[發(fā)明專利]一種植物纖維的半碳化改性方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310260407.3
• 申請(qǐng)日: 2013-06-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103341895A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-10-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蹇守衛(wèi);郅真真;蔡禮雄;馬保國(guó);羅秀成;汪婷;陳露;周浩
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢理工大學(xué)
• 主分類號(hào): B27K9/00
• 分類號(hào): B27K9/00
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 崔友明

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明具體涉及一種植物纖維的半碳化改性方法，主要用于植物纖維的改性。

背景技術(shù)

植物纖維是一種數(shù)量大、可再生的資源，據(jù)估計(jì)，世界上每年通過(guò)光合作用提供的生物量可達(dá)1550億噸，固定5000億噸有機(jī)碳。這些生物質(zhì)中95%以上未得到有效利用，而是直接就地焚燒，形成了環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。直接利用植物纖維制備建筑材料已有大量報(bào)道，但植物纖維中某些化學(xué)成分會(huì)導(dǎo)致水泥等膠凝材料凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)、界面粘結(jié)減弱、使用壽命縮短等問(wèn)題，其在建筑材料中的使用范圍較窄。

目前對(duì)植物纖維的預(yù)處理技術(shù)目前主要有物理方法和化學(xué)方法2種。

物理預(yù)處理方法包括機(jī)械法,高能電子輻射,微波處理和蒸汽爆破技術(shù)等。機(jī)械法通常作為植物纖維預(yù)處理的第一階段，主要是指植物纖維的切割或粉碎；高能電子輻射、微波處理等主要是通過(guò)外加能量使植物纖維內(nèi)部聚合度降低，加速植物纖維的降解，目前還停留在實(shí)驗(yàn)室階段；蒸汽爆破技術(shù)是用高溫水蒸汽將原料加熱至200～240℃，維持30s～20min高溫高壓造成木制素的軟化，并通過(guò)迅速減壓，造成纖維素晶體纖維束的爆裂，使木質(zhì)素和纖維素分離，實(shí)現(xiàn)秸稈內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化。目前在植物纖維用于建筑材料的生產(chǎn)技術(shù)中主要還是切割和粉碎等技術(shù)。

化學(xué)預(yù)處理方法主要包括堿處理、熱處理和表面高分子改性等技術(shù)。堿處理是化學(xué)處理中最常見(jiàn)的技術(shù)，該技術(shù)中主要使用NaOH、Ca(OH)₂、NaHCO₃等，研究表明，通過(guò)控制堿的濃度以及時(shí)間，可以使大部分秸稈等谷類植物莖中的木質(zhì)素以及半纖維素溶解在堿液中后，過(guò)濾得到纖維素。如韓曉誼等選用稻草、甘蔗皮為原料，采用堿煮（濃度為2%的NaOH以及100℃條件下煮沸100min）及漂白工藝（濃度為5%的H₂O₂，繼續(xù)加熱0.5h，保持溫度為70-80℃）對(duì)原料進(jìn)行相應(yīng)處理，獲得了一定的纖維型材。熱處理工藝隨氣氛、溫度不同而不同，氣氛一般包括惰性氣體和空氣兩種氣氛，溫度包括低溫（＜150℃）和高溫兩種，P.R.Hornsby等用掃描電鏡，光反射顯微鏡，熱重分析和機(jī)械測(cè)試等方法獲得了秸稈纖維的熱性能和機(jī)械性能。結(jié)果指出，秸稈纖維包含較高的木質(zhì)素和半纖維素，熱穩(wěn)定性差，在高溫下降解，隨加熱溫度的升高和加熱時(shí)間的增加，纖維內(nèi)部降解的速度和程度增大。纖維的機(jī)械性能與熱處理有關(guān)，溫度升高，強(qiáng)度降低。

分析這些技術(shù)發(fā)現(xiàn)，一方面，高效物理改性技術(shù)工藝復(fù)雜，而相應(yīng)的化學(xué)改性技術(shù)如堿處理等會(huì)排放堿性廢水，造成二次污染。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種植物纖維的半碳化改性方法，使植物纖維表面碳化、內(nèi)部具有一定韌性。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種植物纖維的半碳化改性方法，首先對(duì)植物纖維進(jìn)行熱分析，確定其著火點(diǎn)；將植物纖維在低氧或無(wú)氧環(huán)境中室溫升溫至其著火點(diǎn)溫度～低于著火點(diǎn)溫度20℃范圍碳化30-120分鐘，降溫至室溫即得到半碳化植物纖維。

按上述方案，所述的低氧是指O₂含量＜1%。

按上述方案，所述的植物纖維為稻草、麥秸稈或玉米桿。

按上述方案，所述的熱分析指在利用熱重法檢測(cè)物質(zhì)溫度-質(zhì)量變化關(guān)系的儀器中進(jìn)行的差熱分析測(cè)試，用于判定植物纖維的脫水溫度和著火點(diǎn)溫度。

本發(fā)明實(shí)施的主要機(jī)理是：植物纖維是由木質(zhì)素（或半木質(zhì)素）充當(dāng)黏合劑將纖維素、半纖維素、蠟質(zhì)連接而成的，木質(zhì)素的含量影響植物纖維的結(jié)構(gòu)與性能，纖維的強(qiáng)度和硬度則由纖維素含量及由微纖在內(nèi)層細(xì)胞壁中與纖維軸形成的旋轉(zhuǎn)角決定。根據(jù)植物纖維的結(jié)構(gòu)可知，在一定溫度環(huán)境下對(duì)植物纖維進(jìn)行碳化時(shí)，其碳化過(guò)程是由表及里的，合理控制碳化時(shí)間和碳化溫度，可使植物纖維表面局部碳化，形成類似活性碳的結(jié)構(gòu)，而內(nèi)部強(qiáng)度較高的纖維素則不會(huì)碳化，從而保留纖維的強(qiáng)度。

本發(fā)明具有工藝簡(jiǎn)單、無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)，所制備的半碳化植物纖維兼具纖維韌性和多孔吸附雙重功能。主要體現(xiàn)在：1）工藝簡(jiǎn)單：改性方法不需要高溫高壓設(shè)備、不添加其他任何外加物質(zhì)即可實(shí)現(xiàn)改性，與化學(xué)改性方法相比，無(wú)污染物排放；2）在控制合理碳化時(shí)間的工藝下進(jìn)行半碳化改性，可使植物纖維表面形成碳化保護(hù)層，而內(nèi)部又不會(huì)碳化，從而使植物纖維內(nèi)部保持完整具有韌性、外部多孔具有吸附性，在進(jìn)一步使用時(shí)可制備其它功能性材料，并克服植物纖維成分對(duì)膠凝材料的緩凝效應(yīng)。

附圖說(shuō)明

圖1為改性植物纖維斷面微觀結(jié)構(gòu)圖；

圖2為改性植物纖維表面微觀結(jié)構(gòu)圖。