5％、2.8％、3.1％、3.5％、3.8％、4.2％、4.5％、4.8％、5％、5.3％、5.5％或5.8％等；進一步優選為4-6％，如4.1％、4.2％、4.5％、4.8％、5.1％、5.5％或5.8％等。

所述成孔劑并無特殊限制，為現有技術中制備發泡材料所用的成孔劑，例如可選自氯化鈉、碳酸鈉或硫酸鈉中的任意一種或至少兩種的組合。典型但非限制性的組合如氯化鈉與碳酸鈉，氯化鈉與硫酸鈉，氯化鈉、碳酸鈉與硫酸鈉。

優選地，所述成孔劑的質量為玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液質量的0.5-5倍，如0.5倍、1倍、2倍、2.2倍、2.5倍、2.8倍、3.1倍、3.4倍、3.8倍、3.9倍、4倍或5倍等；優選為1-4倍，如1倍、2倍、2.2倍、2.5倍、2.8倍、3.1倍、3.4倍、3.8倍、3.9倍或4倍等；進一步優選為2-4倍，如2倍、2.2倍、2.5倍、2.8倍、3.1倍、3.4倍、3.8倍、3.9倍或4倍等。

本發明的目的之二在于提供一種如上所述玉米芯纖維素發泡材料的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：

(1)將配方量的發泡劑和成孔劑與玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液混合，得到混合料；

(2)將混合料注入模具，發泡成型，得到成型物；

(3)洗滌成型物，干燥，得到所述玉米芯纖維素發泡材料。

所述制備方法操作工藝簡單，生產過程不發生化學反應，毒性小，能耗小，溶劑可回收利用，無廢水廢氣環境污染等顯著優點。

步驟(1)所述玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液通過將玉米芯纖維素和增強纖維素溶解于溶劑中制得。

優選地，所述溶劑選自離子液體、N-甲基嗎啉-N-氧化物或NaOH/尿素水溶液體系，優選為離子液體。

優選地，所述離子液體為1-乙基-3-甲基咪唑氯鹽離子液體、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽離子液體和1-乙基-3-甲基-咪唑醋酸鹽離子液體中的一種。

優選地，所述溶解的溫度為60-150℃，如60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃、100℃、105℃、110℃、115℃、120℃、125℃、130℃、135℃、140℃、145℃或150℃等。在同等條件下，玉米芯纖維素比其他纖維的溶解溫度降低5-10℃。

優選地，所述溶解過程中進行攪拌，以加快玉米芯纖維素和增強纖維素的溶解速率。

優選地，所述玉米芯纖維素和增強纖維素溶解前進行粉碎和烘干，如粉碎至粒徑≤0.1μm后再烘干，以去除其中的水分。

步驟(2)所述發泡成型包括：將所述混合料在發泡劑的分解溫度下發泡，之后放入0-10℃水中成型，如0.5℃、1℃、2℃、3℃、4℃、5℃、6℃、7℃、8℃或9℃等。

優選地，步驟(3)所述洗滌使用的溶劑為去離子水。

優選地，步驟(3)所述洗滌的溫度為50-60℃，如51℃、52℃、53℃、54℃、55℃、56℃、57℃、58℃或59℃等。在此溫度下進行洗滌，有利于快速將原料中的溶劑、成孔劑、剩余的發泡劑和發泡劑分解產物洗滌去除。

優選地，步驟(3)所述干燥為自然風干。

作為優選的技術方案，所述玉米芯纖維素發泡材料的制備方法包括如下步驟：

(1)將配方量的玉米芯纖維素和增強纖維素粉碎，干燥后溶解于離子液體中，得到玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液；

(2)將配方量的發泡劑和成孔劑與所述玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液混合，得到混合料；

(3)將混合料注入模具，在發泡劑的分解溫度下發泡，之后放入0-10℃水中成型，得到成型物；

(4)采用溫度為50-60℃的去離子水洗滌成型物，除去所述纖維素漿料的溶劑、成孔劑、剩余的發泡劑和發泡劑分解產物，在空氣中自然風干，得到所述玉米芯纖維素發泡材料。

本發明的目的之三在于提供如上所述的玉米芯纖維素發泡材料的用途，其用于家具、汽車或包裝領域。如所述玉米芯纖維素發泡材料用于制作沙發、汽車坐墊或包裝材料等。

本發明所述的數值范圍不僅包括上述例舉的點值，還包括沒有例舉出的上述數值范圍之間的任意的點值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述范圍包括的具體點值。

與現有技術相比，本發明的有益效果為：

本發明提供的玉米芯纖維素發泡材料的表觀密度為20-40kg/m³，孔隙率大，氣孔豐富，壓縮回彈率高，可達到95％(壓縮回彈率均為壓縮率50％，壓縮時間72h的壓縮回彈率)，強度佳，抗撕裂強度可達到80N/mm，具備緩沖、吸震、保溫、過濾等功能，可廣泛應用于家具、汽車、包裝等行業；

本發明制備的玉米芯纖維素發泡材料無毒可降解，不會對土壤或空氣產生毒害；

本發明提供的玉米芯纖維素發泡材料由于使用玉米芯纖維素，有利于農村經濟發展；

本發明提供的玉米芯纖維素發泡材料的制備方法簡單，可大規模使用。

附圖說明

圖1為本發明提供的玉米芯纖維素放大倍數為1000倍的SEM圖，其標尺長度為20μm。

圖2為本發明提供的玉米芯纖維素放大倍數為5000倍時的SEM圖，其標尺長度為10μm。

圖3為本發明提供的棉質纖維素放大倍數為1000倍時的SEM圖，其標尺長度為20μm。

圖4為本發明提供的棉質纖維素放大倍數為5000倍時的SEM圖，其標尺長度為10μm。

具體實施方式

下面結合附圖并通過具體實施方式來進一步說明本發明的技術方案。

如圖1-4所示，為本發明提供的玉米芯纖維素和棉質纖維素在不同放大倍數下的SEM圖，從圖中可以看出，玉米芯纖維素相較于棉質纖維素，表面具有孔狀結構，另外，其他非玉米纖維素，例如木質素等等，表面均無豐富孔狀結構，附圖中不一一列明。

實施例1

一種玉米芯纖維素發泡材料，所述玉米芯纖維素發泡材料的原料組分包括：玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液、發泡劑和成孔劑；

所述玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液中玉米芯纖維素和增強纖維素的總質量百分含量為7％；所述增強纖維素的質量為玉米芯纖維素質量的50％；所述發泡劑的質量為玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液質量的4％；所述成孔劑的質量為玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液質量的3倍；

所述增強纖維素選自脫脂棉；

所述發泡劑選自對甲苯磺酰肼；

所述成孔劑選自硫酸鈉。

一種上述玉米芯纖維素發泡材料的制備方法包括如下步驟：

(1)將玉米芯纖維素和增強纖維素粉碎至粒徑獨立地≤0.1μm后烘干，以除去其中的水分，之后，在攪拌條件下溶解于溫度為80℃的溶劑中，得到玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液；所述溶劑選自離子液體(1-乙基-3-甲基咪唑氯鹽離子液體)；

(2)將配方量的發泡劑和成孔劑與玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液混合，得到混合料；

(3)將混合料注入模具，在90℃條件下發泡，發泡完成后立即放入0℃水中成型，得到成型物；

(4)采用溫度為50℃的去離子水洗滌成型物，除去所述纖維素漿料的溶劑、成孔劑、剩余的發泡劑和發泡劑分解產物，在空氣中自然風干，得到所述玉米芯纖維素發泡材料。

本實施實例制得的玉米芯纖維素發泡材料的表觀密度為31.4kg/m³，氣孔均勻飽滿，平均孔徑較大，大部分孔徑在100-400μm之間，截面呈蜂窩狀，孔隙率達到97％，強度佳，吸水性和保濕性較好。

實施例2

與實施例1相比，區別僅在于，將實施例1中的發泡劑對甲苯磺酰肼替換為偶氮二甲酸二乙酯，其他條件不變。

實施例3

與實施例1相比，區別僅在于，將實施例1中的增強纖維脫脂棉替換為亞麻，其他條件不變。

實施例4

與實施例1相比，區別僅在于，將實施例1中的成孔劑硫酸鈉替換為氯化鈉，其他條件不變。

實施例5

與實施例1相比，區別僅在于，將實施例1中的增強纖維脫脂棉替換為納米纖維素，其他條件不變。

實施例6

與實施例1相比，區別僅在于，將實施例1中的增強纖維脫脂棉替換為亞麻：脫脂棉1:1，其他條件不變。

實施例7

與實施例1相比，區別僅在于，將實施例1中的增強纖維脫脂棉替換為亞麻、脫脂棉、與納米纖維素1:1:3，其他條件不變。

實施例8

與實施例1相比，區別僅在于，將實施例1中的發泡劑對甲苯磺酸肼替換為對甲苯磺酸肼、偶氮二甲酸二乙酯和碳酸氫鈉1:1:1，其他條件不變。

實施例9

與實施例1相比，區別僅在于，將實施例1中的成孔劑硫酸鈉替換為氯化鈉、碳酸鈉和硫酸鈉2:2:1，其他條件不變。

實施例10

一種玉米芯纖維素發泡材料，除玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液中玉米芯纖維素和增強纖維素的總的質量百分含量為5％外，其余與實施例1相同。

實施例11

一種玉米芯纖維素發泡材料，除玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液中玉米芯纖維素和增強纖維素的總的質量百分含量為15％外，其余與實施例1相同。

實施例12

一種玉米芯纖維素發泡材料，除玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液中玉米芯纖維素和增強纖維素的總的質量百分含量為1％外，其余與實施例1相同。

實施例13

一種玉米芯纖維素發泡材料，除玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液中玉米芯纖維素和增強纖維素的總的質量百分含量為10％外，其余與實施例1相同。

實施例14

一種玉米芯纖維素發泡材料，除增強纖維素的質量為玉米芯纖維素質量的10％外，其余與實施例1相同。

實施例15

一種玉米芯纖維素發泡材料，除增強纖維素的質量為玉米芯纖維素質量的80％外，其余與實施例1相同。

實施例16

一種玉米芯纖維素發泡材料，除發泡劑的質量為玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液質量的2％外，其余與實施例1相同。

實施例17

一種玉米芯纖維素發泡材料，除發泡劑的質量為玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液質量的6％外，其余與實施例1相同。

實施例18

一種玉米芯纖維素發泡材料，除發泡劑的質量為玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液質量的1％外，其余與實施例1相同。

實施例19

一種玉米芯纖維素發泡材料，除發泡劑的質量為玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液質量的10％外，其余與實施例1相同。

實施例20

一種玉米芯纖維素發泡材料，除所述成孔劑的質量為玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液質量的0.5倍外，其余與實施例1相同。

實施例21

一種玉米芯纖維素發泡材料，除所述成孔劑的質量為玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液質量的5倍外，其余與實施例1相同。

實施例22

一種玉米芯纖維素發泡材料，除纖維素溶劑替換為N-甲基嗎啉-N-氧化物之外，其余與實施例1相同。

實施例23

一種玉米芯纖維素發泡材料，除纖維素溶劑替換為NaOH/尿素水溶液體系；

步驟(1)為：將玉米芯纖維素和增強纖維素粉碎至粒徑獨立地≤0.1μm后烘干，以除去其中的水分，之后，將其加入至NaOH/尿素水溶液體系中，攪拌1h，然后置于-10℃環境中，冷凍12h，后自然解凍，得到玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液；

其余與實施例1相同。

該方法能耗較高，條件較為苛刻。

對比例1

一種發泡材料，除將玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液替換為棉纖維素溶液素外，其余與實施例1相同。

對比例2

一種發泡材料，除將玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液替換為木質纖維素溶液外，其余與實施例1相同。

對比例3

一種發泡材料，除將玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液替換為玉米芯纖維素溶液外，其余與實施例1相同。

以上實施例和對比例具體見下表1：

表1

測定上表1中的實施例和對比例中產品的表觀密度、孔隙率、壓縮回彈率和撕裂強度，具體見下表2：

表2

上表1中，纖維素含量為：玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液中玉米芯纖維素和增強纖維素的總質量百分含量。

增強纖維素/玉米芯纖維素：為增強纖維素的質量占玉米芯纖維素的質量百分含量。

發泡劑含量：發泡劑的質量占玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液質量的質量百分含量。

成孔劑含量：成孔劑的質量占玉米芯纖維素和增強纖維素的溶液質量的倍數。

壓縮回彈率均為壓縮率50％，壓縮時間72h的壓縮回彈率。

彈性測試：

測試條件：壓縮率50％，壓縮時間72h，測定其壓縮回彈率。

通過實施例及對比例可以看出：

1、發泡材料的配方不同，其得到的發泡材料的性能不同；

2、將發泡材料中的原料玉米芯纖維素替換為其它的纖維素，制得的發泡材料性能明顯降低。

另外，將實施例中的1-乙基-4-甲基咪唑氯鹽離子液體替換為1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽離子液體、1-乙基-3-甲基-咪唑醋酸鹽離子液體或其它的能夠溶解玉米芯纖維素和增強纖維素的離子液體，其得到的發泡材料的性能與使用1-乙基-4-甲基咪唑氯鹽離子液體時的性能相似。

申請人聲明，以上所述僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，所屬技術領域的技術人員應該明了，任何屬于本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，均落在本發明的保護范圍和公開范圍之內。