[发明专利]一种二维生物基材料为骨架单元的复合材料及其加工工艺

说明书

本发明涉及一种二维生物基材料为骨架单元的复合材料及其加工工艺，本发明首创了以牛皮纸等作为二维基础结构单元和骨架材料，利用天然木质素、合成粘性聚合物作为粘结材料通过热压生产高强度和高性价比新型材料的简单高效的方法及其产品，实现了以生物基材料为主体的大幅降低树脂或塑料用量的低成本、高性能新型复合材料，其强度、韧性和内结合力都大大超过了天然材料、塑料、塑料纤维复合材料，高密度纤维板，破解了塑料树脂中纤维难分散，添加量少，强度下降幅度大等系列难题。

技术领域

本发明涉及生物基复合材料领域，具体的，涉及一种二维生物基材料为骨架单元的复合材料及其加工工艺。

背景技术

生物质材料是人类未来发展的根本方向，最能满足环境友好、生态健康，使用安全及可持续发展要求。生物质原料丰富，木或竹建筑和家具已有数千年使用历史。竹、秸秆等生物质由于尺寸大小不一，结构、密度均一性差，各向异性，存在结和材料缺陷，利用率一直不高。我国古代四大发明之一的造纸术实现了将植物原料用碱法拆分为规格统一的毫米级本色浆的重大技术突破，为生物质重组成型提供了技术和产业基础。但是生产出的纸制品及纤维制品的强度损失严重，很难大幅提高；在纤维材料中加入脲醛树脂或酚醛树脂等胶粘剂热压生产的人工纤维板同样存在强度低、性能差和甲醛危害等问题。以植物原料中木质素、半纤维素完全脱除得到纳米纤维素晶体作为结构“模块”可以大幅提高复合高分子材料的强度，但仍存在生产工艺复杂、生产成本高、物耗能耗大，难以产业化应用等问题。近年来发展起来的机械法破解竹材，通过烘干，浸渍脲醛树脂或酚醛树脂再烘干热压的工艺可得到力学性能比原竹增加2-3倍的重组板材或方材，是竹/木加工的技术突破。但由于细胞膜未能完全破坏，只是蒸发了水份的植物细胞组织中存在影响粘接力的小分子，粘胶剂难以充满细胞，存在强度提高有限，弯曲应力大，易变形，各向异性等问题。更主要的是这种人工处理单竹成片的生产加工方式存在生产效率低、能耗物耗高，劳动密集，加工成本高，自动化水平低，难以规模化生产等系列制约产业发展的瓶颈问题。因此，现有的生物质加工重组技术有待突破。

以纤维粉为填料的纤维塑料复合材料加工方式同样存在塑料强度下降幅度大、产品韧性差、添加量少等问题。纤维与塑料为主要成分的木塑材料的热压成型和共混挤出成型技术虽然生产过程简单，周期短、效率高、产品质量稳定、生产成本较低，但由于天然纤维中的纤维素、半纤维素大分子、木质素大分子中含有大量强极性的羟基和醚键，容易团聚，与聚乙烯(PE)，聚丙烯(PP)，聚氯乙烯(PVC)等热塑性非极性或弱极性聚合物混融性差，难分散，流动性差，难加工，力学性能特别是韧性不高等系列影响木塑材料发展的技术难题需要破解。

因此，利用来源广泛、绿色环保、成本低廉的植物原料、加工剩余物及合成树脂生产性能优良、成本低廉的复合材料很有价值。

本研发团队前期发明的无黑液制浆工艺(ZL201210209351.4)可将各种植物原料通过复分解法生成的碱分拆和酸化沉淀，低成本生产出具有一维结构特征微米级长度富含酸不溶木质素等天然粘结剂成分的本色浆和高强度本色纸，不但大幅减少了能耗物耗，消除了制浆污染，而且最大程度保留了天然木质素大分子结构，为本发明打下了很好的技术和原料基础。

发明内容

目前，还没有以纸基材料作为结构单元通过添加树脂或交替叠放塑料薄膜的加工方式。在目前的发明中，无论是树脂还是塑料薄膜都是粘性聚合物，具有粘结剂性质的粘性聚合物。所述纸基材料为纸或纸板，也称为纸产品。

具体地讲，本发明提供了一种型材，其特征在于所述型材包含纤维素和粘性聚合物，所述型材的静曲强度为45-200MPa，弹性模量为4000-20000Mpa，纤维素和粘性聚合物的质量比为1：(0.01-100)。

上述型材通过本发明的实施例证明，其特点是包含纤维素和粘性聚合物，纤维素和粘性聚合物的含量是根据原料的添加量能够明确的，如果原料未知的情况下，通过型材产品也是能够测量得到的。其范围在上述范围内。该型材的静曲强度和弹性模量在一定范围内，从这两个指标看，其性能好于高密度纤维板。