玻璃纖維增強麥秸或稻草復合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種玻璃纖維增強麥秸或稻草復合材料及其制備方法，復合材料由麥秸或稻草、玻璃纖維、聚合物、添加劑構(gòu)成；添加劑以外的成分的質(zhì)量含量為90%~100%，添加劑的質(zhì)量含量為0%~10%；添加劑以外的三種成分麥秸或稻草、玻璃纖維、聚合物的質(zhì)量比為100:10~40:50~140。增強用的玻璃纖維是長度為1cm-3cm的玻璃纖維短切原絲。玻璃纖維直接或經(jīng)過浸泡，或經(jīng)過上述兩種方式處理后再進行表面包覆后使用，使用方法為直接混合，借助溶液或乳液增強各物料的混合能力。熱壓之前玻璃纖維未經(jīng)受強剪切，形態(tài)保持良好。通過本發(fā)明方法所制備出的復合材料強度高、表面光潔、性能均勻；制備方法簡潔高效、環(huán)保性強。
【專利說明】玻璃纖維增強麥秸或稻草復合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種玻璃纖維增強型麥秸或稻草復合材料及其制備方法，屬于農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物加工利用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]小麥、水稻等是我國主要的糧食作物，種植面積廣，產(chǎn)量大。每年在收獲麥子和稻谷的同時，產(chǎn)生大量麥秸、稻草副產(chǎn)物。上世紀90年代前，我國農(nóng)業(yè)種植機械化水平低，城鎮(zhèn)化率低，農(nóng)村普遍采用牲畜耕作，同時采用麥秸、稻草生火做飯。喂養(yǎng)牲畜和用作生活燃料消耗了絕大部分的麥秸和稻草。然而90年代后，這種狀況發(fā)生了轉(zhuǎn)變，一方面農(nóng)村機械化耕作水平不斷提高，牲畜喂養(yǎng)量驟減，作為飼草的麥秸、稻草用量大大減少；另一方面城鎮(zhèn)化率逐漸提高，同時煤氣、天然氣逐漸進入農(nóng)村，作為生活燃料的麥秸和稻草消耗量也顯著減少。麥秸和稻草的生活消耗量減少后，它們往往直接還田或直接在田間燒掉，利用效率低，或造成環(huán)境污染。在這種情況下，探索合更理有效的利用麥秸、稻草的方法成為農(nóng)業(yè)發(fā)展進程中的一個十分有意義的問題。
[0003]麥秸和稻草富含纖維結(jié)構(gòu)，有極好的韌性和良好的強度，以其為原料開發(fā)環(huán)保復合材料，代替木材并部分地代替塑料，對于減輕濫砍濫發(fā)、減輕白色污染、緩解資源和能源危機、提高人民健康水平具有重要意義。制造麥秸和稻草復合材料需要搭配使用粘接劑，粘接劑往往采用熱固性樹脂，如酚醛樹脂、脲醛樹脂，材料制備過程中存在溶劑揮發(fā)、原料揮發(fā)等污染環(huán)境問題，如果采用高分子量的熱塑性聚合物則可以解決這一問題。制造麥秸和稻草復合材料的方法包括擠出、注塑、模壓等方法，擠出、注塑法加工溫度高，能量消耗率大，生產(chǎn)環(huán)境污染物釋放率高，生產(chǎn)效率低。而模壓法生產(chǎn)效率高，可以制造麥秸和稻草含量高的復合材料。但模壓法生產(chǎn)的麥秸和稻草復合材料強度偏低，開發(fā)基于模壓法的增強型麥秸或稻草復合材料及 其制備方法是拓寬這類復合材料應用領(lǐng)域的重要途徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明著眼于麥秸、稻草資源的充分有效利用，開發(fā)一種環(huán)境友好性強、工藝制備簡單、安全性高、力學及結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良的環(huán)保復合材料，代替部分塑料使用，減輕白色污染；代替木材使用，減輕濫砍濫伐及水土流失。為了增加麥秸、稻草復合材料的強度，降低易揮發(fā)污染物的釋放，保護生產(chǎn)一線工人的身體健康，本發(fā)明提供了一種以高分子量聚合物為粘接劑，同時使用玻璃纖維增強的麥秸或稻草復合材料及其制備方法。本發(fā)明的復合材料可用于制造家具、玩具、生活用品、包裝容器、建筑材料等，既滿足了生產(chǎn)、生活的需求，還可以提聞人們的環(huán)保意識。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種玻璃纖維增強麥稻或稻草復合材料，其特征在于:由麥秸或稻草、玻璃纖維、聚合物、添加劑構(gòu)成；添加劑的質(zhì)量含量為0%~10% ;添加劑以外的其它成分的質(zhì)量含量為909^100%，添加劑以外的三種成分麥秸或稻草、玻璃纖維、聚合物的質(zhì)量比為 100:10^40:50 ~140。[0006]進一步地,所述聚合物為聚苯乙烯、聚丙烯、高密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯、聚乙烯醇、尼龍66、滌綸樹脂其中的任意一種。
[0007]所述添加劑為碳酸鈣、氧化鐵、氧化鋁、氫氧化鎂、氫氧化鋁、聚磷酸銨、磷酸三苯酯、六溴環(huán)十二烷、硼酸鋅、十溴二苯乙烷、十溴二苯醚、硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁硅酸四鈣其中的任意一種。
[0008]所述玻璃纖維為玻璃纖維短切原絲，長度為I cm -3cm。
[0009]本發(fā)明的還提供了一種制作上述玻璃纖維增強麥秸或稻草復合材料的方法，其特征在于包括下列步驟:
(1)、將麥秸或稻草曬干，然后粉碎；
(2)、將粉碎的麥秸、稻草與玻璃纖維混合，混合方法為:在攪拌的條件下，向麥秸或稻草的碎料中噴水或濃度為3%~8%聚乙烯醇的水溶液、聚醋酸乙烯酯的水乳液、聚丙烯酸酯的水乳液、脲醛樹脂的水溶液或水乳液中的任意一種液體，待麥秸、稻草表面被潤濕后，加入玻璃纖維，攪勻；
(3)、在攪拌條件下加入聚合物及添加劑，攪勻；
(4)、裝模，然后在140°C ~250°C，IOMPa~IOOMPa 條件下熱壓 10mirT20min ；
(5)、冷卻至室溫后，采用植物油和紙脫聯(lián)合脫模`法脫模，表面修整，施膠。
[0010]進一步地，在步驟(2)中，向麥秸或稻草的碎料中噴水時，麥秸、稻草的質(zhì)量(以克計)與水體積(以毫升計)比為100:10-55 ;向麥秸或稻草的碎料中噴聚乙烯醇的水溶液、聚醋酸乙烯酯的水乳液、聚丙烯酸酯的水乳液、脲醛樹脂的水溶液或水乳液中的任意一種液體時，麥秸、稻草的質(zhì)量(以克計)與水乳液或水溶液的體積(以毫升計)比為100:15~55。
[0011]還包括在步驟(2)前對玻璃纖維進行預處理的步驟:將玻璃纖維經(jīng)過熱乙醇溶液浸泡、過濾、干燥后使用，乙醇中的水的質(zhì)量含量為0-IO %，浸泡時乙醇溶液的溫度為50 0C ~75 °C，浸泡時間為 5mirT30min。
[0012]還包括在步驟(2)前對玻璃纖維進行預處理的步驟:玻璃纖維在380°C ^420°C處理20 mirT30min，冷卻后表面施加硅烷偶聯(lián)劑，施加的方法是玻璃纖維和硅烷偶聯(lián)劑的乙醇溶液混合均勻，然后在振蕩條件下于75°C干燥，其中所用的醇溶液中水的質(zhì)量含量為0%~8%，硅烷偶聯(lián)劑的質(zhì)量含量為0.5%~3%，硅烷偶聯(lián)劑的種類為3-(異丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、氯丙基三甲氧基硅烷、3-縮水甘油醚氧丙基甲基二乙氧基硅烷、3-縮水甘油醚氧丙基二甲氧基硅烷中的任意一種。
[0013]還包括在步驟(2)前對玻璃纖維進行預處理的步驟:將玻璃纖維經(jīng)過熱乙醇溶液浸泡、過濾、干燥后使用，乙醇中的水的質(zhì)量含量為ο%~ιο%，浸泡時乙醇溶液的溫度為500C~75°C，浸泡時間為5mirT30min，經(jīng)過浸泡、過濾、干燥處理后的玻璃纖維表面施加硅烷偶聯(lián)劑，施加的方法是玻璃纖維和硅烷偶聯(lián)劑的乙醇溶液混合均勻，然后在振蕩條件下于75°C干燥，其中所用的醇溶液中水的質(zhì)量含量為0-8%，硅烷偶聯(lián)劑的質(zhì)量含量為
0.5% 3%,硅烷偶聯(lián)劑的種類為3-(異丁烯酸氧)丙基二甲氧基硅烷、氯丙基二甲氧基硅烷、3-縮水甘油醚氧丙基甲基二乙氧基硅烷、3-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷中的任意一種。
[0014]通過上述方法制得的玻璃纖維增強麥秸或稻草復合材料具有廣泛用途，可以代替木材用于制造各種家具，也可以制造裝飾板、宣傳板、貼面板、玩具、包裝容器等。[0015]本發(fā)明的有益效果:玻璃纖維是一種無機非金屬材料，具有輕質(zhì)、高強、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點，常用來增強塑料、水泥，而在植物復合材料中的應用較為少見。本發(fā)明為了提高熱壓法制備麥秸、稻草復合材料的強度，引入了玻璃纖維，所用的玻璃纖維是具有合適長度的玻璃纖維短切原絲，這種形態(tài)的玻璃纖維容易與麥秸、稻草的碎料實現(xiàn)均勻混合，從而真正起到增強作用。[0016]為了進一步促進復合材料各原料之間實現(xiàn)均勻混合，本發(fā)明在混料過程中使用了醋酸乙烯酯乳液、丙烯酸酯乳液、聚乙烯醇溶液等，相對于水而言，這些乳液和溶液具有更高的粘度和粘附性，使其分布在麥秸、稻草碎料表面后更容易吸附聚合物、玻璃纖維及添加劑，降低了碎料的流動性，大大減輕了分層現(xiàn)象的發(fā)生，克服了密度之間的差異對混合的影響，促進了混合過程的進行，提高了復合材料性能的均勻性。
[0017]為了減少玻璃纖維前處理過程對玻璃纖維的損傷，本發(fā)明提出并應用了熱乙醇浸泡法，采用此法可以盡量去除玻璃纖維生產(chǎn)過程中粘附在玻璃纖維表面的易流動、流失組分，提高復合材料的安全性，減輕易流失組分對復合材料內(nèi)部界面的影響及對復合材料性能的影響，同時此法可以盡量保留玻璃纖維表面的高分子量組分，使其充當或部分地充當界面增容劑，提高了復合材料強度，消除了玻璃纖維的來源對復合材料性能的影響，即不同玻璃纖維生產(chǎn)商所使用的浸潤劑類型不同，但都可采用此法而獲得極好的效果。
[0018]為了防止麥秸、稻草復合材料制備過程中有毒、有害物質(zhì)的揮發(fā)，防止在復合材料使用過程中有毒有毒有害物質(zhì)的緩慢釋放，本發(fā)明使用聚苯乙烯等高分子量的聚合物作為粘接材料，而不是使用液態(tài)樹脂或預聚固態(tài)樹脂作為粘接材料，減輕了制品在制造和使用過程中揮發(fā)性污染物的釋放，降低了生產(chǎn)環(huán)境對人體環(huán)境的危害，提高了復合材料過程中的安全性。
[0019]本發(fā)明不使用擠出、注塑等方法，而采用熱壓法，降低了能耗，提高了制備效率，提高了麥秸、稻草等資源的利用率，防止了短切玻璃纖維原絲在劇烈剪切作用下碎裂為粉末的現(xiàn)象的發(fā)生，有利于保護其纖維形態(tài)及增強價值。
[0020]脫模方法對防止廢品產(chǎn)生、提高生產(chǎn)效率、防止產(chǎn)品表面損傷、防止模具損傷具有重要作用。本發(fā)明使用植物油和紙脫聯(lián)合脫模法，脫模過程簡便有效，泄壓之后，復合材料輕輕地即可取出，模具表面光潔無損傷，而且紙與復合材料結(jié)合緊密，無需去除，使得材料表面十分平整，同時對材料起到增強和防潮作用。
[0021]本發(fā)明所提供的復合材料制備方法對麥秸、稻草的形態(tài)適應性非常強，不是將植物加工成單純的短切物、單純的絲片或單純的粉末，而是它們的混合狀態(tài)，無需進行分離，這樣就簡化了麥秸、稻草的加工處理過程，粉碎過程可以在密閉剪切機中進行，減少了粉末在環(huán)境中的彌散，保護了生產(chǎn)環(huán)境空氣的清潔。
【具體實施方式】
[0022]實施例1
將麥秸曬干后在錨式攪拌剪切機中剪切5min得到麥秸碎料。稱取100克麥秸碎料，置于攪拌罐內(nèi)，在攪拌條件下，向麥秸碎料中噴20毫升固含量為5%的聚丙烯酸酯水乳液，待攪拌均勻，即麥秸表面被水乳液潤濕后，加入15克長度為Icm的短切玻璃纖維原絲，攪勻；然后加入60克聚合度為1700，醇解度為88%的聚乙烯醇粉末，攪勻；然后在攪拌條件下加入15克活性碳酸鈣，攪勻。在不銹鋼模具內(nèi)表面刷一層植物油，然后在內(nèi)表面粘附一層紙。將物料裝入模具，合模。將裝有物料的模具放置在溫度為160°C的壓板之間，加壓至15 MPa,熱壓15 min，取下模具，冷卻至室溫后開模。所得復合材料施膠前的拉伸強度達到15.3MPa，比未使用玻璃纖維的復合材料的拉伸強度提高22%。
[0023]實施例2 將稻草曬干后短切為7cm的稻草段，然后在錨式攪拌剪切機中剪切5min得到多樣化形態(tài)稻草碎料的混合物。稱取100克碎料，置于攪拌罐內(nèi)，在攪拌條件下，向麥秸碎料中噴10毫升固含量為5%的聚丙烯酸酯水乳液，待攪拌均勻，即麥秸表面被水乳液潤濕后，加入30克長度為Icm的短切玻璃纖維原絲，攪勻；然后加入80克冷凍粉碎的聚苯乙烯粉末，攪勻；然后在攪拌條件下加入10克活性碳酸鈣，攪勻。在不銹鋼模具內(nèi)表面刷一層植物油，然后在內(nèi)表面粘附一層紙。將物料裝入模具，合模。將裝有物料的模具放置在溫度為200°C的壓板之間，加壓至20 MPa，熱壓20 min，取下模具，冷卻至室溫后開模。所得復合材料施膠前的拉伸強度達到24.2MPa，比未使用玻璃纖維的復合材料的拉伸強度提高30%。
[0024]實施例3
將麥稻曬干后通過稻桿粉碎機制備麥稻碎料。取15克長度為2cm的玻璃纖維原絲，置于玻璃容器中，向其中加入IOOmL無水乙醇，升溫至60°C，使玻璃纖維在其中浸泡lOmin，然后傾析分離，60°C干燥待用。稱取100克麥秸碎料，置于攪拌罐內(nèi)，在攪拌條件下，向麥秸碎料中噴20毫升固含量為5%的聚丙烯酸酯水乳液，待攪拌均勻，即麥秸表面被水乳液潤濕后，加入前述已經(jīng)熱乙醇浸泡的15克長度為2cm的短切玻璃纖維原絲,攪勻；然后加入60克聚合度為1700，醇解度為88%的聚乙烯醇粉末，攪勻；再在攪拌條件下加入15克活性碳酸鈣，攪勻。在不銹鋼模具內(nèi)表面刷一層植物油，然后在內(nèi)表面粘附一層紙。將物料裝入模具，合模。將裝有物料的模具放置在溫度為160°C的壓板之間，加壓至15 MPa，熱壓15 min,取下模具，冷卻至室溫后開模。所得復合材料施膠前的拉伸強度達到16.1MPa MPa。
[0025]實施例4
與實施例1的方式相近，只是潤濕麥秸碎料時使用的是水，而不是水乳液，所得復合材料施膠前的拉伸強度達到13.7MPa。
[0026]實施例5
與實施例1的方式相近，只是使用的聚合物是聚苯乙烯，而不是聚乙烯醇，所得復合材料施膠前的拉伸強度達到15.8MPa。
[0027]實施例6
與實施例1的方式相近，只是玻璃纖維的用量改為25克，所得復合材料施膠前的拉伸強度達到17.6MPa。
【權(quán)利要求】
1.一種玻璃纖維增強麥秸或稻草復合材料，其特征在于:由麥秸或稻草、玻璃纖維、聚合物、添加劑構(gòu)成；添加劑的質(zhì)量含量為0%~10% ;添加劑以外的其它成分的質(zhì)量含量為90%~100%，添加劑以外的三種成分麥秸或稻草、玻璃纖維、聚合物的質(zhì)量比為100:10-40:50~140。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種玻璃纖維增強麥稻或稻草復合材料，其特征在于:所述聚合物為聚苯乙烯、聚丙烯、高密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯、聚乙烯醇、尼龍66、滌綸樹脂其中的任意一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種玻璃纖維增強麥稻或稻草復合材料，其特征在于:所述添加劑為碳酸鈣、氧化鐵、氧化鋁、氫氧化鎂、氫氧化鋁、聚磷酸銨、磷酸三苯酯、六溴環(huán)十二烷、硼酸鋅、十溴二苯乙烷、十溴二苯醚、硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁硅酸四鈣其中的任意一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種玻璃纖維增強麥稻或稻草復合材料，其特征在于:所述玻璃纖維為玻璃纖維短切原絲，長度為I cm -3cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4中任一權(quán)利要求所述的玻璃纖維增強麥稻或稻草復合材料的制備方法，其特征在于包括下列步驟: (1)、將麥秸或稻草曬干，然后粉碎； (2)、將粉碎的麥秸、稻草與玻璃纖維混合，混合方法為:在攪拌的條件下，向麥秸或稻草的碎料中噴水或噴質(zhì)量濃度為3%~8%聚乙烯醇水溶液、聚醋酸乙烯酯的水乳液、聚丙烯酸酯的水乳液、脲醛樹脂的水溶液或水乳液中的任意一種液體，待麥秸、稻草表面被潤濕后，加入玻璃纖維，攪勻； (3)、在攪拌條件下加入聚合物及添加劑，攪勻； (4)、裝模，然后在140°C ~250°C，IOMPa~IOOMPa 條件下熱壓 10mirT20min ； (5)、冷卻至室溫后，采用植物油和紙脫聯(lián)合脫模法脫模，表面修整，施膠。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于:在步驟(2)中，向麥秸或稻草的碎料中噴水時，麥秸、稻草的質(zhì)量(以克計)與水體積(以毫升計)比為100:10-55 ;向麥秸或稻草的碎料中噴聚乙烯醇的水溶液、聚醋酸乙烯酯的水乳液、聚丙烯酸酯的水乳液、脲醛樹脂的水溶液或水乳液中的任意一種液體時，麥秸、稻草的質(zhì)量(以克計)與水乳液或水溶液的體積(以毫升計)比為100:15~55。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于:還包括在步驟(2)前對玻璃纖維進行預處理的步驟:將玻璃纖維經(jīng)過熱乙醇溶液浸泡、過濾、干燥后使用，乙醇中的水的質(zhì)量含量為0%~10%，浸泡時乙醇溶液的溫度為50°C~75°C，浸泡時間為5mirT30min。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于:還包括在步驟(2)前對玻璃纖維進行預處理的步驟:玻璃纖維在380°C ~420°C處理20 mirT30min，冷卻后表面施加硅烷偶聯(lián)劑，施加的方法是玻璃纖維和硅烷偶聯(lián)劑的乙醇溶液混合均勻，然后在振蕩條件下于75°C干燥，其中所用的醇溶液中水的質(zhì)量含量為0%~8%，硅烷偶聯(lián)劑的質(zhì)量含量為0.5%~3%，硅烷偶聯(lián)劑的種類為3-(異丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、氯丙基三甲氧基硅烷、3-縮水甘油醚氧丙基甲基二乙氧基硅烷、3-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷中的任意一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于:經(jīng)預處理后的玻璃纖維表面施加硅烷偶聯(lián)劑，施加的方法是玻璃纖維和硅烷偶聯(lián)劑的乙醇溶液混合均勻，然后在振蕩條件下于75°C干燥，其中所用的醇溶液中水的質(zhì)量含量為0-8%，硅烷偶聯(lián)劑的質(zhì)量含量為`0.5% 3%,硅烷偶聯(lián)劑的種類為3-(異丁烯酸氧)丙基二甲氧基硅烷、氯丙基二甲氧基硅烷、3-縮水甘油醚氧丙基甲基二乙氧基硅烷、3-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷中的任意一種。
【文檔編號】C08L23/06GK103483843SQ201310408463
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月10日
【發(fā)明者】吳傳保, 鐘嬋娟, 曾湘暉 申請人:九江學院