專利名稱：一種具有完全降解性的環(huán)保復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種環(huán)保復(fù)合材料及制備方法，特別涉及一種具有完全降解性的環(huán)保復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
資源短缺與環(huán)境污染是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展過程中的副產(chǎn)物。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展步伐的不斷加快，資源短缺和環(huán)境污染也在不斷加劇，已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的絆腳石。資源短缺提高了發(fā)展的成本；環(huán)境污染損害了空氣資源、水資源、土壤資源，并進(jìn)而損害了人類的健康和正常的社會生活。資源短缺和環(huán)境污染已成為擺在世界各國，尤其是發(fā)展中國家面前的嚴(yán)峻問題。在此情況下，充分利用可再生資源，開發(fā)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型的工藝及產(chǎn)品成為科學(xué)及工程技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。植物資源是一種重要的可再生資源，“野火燒不盡，春風(fēng)吹又生”的詩句是植物資源可再生性的鮮明寫照。植物的秸桿支撐植物生長，植物的葉子伸展在空中進(jìn)行光合作用，植物的種殼包裹并保護(hù)著植物的種子。植物的這些部分在生長過程中就體現(xiàn)出了較好的力學(xué)性能，從而起到支撐和保護(hù)的作用，也預(yù)示著植物的秸桿、莖葉、種殼在材料制造中具有重要的應(yīng)用前景。盡管植物資源的種類多樣，數(shù)量龐大，然而這些植物資源在當(dāng)前的利用率并不高，相當(dāng)一部分秸桿、野草、人工植被修剪物在田間被燒掉，既污染了空氣，又浪費(fèi)了資源。如果將這些植物資源進(jìn)行有效利用，則將起到緩解能源及資源短缺，減輕污染，減少溫室氣體排放，提高產(chǎn)品的生物安全性和環(huán)境安全性，保護(hù)人體健康的作用。以植物秸 桿、莖葉、種殼為原料制備復(fù)合材料已有一些報道，但是存在植物資源利用種類不廣泛、只利用植物的部分器官、原料加工處理要求高、制備工藝繁瑣、配料成分復(fù)雜、植物原料往往作為填料使用、植物原料在復(fù)合材料中所占比例偏低、與不可降解高分子材料復(fù)合而使得降解性不充分等問題。針對上述問題，本發(fā)明在系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，探索出了一種具有完全降解性的新型環(huán)保復(fù)合材料及其簡潔高效無污染的制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有完全降解性的環(huán)保復(fù)合材料配方及其制備方法。所述的具有完全降解性的環(huán)保復(fù)合材料具有如下特點(diǎn):主要由植物原料構(gòu)成，一方面提高了植物原料的利用率，另一方面也賦予所制備的復(fù)合材料以更高的生物安全性，并降低了材料的成本；植物的秸桿、莖葉、種殼乃至根均可作為本發(fā)明所述環(huán)保復(fù)合材料的原料，植物的整體利用率大幅提高；植物的種類不僅包括農(nóng)作物，還包括田間雜草、野草、水生雜草、人工栽培植被等類型，植物的種類利用率覆蓋更全面；制備復(fù)合材料時所使用的粘接劑為生物高分子或衍生型生物高分子，具有植物同源性和可降解性；植物原料和粘接劑通過環(huán)境友好型媒介物實(shí)現(xiàn)混合，同時在媒介物的作用及熱壓作用下實(shí)現(xiàn)粘接劑在植物原料表面的鋪展、潤濕和粘接作用。本發(fā)明所述的具有完全降解性的環(huán)保復(fù)合材料的制備方法具有如下特點(diǎn):工藝過程簡潔，易于規(guī)模操作，生產(chǎn)效率高；原料處理及混料在密閉體系中進(jìn)行，防止粉塵污染；生產(chǎn)溫度較低，減少植物原料在熱作用下的破壞，防止材料性能下降，防止熱解產(chǎn)物的產(chǎn)生及生產(chǎn)環(huán)境的空氣污染；脫模方法可靠有效，不僅保護(hù)材料免于機(jī)械損傷，相反成為材料的一部分，增強(qiáng)復(fù)合材料的性能。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種具有完全降解性的環(huán)保復(fù)合材料，其特征在于由植物的秸桿、種殼、莖、葉其中的任意一種或兩種以上混合物及粘接劑、混合媒介物為原料制 成，其中，植物的秸桿、種殼、莖、葉其中的任意一種或兩種以上混合物為復(fù)合材料的主體成分，重量百分比為50%-90%。其中所述的植物類型非常廣泛，包括稻、麥、玉米、棉花、大豆、芝麻、甜菜等農(nóng)作物及各種水生及陸生、野生及栽種的草類；
所述的粘接劑主要成分是淀粉或乙酸酯淀粉；
所述的粘接劑可以是以淀粉為主，搭配使用纖維素、羧甲基纖維素其中的任意一種或兩種的混合物；或是以乙酸酯淀粉為主，搭配使用纖維素、羧甲基纖維素其中的任意一種或兩種的混合物；當(dāng)使用淀粉或乙酸酯淀粉搭配使用纖維素、羧甲基纖維素其中的任意一種或兩種的混合物作為粘接劑時，淀粉或乙Ife酷淀粉為王體，淀粉或乙Ife酷淀粉在粘接劑中的重量百分比為509^100%，纖維素及其改性物為輔助成分。所用的混合媒介為水或淀粉的水溶液或羧甲基纖維素的水溶液；
本發(fā)明還提供了一種制備上述具有完全降解性的環(huán)保復(fù)合材料的方法，包括下列步
驟:
51、將植物原料進(jìn)行干燥處理，使原料中的水含量在5%以下，然后進(jìn)行短切；
52、將短切的植物原料進(jìn)行攪拌式剪切；
53、將剪切的原料與混合媒介物均勻混合；
54、將S3的產(chǎn)物與粘接劑均勻混合；
55、將S4的產(chǎn)物進(jìn)行熱壓制得具有完全降解性的環(huán)保復(fù)合材料。在步驟SI中，將植物原料短切為lmnTl5cm的短切物；在步驟S2中，剪切的時間為Imin Ih0在步驟S3中，剪切的原料是指剪切后的所有物料，也可以是篩分后的粉末或篩出粉末后剩余的物料分別使用；混合媒介物的用量為每100克植物原料使用10ml-50ml媒介物。在步驟S5中，熱壓時間為7mirT2h，熱壓溫度為110°C 200°C，熱壓壓力為6MPa lOOMPa。脫模采用的脫模劑為紙和植物油。本發(fā)明所使用的粘接劑有三個特點(diǎn)，第一個特點(diǎn)是粘接材料屬于高分子物質(zhì)，鏈增長的過程在復(fù)合材料制備之前已經(jīng)完成，而不像使用液態(tài)樹脂那樣是在復(fù)合材料制備過程中完成的，這樣就使得復(fù)合材料的具有更高的尺寸性，防止了固化過程的存在對材料的熱影響，提高了材料的生產(chǎn)效率；無需使用有機(jī)溶劑，減輕了生產(chǎn)過程中的污染，有利于保護(hù)現(xiàn)場操作工人的身體健康；所制備的復(fù)合材料的降解形式主要為水解，無水則基本不降解，解決了制品應(yīng)用與降解之間的矛盾；不使用有機(jī)溶劑，不殘留和釋放有害易揮發(fā)污染物，提高了制品的安全性，有利于保護(hù)使用者的身體健康。第二個特點(diǎn)是粘接劑與植物原料具有結(jié)構(gòu)相似性、化學(xué)相容性，無需外加偶聯(lián)劑，簡化了復(fù)合材料的配方，提高了復(fù)合材料的安全性；第三個特點(diǎn)是粘接材料且是天然高分子物質(zhì)或改性的天然高分子物質(zhì)，也屬于可再生資源，來源方便，價格便宜，一方面確保了整個復(fù)合材料的降解性和生物安全性，另一方面也降低了復(fù)合材料的制造成本。由于本發(fā)明所述的復(fù)合材料基本是由植物原料和來源于植物的粘接材料構(gòu)成，因此使用過程中無毒無害，在合適的使用條件下具有一定的耐久性，而用后廢棄在環(huán)境中則易于降解，且具有完全的降解性，降解產(chǎn)物可以重新參與到自然循環(huán)中去，不會對環(huán)境造成污染和代謝負(fù)擔(dān)，不會像來源于石油、天然氣等不可再生資源的材料那樣造成白色污染，燃燒后又增加了空氣中溫室氣體和有害氣體的含量。為了實(shí)現(xiàn)粘接劑與植物原料的良好混合，本發(fā)明使用了水、生物高分子的水溶液、生物高分子衍生物的水溶液作為混合媒介。首先讓液體混合媒介物與植物原料混合，實(shí)現(xiàn)混合媒介物在植物原料表面的分布，從而具有對粘接材料的吸附能力，然后再使表面分布了混合媒介物的植物原料與粘接劑混合。采用液態(tài)混合媒介物能夠使植物原料和粘接劑實(shí)現(xiàn)均勻混合，防止在混合過程中分層；能夠降低植物原料的流動性，增加植物原料的可塑性和保形性，使得裝模過程容易進(jìn)行；如果使用溶液作為混合媒介物，則溶液中的溶質(zhì)成分還具有對復(fù)合材料改性和表面涂覆的效果。本發(fā)明所述的具有完全降解性的環(huán)保復(fù)合材料的制備方法采用了熱壓法，與擠出法相比，生產(chǎn)效率更高，操作更簡便。同時 ，由于使用了液態(tài)混合媒介物，熱壓過程具有水熱加工的特點(diǎn)。水熱狀態(tài)下，粘接劑更容易塑化，并實(shí)現(xiàn)植物原料之間的粘合，消除植物原料表面的蠟質(zhì)對復(fù)合材料性能的影響，消除了脫蠟步驟，簡化了生產(chǎn)工藝?；旌厦浇槲镏械乃軌蛟陂_模時以氣態(tài)形式放出，在材料內(nèi)部留下均勻的孔道，提高了材料的保溫性及減震性。生產(chǎn)現(xiàn)場無臭無污染，相反有一種熟玉米的怡人氣味。本發(fā)明所述的具有完全降解性的環(huán)保復(fù)合材料的制備方法創(chuàng)新性地采用了紙和植物油脫模法，方法簡潔有效，成本低廉。如果不是用于制造食品容器，可以使用回收的各種廢紙。將紙放置在復(fù)合材料周邊，然后在模具上刷少許植物油，熱壓后可輕松取出樣品，比單純使用植物油脫模效率高得多，而且脫模紙與復(fù)合材料結(jié)合緊密，無需去除，提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度，改進(jìn)了復(fù)合材料的表面平整性，實(shí)現(xiàn)了廢紙的變廢為寶。本發(fā)明所述的具有完全降解性的環(huán)保復(fù)合材料可代替部分塑料使用，減輕白色污染，減輕石油資源的消耗；可以代替部分木材使用，減輕濫砍濫伐造成的水土流失。所制備的復(fù)合材料經(jīng)表面涂飾后可用于制造玩具、家具、容器、內(nèi)包裝箱、復(fù)合式食品包裝盒的支撐部分、室內(nèi)裝修及裝飾材料、建筑物內(nèi)廣告材料等，用途廣泛。它的使用，有利于減輕環(huán)境污染，保護(hù)人們身體健康，提高人們的環(huán)保意識。由于所用的植物資源類型廣泛，不僅限于農(nóng)作物，也可以是田間雜草、野草、水生雜草、人工栽培植被等，有利于解決農(nóng)作物資源的季節(jié)性收獲帶來的資源不足問題。


圖1為本發(fā)明按具體實(shí)施方式
1，改變其中的粘接劑用量所制備的一系列環(huán)保復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度變化規(guī)律。
圖2為本發(fā)明按具體實(shí)施方式
1，改變其中的粘接劑用量所制備的一系列環(huán)保復(fù)合材料的邵氏硬度變化規(guī)律。圖3為本發(fā)明按具體實(shí)施方式
1，改變其中的混合媒介用量所制備的一系列環(huán)保復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度變化規(guī)律。圖4為本發(fā)明按具體實(shí)施方式
1，改變其中的混合媒介用量所制備的一系列環(huán)保復(fù)合材料的邵氏硬度變化規(guī)律。圖5為本發(fā)明按具體實(shí)施方式
1，改變其中的熱壓溫度所制備的一系列環(huán)保復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度變化規(guī)律。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
將草坪修剪所得的廢棄草曬干，剪成長度為4.0 cm左右的短切物，在四葉渦輪式機(jī)械攪拌混合器中密閉剪切5 min。稱取1000克剪切物，置于攪拌罐內(nèi)，加400 mL自來水，攪拌5 min,使草表面被均勻潤濕,然后稱取200克玉米淀粉,加到原料罐中，攪拌5 min使草與粘接劑均勻混合。在模具表面涂刷一薄層菜籽油，下模具中放置脫模用紙，然后將混合物料裝入模具中，再在物料上面覆蓋一層脫模用紙，蓋上上模具。將裝有物料的模具放置在溫度為135°C的壓板之間，加壓至12 MPa，熱壓10 min，取下模具，冷卻至30°C后開模即得具有完全降解性的環(huán)保復(fù)合材料，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到4.5MPa。圖1為本發(fā)明按具體實(shí)施方式
1，改變其中的粘接劑用量所制備的一系列環(huán)保復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度變化規(guī)律。由圖可見隨粘接劑用量的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。隨著粘接劑用量增加，植物原料剪切物之間的結(jié)合點(diǎn)增加，結(jié)合越牢固，拉伸強(qiáng)度逐漸提高。但當(dāng)粘接用量過多時，粘接 劑在復(fù)合材料中的分布不均，形成粘接劑的聚集區(qū)，在材料中構(gòu)成了新的結(jié)構(gòu)缺陷，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度反而降低。圖2為本發(fā)明按具體實(shí)施方式
1，改變其中的粘接劑用量所制備的一系列環(huán)保復(fù)合材料的邵氏硬度變化規(guī)律。測量時在板狀樣品中心取邊長為4cm的正方形，測量正方形四個頂點(diǎn)的硬度，四個頂點(diǎn)分別表示為1，2，3，4。由圖可見，每一個樣品表面硬度波動范圍都較小，而且受粘接劑用量的影響較小。圖3為本發(fā)明按具體實(shí)施方式
1，改變其中的混合媒介用量所制備的一系列環(huán)保復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度變化規(guī)律。由圖可見，隨媒介物用量的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，這是因?yàn)檎辰觿┍旧碓跓釅鹤饔孟虏荒芩芑?，需要借助媒介物的作用，媒介物的用量增加，粘接劑在物料中的分散能力增?qiáng)，材料的拉伸強(qiáng)度逐漸增加；媒介物的用量過大，本身會部分地殘留在復(fù)合材料中，起到了增塑的作用，從而使復(fù)合材料的強(qiáng)度降低。圖4為本發(fā)明按具體實(shí)施方式
1，改變其中的混合媒介用量所制備的一系列環(huán)保復(fù)合材料的邵氏硬度變化規(guī)律。由圖可見，如同改變粘接劑用量所制備的樣品一樣，不同媒介物用量的條件下，復(fù)合材料的硬度也相對較均勻。媒介物用量過多和過少時，硬度相對偏低。媒介物用量過多時，殘余的媒介物起到增塑作用，材料較軟；媒介物用量過少時，粘接劑塑化程度低，材料強(qiáng)度低，因此硬度也較小。圖5為本發(fā)明按具體實(shí)施方式
1，改變其中的熱壓溫度所制備的一系列環(huán)保復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度變化規(guī)律。由圖可見，隨熱壓溫度的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度先增加后減小。隨著熱壓溫度的增加，粘接劑塑化程度增加，在植物原料中的分布均勻性增加，粘接性能增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度從而增加；熱壓溫度過高，植物原料在熱的作用下形成內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷或發(fā)生變性，從而又使復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度降低。實(shí)施例2
將大豆桿曬干，短切為2.0 cm的短切物，在四葉渦輪式機(jī)械攪拌混合器中密閉剪切20min。稱取1000克剪切物，置于攪拌罐內(nèi)，加200 mL質(zhì)量含量為2%的淀粉溶液，攪拌5 min,使植大豆桿剪切物表面被均勻潤濕，然后稱取300克玉米淀粉，加到原料罐中，攪拌10 min使植物原料與粘接劑均勻混合。在模具表面涂刷一薄層菜籽油，下模具中放置脫模用紙，然后將混合物料裝入模具中，再在物料上面覆蓋一層脫模用紙，蓋上上模具。將裝有物料的模具放置在溫度為140°C的壓板之間， 加壓至20 MPa，熱壓15 min，取下模具，冷卻至30°C后開模即得具有完全降解性的環(huán)保復(fù)合材料，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到6.3MPa。實(shí)施例3
將棉花桿曬干，短切為2.0 cm的短切物，在四葉渦輪式機(jī)械攪拌混合器中密閉剪切20min。稱取1000克剪切物，置于攪拌罐內(nèi)，加200 mL質(zhì)量含量為2%的淀粉溶液，攪拌5 min,使植棉花桿剪切物表面被均勻潤濕，然后稱取300克玉米淀粉，加到原料罐中，攪拌10 min使植物原料與粘接劑均勻混合。在模具表面涂刷一薄層菜籽油，下模具中放置脫模用紙，然后將混合物料裝入模具中，再在物料上面覆蓋一層脫模用紙，蓋上上模具。將裝有物料的模具放置在溫度為140°C的壓板之間，加壓至20 MPa，熱壓15 min，取下模具，冷卻至30°C后開模即得具有完全降解性的環(huán)保復(fù)合材料，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到8.1MPa0實(shí)施例4
將棉花桿和草坪修剪后所得的草曬干，短切為3.0 cm的短切物，在四葉渦輪式機(jī)械攪拌混合器中密閉剪切15 min。稱取1000克剪切物，置于攪拌罐內(nèi)，加200 mL質(zhì)量含量為1%的淀粉溶液，攪拌5 min,使植物原料表面被均勻潤濕，然后稱取400克玉米淀粉，加到原料罐中，攪拌8 min使植物原料與粘接劑均勻混合。在模具表面涂刷一薄層菜籽油,下模具中放置脫模用紙，然后將混合物料裝入模具中，再在物料上面覆蓋一層脫模用紙，蓋上上模具。將裝有物料的模具放置在溫度為140°C的壓板之間，加壓至20 MPa，熱壓15 min，取下模具，冷卻至30°C后開模即得具有完全降解性的環(huán)保復(fù)合材料，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到
9.6MPa0
權(quán)利要求
1.一種具有完全降解性的環(huán)保復(fù)合材料，其特征在于，由植物的秸桿、種殼、莖、葉其中的任意一種或兩種以上混合物及粘接劑、混合媒介為原料制成，其中，植物的秸桿、種殼、莖、葉其中的任意一種或兩種以上混合物為復(fù)合材料的主體成分，重量百分比為50%-90%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有完全降解性的環(huán)保復(fù)合材料，其特征在于，所述的植物為稻、麥、玉米、棉花、大豆、芝麻、甜菜等農(nóng)作物及各種水生、陸生、野生及栽種的草類。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有完全降解性的環(huán)保復(fù)合材料，其特征在于，所述粘接劑主要成分為淀粉或乙酸酯淀粉。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有完全降解性的環(huán)保復(fù)合材料，其特征在于，所述粘接劑是以淀粉或乙酸酯淀粉為主，搭配使用纖維素、羧甲基纖維素其中的任意一種或兩種的混合物，其中淀粉或乙酸酯淀粉在粘接劑中的重量百分比為50%-100%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有完全降解性的環(huán)保復(fù)合材料，其特征在于，所用的混合媒介為水或淀粉的水溶液或羧甲基纖維素的水溶液。
6.一種制備權(quán)利要求1至5任一權(quán)利要求所述的具有完全降解性的環(huán)保復(fù)合材料的方法，其特征在于，包括下列步驟: s1、將植物原料進(jìn)行干燥處理，使原料中的水含量在5%以下，然后進(jìn)行短切； s2、將短切的植物原料進(jìn)行攪拌式剪切； s3、將剪切的原料與混合媒介物均勻混合； s4、將S3的產(chǎn)物與粘接劑均勻混合； s5、將S4的產(chǎn)物進(jìn)行熱壓制得具有完全降解性的環(huán)保復(fù)合材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，在步驟SI中，將植物原料短切為lmnTl5cm的短切物；在步驟S2中，剪切的時間為lmin lh。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，在步驟S3中，混合媒介物的用量為每100克植物原料使用10ml-50ml媒介物。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，在步驟S5中，熱壓時間為7mirT2h，熱壓溫度為110°C 200°C，熱壓壓力為6MPa lOOMPa。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)保復(fù)合材，其特征在于，經(jīng)表面涂飾后可用于制造玩具、家具、容器、內(nèi)包裝箱、復(fù)合式食品包裝盒的支撐部分、室內(nèi)裝修及裝飾材料、建筑物內(nèi)廣告材料等。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有完全降解性的環(huán)保復(fù)合材料及制備方法。這種環(huán)保復(fù)合材料由農(nóng)作物及草等植物的秸稈、種殼、莖、葉與環(huán)保粘接劑、混合媒介為原料通過熱壓法制成。秸稈、種殼、莖、葉是復(fù)合材料的主體成分，質(zhì)量百分含量為50%~90%。制備環(huán)保復(fù)合材料時，首先將植物原料進(jìn)行干燥處理，使原料中的水含量在5%以下，然后依次進(jìn)行短切、攪拌式剪切、與混合媒介混合、與粘接劑混合、熱壓、后處理等步驟實(shí)現(xiàn)，生產(chǎn)過程簡潔，無污染物排放，密閉體系操作，無粉塵污染，每個步驟都具有較高的生產(chǎn)效率。所制備的環(huán)保復(fù)合材料可用于制造玩具、家具、容器、內(nèi)包裝箱、復(fù)合式食品包裝盒的支撐部分、室內(nèi)裝修及裝飾材料、建筑物內(nèi)廣告材料等。
文檔編號C08L1/26GK103214871SQ20131016781
公開日2013年7月24日 申請日期2013年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月9日
發(fā)明者吳傳保, 曾湘暉, 尹健美, 劉利江 申請人:九江學(xué)院