一种香蕉茎叶秸秆纤维复合材料的制备方法
阅读说明：本技术 一种香蕉茎叶秸秆纤维复合材料的制备方法 (Preparation method of banana stem leaf and straw fiber composite material ) 是由 刘运浩 李普旺 杨子明 刘雅奇 王超 宋书会 何祖宇 周闯 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种香蕉茎叶秸秆纤维复合材料,按质量份数计,包括以下组分：香蕉茎叶秸秆纤维5-40份、胶黏剂10-30份、稳定剂5-10份、填料10-30份,其中胶黏剂为马铃薯淀粉、PVA或桃胶,稳定剂为硬脂酸钙或月桂酸钙,填料为碳酸钙或高岭土。具体的制备步骤为：将香蕉茎叶秸秆进行机械处理,切成秸秆小段,然后将秸秆小段在氢氧化钠溶液中加热浸泡进行预处理,再用偶联剂溶液对其进行表面改性处理,最后将已处理好的香蕉茎叶秸秆纤维和其他原料混合均匀,热压成型,自然冷却制得复合材料。本发明制备的香蕉茎叶秸秆纤维复合材料可生物降解、耐水性好、力学性能优异,且成本低、生产过程污染小,是一种低成本绿色环保材料。(The invention discloses a banana stem leaf straw fiber composite material which comprises the following components in parts by weight: 5-40 parts of banana stem and leaf straw fiber, 10-30 parts of adhesive, 5-10 parts of stabilizer and 10-30 parts of filler, wherein the adhesive is potato starch, PVA or peach gum, the stabilizer is calcium stearate or calcium laurate, and the filler is calcium carbonate or kaolin. The preparation method comprises the following specific steps: mechanically processing banana stem leaf straws, cutting the banana stem leaf straws into straw segments, then heating and soaking the straw segments in a sodium hydroxide solution for pretreatment, then carrying out surface modification treatment on the straw segments by using a coupling agent solution, finally uniformly mixing the treated banana stem leaf straw fibers and other raw materials, carrying out hot press molding, and naturally cooling to obtain the composite material. The banana stem leaf straw fiber composite material prepared by the invention is biodegradable, good in water resistance, excellent in mechanical property, low in cost and small in pollution in the production process, and is a low-cost green environment-friendly material.)
技术领域
本发明属于纤维复合材料领域，具体涉及一种香蕉茎叶秸秆纤维复合材料及其制备方法。
背景技术
农业是世界三大产业之一，地球上每年因农业种植而产生大量的秸秆废弃物，包括粮食作物秸秆和经济作物秸秆，大部分农业废弃秸秆的处理方式都是就地焚烧还田，这样不但会造成农作物秸秆再生资源的大量浪费，而且还会因燃烧秸秆而引起生态环境受到严重污染。如果能将秸秆变废为宝，产生经济效益，形成产业链条，必然会带来极大的影响，对缓解我国资源匮乏的情况、发展经济、保护环境等都有极其重要的意义。
目前，秸秆高值化利用技术主要是提取高附加值物质，也有少量将秸秆用于制备复合材料的应用，但是多为利用小麦、玉米等农作物秸秆制备复合板材，将秸秆纤维用于制备包装材料的技术非常少见，包装材料是指用于制造包装容器、包装装潢、包装印刷、包装运输等满足产品包装要求所使用的材料，在人们的日常生活中应用范围非常广阔，需求量十分巨大，但是目前大量使用的包装材料仍是以不能降解的塑料包装材料为主，形成了严重的“白色污染”，且力学性能不是很好。若将容易获得的秸秆纤维与包装材料的制备相结合，制备出秸秆纤维复合包装材料，既能达到对秸秆材料的再利用，又能减少秸秆焚烧和塑料难以降解带来的环境污染，具有很大的经济效益和环境效益，应用前景广阔。
目前虽然也有一些将秸秆用于制备复合材料的技术，但是这些技术仍然存在很多问题。如基本上只是对小麦秸秆、玉米秸秆等常见农作物秸秆的应用，无论是对秸秆种类还是秸秆数量上的再利用程度都比较小；提取纤维素加工工艺繁琐、加工成本高、秸秆处理量小；化学处理产生二次污染；复合材料的力学性能较低，难以满足应用要求；这些问题限制了这类技术的大规模应用，因此，调整配方和工艺，制备一种可生物降解、耐水性好、力学性能优异，且成本低、生产过程污染小的可规模化生产的秸秆纤维复合材料依然具有非常重大的研究意义。
发明内容
本发明为提高农业废弃物作物秸秆的综合利用，解决传统塑料包装材料难降解、易污染等问题，提供一种可生物降解秸秆纤维复合包装材料及制备方法，采用热带作物秸秆(香蕉茎叶)作为增强材料，经预处理、改性处理、混炼、热压成型制备复合材料，不仅能够提高材料的耐水性及力学性能，还可生物降解，是一种低成本绿色环保材料，能用在包装材料领域，替代传统塑料包装材料。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明的技术方案之一，一种香蕉茎叶秸秆纤维复合材料，按质量份数计，包括以下组分：香蕉茎叶秸秆纤维5-40份、胶黏剂10-30份、稳定剂5-10份、填料10-30份。
进一步地，所述胶黏剂为马铃薯淀粉、PVA或桃胶，所述稳定剂为硬脂酸钙或月桂酸钙，所述填料为碳酸钙或高岭土。
进一步地，所述香蕉茎叶秸秆纤维由香蕉茎叶秸秆经机械处理、预处理和表面改性制得。
本发明的技术方案之二，一种上述的香蕉茎叶秸秆纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将香蕉茎叶秸秆进行机械处理，得到香蕉茎叶秸秆小段；
步骤二：将香蕉茎叶秸秆小段进行预处理，得到预处理香蕉茎叶秸秆；
步骤三：将预处理香蕉茎叶秸秆进行表面改性，得到香蕉茎叶秸秆纤维；
步骤四：将香蕉茎叶秸秆纤维、胶黏剂、稳定剂、填料混合均匀，热压成型，自然冷却得到所述香蕉茎叶秸秆纤维复合材料。
进一步地，所述步骤一具体操作为：将香蕉茎叶秸秆切成长1-5cm、宽1-10mm的香蕉茎叶秸秆小段。
进一步地，所述步骤二具体操作为：将所述香蕉茎叶秸秆小段浸泡在氢氧化钠溶液中，加热处理，加热处理后用酸中和，水洗至中性，烘干，得到预处理香蕉茎叶秸秆。
进一步地，所述氢氧化钠溶液的质量浓度为2-5％，香蕉茎叶秸秆小段与氢氧化钠溶液的质液比为1g:20ml-50ml，所述加热处理的温度为60-80℃，时间为30-60min，所述烘干的温度为80-100℃，时间为5-8h。
进一步地，所述用酸中和是指用醋酸溶液中和，所述醋酸的浓度为2-10％。
进一步地，所述步骤三具体操作为：向高速搅拌状态下的预处理香蕉茎叶秸秆中加入偶联剂溶液，加入完毕后继续搅拌20-30min混匀，得到混合物，将所述混合物在70-110℃的温度条件干燥4-10h，得到改性处理好的香蕉茎叶秸秆纤维，所述高速搅拌的转速为1000-2000r/min。
进一步地，所述混匀是指使偶联剂溶液将预处理香蕉茎叶秸秆充分均匀浸润，得到混合均匀的混合物。
进一步地，所述偶联剂溶液的溶质为硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂，溶剂为乙醇，所述溶质和溶剂的体积比为1∶5，预处理香蕉茎叶秸秆和偶联剂的质量比为100∶1-6。
进一步地，步骤四中所述热压成型的温度为160-180℃，压力为3-6MPa，时间为2-6min。
秸秆纤维是自然界中最丰富的天然高分子材料，其价格低廉、密度小，具有较高的弹性模量和拉伸强度，还具有其他材料无法比拟的生物降解性和可再生性。秸秆中的天然植物纤维是制备绿色可降解复合材料的理想增强材料，秸秆纤维的加入不仅能够提供一定的机械强度，同时有利于提高材料的生物降解性能。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明以香蕉茎叶秸秆纤维作为主要材料，与其他常见的小麦秸秆纤维、玉米秸秆纤维、水稻秸秆纤维等农作物秸秆纤维相比，香蕉茎叶秸秆纤维具有大的长径比，小麦秸秆纤维的长径比仅为3.7，而香蕉茎叶秸秆单纤维的长径比则高达58.8，大的长径比可以高达120，高长径比的秸秆纤维易发生相互交织呈网状缠结结构，有利于提升复合材料缠结交织网络的连接性和结合度，从而增强复合材料的力学性能；本发明使用硅烷偶联剂溶液或者钛酸酯偶联剂溶液对香蕉茎叶秸秆进行了表面改性处理，硅烷偶联或钛酸酯偶联剂含有多官能团结构，一方面可以与香蕉茎叶秸秆纤维发生交联产生氢键，另一方面与复合材料基体中的胶黏剂大分子发生物理缠结作用，改善香蕉茎叶秸秆纤维的界面相容性、分散性及润湿性，可以使香蕉茎叶秸秆纤维的润湿性增大，从而提高秸秆纤维与复合材料的其他组分之间的化学反应能力，形成氢键或物理缠结的有效结构，进而改善复合材料的力学性能；马铃薯淀粉、PVA或桃胶具有优良的粘结性能，可以和香蕉茎叶秸秆纤维很好地结合，使复合材料具有较好的致密性，力学性能优良；本发明中使用了大量的无机填料碳酸钙或高岭土，碳酸钙或高岭土化学性质不活泼，具有耐化学药品性和电绝缘性，起到调节材料的稳定性、刚性和硬度，从而提高材料的机械性能和耐热性的作用，同时大大地降低成本；本发明基于主要原料香蕉茎叶秸秆纤维及各种辅料的特性，设定了最优的热压成型压力、温度和时间参数，压力过小，复合材料容易存在气孔等缺陷，压力过大，可能将原料挤出；温度过高或时间过长会使秸秆纤维热解，表面炭化，温度过低或时间过短，原料难以固化，都会使得复合材料的性能变差；而本发明设定的热压成型参数则可以避免以上现象的产生，获得结构均匀致密、力学性能良好的复合材料。本发明通过选择用硅烷偶联剂溶液或者钛酸酯偶联剂进行表面处理后的香蕉茎叶秸秆纤维作为主要原料，辅以胶黏剂、稳定剂和填料，再结合制备工艺的调整，制得了一种可生物降解、耐水性好、力学性能优异，且成本低、生产过程污染小的可规模化生产的秸秆纤维复合材料，该复合材料用途广泛，可用于食品、家电、家居等行业领域的包装材料。
(2)本发明的制备方法简单可靠，易于实施；制备的复合材料可再生、可降解，是环保节能的理想材料。
(3)本方法制备的复合材料可回收再利用，可形成循环经济的产业链。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
实施例1
(一)秸秆机械处理：将秸秆裁切成长约2cm、宽约6mm的秸秆小段。
(二)秸秆预处理：将秸秆小段浸泡在2％氢氧化钠溶液中，氢氧化钠溶液与秸秆质量比为30:1，置于80℃水浴中加热30min，取出后利用醋酸溶液进行酸中和，水洗至pH为7，于烘箱,100℃烘干6h，得到预处理香蕉茎叶秸秆。
(三)秸秆表面改性：将KH550硅烷偶联剂和乙醇按照体积比1∶5配成溶液，将干燥后的预处理秸秆放入高速混合搅拌机，以2000r/min的转速搅拌，一边搅拌一边喷入偶联剂溶液，KH550质量与预处理秸秆质量比为5:100，偶联剂溶液加入完毕后继续搅拌20-30min至偶联剂溶液将预处理秸秆充分均匀浸润后取出，在110℃干燥，干燥时间8小时，得到处理好的香蕉茎叶秸秆纤维，将其装袋密封备用。
(四)原料混合及热压成型：将已处理好的香蕉茎叶秸秆纤维38份、马铃薯淀粉32份、硬脂酸钙8份、碳酸钙22份，在高速混炼机的作用下充分混合在一起，经热压机热压成型。热压温度170℃，压力为5MPa，热压时间为4min。常温下自然冷却得到成型复合材料。
实施例2
(一)秸秆机械处理：将秸秆裁切成长约3cm、宽约5mm的秸秆小段。
(二)秸秆预处理：将秸秆小段浸泡在2％氢氧化钠溶液中，氢氧化钠溶液与秸秆质量比为35:1，置于70℃水浴中加热40min，取出后利用醋酸溶液进行酸中和，水洗至pH为7，于烘箱,90℃烘干6h，得到预处理香蕉茎叶秸秆。
(三)秸秆表面改性：将KH550硅烷偶联剂和乙醇按照体积比1∶5配成溶液，将干燥后的预处理秸秆放入高速混合搅拌机，以1500r/min的转速搅拌，一边搅拌一边喷入偶联剂溶液，KH550质量与预处理秸秆质量比为4:100，偶联剂溶液加入完毕后继续搅拌20-30min至偶联剂溶液将预处理秸秆充分均匀浸润后取出，在110℃干燥，干燥时间7小时，得到处理好的香蕉茎叶秸秆纤维粉，将其装袋密封备用。
(四)原料混合及热压成型：将已处理好的香蕉茎叶秸秆秸秆纤维35份、桃胶28份、硬脂酸钙9份、高岭土28份，在高速混炼机的作用下充分混合在一起，经热压机热压成型。热压温度160℃，压力为4MPa，热压时间为5min。常温下自然冷却得到成型复合材料。
实施例3
(一)秸秆机械处理：将秸秆裁切成长约4cm、宽约4mm的秸秆小段。
(二)秸秆预处理：将秸秆小段浸泡在2％氢氧化钠溶液中，氢氧化钠溶液与秸秆质量比为25:1，置于75℃水浴中加热50min，取出后利用醋酸溶液进行酸中和，水洗至pH为7，于烘箱,95℃烘干6h，得到预处理香蕉茎叶秸秆。
(三)秸秆表面改性：将钛酸酯偶联剂和乙醇按照体积比1∶5配成溶液，将干燥后的预处理秸秆放入高速混合搅拌机，以2000r/min的转速搅拌，一边搅拌一边喷入偶联剂溶液，钛酸酯偶联剂质量与预处理秸秆质量比为5:100，偶联剂溶液加入完毕后继续搅拌20-30min至偶联剂溶液将预处理秸秆充分均匀浸润后取出，偶联剂溶液将预处理秸秆充分均匀浸润后取出，在100℃干燥，干燥时间9小时，得到处理好的香蕉茎叶秸秆纤维粉，将其装袋密封备用。
(四)原料混合及热压成型：将已处理好的香蕉茎叶秸秆纤维32份、PVA 25份、月硅酸钙18份、高岭土25份，在高速混炼机的作用下充分混合在一起，经热压机热压成型。热压温度180℃，压力为5MPa，热压时间为3min。常温下自然冷却得到成型复合材料。
实施例4
(一)秸秆机械处理：将秸秆裁切成长约4cm、宽约8mm的秸秆小段。
(二)秸秆预处理：将秸秆小段浸泡在2％氢氧化钠溶液中，氢氧化钠溶液与秸秆质量比为45:1，置于65℃水浴中加热60min，取出后利用醋酸溶液进行酸中和，水洗至pH为7，于烘箱,95℃烘干8h，得到预处理香蕉茎叶秸秆。
(三)秸秆表面改性：将钛酸酯偶联剂和乙醇按照体积比1∶5配成溶液，将干燥后的预处理秸秆放入高速混合搅拌机，以1000r/min的转速搅拌，一边搅拌一边喷入偶联剂溶液，钛酸酯偶联剂质量与预处理秸秆质量比为3:100，偶联剂溶液加入完毕后继续搅拌20-30min至偶联剂溶液将预处理秸秆充分均匀浸润后取出，在95℃干燥，干燥时间8小时得到处理好的香蕉茎叶秸秆纤维粉，将其装袋密封备用。
(四)原料混合及热压成型：将已处理好的香蕉茎叶秸秆纤维30份、桃胶24份、硬脂酸钙18份、碳酸钙28份，在高速混炼机的作用下充分混合在一起，经热压机热压成型。热压温度170℃，压力为5MPa，热压时间为6min。常温下自然冷却得到成型复合材料。
对比例1
同实施例1，区别在于，用小麦秸秆代替香蕉茎叶秸秆。
对比例2
同实施例1，区别在于，省略步骤(三)秸秆表面改性的操作，直接将步骤(二)预处理得到的秸秆和其他原料混合，进行热压成型。
对比例3
同实施例1，区别在于，将步骤(三)中的KH550硅烷偶联剂替换为壳聚糖。
效果验证
取实施例1-4和对比例1-3制备得到的复合材料进行力学性能测试，各项目采用的标准如下：
拉伸性能参照GB/T 1040.5-2008测试；
弯曲性能参照GB/T 9341-2008测试；
压缩性能按照GB/T 1041-2008测试，压缩比例为20％；
冲击性能参照GB/T 1451-2005测试。
力学性能的测试结果如表1所示：
表1力学性能测试结果
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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