[發(fā)明專(zhuān)利]一種二維生物基材料為骨架單元的復(fù)合材料及其加工工藝

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010179625.4
• 申請(qǐng)日: 2020-03-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112776446A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-05-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 尹應(yīng)武;任毅華;趙升云;師雪琴;葉章堃;張典政;柯靖;尹政清;廖翠鶯;吐松;高玉興
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 廈門(mén)大學(xué);武夷學(xué)院;北京紫光英力化工技術(shù)有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): B32B29/00
• 分類(lèi)號(hào): B32B29/00;B32B37/06;B32B7/12;B32B37/10;B32B37/12;B32B38/00;D21H19/20;D21H19/26
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本發(fā)明涉及一種二維生物基材料為骨架單元的復(fù)合材料及其加工工藝，本發(fā)明首創(chuàng)了以牛皮紙等作為二維基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單元和骨架材料，利用天然木質(zhì)素、合成粘性聚合物作為粘結(jié)材料通過(guò)熱壓生產(chǎn)高強(qiáng)度和高性?xún)r(jià)比新型材料的簡(jiǎn)單高效的方法及其產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了以生物基材料為主體的大幅降低樹(shù)脂或塑料用量的低成本、高性能新型復(fù)合材料，其強(qiáng)度、韌性和內(nèi)結(jié)合力都大大超過(guò)了天然材料、塑料、塑料纖維復(fù)合材料，高密度纖維板，破解了塑料樹(shù)脂中纖維難分散，添加量少，強(qiáng)度下降幅度大等系列難題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及生物基復(fù)合材料領(lǐng)域，具體的，涉及一種二維生物基材料為骨架單元的復(fù)合材料及其加工工藝。

背景技術(shù)

生物質(zhì)材料是人類(lèi)未來(lái)發(fā)展的根本方向，最能滿(mǎn)足環(huán)境友好、生態(tài)健康，使用安全及可持續(xù)發(fā)展要求。生物質(zhì)原料豐富，木或竹建筑和家具已有數(shù)千年使用歷史。竹、秸稈等生物質(zhì)由于尺寸大小不一，結(jié)構(gòu)、密度均一性差，各向異性，存在結(jié)和材料缺陷，利用率一直不高。我國(guó)古代四大發(fā)明之一的造紙術(shù)實(shí)現(xiàn)了將植物原料用堿法拆分為規(guī)格統(tǒng)一的毫米級(jí)本色漿的重大技術(shù)突破，為生物質(zhì)重組成型提供了技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。但是生產(chǎn)出的紙制品及纖維制品的強(qiáng)度損失嚴(yán)重，很難大幅提高；在纖維材料中加入脲醛樹(shù)脂或酚醛樹(shù)脂等膠粘劑熱壓生產(chǎn)的人工纖維板同樣存在強(qiáng)度低、性能差和甲醛危害等問(wèn)題。以植物原料中木質(zhì)素、半纖維素完全脫除得到納米纖維素晶體作為結(jié)構(gòu)“模塊”可以大幅提高復(fù)合高分子材料的強(qiáng)度，但仍存在生產(chǎn)工藝復(fù)雜、生產(chǎn)成本高、物耗能耗大，難以產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等問(wèn)題。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的機(jī)械法破解竹材，通過(guò)烘干，浸漬脲醛樹(shù)脂或酚醛樹(shù)脂再烘干熱壓的工藝可得到力學(xué)性能比原竹增加2-3倍的重組板材或方材，是竹/木加工的技術(shù)突破。但由于細(xì)胞膜未能完全破壞，只是蒸發(fā)了水份的植物細(xì)胞組織中存在影響粘接力的小分子，粘膠劑難以充滿(mǎn)細(xì)胞，存在強(qiáng)度提高有限，彎曲應(yīng)力大，易變形，各向異性等問(wèn)題。更主要的是這種人工處理單竹成片的生產(chǎn)加工方式存在生產(chǎn)效率低、能耗物耗高，勞動(dòng)密集，加工成本高，自動(dòng)化水平低，難以規(guī)模化生產(chǎn)等系列制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。因此，現(xiàn)有的生物質(zhì)加工重組技術(shù)有待突破。

以纖維粉為填料的纖維塑料復(fù)合材料加工方式同樣存在塑料強(qiáng)度下降幅度大、產(chǎn)品韌性差、添加量少等問(wèn)題。纖維與塑料為主要成分的木塑材料的熱壓成型和共混擠出成型技術(shù)雖然生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)單，周期短、效率高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)成本較低，但由于天然纖維中的纖維素、半纖維素大分子、木質(zhì)素大分子中含有大量強(qiáng)極性的羥基和醚鍵，容易團(tuán)聚，與聚乙烯(PE)，聚丙烯(PP)，聚氯乙烯(PVC)等熱塑性非極性或弱極性聚合物混融性差，難分散，流動(dòng)性差，難加工，力學(xué)性能特別是韌性不高等系列影響木塑材料發(fā)展的技術(shù)難題需要破解。

因此，利用來(lái)源廣泛、綠色環(huán)保、成本低廉的植物原料、加工剩余物及合成樹(shù)脂生產(chǎn)性能優(yōu)良、成本低廉的復(fù)合材料很有價(jià)值。

本研發(fā)團(tuán)隊(duì)前期發(fā)明的無(wú)黑液制漿工藝(ZL201210209351.4)可將各種植物原料通過(guò)復(fù)分解法生成的堿分拆和酸化沉淀，低成本生產(chǎn)出具有一維結(jié)構(gòu)特征微米級(jí)長(zhǎng)度富含酸不溶木質(zhì)素等天然粘結(jié)劑成分的本色漿和高強(qiáng)度本色紙，不但大幅減少了能耗物耗，消除了制漿污染，而且最大程度保留了天然木質(zhì)素大分子結(jié)構(gòu)，為本發(fā)明打下了很好的技術(shù)和原料基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容

目前，還沒(méi)有以紙基材料作為結(jié)構(gòu)單元通過(guò)添加樹(shù)脂或交替疊放塑料薄膜的加工方式。在目前的發(fā)明中，無(wú)論是樹(shù)脂還是塑料薄膜都是粘性聚合物，具有粘結(jié)劑性質(zhì)的粘性聚合物。所述紙基材料為紙或紙板，也稱(chēng)為紙產(chǎn)品。

具體地講，本發(fā)明提供了一種型材，其特征在于所述型材包含纖維素和粘性聚合物，所述型材的靜曲強(qiáng)度為45-200MPa，彈性模量為4000-20000Mpa，纖維素和粘性聚合物的質(zhì)量比為1：(0.01-100)。

上述型材通過(guò)本發(fā)明的實(shí)施例證明，其特點(diǎn)是包含纖維素和粘性聚合物，纖維素和粘性聚合物的含量是根據(jù)原料的添加量能夠明確的，如果原料未知的情況下，通過(guò)型材產(chǎn)品也是能夠測(cè)量得到的。其范圍在上述范圍內(nèi)。該型材的靜曲強(qiáng)度和彈性模量在一定范圍內(nèi)，從這兩個(gè)指標(biāo)看，其性能好于高密度纖維板。