[发明专利]一种制备木质纤维类生物基塑料的方法

说明书

技术领域

本发明属于木质纤维类生物质资源利用领域，具体涉及一种制备木质纤维类生物基塑料的方法。

背景技术

近些年来，随着石油、煤炭等非可再生资源总量的日趋减少以及相应开发石化产品所带来的环境污染等一系列问题日益突出，将储量丰富且可再生的生物质转化为新能源、新材料和化工产品已经成为世界各国研究开发的热点。我国的生物质产量每年超过21亿吨，储量非常丰富，每年仅农作物秸秆就有7亿多吨。我国大量农林废弃物中的木质纤维类生物质，如树枝、木屑、刨花、秸秆、稻壳、玉米芯、花生壳、甘蔗渣等，未得到高效利用，有些甚至在田地里焚烧，不仅浪费资源，而且污染了大气环境。

通过物理和化学手段，将木质纤维类生物质转化制备成新材料，是其高效利用的途径之一。目前利用木质纤维类生物质制备新材料主要有两类：（1）以石油基树脂为基体，木质纤维为增强材料，生产称之为“塑木”或“木塑”的复合材料；（2）将木质纤维类生物质中主要组分之一的纤维素分离出来，对其进行改性制备成各种新材料。第一类材料即塑木仍以人工合成的石油基树脂为基体，仍然难以生物降解，环境友好性差，而且未从根本上改变对石油资源的依赖。另外，塑木中的木质纤维与树脂之间的界面相容性差，木质纤维/树脂复合材料的机械强度不高，限制了复合材料的应用。第二类材料仅利用了木质纤维中的一种组分，不仅资源利用率低，资源浪费严重，而且造成环境污染。因此，对木质纤维类生物质的全组分同时进行化学改性，使其具有热塑性，以加工成各种生物基塑料产品，从而逐步取代石油基塑料，已成为世界各国竞相研究开发的热点之一。

木质纤维主要由纤维素、半纤维素和木质素三种天然高聚物组成。这三种高分子化合物分子上均有羟基。这三种组分尤其纤维素通过羟基形成分子间的氢键，是木质纤维不具有热塑性的主要原因。目前文献报道各种对木质纤维的化学改性方法，主要借鉴纤维素的改性反应，通过酯化、醚化或接枝共聚取代纤维素、半纤维素和木质素上的羟基。纤维素、半纤维素和木质素三种物质互为伴生，且具有特定的微观和宏观结构，对木质纤维改性比纤维素具有更大的难度。日本白石信夫等报道了木材经过酯化和醚化可以使其有一定的热塑性；Sun Runcang等研究了稻草、小麦草、黑麦草和大麦草与杨木相比在无溶剂、无催化剂条件下的线性酸酐酰化反应。Lu等研究了剑麻纤维的苄基化改性，并对其热成型进行了较为系统的研究。章明秋等制备了苄基化剑麻纤维，并用于制备自增强复合材料。Aguirre等研究了木材纤维和甲基丙烯酸甲酯接枝共聚时的影响因素，热重曲线说明改性后木材纤维有了明显的热塑性。David等以NaOH水溶液作预润胀剂和催化剂，以溴代丙烯作醚化剂，获得的烯丙基化表面改性木材具有表面热塑性。

上述改性都是通过化学反应取代分子上的羟基，工艺比较复杂，容易造成环境污染，木质纤维溶解或反应过程中降解严重，而且改性产物的成型加工性能不好，很难制备成塑料。因此，需要研究开发一种更为高效、便捷并且环境友好的改性方法，使木质纤维类生物质转化成生物基塑料。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种制备木质纤维类生物基塑料的方法，通过离子液体或季铵盐与纤维素上的羟基发生作用，从而屏蔽羟基，降低纤维素分子间的作用力，高温下纤维素分子链之间可以自由滑移，从而将木质纤维类生物质制备成生物基塑料。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种制备木质纤维类生物基塑料的方法，先对木质纤维类生物质进行干燥和粉碎预处理；然后进行球磨预处理；然后将球磨后的木质纤维原料与离子液体/二甲基亚砜或季铵盐/二甲基亚砜溶液混合；接着放入捏合机中捏合；捏合过程中回收二甲基亚砜，捏合结束后，即可得到木质纤维类生物基塑料。

所述的制备木质纤维类生物基塑料的方法，包括以下步骤：

1）取木质纤维类生物质，干燥，粉碎，得粗料备用；

2）用球磨机对粗料进行球磨预处理，球磨时间为1~8h，得细料；其中，球磨罐材质选用玛瑙，容量为250mL，原料加入量6~10g，采用正反转无间隔交替方式进行球磨；

3）将离子液体或季铵盐与二甲基亚砜混合，制备混合溶液；其中，二甲基亚砜与离子液体或季铵盐的质量比为20~50：1；

4）先取部分细料与混合溶液混合搅拌，放入捏合机中捏合，捏合过程中分批次加入剩余细料；或，先将全部细料与混合溶液混合搅拌，然后放入捏合机中捏合；

5）捏合结束后，将产物挤出造粒，即可得到木质纤维类生物基塑料粒子；