一種農(nóng)作物豆秸稈纖維復(fù)合材料的制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種農(nóng)作物豆秸稈纖維復(fù)合材料的制備方法，包括將豆秸稈進(jìn)行清洗和混合酸液預(yù)處理，然后將預(yù)處理后的秸稈粉碎，再與硅烷偶聯(lián)劑和丙烯酸混合接枝改性劑、乙醇和水的混合溶液進(jìn)行反應(yīng)，制備農(nóng)作物豆秸稈纖維復(fù)合材料。采用特定的混合酸和表面化學(xué)接枝技術(shù)，能去除秸稈表面的硅質(zhì)和高堿緩沖能力，改變秸稈表面性能，消除秸稈表面不利于膠合物質(zhì)對(duì)產(chǎn)品性能造成的負(fù)影響；經(jīng)處理過(guò)的豆秸稈，浸潤(rùn)性增加，可增強(qiáng)各類(lèi)膠粘劑與之的物理化學(xué)結(jié)合作用，有利于秸稈的工業(yè)化利用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種農(nóng)作物豆秸稈纖維復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于農(nóng)作物廢棄再利用【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及秸桿表面處理，尤其涉及一種農(nóng)作物豆秸桿纖維復(fù)合材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]我國(guó)是一個(gè)森林資源貧乏的國(guó)家，據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，雖然全國(guó)森林面積居世界第5位，森林覆蓋率和森林蓄積量居世界第7位，人工林面積居世界首位，但是，全國(guó)人均占有森林面積只相當(dāng)于世界人均的21.3%，人均森林蓄積量只占世界平均水平的1/8，森林覆蓋率相當(dāng)于世界的61.3%。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，我國(guó)年人均木材消耗量只有0.22m3，而世界平均為0.65 m3，發(fā)達(dá)國(guó)家平均為1.16m3，發(fā)展中國(guó)家平均則有0.47m3，我國(guó)在2000年木材供應(yīng)缺口達(dá)6000萬(wàn)m3，我國(guó)人造板產(chǎn)量在1997年全國(guó)工業(yè)普查統(tǒng)計(jì)為1648.40萬(wàn)m3，并且是以消耗大量木材資源、生態(tài)環(huán)境遭到破壞為代價(jià)，1998年長(zhǎng)江流域的特大洪災(zāi)后，國(guó)家制定了系列限伐、禁伐的政策，并啟動(dòng)了天然林保護(hù)工程，因此木材產(chǎn)量調(diào)減，使得我國(guó)板材市場(chǎng)的供需矛盾更加突出，節(jié)約木材，發(fā)展木材替代品是我國(guó)林業(yè)產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展的方向。
[0003]我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，可提供纖維的植物種類(lèi)多、分布廣、生長(zhǎng)快、產(chǎn)量大。大豆是我國(guó)四大農(nóng)作物之一，每年全國(guó)種植面積約I億余畝，主要產(chǎn)區(qū)在東北、黃淮流域、長(zhǎng)江流域、長(zhǎng)江以南等地區(qū)。每年豆秸產(chǎn)量達(dá)800余萬(wàn)噸，除部分作為燃料外大部分未得到利用。由于我國(guó)森林資源短缺，木材的供應(yīng)日趨緊張，木材人造板的生產(chǎn)已受到一定程度的影響，尋找新的人造板代用原料已勢(shì)在必行，如豆秸能在刨花板生產(chǎn)中得到充分的利用，既可緩解木材供需矛盾，同時(shí)又為刨花板工業(yè)拓寬了原料來(lái)源。
[0004]豆桿的化學(xué)成分很接近木材，但其結(jié)構(gòu)疏松、纖維細(xì)胞含量低于木材、溶液抽提物含量較高、灰分大、表面活性較木材纖維低，其本身強(qiáng)度低于木材，在膠接過(guò)程中易引起膠接不良，因此，從改變豆桿表面活性入手，對(duì)豆桿表面進(jìn)行處理，并采用化學(xué)接枝方法將具有反應(yīng)活性官能團(tuán)或極性基團(tuán)引入豆桿纖維表面，以提高其表面活性，為豆桿的工業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
[0005]相關(guān)的研究主要有如下文獻(xiàn):農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(7): 180-184，針對(duì)西部地區(qū)產(chǎn)量較高的4種秸桿:棉桿、豆桿、煙桿和辣椒桿，研究其組織結(jié)構(gòu)、纖維形態(tài)及化學(xué)組成等原料特性，并利用脲醛膠壓制了 4種秸桿的重組材，但該法對(duì)豆桿等表面沒(méi)有進(jìn)行實(shí)質(zhì)性處理，對(duì)后期膠接強(qiáng)度會(huì)有影響。
[0006]木材工業(yè)，1997，11 (4): 15_17，分析了整株豆秸的化學(xué)成分，研究了用豆秸制造刨花板的工藝，并分析了不同工藝條件對(duì)刨花板性能的影響，認(rèn)為豆秸是制造刨花板適用的原料。但該工藝未對(duì)豆桿表面進(jìn)行處理，豆秸的pH值和堿緩沖能力均高于木材。由于pH值和堿緩沖能力直接影響膠合程度，所以在豆秸刨花板的生產(chǎn)中施膠時(shí)易產(chǎn)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，而且需要加大固化劑的用量或延長(zhǎng)熱壓時(shí)間，才能保證產(chǎn)品質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]解決的技術(shù)問(wèn)題:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種農(nóng)作物豆秸桿纖維復(fù)合材料的制備方法，去除豆秸桿表面的硅質(zhì)和高堿緩沖能力，消除不利于膠合的影響，增強(qiáng)豆秸桿對(duì)水的浸潤(rùn)性能。
[0008]技術(shù)方案:本發(fā)明提供的農(nóng)作物豆秸桿纖維復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟:
(1)將豆秸桿用水洗凈，置于燒杯中，然后加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2^5%的鹽酸和磷酸(鹽酸和磷酸的質(zhì)量比為1:0.廣9)的混合酸液，于2(T80°C蒸煮l(T100min，混合酸液的用量為豆秸桿質(zhì)量的80~600% ；
(2)取出豆秸桿，用水沖洗至pH測(cè)試呈中性，90°C烘箱烘干，置于粉碎機(jī)(功率為100(T2000W、轉(zhuǎn)速為150(T3000r/min)下粉碎l(T40min，磨成豆秸桿粉；
(3)取步驟(2)所制得的豆秸桿粉，加入硅烷偶聯(lián)劑和丙烯酸的混合接枝改性劑(硅烷偶聯(lián)劑和丙烯酸的質(zhì)量比為1:0.1、)、乙醇和水的混合溶液，攪拌均勻后反應(yīng)l(T100min，混合接枝改性劑用量為豆秸桿粉質(zhì)量的廣15%，乙醇的用量為豆秸桿粉質(zhì)量的20-100%，水的用量為豆秸桿粉質(zhì)量的10~120% ;然后在4(T10(TC烘箱中干燥l(T70min，即可得到豆秸桿纖維復(fù)合材料。
[0009]所述硅烷偶聯(lián)劑為Y-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、Y-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)、甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(ΚΗ570)、Ν- β (氨乙基)-Y -氨丙基三甲氧基硅烷(KH792)、N- ( β-氨乙基)-y-氨丙基甲基二甲氧基硅烷(DL602)或y-氨丙基三甲氧基硅烷(ΚΗ845)中的任一種。 [0010]有益效果:由于秸桿細(xì)胞的結(jié)構(gòu)特征和化學(xué)組分與木材不完全相同，故采用傳統(tǒng)的辦法進(jìn)行物料破碎或纖維分離，得率低，形態(tài)差，影響了產(chǎn)品的物理力學(xué)性能，本發(fā)明采用特定的混合酸和表面化學(xué)接枝技術(shù)，能去除秸桿表面的硅質(zhì)和高堿緩沖能力，改變秸桿表面性能，消除秸桿表面不利于膠合物質(zhì)對(duì)產(chǎn)品性能造成的負(fù)影響；經(jīng)處理過(guò)的豆秸桿，浸潤(rùn)性增加，可增強(qiáng)各類(lèi)膠粘劑與之的物理化學(xué)結(jié)合作用，有利于秸桿的工業(yè)化利用。
【具體實(shí)施方式】
[0011]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，以使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明，但本發(fā)明并不因此局限于以下實(shí)施例。實(shí)施例中所用豆秸桿產(chǎn)自江蘇丹陽(yáng)，經(jīng)除雜、自然晾干后收集；硅烷偶聯(lián)劑購(gòu)自南京曙光硅烷化工有限公司；其余化學(xué)試劑均購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
[0012]實(shí)施例1
稱取10g豆秸桿用水洗凈，置于燒杯中，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%的混合酸液(鹽酸和磷酸的質(zhì)量比1:9) 80g，20°C蒸煮20min ;取出豆秸桿，用水沖洗至pH測(cè)試呈中性，在90°C烘箱中烘干，粉碎機(jī)1000W功率、轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分鐘下粉碎lOmin，磨成豆秸桿粉；稱取50g豆秸桿粉，加入0.05g硅烷偶聯(lián)劑KH550和0.45g丙烯酸的混合接枝改性劑、1g乙醇和5g水的混合溶液，反應(yīng)40min ;在40°C烘箱中干燥1min,得到豆稻桿纖維復(fù)合材料樣品(DJG-1)0
[0013]實(shí)施例2
稱取10g豆秸桿用水洗凈，置于燒杯中，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的混合酸液(鹽酸和磷酸的質(zhì)量比2:8)100g，30°C蒸煮1min ;取出豆秸桿，用水沖洗至pH測(cè)試呈中性，在90°C烘箱中烘干，粉碎機(jī)1200W功率、轉(zhuǎn)速為1800轉(zhuǎn)/分鐘下粉碎lOmin，磨成豆秸桿粉；稱取50g豆秸桿粉，加入0.9g硅烷偶聯(lián)劑KH560和0.1g丙烯酸的混合接枝改性劑、15g乙醇和1g水的混合溶液，反應(yīng)1min ;在50°C烘箱中干燥20min，得到豆秸桿纖維復(fù)合材料樣品(DJG-2)。
[0014]實(shí)施例3
稱取10g豆秸桿用洗凈，置于燒杯中，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%的混合酸液(鹽酸和磷酸的質(zhì)量比5:5)300g，50°C蒸煮45min ;取出豆秸桿，用水沖洗至pH測(cè)試呈中性，在90°C烘箱中烘干，粉碎機(jī)1300W功率、轉(zhuǎn)速為1600轉(zhuǎn)/分鐘下粉碎15min，磨成豆秸桿粉；稱取50g豆秸桿粉，加入0.2g硅烷偶聯(lián)劑KH570和1.8g丙烯酸的混合接枝改性劑、20g乙醇和20g水的混合溶液，反應(yīng)40min ;在60°C烘箱中干燥30min，得到豆秸桿纖維復(fù)合材料樣品(DJG-3)。
[0015]實(shí)施例4
稱取10g豆秸桿用水洗凈，置于燒杯中，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%的混合酸液(鹽酸和磷酸的質(zhì)量比4:6)20(^，601:蒸煮55 1^11 ;取出豆秸桿，用水沖洗至pH測(cè)試呈中性，在80°C烘箱中烘干，粉碎機(jī)1500W功率、轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/分鐘下粉碎25min，磨成豆秸桿粉；稱取50g豆秸桿粉，加入2.0g硅烷偶聯(lián)劑KH792和0.5g丙烯酸的混合接枝改性劑、50g乙醇和20g水的混合溶液，反應(yīng)50min ;在70°C烘箱中干燥30min，得到豆秸桿纖維復(fù)合材料樣品(DJG-4)。 [0016]實(shí)施例5
稱取10g豆秸桿用水洗凈，置于燒杯中，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%的混合酸液(鹽酸和磷酸的質(zhì)量比2:8) 150g，70°C蒸煮60min ;取出豆秸桿，用水沖洗至pH測(cè)試呈中性，在90°C烘箱中烘干，粉碎機(jī)1800W功率、轉(zhuǎn)速為2500轉(zhuǎn)/分鐘下粉碎20min，磨成豆秸桿粉；稱取50g豆秸桿粉，加入5.0g硅烷偶聯(lián)劑DL602和2.5g丙烯酸的混合接枝改性劑、50g乙醇和50g水的混合溶液,反應(yīng)10min ;在100°C烘箱中干燥70min,得到豆稻桿纖維復(fù)合材料樣品(DJG-5)。
[0017]實(shí)施例6
稱取10g豆秸桿用水洗凈，置于燒杯中，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%的混合酸液(鹽酸和磷酸的質(zhì)量比3:7)500g，80°C蒸煮70min ;取出豆秸桿，用水沖洗至pH測(cè)試呈中性，在90°C烘箱中烘干，粉碎機(jī)2000W功率、轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分鐘下粉碎40min，磨成豆秸桿粉；稱取50g豆秸桿粉，加入2.4g硅烷偶聯(lián)劑KH845和0.6g丙烯酸的混合接枝改性劑、55g乙醇和60g水的混合溶液，反應(yīng)90min ;在80°C烘箱中干燥60min，得到豆秸桿纖維復(fù)合材料樣品(DJG-6)。
[0018]實(shí)施例7
稱取10g豆秸桿用水洗凈，置于燒杯中，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5%的混合酸液(鹽酸和磷酸的質(zhì)量比4:6) 600g，80°C蒸煮10min ;取出豆秸桿，用水沖洗至pH測(cè)試呈中性，在90°C烘箱中烘干，粉碎機(jī)1800W功率、轉(zhuǎn)速為2500轉(zhuǎn)/分鐘下粉碎35min，磨成豆秸桿粉；稱取50g豆秸桿粉，加入0.9g硅烷偶聯(lián)劑KH550和0.1g丙烯酸的混合接枝改性劑、45g乙醇和55g水的混合溶液,反應(yīng)80min ;在80°C烘箱中干燥70min,得到豆稻桿纖維復(fù)合材料樣品(DJG-7)。
[0019]實(shí)施例8
稱取10g豆秸桿用水洗凈，置于燒杯中，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.0%的混合酸液(鹽酸和磷酸的質(zhì)量比5:5)400g，45°C蒸煮85min ;取出豆秸桿，用水沖洗至pH測(cè)試呈中性，在90°C烘箱中烘干，粉碎機(jī)1500W功率、轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分鐘下粉碎35min，磨成豆秸桿粉；稱取50g豆秸桿粉，加入3.6g硅烷偶聯(lián)劑KH560和0.4g丙烯酸的混合接枝改性劑、40g乙醇和55g水的混合溶液，反應(yīng)70min ;在90°C烘箱中干燥60min，得到豆秸桿纖維復(fù)合材料樣品(DJG-8)。
[0020]實(shí)施例9
稱取10g豆秸桿用水洗凈，置于燒杯中，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.5%的混合酸液(鹽酸和磷酸的質(zhì)量比6:4)350g，65°C蒸煮55min ;取出豆秸桿，用水沖洗至pH測(cè)試呈中性，在90°C烘箱中烘干，粉碎機(jī)1000W功率、轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分鐘下粉碎25min，磨成豆秸桿粉；稱取50g豆秸桿粉，加入3.5g硅烷偶聯(lián)劑KH570和1.0g丙烯酸的混合接枝改性劑、40g乙醇和60g水的混合溶液，反應(yīng)70min ;在80°C烘箱中干燥50min，得到豆秸桿纖維復(fù)合材料樣品(DJG-9)。
[0021]實(shí)施例10
稱取10g豆秸桿用水洗凈，置于燒杯中，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.0%的混合酸液(鹽酸和磷酸的質(zhì)量比7:3)600g，50°C蒸煮90min ;取出豆秸桿，用水沖洗至pH測(cè)試呈中性，在90°C烘箱中烘干，粉碎機(jī)1200W功率、轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/分鐘下粉碎40min，磨成豆秸桿粉；稱取50g豆秸桿粉，加入2.5g硅烷偶聯(lián)劑DL602和2.5g丙烯酸的混合接枝改性劑、35g乙醇和50g水的混合溶液，反應(yīng)85min ;在90°C烘箱中干燥60min，得到豆秸桿纖維復(fù)合材料樣品(DJG-10)。
[0022]實(shí)施例11
稱取10g豆秸桿用水洗凈，置于燒杯中，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%的混合酸液(鹽酸和磷酸的質(zhì)量比7:3)400g，60°C蒸煮85min ;取出豆秸桿，用水沖洗至pH測(cè)試呈中性，在90°C烘箱中烘干，粉碎機(jī)1500W功率、轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/分鐘下粉碎20min，磨成豆秸桿粉；稱取50g豆秸桿粉，加入1.5g硅烷偶聯(lián)劑KH550和1.5g丙烯酸的混合接枝改性劑、35g乙醇和45g水的混合溶液，反應(yīng)60min。在70°C烘箱中干燥40min，得到豆秸桿纖維復(fù)合材料樣品(DJG-11)。
[0023]實(shí)施例12
稱取10g豆秸桿用水洗凈，置于燒杯中，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的混合酸液(鹽酸和磷酸的質(zhì)量比l:9)500g，60°C蒸煮50min ;取出豆秸桿，用水沖洗至pH測(cè)試呈中性，在90°C烘箱中烘干，粉碎機(jī)1000W功率、轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分鐘下粉碎15min，磨成豆秸桿粉；稱取50g豆秸桿粉，加入2.0g硅烷偶聯(lián)劑KH550和2.0g丙烯酸的混合接枝改性劑、20g乙醇和20g水的混合溶液，反應(yīng)30min ;在601:烘箱中干燥25min，得到豆秸桿纖維復(fù)合材料樣品(DJG-12)。
[0024]將未經(jīng)處理的豆秸桿(僅用水洗凈、烘干后磨成粉)原樣(DJG-0)、豆秸桿纖維復(fù)合材料樣品在壓片機(jī)上壓成小片，在CM20型表面張力儀/接觸角儀上，測(cè)定其表面與水所形成的接觸角，結(jié)果如下表1所示:
表1表面處理的纖維復(fù)合材料豆稻桿樣品表面與水所形成的接觸角
【權(quán)利要求】
1.一種農(nóng)作物豆秸桿纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟: (1)將豆秸桿用水洗凈，置于容器中，然后加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2^5%的鹽酸和磷酸的混合酸液，于2(T80°C蒸煮l(TlOOmin，混合酸液的用量為豆秸桿質(zhì)量的80~600% ； (2)取出豆秸桿，用水沖洗至pH呈中性，90°C烘箱烘干，置于粉碎機(jī)下粉碎l(T40min，磨成豆秸桿粉； (3)取步驟(2)所制得的豆秸桿粉，加入硅烷偶聯(lián)劑和丙烯酸的混合接枝改性劑、乙醇和水的混合溶液，攪拌均勻后反應(yīng)l(TlOOmin，混合接枝改性劑用量為豆秸桿粉質(zhì)量的廣15%，乙醇的用量為豆秸桿粉質(zhì)量的20-100%，水的用量為豆秸桿粉質(zhì)量的10-120% ;然后在40-100?烘箱中干燥l(T70min，即可得到豆秸桿纖維復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的農(nóng)作物豆秸桿纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述鹽酸和磷酸的質(zhì)量比為1:0.1-90
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的農(nóng)作物豆秸桿纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述粉碎機(jī)功率為 100(T2000W、轉(zhuǎn)速為 150(T3000r/min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的農(nóng)作物豆秸桿纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于硅烷偶聯(lián)劑和丙烯酸質(zhì)量比為1:0.1-9?
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的農(nóng)作物豆秸桿纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述硅烷偶聯(lián)劑為Y-氨丙基三乙氧基硅烷、Y-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、甲基丙烯酰氧基丙基二甲氧基硅烷、N-β (氣乙基)_ Y _氣丙基二甲氧基硅烷、N-(爲(wèi)-氣乙基-^-氣丙基甲基二甲氧基硅烷或Y-氨丙基三甲氧基硅烷中的任一種。
【文檔編號(hào)】B27N1/00GK104029268SQ201410268888
【公開(kāi)日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月17日
【發(fā)明者】徐吉成, 蔣艷, 徐濱濱 申請(qǐng)人:鎮(zhèn)江市高等專(zhuān)科學(xué)校