一種纖維素熱塑材料及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種纖維素熱塑材料及其制備方法，該熱塑材料由離子液體和纖維素構成，其中，離子液體與纖維素的質量比為20/80～50/50，所述離子液體作為增塑劑，能夠破壞纖維素分子間氫鍵和增加自由體積，以實現對纖維素的塑化。制備是通過預混、混煉、熱機械加工成型和浸漬后烘焙得到。這種纖維素熱塑材料不僅具有可反復成型加工的特點，而且抗增塑劑遷移、結構穩定。本發明提供的纖維素熱塑材料的制備方法與現有技術相比，具有工藝簡單、生產效率高、產品可二次加工的特點，改善了以往纖維素材料形式單一的缺陷，拓寬了纖維素材料的應用領域。
【專利說明】一種纖維素熱塑材料及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于高分子材料【技術領域】，涉及一種纖維素材料及其制備方法，具體是一 種可熱塑加工的纖維素材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 纖維素是由綠色植物通過光合作用產生的糖類大分子，具有優良的機械性能、生 物相容性、可生物降解性和可再生性。其產量豐富、價格低廉，是石油基合成聚合物材料最 具潛力的替代品之一。纖維素材料的開發和利用對國民經濟發展和可持續發展戰略的實施 具有重要意義。
[0003] 目前的纖維素材料通常采用特殊的溶劑依靠溶液加工而制備。如專利 KR20010038732A和CN1358769A分別公開了基于一水合N-甲基嗎啉-N-氧化物和氫氧化 鈉-尿素溶解體系的再生纖維素纖維或膜的制備方法。專利CN101085838A公開了一種纖 維素含量不超過30%的離子液體-纖維素溶液的連續制備方法。專利0附03709435八和 CN103627023A分別公開了溶解法制備纖維素凝膠和泡沫的方法。
[0004] 與溶液法相比，熔融加工法具有能耗低、環境污染小、生產效率高等優點，成為高 分子材料更理想的制備方法。但纖維素分子結構中存在的大量羥基使其形成了強分子內和 分子間氫鍵，導致純纖維素的熔融溫度高于其分解溫度，無法進行熔融加工。
【發明內容】
[0005] 本發明針對目前純纖維素無法熔融加工的缺點，提供了一種可熔融加工的纖維素 熱塑材料及其制備方法。
[0006] 本發明的一種纖維素熱塑材料，其特征在于，該材料由離子液體和纖維素構成，其 中，離子液體與纖維素的質量比為20/80?50/50,所述離子液體作為增塑劑，能夠破壞纖 維素分子間氫鍵和增加自由體積，以實現對纖維素的塑化。
[0007] 本發明的纖維素熱塑材料的制備方法，具體步驟如下：
[0008] 1)將作為增塑劑的離子液體與纖維素按照質量比為20/80?50/50預混合后，置 于混煉機中，在熱剪切作用下混煉，制得可反復熱塑成型的纖維素基料；
[0009] 2)將步驟1)制得的纖維素基料通過熱成型設備進行熱機械加工成型，制得熱塑 性纖維素初級材料；
[0010] 3)將步驟2)制得的熱塑性纖維素初級材料置于硬脂酸溶液中浸漬后烘焙，制得 本發明的纖維素熱塑材料。
[0011] 上述二個技術方案中，所述纖維素為長度小于10毫米的天然纖維素，或粒徑小于 300微米的微晶纖維素粉末中的一種或幾種，所述天然纖維素包括棉絨、木纖維、麻纖維、竹 纖維，或粒徑小于5毫米的秸桿、甘蔗渣、棉漿柏碎塊；所述離子液體為陰離子為氯離子、甲 酸根或乙酸根的離子液體，如1- 丁基-3-甲基咪唑氯鹽、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽、1-乙 基-3-甲基咪唑醋酸鹽、1-丙基-3-甲基咪唑醋酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑醋酸鹽中的一 種或幾種。
[0012] 本發明提供的制備方法中，步驟1)所述混煉機為開煉機或密煉機；所述混煉溫度 為60?150°C，優選溫度為90?130°C。
[0013] 步驟2)所述熱成型設備為雙螺桿擠出機、單螺桿擠出機、注塑機、平板硫化機中 的一種；所述熱機械加工成型溫度為60?180°C，優選溫度為100?160°C。
[0014] 步驟3)所述硬脂酸溶液為硬脂酸的乙醇溶液，硬脂酸溶液的濃度為20? 40g/100ml，浸漬時間為2?20秒；所述烘焙溫度為70?90°C，烘焙時間為0. 5?3小時。
[0015] 本發明的優越性在于提供了一種與纖維素具有良好相容性的離子液體作增塑劑 的纖維素熱塑材料，這種纖維素熱塑材料不僅具有可反復成型加工的特點，而且抗增塑劑 遷移、結構穩定。本發明提供的纖維素熱塑材料的制備方法與現有技術相比，具有工藝簡 單、生產效率高、產品可二次加工的特點，改善了以往纖維素材料形式單一的缺陷，拓寬了 纖維素材料的應用領域。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016] 圖1為實施例1所制備的纖維素熱塑材料的注塑樣條。
[0017] 圖2為實施例2所制備的含離子液體的纖維素熱塑材料的拉伸強度和模量曲線。
[0018] 圖3為實施例3在使用密煉機制備纖維素基料過程中的轉矩變化。
【具體實施方式】
[0019] 下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步說明。在此需要說明的是，對于 這些實施方式的說明用于幫助理解本發明，但并不構成對本發明的限定。此外，下面所描述 的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0020] 實施例1 :
[0021] 取600克棉短絨漿柏分別與257克、400克、600克的1- 丁基-3-甲基咪唑醋酸鹽 混合攪拌，使離子液體被均勻、充分的吸附。將所得預混物置于密煉機中，升溫置90°C并穩 定10分鐘后開始混煉，轉速為45r/min。20分鐘后得到均一的-丁基-3-甲基咪唑醋酸 鹽-纖維素基料。將所得材料破碎后加入注塑機中注射成型，料筒溫度130°C，所得樣條冷 卻后置于20g/100ml硬脂酸乙醇溶液中浸漬2秒，放入70°C烘箱烘焙1小時，即得纖維素含 量分別為70、60、50wt%的離子液體-纖維素熱塑材料的注塑樣條。
[0022] 實施例2 :
[0023] 將80克微晶纖維素與20克1- 丁基-3-甲基咪唑氯鹽混合攪拌，得到表觀均一的 泥狀預混物。將所得預混物置于開煉機上，升溫置130°C并穩定10分鐘后開始混煉，15分鐘 后得到均一的1 _ 丁基_3_甲基咪唑氣鹽-纖維素基料。將所得材料放入5cmX 7cmX 0. 1cm 模具中，置于平板硫化機中，在160°C、20MPa下熱壓成型。取出冷卻后置于40g/100ml硬脂 酸乙醇溶液中浸漬5秒，放入80°C烘箱烘焙0. 5小時，即得纖維素含量為80wt %的離子液 體-纖維素熱塑材料的硬質薄片。
[0024] 實施例3 :
[0025] 將600克秸桿碎塊、甘蔗渣的混合物與400克1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽經初步 攪拌后放入高速混合機中進一步混合，確保離子液體被充分、均勻的吸附。將所得預混物置 于密煉機中，升溫置90°C并穩定10分鐘后開始混煉，轉速為45r/min。20分鐘后得到均一 的1- 丁基-3-甲基咪唑氯鹽-纖維素基料。將所得材料破碎后加后加入長徑比35的雙 螺桿擠出機喂料口。擠出機喂料段、熔融段、計量段及機頭溫度分別為90°C、135°C、145°C、 150°C，螺桿轉速30r/min，以空氣為冷卻介質，切割造粒后得纖維素含量為60wt%的離子 液體-纖維素熱塑材料的粒料。
[0026] 實施例4 :
[0027] 取600克棉短絨漿柏分別與257克、400克、600克的1- 丁基-3-甲基咪唑醋酸鹽 混合攪拌，使離子液體被均勻、充分的吸附。將所得預混物置于密煉機中，升溫置150°C并 穩定10分鐘后開始混煉，轉速為45r/min。20分鐘后得到均一的-丁基-3-甲基咪唑醋酸 鹽-纖維素基料。將所得材料破碎后加入注塑機中注射成型，料筒溫度180°C，所得樣條冷 卻后置于40g/100ml硬脂酸乙醇溶液中浸漬20秒，放入90°C烘箱烘焙3小時，即得纖維素 含量分別為70、60、50wt%的離子液體-纖維素熱塑材料的注塑樣條。
[0028] 實施例5 :
[0029] 將40克微晶纖維素與60克1- 丁基-3-甲基咪唑氯鹽混合攪拌，得到表觀均一的 泥狀預混物。將所得預混物置于開煉機上，升溫置60°C并穩定10分鐘后開始混煉，15分鐘 后得到均一的1 _ 丁基_3_甲基咪唑氣鹽-纖維素基料。將所得材料放入5cmX 7cmX 0. 1cm 模具中，置于平板硫化機中，在60°C、20MPa下熱壓成型。取出冷卻后置于40g/100ml硬脂酸 乙醇溶液中浸漬2秒，放入80°C烘箱烘焙1小時，即得纖維素含量為40wt %的離子液體-纖 維素熱塑材料的硬質薄片。
[0030] 實施例6 :
[0031] 將木纖維、竹纖維、麻纖維切碎后混合，取70克和1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽與 1-丙基-3-甲基咪唑醋酸鹽質量比為1:1的混合物30克攪拌，得到表觀均一的泥狀預混 物。將所得預混物置于開煉機，升溫置ll〇°C并穩定10分鐘后開始混煉。5分鐘后得到均一 的離子液體-纖維素基料。將所得材料，置于平板硫化機中，在l〇〇°C、30MPa下熱壓成型。 取出冷卻后置于40g/100ml硬脂酸乙醇溶液中浸漬5秒，放入80°C烘箱烘焙1小時，得到纖 維素含量為70wt%的離子液體-纖維素熱塑材料的皮革態薄膜。
[0032] 以上所述為本發明的較佳實施例而已，但本發明不應該局限于該實施例和附圖所 公開的內容。所以凡是不脫離本發明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發明保 護的范圍。
【權利要求】
1. 一種纖維素熱塑材料，其特征在于，該材料由離子液體和纖維素構成，其中，離子液 體與纖維素的質量比為20/80?50/50,所述離子液體作為增塑劑，能夠破壞纖維素分子間 氫鍵和增加自由體積，以實現對纖維素的塑化。
2. 根據權利要求1所述的纖維素熱塑材料，其特征在于，所述纖維素為長度小于10毫 米的天然纖維素，或粒徑小于300微米的微晶纖維素粉末中的一種或幾種，所述天然纖維 素包括棉絨、木纖維、麻纖維、竹纖維，或粒徑小于5毫米的秸桿、甘蔗渣、棉漿柏碎塊。
3. 根據權利要求1所述纖維素熱塑材料，其特征在于，所述離子液體為陰離子為氯離 子、甲酸根或乙酸根的離子液體。
4. 根據權利要求1所述的纖維素熱塑材料，其特征在于，所述離子液體為1-丁 基-3-甲基咪唑氯鹽、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽、1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽、1-丙 基-3-甲基咪唑醋酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑醋酸鹽中的一種或幾種。
5. -種纖維素熱塑材料的制備方法，其具體步驟如下： 1) 將作為增塑劑的離子液體與纖維素按照質量比為20/80?50/50預混合后，置于混 煉機中，在熱剪切作用下混煉，制得可反復熱塑成型的纖維素基料； 2) 將步驟1)制得的纖維素基料通過熱成型設備進行熱機械加工成型，制得熱塑性纖 維素初級材料； 3) 將步驟2)制得的熱塑性纖維素初級材料置于硬脂酸溶液中浸漬后烘焙，制得本發 明的纖維素熱塑材料。
6. 根據權利要求5所述纖維素熱塑材料的制備方法，其特征在于，步驟1)所述纖維素 為長度小于10毫米的天然纖維素，或粒徑小于300微米的微晶纖維素粉末中的一種或幾 種，所述天然纖維素包括棉絨、木纖維、麻纖維、竹纖維，或粒徑小于5毫米的秸桿、甘蔗渣、 棉漿柏碎塊；所述離子液體為1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽、1-乙 基-3-甲基咪唑醋酸鹽、1-丙基-3-甲基咪唑醋酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑醋酸鹽中的一 種或幾種。
7. 根據權利要求5所述纖維素熱塑材料的制備方法，其特征在于，步驟1)所述混煉機 為開煉機或密煉機；所述混煉溫度為60?150°C，優選溫度為90?130°C。
8. 根據權利要求5所述纖維素熱塑材料的制備方法，其特征在于，步驟2)所述熱成型 設備為雙螺桿擠出機、單螺桿擠出機、注塑機、平板硫化機中的一種；所述熱機械加工成型 溫度為60?180°C，優選溫度為100?160°C。
9. 根據權利要求5所述纖維素熱塑材料的制備方法，其特征在于，步驟3)所述硬脂酸 溶液為硬脂酸的乙醇溶液，硬脂酸溶液的濃度為20?40g/100ml，浸漬時間為2?20秒。
10. 根據權利要求5所述纖維素熱塑材料的制備方法，其特征在于，步驟3)所述烘焙溫 度為70?90°C，烘焙時間為0. 5?3小時。
【文檔編號】B29B7/00GK104194059SQ201410389238
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月8日 優先權日:2014年8月8日
【發明者】解孝林, 吳俊 , 梁艷艷, 周興平, 廖永貴, 薛志剛 申請人:華中科技大學