專利名稱：一種甘蔗皮纖維復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種纖維復(fù)合材料及其制備方法，特別涉及一種以高分子聚合物為基材，植物纖維為增強(qiáng)材料的纖維復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
纖維復(fù)合材料是以纖維作增強(qiáng)材料，以樹脂或水泥等作基體的一種復(fù)合材料。傳統(tǒng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料主要包括聚丙烯纖維、玻璃纖維、芳香族聚酰胺纖維或碳纖維等化學(xué)纖維，它們一般都存在著耗能大、造價(jià)高、易污染環(huán)境等問(wèn)題。由于石化資源的日趨短缺，人們?cè)诓粩鄬ふ倚履茉?、新材料以替代煤炭和石油化工產(chǎn)品，以緩解或解決能源與資源危機(jī)。 利用生物可再生資源開發(fā)環(huán)境友好綠色復(fù)合材料成為當(dāng)前世界各國(guó)關(guān)注和研究的熱點(diǎn)之
ο纖維素是地球上最豐富的天然聚合物，并且是提供“納米”增強(qiáng)材料的一個(gè)強(qiáng)有力的后備資源。它的強(qiáng)度好、結(jié)晶度高，廣泛應(yīng)用于加強(qiáng)和承載型復(fù)合材料。此外，纖維素可生物降解、價(jià)格低廉，比目前正在使用的大多數(shù)填料密度低得多。甘蔗皮和甘蔗渣中纖維素含量較高，甘蔗皮纖維可從甘蔗榨汁后的廢棄物中提取的天然纖維素纖維。如能將其中的纖維提取出來(lái)加以利用，則既能充分合理地利用資源，緩解石油資源短缺帶來(lái)的問(wèn)題，又能減少環(huán)境污染。在本發(fā)明作出之前，中國(guó)發(fā)明專利“一種利用甘蔗渣制備抗菌纖維材料的方法” (CN102180977A)中，涉及了一種蔗渣纖維素的提取方法，步驟包括將甘蔗渣充分干燥，機(jī)械粉碎，用索式抽提脫蔗蠟，再通過(guò)熱水浴脫半纖維素，以亞氯酸鈉和酸堿處理脫木質(zhì)素， 得到分離的蔗渣纖維素；該發(fā)明還公開了一種可用于食品包裝材料和抗菌功能紡織產(chǎn)品的甘蔗抗菌纖維材料的渣制備方法，向干燥的蔗渣纖維素中加入活化試劑，攪拌活化，向活化后的蔗渣纖維素體系中加入酯化試劑，室溫?cái)嚢柘迈セ磻?yīng)1 2小時(shí)，酯化劑用量控制在每Ig蔗渣纖維素中加1 2mL酯化劑，反應(yīng)結(jié)束后，向反應(yīng)液中加入醇?jí)A液析出產(chǎn)物， 對(duì)沉淀用95%的乙醇洗滌，60°C下鼓風(fēng)干燥3小時(shí)，得到蔗渣纖維素酯衍生物。該發(fā)明的主要目的是以蔗渣纖維素為原料開發(fā)具有抗菌功能的纖維材料，對(duì)纖維的力學(xué)性能沒(méi)有要求，在提取纖維素時(shí)酸堿作用時(shí)間長(zhǎng)，這樣既耗時(shí)耗能，又使得到的纖維力學(xué)性能惡化明顯。另一項(xiàng)中國(guó)發(fā)明專利(CN101053451)公開了一種用木屑、竹粉、桔稈、谷殼、稻稈、甘蔗渣以及植物的莖、枝、根、皮等植物纖維，添加交聯(lián)劑、發(fā)泡劑、表面活性劑、防收縮劑、增韌劑等改性劑，制造植物纖維類泡沫材料的方法，其步驟依次為粉碎一烘干一攪拌機(jī)一密煉機(jī)一單螺桿擠出造粒機(jī)組一射出發(fā)泡成型機(jī)，其制備得到的是泡沫板材。利用甘蔗皮纖維， 制備膜狀柔性復(fù)合材料未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種制備工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)品成本低廉，且能有效提高吸濕性和透氣性的甘蔗皮纖維復(fù)合材料及其制備方法。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是提供一種甘蔗皮纖維復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟
(1)將甘蔗皮去除橫節(jié)剪成50 80mm長(zhǎng)的小段，清水洗凈，再按浴比1:30 50置于水浴中沸煮處理1 2小時(shí)，更換清水后重復(fù)沸煮處理1 2次，烘干；
(2)按浴比1:20 30，在溫度為80 90°C的攪拌條件下，將烘干后的甘蔗皮置于鹽酸與甲酸的混合溶液中進(jìn)行處理，提取甘蔗皮纖維；所述的混合溶液中，按質(zhì)量百分比，鹽酸濃度為0. 8 1. 2%，甲酸濃度為8 15%，處理時(shí)間為20 80min ；
(3)將得到的甘蔗皮纖維水洗后，按浴比1:20 30，在溫度為75 80°C的攪拌條件下，置于堿性溶液中進(jìn)行堿煮處理，所述的堿性溶液為NaOH溶液，其質(zhì)量濃度為8 10% ； 處理時(shí)間為80 130min ；
(4)將堿煮處理后的甘蔗皮纖維置于弱酸溶液中進(jìn)行中和處理，再經(jīng)水洗、烘干，得到 50 70%的甘蔗皮單纖維，其余為束纖維；單纖維的平均直徑為16 20 μ m的甘蔗皮纖維；
(5)按摩爾比8:2，將丙烯酸與丙烯酰胺溶液混合，配制成聚合單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 15%的水溶液，再加入含量為丙烯酸與丙烯酰胺總質(zhì)量的ι m的甘蔗皮纖維；在氮?dú)獗Ｗo(hù)、水浴緩慢升溫至60 70°C的加熱條件下，緩慢滴入過(guò)硫酸鉀引發(fā)劑進(jìn)行聚合反應(yīng)；過(guò)硫酸鉀引發(fā)劑的用量為丙烯酸與丙烯酰胺總質(zhì)量的0. 5 1. 5% ；
(6)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到1.5 2小時(shí)后，將水浴升溫至75 80°C，并持續(xù)0. 5 1小時(shí)；
(7)單體反應(yīng)結(jié)束后，得到甘蔗皮纖維和丙烯酸-丙烯酰胺共聚物的混合物；待混合物冷卻后倒入塑料模具中，在室溫下干燥成膜，制得甘蔗皮纖維復(fù)合材料。按上述制備方法得到的甘蔗皮纖維復(fù)合材料，其中，甘蔗皮纖維含量為聚合單體總質(zhì)量的1 2%，復(fù)合材料的厚度為0. 2 0. 8mm。本發(fā)明以甘蔗皮短纖維為增強(qiáng)材料，以溶液聚合所得聚合物為基體，制備了一種膜狀柔性復(fù)合材料。溶液聚合是將單體和引發(fā)劑溶于適當(dāng)溶劑中進(jìn)行聚合的方法。其優(yōu)點(diǎn)是聚合反應(yīng)在溶液內(nèi)進(jìn)行，混合和傳熱較容易，溫度易控制；散熱容易，可避免局部過(guò)熱； 聚合物分子量較易控制，分子量分布較窄。本發(fā)明將從廢棄的甘蔗皮中提取的短纖維，根據(jù)自由基聚合機(jī)理，先利用引發(fā)劑分子在加熱條件下分解為初級(jí)自由基，然后初級(jí)自由基和單體反應(yīng)進(jìn)而生成單體自由基，使得鏈增長(zhǎng)，從而合成高聚物。本發(fā)明在單體合成之初加入一定量的甘蔗皮短纖維，當(dāng)單體反應(yīng)結(jié)束后，便得到甘蔗皮纖維和高聚物的混合物。待混合物冷卻后倒入塑料模具中，在室溫下干燥成膜，制得甘蔗皮纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。本發(fā)明中纖維與高聚物的復(fù)合是在單體合成之初。采用溶液自由基聚合法，取一定量的單體，并加入一定量的甘蔗皮纖維，在氮?dú)獗Ｗo(hù)、水浴加熱條件下，通過(guò)緩慢滴入的過(guò)硫酸鹽引發(fā)，平穩(wěn)、緩慢地聚合。反應(yīng)得到含有甘蔗皮纖維的透明粘稠狀的聚合物。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有以下特點(diǎn)
1、甘蔗皮纖維表面粗糙不光滑，與聚合物基體混合時(shí)，基體很容易滲入纖維表面形成結(jié)合界面，有利于提高基體與纖維之間的相容性和界面粘合效果。2、甘蔗皮纖維屬天然纖維素纖維，分子結(jié)構(gòu)中含有大量羥基，因此具有優(yōu)良的吸濕性，且纖維截面具有中空結(jié)構(gòu)，有利于水分的傳輸，制成復(fù)合材料后，可改善復(fù)合材料的吸濕性和透氣性。
3、聚合物單體濃度較低，有利于纖維在復(fù)合材料中的均勻分布。4、復(fù)合材料的成型性好，可在室溫下根據(jù)模具的形狀成各種型，有利于復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用。5、該復(fù)合材料制備方法適用于各種短纖維與其他各種以溶液聚合所得聚合物為基體的材料的復(fù)合。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例提取的甘蔗纖維的表面的掃描電鏡圖； 圖2是本發(fā)明實(shí)施例提取的甘蔗纖維的截面的掃描電鏡圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的甘蔗皮纖維復(fù)合材料的掃描電鏡圖。具體實(shí)施方法
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步的闡述。實(shí)施例1 1、纖維的提取
將甘蔗皮去除橫節(jié)剪成長(zhǎng)度約為70 mm的小段，用清水洗凈。取適量甘蔗皮加入清水中，浴比為1 :50，置于水浴中沸煮1小時(shí)，更換新的清水再沸煮2小時(shí)，再換水沸煮1小時(shí)。將甘蔗皮取出洗凈，放在55°C烘箱中烘干，待用。取洗凈烘干的甘蔗皮按以下工藝流程進(jìn)行纖維提取
取30g甘蔗皮，放入600ml鹽酸與甲酸混合溶液中，溶液中含有質(zhì)量濃度為36 38% 的鹽酸15ml，質(zhì)量濃度為88%的甲酸60ml，在80°C溫度下攪拌處理60min ；取出固體物清水洗凈，再放入600ml質(zhì)量濃度為10%的NaOH溶液中，在75°C溫度下攪拌處理120min ；取出纖維清洗，加入稀醋酸溶液進(jìn)行中和處理，再用清水反復(fù)沖洗后取出，放在60°C烘箱中烘干，制得甘蔗皮纖維，其中，約60%為單纖維，其余為束纖維；經(jīng)測(cè)試，單纖維的平均長(zhǎng)度為 0. 87mm,平均直徑為18 μ m ；束纖維的長(zhǎng)度接近所剪斷的甘蔗皮長(zhǎng)度，平均長(zhǎng)度為68mm，平均直徑為150 μ m。束纖維的斷裂應(yīng)力約為23Mpa，斷裂伸長(zhǎng)約為6. 5%。經(jīng)測(cè)試，纖維在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的吸濕平衡回潮率約為10%。檢測(cè)結(jié)果顯示，纖維結(jié)晶結(jié)構(gòu)為纖維素I型，由 X-衍射法測(cè)得的結(jié)晶度約為57%;纖維密度為1.50 g/ cm3。參見附圖1和圖2，它是按本實(shí)施例方法提取得到的甘蔗皮纖維的掃描電鏡圖；其中，圖1為甘蔗皮纖維的表面，圖2為甘蔗皮纖維的截面。由圖1可以看出，甘蔗皮纖維表面粗糙不光滑；由圖2可以看出，纖維截面具有中空結(jié)構(gòu)。2、高聚物的合成及與纖維的復(fù)合本實(shí)施例以丙烯酸共聚物為例。(1)聚合反應(yīng)各種試劑的配比與用量丙烯酸(AA)與丙烯酰胺(AM)的摩爾比為8 2 ；
引發(fā)劑過(guò)硫酸鉀(KPS)的添加量為AA和AM總質(zhì)量的1% ； 聚合單體(AA+AM)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別取10%和15%。(2)聚合、復(fù)合
本發(fā)明采用的是溶液自由基聚合法，在氮?dú)獗Ｗo(hù)、水浴加熱條件下，具有一定中和度的丙烯酸、丙烯酰胺和潛交聯(lián)劑水溶液，通過(guò)緩慢滴入的過(guò)硫酸鉀引發(fā)，平穩(wěn)、緩慢地聚合。反應(yīng)得到透明粘稠狀的聚合物。具體過(guò)程如下
1)在配有電動(dòng)攪拌器的四口圓底燒瓶中加入一定量AA水溶液，放置于水浴中，將NaOH 水溶液用滴液漏斗緩慢加入進(jìn)行中和；
2)在電子天平上稱取一定量AM固體，加入中和溶液，進(jìn)行溶解；
3)在電子天平上稱取一定量KPS固體，溶解于小燒杯中，再轉(zhuǎn)移到滴液漏斗中；
4)在電子天平上稱取一定量甘蔗皮纖維，加入到四口圓底燒瓶，開啟攪拌器，使纖維分散均勻；
5)水浴緩慢加熱，同時(shí)向反應(yīng)體系中通氮?dú)?min；
6)旋轉(zhuǎn)滴液漏斗，使引發(fā)劑緩慢滴下；繼續(xù)升高溫度到65°C左右，降低升溫速度，使溫度保持在65°C左右；
7)當(dāng)反應(yīng)達(dá)到一定程度(時(shí)間約一個(gè)半小時(shí))，反應(yīng)體系粘度明顯增加，此時(shí)將水浴升溫至75°C并持續(xù)半小時(shí)，以將剩余單體進(jìn)一步反應(yīng)，最終產(chǎn)物呈透明、粘稠狀。3、復(fù)合材料成型
將反應(yīng)結(jié)束的聚合物冷卻后，倒入塑料模具中，放置在水平臺(tái)上蓋上紗布，靜置4 5 天后干燥成膜，即制得甘蔗皮纖維復(fù)合材料。參見附圖3，它是本實(shí)施例提供的甘蔗皮纖維復(fù)合材料的掃描電鏡圖，由圖3可以看出，纖維分布均勻，材料成型性好。由于甘蔗皮纖維為中空、親水性材料，因此制成的復(fù)合材料柔性性好，且具有良好的吸濕、透氣性。實(shí)施例2
將甘蔗皮去除橫節(jié)剪成小段，用清水洗凈。取適量甘蔗皮加入清水中，浴比為1 :50，置于水浴中沸煮1小時(shí)，更換新的清水再沸煮2小時(shí)，再換水沸煮1小時(shí)。將甘蔗皮取出洗凈， 放在55°C烘箱中烘干，待用。取洗凈烘干的甘蔗皮按以下工藝流程進(jìn)行纖維提取
取30g甘蔗皮，放入600ml鹽酸與甲酸混合溶液中，溶液中含有鹽酸15ml，甲酸60ml， 在80°C溫度下攪拌處理60min ；取出固體物清水洗凈，再放入600ml 10%Na0H溶液中，在 75°C溫度下攪拌處理120min ；取出纖維清洗，加入稀醋酸溶液中和，再用清水反復(fù)沖洗后取出，放在60°C烘箱中烘干，制得甘蔗皮纖維。甘蔗皮纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。用篩網(wǎng)篩出長(zhǎng)度在IOmm以下的甘蔗皮短纖維，稱取一定量的甘蔗皮短纖維加入到丙烯酸、丙烯酰胺和潛交聯(lián)劑水溶液中進(jìn)行高聚物的合成和材料的復(fù)合。具體工藝參數(shù) 在 90ml 中含有 AA 10.83 g，AM 2.67 g, NaOH 4.8 g，KPS 0.135 g，丙烯酸甲酯 0.675 g 的去離子水溶液中，加入甘蔗皮纖維0. 16 g，經(jīng)聚合反應(yīng)后得到纖維與液態(tài)高聚物的混合體， 待冷卻后將其倒入塑料模具中，靜置4 5天后干燥成膜。
權(quán)利要求
1.一種甘蔗皮纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟(1)將甘蔗皮去除橫節(jié)剪成50 80mm長(zhǎng)的小段，清水洗凈，再按浴比1:30 50置于水浴中沸煮處理1 2小時(shí)，更換清水后重復(fù)沸煮處理1 2次，烘干；(2)按浴比1:20 30，在溫度為80 90°C的攪拌條件下，將烘干后的甘蔗皮置于鹽酸與甲酸的混合溶液中進(jìn)行處理，提取甘蔗皮纖維；所述的混合溶液中，按質(zhì)量百分比，鹽酸濃度為0. 8 1. 2%，甲酸濃度為8 15%，處理時(shí)間為20 80min ；(3)將得到的甘蔗皮纖維水洗后，按浴比1:20 30，在溫度為75 80°C的攪拌條件下，置于堿性溶液中進(jìn)行堿煮處理，所述的堿性溶液為NaOH溶液，其質(zhì)量濃度為8 10% ； 處理時(shí)間為80 130min ；(4)將堿煮處理后的甘蔗皮纖維置于弱酸溶液中進(jìn)行中和處理，再經(jīng)水洗、烘干，得到 50 70%的甘蔗皮單纖維，其余為束纖維；單纖維的平均直徑為16 20 μ m的甘蔗皮纖維；(5)按摩爾比8:2，將丙烯酸與丙烯酰胺溶液混合，配制成聚合單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 15%的水溶液，再加入含量為丙烯酸與丙烯酰胺總質(zhì)量的ι m的甘蔗皮纖維；在氮?dú)獗Ｗo(hù)、水浴緩慢升溫至60 70°C的加熱條件下，緩慢滴入過(guò)硫酸鉀引發(fā)劑進(jìn)行聚合反應(yīng)；過(guò)硫酸鉀引發(fā)劑的用量為丙烯酸與丙烯酰胺總質(zhì)量的0. 5 1. 5% ；(6)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到1.5 2小時(shí)后，將水浴升溫至75 80°C，并持續(xù)0. 5 1小時(shí)；(7)單體反應(yīng)結(jié)束后，得到甘蔗皮纖維和丙烯酸-丙烯酰胺共聚物的混合物；待混合物冷卻后倒入塑料模具中，在室溫下干燥成膜，制得甘蔗皮纖維復(fù)合材料。
2.按權(quán)利要求1制備方法得到的甘蔗皮纖維復(fù)合材料，其特征在于復(fù)合材料中甘蔗皮纖維含量為聚合單體總質(zhì)量的1 2%，復(fù)合材料的厚度為0. 2 0. 8mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種甘蔗皮纖維復(fù)合材料及其制備方法。從甘蔗皮中提取短纖維，根據(jù)自由基聚合機(jī)理，在單體合成之初加入一定量的甘蔗皮短纖維，先利用引發(fā)劑分子在加熱條件下分解為初級(jí)自由基，然后初級(jí)自由基和單體反應(yīng)生成單體自由基，進(jìn)而發(fā)生鏈增長(zhǎng)，當(dāng)單體反應(yīng)結(jié)束后，得到甘蔗皮纖維和高聚物的混合物，待混合物冷卻后倒入模具中，在室溫下干燥成膜，制得甘蔗皮纖維復(fù)合材料，它成型性好，纖維分布均勻，且具有良好的吸濕性和透氣性，可用作人造皮革的基體材料，用于服裝及鞋帽等。
文檔編號(hào)C08L33/02GK102504460SQ20111035709
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月11日
發(fā)明者楊旭紅 申請(qǐng)人:蘇州大學(xué)