[发明专利]一种微波原位表面改性植物纤维的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微波预处理提高植物纤维的可及度并对植物纤维进行原位表面改性的方法。

背景技术

植物纤维是自然界中最为丰富的可再生资源，每年通过光合作用可合成约1000×109t。近年来随着石油、煤炭储量的下降，特别是80年代以来，随着各国对环境污染问题的日益关注和重视，纤维素的应用愈来愈受到重视。近年来随着复合材料的快速发展以及以石油为原料的合成树脂量减价涨，在塑料、橡胶、油墨、涂料、皮革以及各种复合材料加工过程中，为达到增量和降低成本的目的，利用环保可再生的生物质资源——植物纤维作为填充改性剂已成为研究热点。

目前世界各国对各种废旧塑料污染进行了全方位治理，并已取得了一定的成效，其中用植物纤维填充，经专用设备挤出、压制或注塑成型，可用来在某些场合替代木材制品的塑木制品尤为实用。植物纤维完全来源于自然，环境协调性良好，在农业生产和建筑建材加工行业中有较大量的富余，且主要以废料的形式存在，与石化产品相比有明显的价格优势。对植物纤维的资源化利用既为解决了废料堆积问题，使其进入新一轮的工业领域，又为石化产品废弃的降解提供生物通道。合理使用植物纤维不仅能降低成本，还可改善塑料性能或赋予新的功能，如可环境消纳性能等。其应用范围也很广，主要应用在建材、汽车工业、货物的包装运输、装饰材料及日常生活用具等方面，有广阔的发展前景。植物纤维作为塑料的一种有机填料，具有许多其他的无机填料所无法比拟的优良性能：来源广泛、价格低廉、密度低、绝缘性好、对加工设备磨损小。但它并没有像无机填料那样得到广泛应用，原因主要有与基体树脂的相容性差、在熔融的热塑性塑料中分散效果差、流动性差、挤出成型加工困难等。

随着塑木技术的不断发展和环保需求的日益提高，塑木技术已由单一组分的废旧塑料和木粉共混合生产塑木制品，向多组分废旧塑料和木粉共混合生产塑木制品过渡，这样多组分的废旧塑料间的相容性就变得十分重要。

由于木粉中主要成分是纤维素，纤维素中含大量的羟基，这些羟基形成分子间氢键或分子内氢键，使木粉具有吸水性，吸湿率可达8％-12％，且极性很强；而热塑性塑料多数为非极性的，具有疏水性，所以两者之间的相容性较差，界面的粘结力很小。使用适当的添加剂来改性聚合物-木粉表面，可以提高木粉与树脂之间的界面亲和能力，且改性的木粉填料具有增强的性质，能够很好地传递填料与树脂之间的应力，从而达到增强复合材料强度的作用。因此，要得到性能优良、符合条件的塑木复合材料，首先要解决的是材料相容性的问题。其中偶联剂可以提高无机填料、无机纤维与基体树脂之间的相容性，同时也可改善木粉与聚合物之间的界面状况。硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂是应用最广泛的两类偶联剂。实验表明，这两种偶联剂都能改善填料与树脂的相容性。

充分利用纤维素资源的一个重要步骤是对纤维素进行适当的预处理。这是因为天然纤维素的分子内和分子间存在着大量的氢键，同时纤维素以聚集态结构存在，具有高度的复杂性和结晶度，使得纤维素对试剂的可及度低，溶解困难，反应性能及化学反应的均一性差，这直接影响到纤维素制品的使用性能。

对植物纤维改性研究起步较早，以纺织行业中传统的丝光化碱处理为始逐渐向新型的物理化学处理方法为主，化学方法中，氢氧化钠溶液的润胀处理是发现最早、应用最广、最有效的预处理手段之一，而纤维素经液氨处理后有利于增进纤维素对各种化学试剂的可及度，提高纤维素的化学反应性能；物理机械作用可提高纤维素对各种化学反应和酶水解的可及度和反应性，其作用的大小与采用的机械处理的方式，即机械力大小和能量大小有关；新兴的高能射线如电子射线处理可减少溶解用或反应用化学药品造成的废水、环境等污染，且辐射纤维素所产生的游离基还可引发乙烯类单体在纤维素游离基位置上的接枝共聚。华南理工大学的唐爱民、叶君等教授对植物纤维采用微波处理，研究了微波和超声波处理后纤维素超分子结构及反应性能的变化，考察了微波和超声辐射对纤维素碱化反应和高碘酸高选择性氧化纤维素反应的影响。

木塑复合材料制备过程中对植物纤维的改性处理主要运用的是高速捏合机，通过机械搅拌作用，扩大植物纤维与改性剂的接触面积，提高改性剂包覆植物纤维的均匀程度，高速捏合机提供的能量不足以促进结晶区的破坏和改性剂与植物纤维表面官能团的反应。