CN110819132A - 一种植物纤维基复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种植物纤维基复合材料，所述植物纤维基复合材料主要由水和以下各组分组成：植物纤维60‑100重量份，胶黏剂0‑10重量份，填充剂0‑10重量份，防水剂0‑10重量份，所述植物纤维基复合材料的含水率为5‑20％，其密度为0.2‑1.2kg/m3。该植物纤维基复合材料耐腐蚀，可生物降解，生产过程无污染，制品密度低，制品强度高，制品可回收利用，制品原材料可再生，且来源广泛，成本低。本发明还公开了该植物纤维基复合材料的制备方法及其应用，工艺简单、生产耗时短、成本低、生产过程环保，植物纤维基复合材料可以用于制备物流托盘、烟花底座或产品包装，具有耐腐蚀、强度高、重量轻、成本低且经济环保等优点。
Description
技术领域
本发明属于纤维材料领域，尤其涉及一种植物纤维基复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
物流托盘是用于集装、堆放、搬运和运输的放置作为单元负荷的货物和制品的水平平台装置。作为与集装箱类似的一种集装设备，物流托盘现已广泛应用于生产、运输、仓储和流通等领域，被认为是20世纪物流产业中两大关键性创新之一。物流托盘作为物流运作过程中重要的装卸、储存和运输设备，与叉车配套使用在现代物流中发挥着巨大的作用，可以实现物品包装的单元化、规范化和标准化，保护物品，方便物流和商流。
目前，普遍采用的物流托盘、烟花底座或产品包装主要由原木、胶合板、塑料、金属等制成。其中，木制托盘具有不耐腐蚀、需砍伐树木、使用寿命短等缺点，而且出口还需要检验检疫；塑料托盘价格较高，刚性不够，承载能力差，且不可降解；金属托盘强度很好，但是价格昂贵，且比重高，运输成本高。因此，迫切地需要发明一种耐腐蚀、强度高、重量轻、成本低且经济环保的物流托盘制造材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种耐腐蚀、强度高、重量轻、成本低且经济环保的植物纤维基复合材料及其制备方法和应用。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种用于物流托盘的植物纤维基复合材料，所述植物纤维基复合材料主要由水和以下各组分组成：植物纤维60-100重量份，胶黏剂0-10重量份，填充剂0-10重量份，防水剂0-10重量份，所述植物纤维基复合材料的含水率为5-20％，所述植物纤维基复合材料呈多孔结构，其密度为0.2-1.2kg/m3。
本发明的植物纤维基复合材料制品，以植物纤维为主要原料，通过纤维、水、纤维之间的作用力，纤维与纤维之间的氢键作用，使制品能够保持一定的固体形状，可以承受一定的压力、拉力、摩擦力和冲击力等载荷，可用于物流运输等。植物纤维基复合材料制品的强度与含水率有关，如果纤维制品的含水率过低，则无法保证足够的氢键作用，如果含水率过高，则使纤维与纤维之间的距离拉长，影响纤维之间作用力，所以纤维制品在使用过程中，其含水率不能过低也不能过高，最佳含水率在5-20％之间。加入一定的环保添加剂，例如胶黏剂、防水剂、以及填充剂等，可以提高制品的强度、耐水性能，降低成本，但并非必须添加物，可视情况而定。
上述的植物纤维基复合材料，优选的，所述植物纤维为长径比＞2的长纤维和/或粒径≤1000目(更优选为≤200目)的纤维颗粒；所述植物纤维包括竹子、稻草、芦苇、木材、棉杆、秸秆、麻秆、米糠、中药材及中药材渣中的任意一种或几种。
上述的植物纤维基复合材料，优选的，所述胶黏剂包括聚乙烯醇、淀粉糊、纤维素、单宁、阿拉伯树胶、海藻酸钠、骨胶、鱼胶、紫胶、白乳胶、硅酸盐和氧化钙中的任意一种或几种；所述填充剂包括碳酸钙、二氧化硅、二氧化钛、高岭土、煤灰和黄土中的任意一种或几种；所述防水剂包括丙烯酸酯和/或聚氨酯。更优选的，所述胶黏剂包括聚乙烯醇、淀粉糊、硅酸盐和氧化钙中的任意一种或几种。
胶黏剂的加入主要是为了提高制品的抗压、抗拉、抗冲击等性能，填充剂的加入能够提高制品的抗压能力和刚性，同时能够降低成本。部分填充剂也能够促进制品成型，提高脱模效果等功能。防水剂的加入，主要是为了提高制品在使用过程中的耐水性能，扩大制品的使用范围，提高使用寿命。
更优选的，所述植物纤维基复合材料主要由水和以下各组分组成：植物纤维84重量份，胶黏剂3重量份，填充剂10重量份，防水剂3重量份。
基于一个总的技术构思，本发明还相应提供一种上述植物纤维基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将植物纤维与水混合，使植物纤维完全浸润后，加入胶黏剂、防水剂和填充剂，搅拌均匀，得到混合物料；
(2)将所述步骤(1)得到的混合物料加入制品模具中，填满模腔，封闭加热，使混合物料中的水分形成水蒸气促进混合物料发泡，得到发泡物料；
(3)将所述步骤(2)后得到的发泡物料，干燥至含水率为7-20％后，开模取出制品，即得到所述的植物纤维基复合材料。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(1)中，所述植物纤维与水混合完全浸润后，其含水率为30-300％；所述植物纤维在与水混合之前要先用碱、酸、盐、生物酶、蒸气闪爆、辐射、无氧碳化中的一种或多种进行预处理。用碱、酸、盐、生物酶做前处理，可以改变纤维表观形貌、分子链结构，提高纤维的结合强度；而用蒸气闪爆、辐射、无氧碳化等处理，可以改变纤维形貌，破坏氢键作用，提高纤维强度，从而提高制品强度。
碱处理作用：脱离植物纤维中的灰分、木质素、半木质素、油脂、蛋白质等成分，使纤维部分酯化，破坏纤维中的氢键作用，提高纤维的熔融、溶解、塑化、流动以及与其他物质(包括纤维与纤维之间)之间的界面作用力。其作用效果与碱液浓度、作用时间、温度、压力等因素相关。
酸作用：主要脱离纤维中的油脂和蛋白质，同时，能够在植物纤维降解中起催化作用，促进纤维分子链的断链，提高纤维的熔融塑化能力。
盐作用：盐溶液能够促进植物纤维中的无定形区和结晶区的溶胀，提高植物纤维的塑化流动能力，以及促进纤维的缠绕与界面作用力。
生物酶：能够促进纤维素部分酶解，提高纤维的柔性和缠绕性能，提高纤维制品的力学性能。
蒸汽闪爆：物理方法破坏植物纤维结构，改变纤维表观形貌，部分破坏氢键作用，去掉部分油脂、果胶等成分。
辐射：主要作用是破坏纤维氢键作用，提高纤维的熔融、溶解、塑化流动成型的能力。
无氧炭化：使部分纤维炭化成炭纤维，显著提高制品的刚性和强度，同时，提高制品的防腐、防霉、防水等性能。
水：在固定成型之前，水量要较大，主要作用是溶解其他添加剂，溶胀纤维，使纤维成为具有一定成型能力甚至流动能力的物料。物料干燥定型后，水分含量要适中，其主要作用是为纤维提供形成氢键所需要的水分子，植物纤维与纤维之间主要通过氢键作用，牢固地结合在一起，水分子过多或者过少，都会削弱氢键作用。
优选的，所述步骤(2)中，封闭加热的温度为100-120℃，封闭加热的过程中往模腔中充气，充入的气体为空气、氮气、二氧化碳或水蒸气；一般来说，充气压力越大，则发泡效果越好，但是，压力越大，则发泡成本就会越高，对设备的要求越高，所以以能够使物料完全填满模腔空间时的压力为标准压力，充气压力为标准压力的1.1-4倍。充气可以促进制品发泡，减少制品比重；更优选为高温水蒸气，既能促进发泡，也能加快水的蒸发，提高制品干燥速度。由于本发明采用充入气体作为发泡源物料在发泡之间，其含水率要远大于20％，这样，才能够在100℃以上温度下释放出大量的水蒸气，促进制品发泡。
当然，也可以不充气，直接通过室温干燥，但是干燥时间会比较长。或者不施加充气压力，可以加热干燥，干燥速度较快，但是其发泡倍率小于充气的方案。
优选的，所述步骤(3)中，干燥的温度为25-200℃，更优选为50-80℃。也可以不加热，在室温下，缓慢干燥。
将植物纤维与大量水共混，使纤维充分吸收水分，物料进入模具发泡前，其含水率要大于7％，最佳范围在30-70％左右，物料充分浸润好后，与各添加剂充分混合，然后将物料加入模腔中，封闭加热，温度在100-120℃，物料中的水分在高温下蒸发成水蒸气，水蒸气在蒸发的同时，对纤维有个压力，使物料体积膨胀，会形成多孔结构，同时，水分蒸发后，其原来所占的体积也会形成孔洞，水气挥发后，纤维物料干燥成型，得到具有一定强度和形状的制品。植物纤维基复合材料，其处理过程是一个世界性难题，目前，很难通过某个单一技术处理就能够获得较好的效果，因此，本发明采用多技术协同作用，充分发挥各技术的优势，达到最佳的处理效果。
基于一个总的技术构思，本发明还相应提供一种上述植物纤维基复合材料的应用，采用所述植物纤维基复合材料制备物流托盘、烟花底座或其他形状的制品。
上述的应用，优选的，所述物流托盘、烟花底座或其他形状的制品的表面喷涂有防火和/或防水涂层。
防水涂层：主要是制品完成后，在制品表面喷涂一层防水漆或防水涂料，主要是聚氨酯类或丙烯酸酯类产品，市场可以买到。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明的植物纤维基复合材料，耐腐蚀，可生物降解，生产过程无污染，制品密度低(比重在0.2-1.2kg/m3之间)，制品强度高(抗压强度：5-30MPa；拉伸强度：5-40MPa)，制品可回收利用，制品原材料可再生，且来源广泛，成本低。
2、本发明的制备方法，以植物纤维为原材料，加入过量的水，搅拌均匀后，放入模具中，在一定温度下加热使水分形成水蒸气，促进发泡，将水分蒸发后，得到一种具有超低密度、较高强度、可生物降解的托盘制品；工艺简单、生产耗时短、成本低、生产过程环保。
3、本发明的植物纤维基复合材料可以用于制备物流托盘、烟花底座或产品包装，具有耐腐蚀、强度高、重量轻、成本低且经济环保等优点。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
一种用于物料托盘的植物纤维基复合材料，由含水率为10％的植物纤维组成；其中，植物纤维为长径比＞2的竹子长纤维。
采用上述植物纤维基复合材料制备物料托盘，其制备方法包括如下步骤：
(1)将植物纤维与水混合，使植物纤维完全浸润后含水率达到300％，得到混合物料；
(2)将所述步骤(1)得到的混合物料加入物料托盘制品模具中，填满模腔，在100℃下封闭加热，使混合物料中的水分形成水蒸气促进混合物料发泡，得到发泡物料；
(3)将所述步骤(2)后得到的发泡物料，干燥至含水率为10％后，开模取出制品，在制品表面喷涂防水漆形成防水涂层，即得到植物纤维基复合材料制成的物料托盘。
针对本实施例的物料托盘进行性能测试，测试结果如表1所示。
表1：本实施例制备得到的物料托盘的性能测试结果
| 密度(kg/m<sup>3</sup>) | 抗压强度(MPa) | 拉伸强度(MPa) | 生物降解 | 标准 |
| 0.75 | 11 | 10.8 | 100％ | GB/T1447-2005 |
由此可见，本实施例的物料托盘具有耐腐蚀、可生物降解、生产过程无污染、制品密度低、制品强度高、成本低、经济环保等优点。
实施例2：
一种用于物料托盘的植物纤维基复合材料，由水和以下各组分组成：植物纤维84重量份，胶黏剂3重量份，填充剂5重量份，防水剂3重量份，所述植物纤维基复合材料的含水率为5％；其中，植物纤维为长径比＞2的稻草长纤维，胶黏剂为聚乙烯醇，填充剂为二氧化硅，防水剂为丙烯酸酯。
采用上述植物纤维基复合材料制备物料托盘，其制备方法包括如下步骤：
(1)将植物纤维与水混合，使植物纤维完全浸润后含水率达到80％，加入胶黏剂、防水剂和填充剂，搅拌均匀，得到混合物料；
(2)将所述步骤(1)得到的混合物料加入物料托盘制品模具中，填满模腔，在100℃下封闭加热，封闭加热的过程中往模腔中充入水蒸气，充气压力为标准压力的1.5倍，使混合物料中的水分形成水蒸气促进混合物料发泡，得到发泡物料；
(3)将所述步骤(2)后得到的发泡物料，干燥至含水率为5％后，开模取出制品，在制品表面喷涂防水漆形成防水涂层，即得到植物纤维基复合材料制成的物料托盘。
针对本实施例的物料托盘进行性能测试，测试结果如表2所示。
表2：本实施例制备得到的物料托盘的性能测试结果
| 密度(kg/m<sup>3</sup>) | 抗压强度(MPa) | 拉伸强度(MPa) | 生物降解 | 标准 |
| 0.55 | 17 | 19 | 100％ | GB/T1447-2005 |
由此可见，本实施例的物料托盘具有耐腐蚀、可生物降解、生产过程无污染、制品密度低、制品强度高、成本低、经济环保等优点。
实施例3：
一种用于物料托盘的植物纤维基复合材料，由水和以下各组分组成：植物纤维72重量份，胶黏剂8重量份，填充剂17重量份，防水剂3重量份，所述植物纤维基复合材料的含水率为5％；其中，植物纤维为粒径≤200目的中药材渣颗粒，胶黏剂为淀粉糊，填充剂为碳酸钙，防水剂为聚氨酯。
采用上述植物纤维基复合材料制备物料托盘，其制备方法包括如下步骤：
(1)先用碱对植物纤维进行预处理，然后将植物纤维与水混合，使植物纤维完全浸润后含水率达到80％，加入胶黏剂、防水剂和填充剂，搅拌均匀，得到混合物料；
(2)将所述步骤(1)得到的混合物料加入物料托盘制品模具中，填满模腔，在100℃下封闭加热，封闭加热的过程中往模腔中充入空气，充气压力为标准压力的2倍，使混合物料中的水分形成水蒸气促进混合物料发泡，得到发泡物料；
(3)将所述步骤(2)后得到的发泡物料，干燥至含水率为5％后，开模取出制品，在制品表面喷涂防水漆形成防水涂层，即得到植物纤维基复合材料制成的物料托盘。
针对本实施例的物料托盘进行性能测试，测试结果如表3所示。
表3：本实施例制备得到的物料托盘的性能测试结果
| 密度(kg/m<sup>3</sup>) | 抗压强度(MPa) | 拉伸强度(MPa) | 生物降解 | 标准 |
| 0.6 | 22 | 25 | 100％ | GB/T1447-2005 |
由此可见，本实施例的物料托盘具有耐腐蚀、可生物降解、生产过程无污染、制品密度低、制品强度高、成本低、经济环保等优点。
实施例4：
一种用于烟花底座的植物纤维基复合材料，由水和以下各组分组成：植物纤维92重量份，胶黏剂3重量份，填充剂5重量份，所述植物纤维基复合材料的含水率为5％；其中，植物纤维为长径比＞2的秸秆长纤维，胶黏剂为氧化钙，填充剂为碳酸钙。
采用上述植物纤维基复合材料制备烟花底座，其制备方法包括如下步骤：
(1)将植物纤维与水混合，使植物纤维完全浸润后含水率达到100％，加入胶黏剂、防水剂和填充剂，搅拌均匀，得到混合物料；
(2)将所述步骤(1)得到的混合物料加入烟花底座的制品模具中，填满模腔，在100℃下封闭加热，封闭加热的过程中往模腔中充入空气，充气压力为标准压力的2倍，使混合物料中的水分形成水蒸气促进混合物料发泡，得到发泡物料；
(3)将所述步骤(2)后得到的发泡物料，干燥至含水率为5％后，开模取出制品，即得到植物纤维基复合材料制成的烟花底座。
针对本实施例的烟花底座进行性能测试，测试结果如表4所示。
表4：本实施例制备得到的烟花底座的性能测试结果
| 密度(kg/m<sup>3</sup>) | 抗压强度(MPa) | 拉伸强度(MPa) | 生物降解 | 标准 |
| 0.45 | 7 | 6.5 | 100％ | GB/T1447-2005 |
由此可见，本实施例的烟花底座具有耐腐蚀、可生物降解、生产过程无污染、制品密度低、制品强度高、成本低、经济环保等优点。
实施例5：
一种用于家具产品包装的植物纤维基复合材料，由水和以下各组分组成：植物纤维87重量份，胶黏剂5重量份，填充剂5重量份，防水剂3重量份，所述植物纤维基复合材料的含水率为7％；其中，植物纤维为长径比＞2的芦苇长纤维，胶黏剂为硅酸盐，填充剂为碳酸钙，防水剂为聚氨酯。
采用上述植物纤维基复合材料制备家具产品包装，其制备方法包括如下步骤：
(1)将植物纤维与水混合，使植物纤维完全浸润后含水率达到100％，加入胶黏剂、防水剂和填充剂，搅拌均匀，得到混合物料；
(2)将所述步骤(1)得到的混合物料加入家具产品包装的制品模具中，填满模腔，在120℃下封闭加热，封闭加热的过程中往模腔中充入空气，充气压力为标准压力的2倍，使混合物料中的水分形成水蒸气促进混合物料发泡，得到发泡物料；
(3)将所述步骤(2)后得到的发泡物料，干燥至含水率为7％后，开模取出制品，即得到植物纤维基复合材料制成的家具产品包装。
针对本实施例的家具产品包装进行性能测试，测试结果如表5所示。
表5：本实施例制备得到的家具产品包装的性能测试结果
| 密度(kg/m<sup>3</sup>) | 抗压强度(MPa) | 拉伸强度(MPa) | 生物降解 | 标准 |
| 0.5 | 8.5 | 7.8 | 100％ | GB/T1447-2005 |
由此可见，本实施例的家具产品包装具有耐腐蚀、可生物降解、生产过程无污染、制品密度低、制品强度高、成本低、经济环保等优点。
实施例6：
一种用于电子产品包装的植物纤维基复合材料，由水和以下各组分组成：植物纤维70重量份，胶黏剂15重量份，填充剂10重量份，防水剂5重量份，所述植物纤维基复合材料的含水率为7％；其中，植物纤维为粒径≤200目的米糠纤维颗粒，胶黏剂为海藻酸钠，填充剂为二氧化硅，防水剂为丙烯酸酯。
采用上述植物纤维基复合材料制备电子产品包装，其制备方法包括如下步骤：
(1)先对植物纤维进行无氧碳化处理，然后将植物纤维与水混合，使植物纤维完全浸润后含水率达到100％，加入胶黏剂、防水剂和填充剂，搅拌均匀，得到混合物料；
(2)将所述步骤(1)得到的混合物料加入电子产品包装的制品模具中，填满模腔，在120℃下封闭加热，封闭加热的过程中往模腔中充入氮气，充气压力为标准压力的4倍，使混合物料中的水分形成水蒸气促进混合物料发泡，得到发泡物料；
(3)将所述步骤(2)后得到的发泡物料，干燥至含水率为7％后，开模取出制品，即得到植物纤维基复合材料制成的电子产品包装。
针对本实施例的电子产品包装进行性能测试，测试结果如表6所示。
表6：本实施例制备得到的电子产品包装的性能测试结果
| 密度(kg/m<sup>3</sup>) | 抗压强度(MPa) | 拉伸强度(MPa) | 生物降解 | 标准 |
| 0.25 | 12 | 13 | 100％ | GB/T1447-2005 |
由此可见，本实施例的电子产品包装具有耐腐蚀、可生物降解、生产过程无污染、制品密度低、制品强度高、成本低、经济环保等优点。
Claims (10)
1.一种植物纤维基复合材料，其特征在于，所述植物纤维基复合材料主要由水和以下各组分组成：植物纤维60-100重量份，胶黏剂0-10重量份，填充剂0-10重量份，防水剂0-10重量份，所述植物纤维基复合材料的含水率为5-20％，其密度为0.2-1.2kg/m3。
2.根据权利要求1所述的植物纤维基复合材料，其特征在于，所述植物纤维为长径比＞2的长纤维和/或粒径≤1000目的纤维颗粒；所述植物纤维包括竹子、稻草、芦苇、木材、棉杆、秸秆、麻秆、米糠、中药材及中药材渣中的任意一种或几种。
3.根据权利要求1所述的植物纤维基复合材料，其特征在于，所述胶黏剂包括聚乙烯醇、淀粉糊、纤维素、单宁、阿拉伯树胶、海藻酸钠、骨胶、鱼胶、紫胶、白乳胶、硅酸盐和氧化钙中的任意一种或几种；所述填充剂包括碳酸钙、二氧化硅、二氧化钛、高岭土、煤灰和黄土中的任意一种或几种；所述防水剂包括丙烯酸酯和/或聚氨酯。
4.根据权利要求1所述的植物纤维基复合材料，其特征在于，所述植物纤维基复合材料主要由水和以下各组分组成：植物纤维84重量份，胶黏剂3重量份，填充剂10重量份，防水剂3重量份。
5.一种如权利要求1-4中任一项所述植物纤维基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将植物纤维与水混合，使植物纤维完全浸润后，加入胶黏剂、防水剂和填充剂，搅拌均匀，得到混合物料；
(2)将所述步骤(1)得到的混合物料加入制品模具中，填满模腔，封闭加热，使混合物料中的水分形成水蒸气促进混合物料发泡，得到发泡物料；
(3)将所述步骤(2)后得到的发泡物料，干燥至含水率为7-20％后，开模取出制品，即得到所述的植物纤维基复合材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述植物纤维完全浸润后，其含水率为30-300％；所述植物纤维在与水混合之前要先用碱、酸、盐、生物酶、蒸气闪爆、辐射、无氧碳化中的一种或多种进行预处理。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，封闭加热的温度为100-120℃，封闭加热的过程中往模腔中充气，充入的气体为空气、氮气、二氧化碳或水蒸气；以能够使物料完全填满模腔空间时的压力为标准压力，充气压力为所述标准压力的1.1-4倍。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，干燥的温度为25-200℃。
9.一种如权利要求1-4中任一项所述、或由权利要求6或7所述制备方法制备得到的植物纤维基复合材料的应用，其特征在于，采用所述植物纤维基复合材料制备物流托盘、烟花底座或其他形状的制品。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述物流托盘、烟花底座或其他形状制品的表面喷涂有防火和/或防水涂层。
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