一種植物纖維、其制備方法及應用與流程

本發明涉及一種纖維、其制備方法及應用，尤其是一種植物纖維、其制備方法及應用。

背景技術：

劍麻纖維質地堅韌，耐磨、耐鹽堿、耐腐蝕，廣泛運用在運輸、漁業、石油、冶金等各種行業，具有重要的經濟價值。劍麻在生產和使用的過程中會產生大量的短切纖維，將這些短切纖維加入到聚合物基體內制備成復合材料，能夠大幅度提高材料力學性能和耐熱性能，這能夠替代更多的汽車結構件，從而達到汽車輕量化的目的。

短切玻璃纖維等無機纖維主要通過與聚合物基體高速混合后加入到雙螺桿擠出機內混合，從而起到增強聚合物力學性能的效果。由于短切植物纖維較短切玻璃纖維密度小、質地蓬松，很難直接定量加入到聚合物基體內；同時由于使用的設備為雙螺桿擠出機，在制備復合材料過程中，短切纖維被剪切成更短的纖維，使其在聚合物基體內無法完全發揮其性能。目前，針對植物纖維增強熱塑性塑料的普遍做法為將植物纖維磨成粉料，再與聚合物混合制備復合材料制品，這種工藝無法發揮劍麻纖維的功能，因此植物纖維在聚合物基體中的應用受限。

技術實現要素：

基于此，本發明的目的在于克服上述現有技術的不足之處而提供一種植物纖維的制備方法。

為實現上述目的，本發明所采取的技術方案為：一種植物纖維的制備方法，包括以下步驟：

(1)將短切植物纖維放入攪拌設備內進行攪拌，同時噴灑膠黏劑，得到預處理植物纖維；

(2)將步驟(1)得到的預處理植物纖維進行熱壓成型，得到植物纖維板；

(3)將步驟(2)得到的植物纖維板進行沖壓成型，得到直徑為3～9mm的植物纖維圓片，即為所述植物纖維。

所述步驟(1)中的短切植物纖維包括但不限于劍麻、黃麻、苧麻、棉花、麥秸稈等短切植物纖維。

優選地，所述步驟(1)中的膠黏劑為脲醛溶液，所述脲醛溶液的用量為短切植物纖維質量的10％～30％，所述脲醛溶液中脲醛的質量百分含量為40％～70％。噴灑脲醛溶液質量百分含量低于10％時，纖維之間的粘合強度較差，板材在進行沖壓制片時，纖維易散開，無法制備成合格的纖維小圓片，合格率較低。噴灑脲醛溶液質量百分含量高于30％時，用上述方法制備的纖維小圓片，在同熱塑性塑料混合時，由于脲醛含量高，纖維間的粘結力太強，從而影響植物纖維在塑料基體內的分散。

優選地，所述步驟(1)中，攪拌的速度為30～50r/min，攪拌的時間為5～10分鐘。

優選地，所述步驟(2)中，熱壓成型的溫度為160℃～180℃，熱壓成型的時間為5～10分鐘。

優選地，所述步驟(2)中，植物纖維板的厚度為2mm～4mm。使用這種厚度纖維板制備的植物纖維顆粒的外形尺寸同塑料顆粒尺寸相當，利于物料在加工過程中的下料。

本發明還提供一種由上述制備方法制備得到的植物纖維。所述植物纖維能直接定量加入到聚合物基體內，發揮植物纖維的功能，更好的增強聚合物的性能。

同時，本發明還提供一種包含上述植物纖維的聚合物基復合材料。所述復合材料力學性能好、尺寸穩定性高。

優選地，所述聚合物基復合材料，包含以下重量份的組分：

熱塑性塑料80～100份、植物纖維10～40份、馬來酸酐接枝聚丙烯2～4份、聚乙烯蠟0.5～1份、抗氧劑10100.5～1份、抗氧劑1680.5～1份。

更優選地，所述熱塑性塑料為聚乙烯(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)塑料中的一種。

此外，本發明還提供一種上述聚合物基復合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將各組分混合均勻，得到混合料；

(2)利用拉伸流變擠出機，將步驟(1)得到的混合料進行擠出造粒，得到復合材料顆粒；

(3)將步驟(2)所得復合材料顆粒進行注射成型，得到所述聚合物基復合材料。

優選地，所述步驟(1)中，將各組分在混料機中混合10～20分鐘，其中，混料機的轉速為400r/min。

優選地，所述步驟(2)中的拉伸流變擠出機，機筒一區的溫度為150℃，機筒二區的溫度為200℃，機筒三區的溫度200℃，模頭溫度為200℃。

優選地，所述步驟(2)中的拉伸流變擠出機，轉子直徑為40mm，轉子轉速設定為60r/min。

常規雙螺桿擠出機主要依靠剪切力將物料分散均勻，但在加工過程中，短切的植物纖維也會被剪斷；而本發明所使用的拉伸流變擠出機主要依靠拉伸應力使物料分散(類似揉面動作)，其最大的優點即為保證物料分散均勻的同時，短切纖維不會被剪斷，從而保證短切植物纖維的增強功能。

同時，本發明還提供一種本發明所述植物纖維在制備復合材料中的應用。利用植物纖維有效增強復合材料，進一步擴大了植物纖維的應用。

相對于現有技術，本發明的有益效果為：

本發明制備方法得到的植物纖維，能定量加入到聚合物基體內，一方面能保證短切植物纖維在加工過程中不被剪切成更短的纖維，一方面保證短切植物纖維在聚合物基體中起到增強的效果，提高復合材料的力學性能和尺寸穩定性(力學性能提高40％左右，尺寸穩定性提高1倍以上)，擴大復合材料的應用范圍；解決了短切植物纖維在聚合物基體中應用限制問題，實現植物廢棄物的高質化利用，進一步實現植物廢棄物的回收利用。

附圖說明

圖1為本發明所述植物纖維制備方法步驟(1)中所用到的一種短切植物纖維圖；

圖2為本發明所述植物纖維制備方法步驟(2)中得到的一種植物纖維板圖；

圖3為本發明所述植物纖維制備方法步驟(3)中得到的一種植物纖維圓片圖；

圖4為實施例6中對照組所得聚合物基復合材料的一種掃描電鏡圖；

圖5為本發明所述聚合物基復合材料的一種掃描電鏡圖。

具體實施方式

為更好的說明本發明的目的、技術方案和優點，下面將結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明。本實施例中所用到的拉伸流變擠出機為瞿金平院士發明的拉伸流變擠出機(專利授權號cn100496927c)。

實施例1

本發明所述植物纖維的一種實施例，本實施例所述植物纖維通過以下方法制備所得：

(1)將劍麻短切植物纖維放入特制攪拌設備內進行攪拌，同時噴灑脲醛質量百分含量為70％的脲醛溶液，所述脲醛溶液的用量為短切植物纖維質量的10％，得到預處理植物纖維；其中，攪拌速度為30r/min，攪拌時間為10分鐘；

(2)將步驟(1)得到的預處理植物纖維放入特制模具內熱壓成型為2mm厚的纖維板；其中，熱壓成型的溫度為160℃，熱壓成型的時間為5分鐘；

(3)將步驟(2)得到的纖維板放到沖床上沖壓成直徑為3mm的小圓片(附圖3)，得到劍麻植物纖維。

一種聚合物基復合材料，包含以下重量份的組分：

熱塑性pp塑料100份、劍麻植物纖維10份、馬來酸酐接枝聚丙烯4份、聚乙烯蠟0.5份、抗氧劑10100.8份、抗氧劑1681份。

一種上述聚合物基復合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將上述各組分加入到混料機中，在轉速為400r/min下，混合10分鐘，混合均勻后，得到混合料；

(2)利用拉伸流變擠出機，將步驟(1)得到的混合料進行擠出造粒，得到復合材料顆粒；其中拉伸流變擠出機轉子直徑為40mm，機筒1區溫度150℃，二區溫度為200℃，三區溫度200℃，模頭溫度200℃，轉子轉速設定為60r/min；

(3)將步驟(2)所得復合材料顆粒進行注射成型，得到所述聚合物基復合材料。

實施例2

本發明所述植物纖維的一種實施例，本實施例所述植物纖維通過以下方法制備所得：

(1)將苧麻短切植物纖維放入特制攪拌設備內進行攪拌，同時噴灑脲醛質量百分含量為55％的脲醛溶液，所述脲醛溶液的用量為短切植物纖維質量的20％，得到預處理植物纖維；其中，攪拌速度為50r/min，攪拌時間為5分鐘；

(2)將步驟(1)得到的預處理植物纖維放入特制模具內熱壓成型為3mm厚的纖維板；其中，熱壓成型的溫度為170℃，熱壓成型的時間為10分鐘；

(3)將步驟(2)得到的纖維板放到沖床上沖壓成直徑為6mm的小圓片(附圖3)，得到苧麻植物纖維。

一種聚合物基復合材料，包含以下重量份的組分：

熱塑性pvc塑料80份、苧麻植物纖維25份、馬來酸酐接枝聚丙烯2份、聚乙烯蠟0.8份、抗氧劑10100.5份、抗氧劑1680.5份。

一種上述聚合物基復合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將上述各組分加入到混料機中，在轉速為400r/min下，混合15分鐘，混合均勻后，得到混合料；

(2)利用拉伸流變擠出機，將步驟(1)得到的混合料進行擠出造粒，得到復合材料顆粒；其中拉伸流變擠出機轉子直徑為40mm，機筒1區溫度150℃，二區溫度為200℃，三區溫度200℃，模頭溫度200℃，轉子轉速設定為60r/min。

(3)將步驟(2)所得復合材料顆粒進行注射成型，得到所述聚合物基復合材料。

實施例3

本發明所述植物纖維的一種實施例，本實施例所述植物纖維通過以下方法制備所得：

(1)將麥秸稈短切植物纖維放入特制攪拌設備內進行攪拌，同時噴灑脲醛質量百分含量為40％的脲醛溶液，所述脲醛溶液的用量為短切植物纖維質量的30％，得到預處理植物纖維；其中，攪拌速度為40r/min，攪拌時間為7分鐘；

(2)將步驟(1)得到的預處理植物纖維放入特制模具內熱壓成型為4mm厚的纖維板；其中，熱壓成型的溫度為180℃，熱壓成型的時間為7分鐘；

(3)將步驟(2)得到的纖維板放到沖床上沖壓成直徑為9mm的小圓片(附圖3)，得到麥秸稈植物纖維。

一種聚合物基復合材料，包含以下重量份的組分：

熱塑性abs塑料90份、麥秸稈植物纖維40份、馬來酸酐接枝聚丙烯3份、聚乙烯蠟1份、抗氧劑10101份、抗氧劑1680.8份。

一種上述聚合物基復合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將上述各組分加入到混料機中，在轉速為400r/min下，混合20分鐘，混合均勻后，得到混合料；

(2)利用拉伸流變擠出機，將步驟(1)得到的混合料進行擠出造粒，得到復合材料顆粒；其中拉伸流變擠出機轉子直徑為40mm，機筒1區溫度150℃，二區溫度為200℃，三區溫度200℃，模頭溫度200℃，轉子轉速設定為60r/min。

(3)將步驟(2)所得復合材料顆粒進行注射成型，得到所述聚合物基復合材料。

實施例4

本實施例作為本發明所述聚合物基復合材料的一種對比例，本實施例所述植物纖維通過以下方法制備所得：

(1)稱取熱塑性塑料pp或樹脂80～100份，輕質碳酸鈣(1250目)10～40份，馬來酸酐接枝pp2～4份，聚乙烯蠟0.5～1份，白礦油0.5～1份，抗氧劑10100.5～1份，抗氧劑1680.5～1份，加入到混合機中，混合10～20分鐘；混合速度400r/min。

(2)將混好的原料用平行雙螺桿擠出機擠出造粒，得到復合材料顆粒；其中螺桿直徑為20mm，機筒1區溫度170℃，機筒2區溫度為180℃，機筒3區溫度190℃，機筒4區溫度190℃，機筒5區溫度為190℃，機筒6區溫度200℃，模頭溫度200℃。螺桿轉速設定為120rpm，喂料速度50rpm。

(3)將制備好的復合材料顆粒采用注射成型制備成測試樣條。

實施例5

本實施例作為本發明所述聚合物基復合材料的一種對比例，本實施例所述植物纖維通過以下方法制備所得：

(1)將短切植物纖維加入磨粉機內，制成80目的植物纖維粉末，植物纖維粉末過篩率大于90％；

(2)稱取熱塑性塑料或樹脂80～100份，第1步制備的劍麻粉末10～40份，馬來酸酐接枝pp2～4份，聚乙烯蠟0.5～1份，抗氧劑10100.5～1份，抗氧劑1680.5～1份，加入到混料機中，混合10～20分鐘；混合速度400r/min；

(3)將混好的原料用平行雙螺桿擠出機擠出造粒，得到復合材料顆粒；其中螺桿直徑為20mm，機筒1區溫度170℃，機筒2區溫度為180℃，機筒3區溫度190℃，機筒4區溫度190℃，機筒5區溫度為190℃，機筒6區溫度200℃，模頭溫度200℃。螺桿轉速設定為120rpm，喂料速度50rpm；

(4)將制備好的復合材料顆粒采用注射成型制備成測試樣條。

實施例6

本實施例對本發明所述聚合物基復合材料的性能進行測試分析，將實施例1～3設置為實驗組1～3，將實施例4方法中的各成分含量分別與實施例1～3相同，設置三組對照組，分別為對照組1～3，將實施例5方法中的各成分含量分別與實施例1～3相同，設置三組對照組，分別為對照組4～6，實驗組1～3和對照組1～6的性能測試結果如表1所示：

表1聚合物基復合材料的性能測試結果

從表1中可以看出，實驗組中的各性能明顯優于對照組，這說明與現有技術中常用的方法相比，本發明所述植物纖維的制備方法及所述聚合物基復合材料的制備方法，制備得到的聚合物基復合材料，各性能明顯得到了增強。

此外，本實施例分別對對照組和實驗組所得聚合物基復合材料進行了掃描電鏡分析，如附圖4(對照組所得聚合物基復合材料)和附圖5(實驗組所得聚合物基復合材料)所示，從圖4可以看出，對照組所得聚合物基復合材料中，植物纖維分散困難且被剪切變短；從圖5可以看出，實驗組所得聚合物基復合材料中，植物纖維均勻分散且長度保持良好，從而保證短切植物纖維的增強功能。

最后所應當說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對本發明保護范圍的限制，盡管參照較佳實施例對本發明作了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的實質和范圍。