專利名稱：一種具有完全降解性的環(huán)保復合材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種環(huán)保復合材料及制備方法，特別涉及一種具有完全降解性的環(huán)保復合材料及其制備方法。
背景技術：
資源短缺與環(huán)境污染是經濟社會發(fā)展過程中的副產物。隨著經濟發(fā)展步伐的不斷加快，資源短缺和環(huán)境污染也在不斷加劇，已經成為經濟社會發(fā)展的絆腳石。資源短缺提高了發(fā)展的成本；環(huán)境污染損害了空氣資源、水資源、土壤資源，并進而損害了人類的健康和正常的社會生活。資源短缺和環(huán)境污染已成為擺在世界各國，尤其是發(fā)展中國家面前的嚴峻問題。在此情況下，充分利用可再生資源，開發(fā)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型的工藝及產品成為科學及工程技術領域的研究熱點。植物資源是一種重要的可再生資源，“野火燒不盡，春風吹又生”的詩句是植物資源可再生性的鮮明寫照。植物的秸桿支撐植物生長，植物的葉子伸展在空中進行光合作用，植物的種殼包裹并保護著植物的種子。植物的這些部分在生長過程中就體現(xiàn)出了較好的力學性能，從而起到支撐和保護的作用，也預示著植物的秸桿、莖葉、種殼在材料制造中具有重要的應用前景。盡管植物資源的種類多樣，數(shù)量龐大，然而這些植物資源在當前的利用率并不高，相當一部分秸桿、野草、人工植被修剪物在田間被燒掉，既污染了空氣，又浪費了資源。如果將這些植物資源進行有效利用，則將起到緩解能源及資源短缺，減輕污染，減少溫室氣體排放，提高產品的生物安全性和環(huán)境安全性，保護人體健康的作用。以植物秸 桿、莖葉、種殼為原料制備復合材料已有一些報道，但是存在植物資源利用種類不廣泛、只利用植物的部分器官、原料加工處理要求高、制備工藝繁瑣、配料成分復雜、植物原料往往作為填料使用、植物原料在復合材料中所占比例偏低、與不可降解高分子材料復合而使得降解性不充分等問題。針對上述問題，本發(fā)明在系統(tǒng)研究的基礎上，探索出了一種具有完全降解性的新型環(huán)保復合材料及其簡潔高效無污染的制備方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有完全降解性的環(huán)保復合材料配方及其制備方法。所述的具有完全降解性的環(huán)保復合材料具有如下特點:主要由植物原料構成，一方面提高了植物原料的利用率，另一方面也賦予所制備的復合材料以更高的生物安全性，并降低了材料的成本；植物的秸桿、莖葉、種殼乃至根均可作為本發(fā)明所述環(huán)保復合材料的原料，植物的整體利用率大幅提高；植物的種類不僅包括農作物，還包括田間雜草、野草、水生雜草、人工栽培植被等類型，植物的種類利用率覆蓋更全面；制備復合材料時所使用的粘接劑為生物高分子或衍生型生物高分子，具有植物同源性和可降解性；植物原料和粘接劑通過環(huán)境友好型媒介物實現(xiàn)混合，同時在媒介物的作用及熱壓作用下實現(xiàn)粘接劑在植物原料表面的鋪展、潤濕和粘接作用。本發(fā)明所述的具有完全降解性的環(huán)保復合材料的制備方法具有如下特點:工藝過程簡潔，易于規(guī)模操作，生產效率高；原料處理及混料在密閉體系中進行，防止粉塵污染；生產溫度較低，減少植物原料在熱作用下的破壞，防止材料性能下降，防止熱解產物的產生及生產環(huán)境的空氣污染；脫模方法可靠有效，不僅保護材料免于機械損傷，相反成為材料的一部分，增強復合材料的性能。本發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn):一種具有完全降解性的環(huán)保復合材料，其特征在于由植物的秸桿、種殼、莖、葉其中的任意一種或兩種以上混合物及粘接劑、混合媒介物為原料制 成，其中，植物的秸桿、種殼、莖、葉其中的任意一種或兩種以上混合物為復合材料的主體成分，重量百分比為50%-90%。其中所述的植物類型非常廣泛，包括稻、麥、玉米、棉花、大豆、芝麻、甜菜等農作物及各種水生及陸生、野生及栽種的草類；
所述的粘接劑主要成分是淀粉或乙酸酯淀粉；
所述的粘接劑可以是以淀粉為主，搭配使用纖維素、羧甲基纖維素其中的任意一種或兩種的混合物；或是以乙酸酯淀粉為主，搭配使用纖維素、羧甲基纖維素其中的任意一種或兩種的混合物；當使用淀粉或乙酸酯淀粉搭配使用纖維素、羧甲基纖維素其中的任意一種或兩種的混合物作為粘接劑時，淀粉或乙Ife酷淀粉為王體，淀粉或乙Ife酷淀粉在粘接劑中的重量百分比為509^100%，纖維素及其改性物為輔助成分。所用的混合媒介為水或淀粉的水溶液或羧甲基纖維素的水溶液；
本發(fā)明還提供了一種制備上述具有完全降解性的環(huán)保復合材料的方法，包括下列步
驟:
51、將植物原料進行干燥處理，使原料中的水含量在5%以下，然后進行短切；
52、將短切的植物原料進行攪拌式剪切；
53、將剪切的原料與混合媒介物均勻混合；
54、將S3的產物與粘接劑均勻混合；
55、將S4的產物進行熱壓制得具有完全降解性的環(huán)保復合材料。在步驟SI中，將植物原料短切為lmnTl5cm的短切物；在步驟S2中，剪切的時間為Imin Ih0在步驟S3中，剪切的原料是指剪切后的所有物料，也可以是篩分后的粉末或篩出粉末后剩余的物料分別使用；混合媒介物的用量為每100克植物原料使用10ml-50ml媒介物。在步驟S5中，熱壓時間為7mirT2h，熱壓溫度為110°C 200°C，熱壓壓力為6MPa lOOMPa。脫模采用的脫模劑為紙和植物油。本發(fā)明所使用的粘接劑有三個特點，第一個特點是粘接材料屬于高分子物質，鏈增長的過程在復合材料制備之前已經完成，而不像使用液態(tài)樹脂那樣是在復合材料制備過程中完成的，這樣就使得復合材料的具有更高的尺寸性，防止了固化過程的存在對材料的熱影響，提高了材料的生產效率；無需使用有機溶劑，減輕了生產過程中的污染，有利于保護現(xiàn)場操作工人的身體健康；所制備的復合材料的降解形式主要為水解，無水則基本不降解，解決了制品應用與降解之間的矛盾；不使用有機溶劑，不殘留和釋放有害易揮發(fā)污染物，提高了制品的安全性，有利于保護使用者的身體健康。第二個特點是粘接劑與植物原料具有結構相似性、化學相容性，無需外加偶聯(lián)劑，簡化了復合材料的配方，提高了復合材料的安全性；第三個特點是粘接材料且是天然高分子物質或改性的天然高分子物質，也屬于可再生資源，來源方便，價格便宜，一方面確保了整個復合材料的降解性和生物安全性，另一方面也降低了復合材料的制造成本。由于本發(fā)明所述的復合材料基本是由植物原料和來源于植物的粘接材料構成，因此使用過程中無毒無害，在合適的使用條件下具有一定的耐久性，而用后廢棄在環(huán)境中則易于降解，且具有完全的降解性，降解產物可以重新參與到自然循環(huán)中去，不會對環(huán)境造成污染和代謝負擔，不會像來源于石油、天然氣等不可再生資源的材料那樣造成白色污染，燃燒后又增加了空氣中溫室氣體和有害氣體的含量。為了實現(xiàn)粘接劑與植物原料的良好混合，本發(fā)明使用了水、生物高分子的水溶液、生物高分子衍生物的水溶液作為混合媒介。首先讓液體混合媒介物與植物原料混合，實現(xiàn)混合媒介物在植物原料表面的分布，從而具有對粘接材料的吸附能力，然后再使表面分布了混合媒介物的植物原料與粘接劑混合。采用液態(tài)混合媒介物能夠使植物原料和粘接劑實現(xiàn)均勻混合，防止在混合過程中分層；能夠降低植物原料的流動性，增加植物原料的可塑性和保形性，使得裝模過程容易進行；如果使用溶液作為混合媒介物，則溶液中的溶質成分還具有對復合材料改性和表面涂覆的效果。本發(fā)明所述的具有完全降解性的環(huán)保復合材料的制備方法采用了熱壓法，與擠出法相比，生產效率更高，操作更簡便。同時 ，由于使用了液態(tài)混合媒介物，熱壓過程具有水熱加工的特點。水熱狀態(tài)下，粘接劑更容易塑化，并實現(xiàn)植物原料之間的粘合，消除植物原料表面的蠟質對復合材料性能的影響，消除了脫蠟步驟，簡化了生產工藝。混合媒介物中的水能夠在開模時以氣態(tài)形式放出，在材料內部留下均勻的孔道，提高了材料的保溫性及減震性。生產現(xiàn)場無臭無污染，相反有一種熟玉米的怡人氣味。本發(fā)明所述的具有完全降解性的環(huán)保復合材料的制備方法創(chuàng)新性地采用了紙和植物油脫模法，方法簡潔有效，成本低廉。如果不是用于制造食品容器，可以使用回收的各種廢紙。將紙放置在復合材料周邊，然后在模具上刷少許植物油，熱壓后可輕松取出樣品，比單純使用植物油脫模效率高得多，而且脫模紙與復合材料結合緊密，無需去除，提高了復合材料的強度，改進了復合材料的表面平整性，實現(xiàn)了廢紙的變廢為寶。本發(fā)明所述的具有完全降解性的環(huán)保復合材料可代替部分塑料使用，減輕白色污染，減輕石油資源的消耗；可以代替部分木材使用，減輕濫砍濫伐造成的水土流失。所制備的復合材料經表面涂飾后可用于制造玩具、家具、容器、內包裝箱、復合式食品包裝盒的支撐部分、室內裝修及裝飾材料、建筑物內廣告材料等，用途廣泛。它的使用，有利于減輕環(huán)境污染，保護人們身體健康，提高人們的環(huán)保意識。由于所用的植物資源類型廣泛，不僅限于農作物，也可以是田間雜草、野草、水生雜草、人工栽培植被等，有利于解決農作物資源的季節(jié)性收獲帶來的資源不足問題。


圖1為本發(fā)明按具體實施方式
1，改變其中的粘接劑用量所制備的一系列環(huán)保復合材料的拉伸強度變化規(guī)律。
圖2為本發(fā)明按具體實施方式
1，改變其中的粘接劑用量所制備的一系列環(huán)保復合材料的邵氏硬度變化規(guī)律。圖3為本發(fā)明按具體實施方式
1，改變其中的混合媒介用量所制備的一系列環(huán)保復合材料的拉伸強度變化規(guī)律。圖4為本發(fā)明按具體實施方式
1，改變其中的混合媒介用量所制備的一系列環(huán)保復合材料的邵氏硬度變化規(guī)律。圖5為本發(fā)明按具體實施方式
1，改變其中的熱壓溫度所制備的一系列環(huán)保復合材料的拉伸強度變化規(guī)律。
具體實施例方式實施例1
將草坪修剪所得的廢棄草曬干，剪成長度為4.0 cm左右的短切物，在四葉渦輪式機械攪拌混合器中密閉剪切5 min。稱取1000克剪切物，置于攪拌罐內，加400 mL自來水，攪拌5 min,使草表面被均勻潤濕,然后稱取200克玉米淀粉,加到原料罐中，攪拌5 min使草與粘接劑均勻混合。在模具表面涂刷一薄層菜籽油，下模具中放置脫模用紙，然后將混合物料裝入模具中，再在物料上面覆蓋一層脫模用紙，蓋上上模具。將裝有物料的模具放置在溫度為135°C的壓板之間，加壓至12 MPa，熱壓10 min，取下模具，冷卻至30°C后開模即得具有完全降解性的環(huán)保復合材料，復合材料的拉伸強度達到4.5MPa。圖1為本發(fā)明按具體實施方式
1，改變其中的粘接劑用量所制備的一系列環(huán)保復合材料的拉伸強度變化規(guī)律。由圖可見隨粘接劑用量的增加，復合材料的拉伸強度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。隨著粘接劑用量增加，植物原料剪切物之間的結合點增加，結合越牢固，拉伸強度逐漸提高。但當粘接用量過多時，粘接 劑在復合材料中的分布不均，形成粘接劑的聚集區(qū)，在材料中構成了新的結構缺陷，復合材料的拉伸強度反而降低。圖2為本發(fā)明按具體實施方式
1，改變其中的粘接劑用量所制備的一系列環(huán)保復合材料的邵氏硬度變化規(guī)律。測量時在板狀樣品中心取邊長為4cm的正方形，測量正方形四個頂點的硬度，四個頂點分別表示為1，2，3，4。由圖可見，每一個樣品表面硬度波動范圍都較小，而且受粘接劑用量的影響較小。圖3為本發(fā)明按具體實施方式
1，改變其中的混合媒介用量所制備的一系列環(huán)保復合材料的拉伸強度變化規(guī)律。由圖可見，隨媒介物用量的增加，復合材料的拉伸強度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，這是因為粘接劑本身在熱壓作用下不能塑化，需要借助媒介物的作用，媒介物的用量增加，粘接劑在物料中的分散能力增強，材料的拉伸強度逐漸增加；媒介物的用量過大，本身會部分地殘留在復合材料中，起到了增塑的作用，從而使復合材料的強度降低。圖4為本發(fā)明按具體實施方式
1，改變其中的混合媒介用量所制備的一系列環(huán)保復合材料的邵氏硬度變化規(guī)律。由圖可見，如同改變粘接劑用量所制備的樣品一樣，不同媒介物用量的條件下，復合材料的硬度也相對較均勻。媒介物用量過多和過少時，硬度相對偏低。媒介物用量過多時，殘余的媒介物起到增塑作用，材料較軟；媒介物用量過少時，粘接劑塑化程度低，材料強度低，因此硬度也較小。圖5為本發(fā)明按具體實施方式
1，改變其中的熱壓溫度所制備的一系列環(huán)保復合材料的拉伸強度變化規(guī)律。由圖可見，隨熱壓溫度的增加，復合材料的拉伸強度先增加后減小。隨著熱壓溫度的增加，粘接劑塑化程度增加，在植物原料中的分布均勻性增加，粘接性能增加，復合材料的拉伸強度從而增加；熱壓溫度過高，植物原料在熱的作用下形成內部結構缺陷或發(fā)生變性，從而又使復合材料的拉伸強度降低。實施例2
將大豆桿曬干，短切為2.0 cm的短切物，在四葉渦輪式機械攪拌混合器中密閉剪切20min。稱取1000克剪切物，置于攪拌罐內，加200 mL質量含量為2%的淀粉溶液，攪拌5 min,使植大豆桿剪切物表面被均勻潤濕，然后稱取300克玉米淀粉，加到原料罐中，攪拌10 min使植物原料與粘接劑均勻混合。在模具表面涂刷一薄層菜籽油，下模具中放置脫模用紙，然后將混合物料裝入模具中，再在物料上面覆蓋一層脫模用紙，蓋上上模具。將裝有物料的模具放置在溫度為140°C的壓板之間， 加壓至20 MPa，熱壓15 min，取下模具，冷卻至30°C后開模即得具有完全降解性的環(huán)保復合材料，復合材料的拉伸強度達到6.3MPa。實施例3
將棉花桿曬干，短切為2.0 cm的短切物，在四葉渦輪式機械攪拌混合器中密閉剪切20min。稱取1000克剪切物，置于攪拌罐內，加200 mL質量含量為2%的淀粉溶液，攪拌5 min,使植棉花桿剪切物表面被均勻潤濕，然后稱取300克玉米淀粉，加到原料罐中，攪拌10 min使植物原料與粘接劑均勻混合。在模具表面涂刷一薄層菜籽油，下模具中放置脫模用紙，然后將混合物料裝入模具中，再在物料上面覆蓋一層脫模用紙，蓋上上模具。將裝有物料的模具放置在溫度為140°C的壓板之間，加壓至20 MPa，熱壓15 min，取下模具，冷卻至30°C后開模即得具有完全降解性的環(huán)保復合材料，復合材料的拉伸強度達到8.1MPa0實施例4
將棉花桿和草坪修剪后所得的草曬干，短切為3.0 cm的短切物，在四葉渦輪式機械攪拌混合器中密閉剪切15 min。稱取1000克剪切物，置于攪拌罐內，加200 mL質量含量為1%的淀粉溶液，攪拌5 min,使植物原料表面被均勻潤濕，然后稱取400克玉米淀粉，加到原料罐中，攪拌8 min使植物原料與粘接劑均勻混合。在模具表面涂刷一薄層菜籽油,下模具中放置脫模用紙，然后將混合物料裝入模具中，再在物料上面覆蓋一層脫模用紙，蓋上上模具。將裝有物料的模具放置在溫度為140°C的壓板之間，加壓至20 MPa，熱壓15 min，取下模具，冷卻至30°C后開模即得具有完全降解性的環(huán)保復合材料，復合材料的拉伸強度達到
9.6MPa0
權利要求
1.一種具有完全降解性的環(huán)保復合材料，其特征在于，由植物的秸桿、種殼、莖、葉其中的任意一種或兩種以上混合物及粘接劑、混合媒介為原料制成，其中，植物的秸桿、種殼、莖、葉其中的任意一種或兩種以上混合物為復合材料的主體成分，重量百分比為50%-90%。
2.根據權利要求1所述的一種具有完全降解性的環(huán)保復合材料，其特征在于，所述的植物為稻、麥、玉米、棉花、大豆、芝麻、甜菜等農作物及各種水生、陸生、野生及栽種的草類。
3.根據權利要求1所述的具有完全降解性的環(huán)保復合材料，其特征在于，所述粘接劑主要成分為淀粉或乙酸酯淀粉。
4.根據權利要求3所述的具有完全降解性的環(huán)保復合材料，其特征在于，所述粘接劑是以淀粉或乙酸酯淀粉為主，搭配使用纖維素、羧甲基纖維素其中的任意一種或兩種的混合物，其中淀粉或乙酸酯淀粉在粘接劑中的重量百分比為50%-100%。
5.根據權利要求1所述的具有完全降解性的環(huán)保復合材料，其特征在于，所用的混合媒介為水或淀粉的水溶液或羧甲基纖維素的水溶液。
6.一種制備權利要求1至5任一權利要求所述的具有完全降解性的環(huán)保復合材料的方法，其特征在于，包括下列步驟: s1、將植物原料進行干燥處理，使原料中的水含量在5%以下，然后進行短切； s2、將短切的植物原料進行攪拌式剪切； s3、將剪切的原料與混合媒介物均勻混合； s4、將S3的產物與粘接劑均勻混合； s5、將S4的產物進行熱壓制得具有完全降解性的環(huán)保復合材料。
7.根據權利要求6所述的制備方法，其特征在于，在步驟SI中，將植物原料短切為lmnTl5cm的短切物；在步驟S2中，剪切的時間為lmin lh。
8.根據權利要求6所述的制備方法，其特征在于，在步驟S3中，混合媒介物的用量為每100克植物原料使用10ml-50ml媒介物。
9.根據權利要求6所述的制備方法，其特征在于，在步驟S5中，熱壓時間為7mirT2h，熱壓溫度為110°C 200°C，熱壓壓力為6MPa lOOMPa。
10.根據權利要求1所述的環(huán)保復合材，其特征在于，經表面涂飾后可用于制造玩具、家具、容器、內包裝箱、復合式食品包裝盒的支撐部分、室內裝修及裝飾材料、建筑物內廣告材料等。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有完全降解性的環(huán)保復合材料及制備方法。這種環(huán)保復合材料由農作物及草等植物的秸稈、種殼、莖、葉與環(huán)保粘接劑、混合媒介為原料通過熱壓法制成。秸稈、種殼、莖、葉是復合材料的主體成分，質量百分含量為50%~90%。制備環(huán)保復合材料時，首先將植物原料進行干燥處理，使原料中的水含量在5%以下，然后依次進行短切、攪拌式剪切、與混合媒介混合、與粘接劑混合、熱壓、后處理等步驟實現(xiàn)，生產過程簡潔，無污染物排放，密閉體系操作，無粉塵污染，每個步驟都具有較高的生產效率。所制備的環(huán)保復合材料可用于制造玩具、家具、容器、內包裝箱、復合式食品包裝盒的支撐部分、室內裝修及裝飾材料、建筑物內廣告材料等。
文檔編號C08L1/26GK103214871SQ20131016781
公開日2013年7月24日 申請日期2013年5月9日 優(yōu)先權日2013年5月9日
發(fā)明者吳傳保, 曾湘暉, 尹健美, 劉利江 申請人:九江學院