玻璃纤维增强麦秸或稻草复合材料及其制备方法

摘要

本发明涉及一种玻璃纤维增强麦秸或稻草复合材料及其制备方法，复合材料由麦秸或稻草、玻璃纤维、聚合物、添加剂构成；添加剂以外的成分的质量含量为90%~100%，添加剂的质量含量为0%~10%；添加剂以外的三种成分麦秸或稻草、玻璃纤维、聚合物的质量比为100:10~40:50~140。增强用的玻璃纤维是长度为1cm-3cm的玻璃纤维短切原丝。玻璃纤维直接或经过浸泡，或经过上述两种方式处理后再进行表面包覆后使用，使用方法为直接混合，借助溶液或乳液增强各物料的混合能力。热压之前玻璃纤维未经受强剪切，形态保持良好。通过本发明方法所制备出的复合材料强度高、表面光洁、性能均匀；制备方法简洁高效、环保性强。

说明书

技术领域

本发明涉及一种玻璃纤维增强型麦秸或稻草复合材料及其制备方法，属于农业副产物加工利用领域。

背景技术

小麦、水稻等是我国主要的粮食作物，种植面积广，产量大。每年在收获麦子和稻谷的同时，产生大量麦秸、稻草副产物。上世纪90年代前，我国农业种植机械化水平低，城镇化率低，农村普遍采用牲畜耕作，同时采用麦秸、稻草生火做饭。喂养牲畜和用作生活燃料消耗了绝大部分的麦秸和稻草。然而90年代后，这种状况发生了转变，一方面农村机械化耕作水平不断提高，牲畜喂养量骤减，作为饲草的麦秸、稻草用量大大减少；另一方面城镇化率逐渐提高，同时煤气、天然气逐渐进入农村，作为生活燃料的麦秸和稻草消耗量也显著减少。麦秸和稻草的生活消耗量减少后，它们往往直接还田或直接在田间烧掉，利用效率低，或造成环境污染。在这种情况下，探索合更理有效的利用麦秸、稻草的方法成为农业发展进程中的一个十分有意义的问题。

麦秸和稻草富含纤维结构，有极好的韧性和良好的强度，以其为原料开发环保复合材料，代替木材并部分地代替塑料，对于减轻滥砍滥发、减轻白色污染、缓解资源和能源危机、提高人民健康水平具有重要意义。制造麦秸和稻草复合材料需要搭配使用粘接剂，粘接剂往往采用热固性树脂，如酚醛树脂、脲醛树脂，材料制备过程中存在溶剂挥发、原料挥发等污染环境问题，如果采用高分子量的热塑性聚合物则可以解决这一问题。制造麦秸和稻草复合材料的方法包括挤出、注塑、模压等方法，挤出、注塑法加工温度高，能量消耗率大，生产环境污染物释放率高，生产效率低。而模压法生产效率高，可以制造麦秸和稻草含量高的复合材料。但模压法生产的麦秸和稻草复合材料强度偏低，开发基于模压法的增强型麦秸或稻草复合材料及其制备方法是拓宽这类复合材料应用领域的重要途径。

发明内容

本发明着眼于麦秸、稻草资源的充分有效利用，开发一种环境友好性强、工艺制备简单、安全性高、力学及结构性能优良的环保复合材料，代替部分塑料使用，减轻白色污染；代替木材使用，减轻滥砍滥伐及水土流失。为了增加麦秸、稻草复合材料的强度，降低易挥发污染物的释放，保护生产一线工人的身体健康，本发明提供了一种以高分子量聚合物为粘接剂，同时使用玻璃纤维增强的麦秸或稻草复合材料及其制备方法。本发明的复合材料可用于制造家具、玩具、生活用品、包装容器、建筑材料等，既满足了生产、生活的需求，还可以提高人们的环保意识。

本发明的技术方案为：一种玻璃纤维增强麦秸或稻草复合材料，其特征在于：由麦秸或稻草、玻璃纤维、聚合物、添加剂构成；添加剂的质量含量为0%~10%；添加剂以外的其它成分的质量含量为90%~100%，添加剂以外的三种成分麦秸或稻草、玻璃纤维、聚合物的质量比为100:10~40:50 ~140。

进一步地，所述聚合物为聚苯乙烯、聚丙烯、高密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯、聚乙烯醇、尼龙66、涤纶树脂其中的任意一种。

所述添加剂为碳酸钙、氧化铁、氧化铝、氢氧化镁、氢氧化铝、聚磷酸铵、磷酸三苯酯、六溴环十二烷、硼酸锌、十溴二苯乙烷、十溴二苯醚、硅酸三钙、硅酸二钙、铝硅酸四钙其中的任意一种。

所述玻璃纤维为玻璃纤维短切原丝，长度为1 cm -3cm。

本发明的还提供了一种制作上述玻璃纤维增强麦秸或稻草复合材料的方法，其特征在于包括下列步骤：

（1）、将麦秸或稻草晒干，然后粉碎；

（2）、将粉碎的麦秸、稻草与玻璃纤维混合，混合方法为：在搅拌的条件下，向麦秸或稻草的碎料中喷水或浓度为3%~8%聚乙烯醇的水溶液、聚醋酸乙烯酯的水乳液、聚丙烯酸酯的水乳液、脲醛树脂的水溶液或水乳液中的任意一种液体，待麦秸、稻草表面被润湿后，加入玻璃纤维，搅匀；

（3）、在搅拌条件下加入聚合物及添加剂，搅匀；

（4）、装模，然后在140℃~250℃，10MPa~100MPa条件下热压10min~20min；

（5）、冷却至室温后，采用植物油和纸脱联合脱模法脱模，表面修整，施胶。

进一步地，在步骤（2）中，向麦秸或稻草的碎料中喷水时，麦秸、稻草的质量（以克计）与水体积（以毫升计）比为100：10~55；向麦秸或稻草的碎料中喷聚乙烯醇的水溶液、聚醋酸乙烯酯的水乳液、聚丙烯酸酯的水乳液、脲醛树脂的水溶液或水乳液中的任意一种液体时，麦秸、稻草的质量（以克计）与水乳液或水溶液的体积（以毫升计）比为100：15~55。

还包括在步骤（2）前对玻璃纤维进行预处理的步骤：将玻璃纤维经过热乙醇溶液浸泡、过滤、干燥后使用，乙醇中的水的质量含量为0~10%，浸泡时乙醇溶液的温度为50℃~75℃，浸泡时间为5min~30min。

还包括在步骤（2）前对玻璃纤维进行预处理的步骤：玻璃纤维在380℃~420℃处理20 min~30min，冷却后表面施加硅烷偶联剂，施加的方法是玻璃纤维和硅烷偶联剂的乙醇溶液混合均匀，然后在振荡条件下于75℃干燥，其中所用的醇溶液中水的质量含量为0%~8%，硅烷偶联剂的质量含量为0.5%~3%，硅烷偶联剂的种类为3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、氯丙基三甲氧基硅烷、3-缩水甘油醚氧丙基甲基二乙氧基硅烷、3-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷中的任意一种。

还包括在步骤（2）前对玻璃纤维进行预处理的步骤：将玻璃纤维经过热乙醇溶液浸泡、过滤、干燥后使用，乙醇中的水的质量含量为0%~10%，浸泡时乙醇溶液的温度为50℃~75℃，浸泡时间为5min~30min，经过浸泡、过滤、干燥处理后的玻璃纤维表面施加硅烷偶联剂，施加的方法是玻璃纤维和硅烷偶联剂的乙醇溶液混合均匀，然后在振荡条件下于75℃干燥，其中所用的醇溶液中水的质量含量为0~8%，硅烷偶联剂的质量含量为0.5%~3%，硅烷偶联剂的种类为3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、氯丙基三甲氧基硅烷、3-缩水甘油醚氧丙基甲基二乙氧基硅烷、3-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷中的任意一种。

通过上述方法制得的玻璃纤维增强麦秸或稻草复合材料具有广泛用途，可以代替木材用于制造各种家具，也可以制造装饰板、宣传板、贴面板、玩具、包装容器等。

本发明的有益效果：玻璃纤维是一种无机非金属材料，具有轻质、高强、耐高温、耐腐蚀等优点，常用来增强塑料、水泥，而在植物复合材料中的应用较为少见。本发明为了提高热压法制备麦秸、稻草复合材料的强度，引入了玻璃纤维，所用的玻璃纤维是具有合适长度的玻璃纤维短切原丝，这种形态的玻璃纤维容易与麦秸、稻草的碎料实现均匀混合，从而真正起到增强作用。

为了进一步促进复合材料各原料之间实现均匀混合，本发明在混料过程中使用了醋酸乙烯酯乳液、丙烯酸酯乳液、聚乙烯醇溶液等，相对于水而言，这些乳液和溶液具有更高的粘度和粘附性，使其分布在麦秸、稻草碎料表面后更容易吸附聚合物、玻璃纤维及添加剂，降低了碎料的流动性，大大减轻了分层现象的发生，克服了密度之间的差异对混合的影响，促进了混合过程的进行，提高了复合材料性能的均匀性。

为了减少玻璃纤维前处理过程对玻璃纤维的损伤，本发明提出并应用了热乙醇浸泡法，采用此法可以尽量去除玻璃纤维生产过程中粘附在玻璃纤维表面的易流动、流失组分，提高复合材料的安全性，减轻易流失组分对复合材料内部界面的影响及对复合材料性能的影响，同时此法可以尽量保留玻璃纤维表面的高分子量组分，使其充当或部分地充当界面增容剂，提高了复合材料强度，消除了玻璃纤维的来源对复合材料性能的影响，即不同玻璃纤维生产商所使用的浸润剂类型不同，但都可采用此法而获得极好的效果。

为了防止麦秸、稻草复合材料制备过程中有毒、有害物质的挥发，防止在复合材料使用过程中有毒有毒有害物质的缓慢释放，本发明使用聚苯乙烯等高分子量的聚合物作为粘接材料，而不是使用液态树脂或预聚固态树脂作为粘接材料，减轻了制品在制造和使用过程中挥发性污染物的释放，降低了生产环境对人体环境的危害，提高了复合材料过程中的安全性。

本发明不使用挤出、注塑等方法，而采用热压法，降低了能耗，提高了制备效率，提高了麦秸、稻草等资源的利用率，防止了短切玻璃纤维原丝在剧烈剪切作用下碎裂为粉末的现象的发生，有利于保护其纤维形态及增强价值。

脱模方法对防止废品产生、提高生产效率、防止产品表面损伤、防止模具损伤具有重要作用。本发明使用植物油和纸脱联合脱模法，脱模过程简便有效，泄压之后，复合材料轻轻地即可取出，模具表面光洁无损伤，而且纸与复合材料结合紧密，无需去除，使得材料表面十分平整，同时对材料起到增强和防潮作用。

本发明所提供的复合材料制备方法对麦秸、稻草的形态适应性非常强，不是将植物加工成单纯的短切物、单纯的丝片或单纯的粉末，而是它们的混合状态，无需进行分离，这样就简化了麦秸、稻草的加工处理过程，粉碎过程可以在密闭剪切机中进行，减少了粉末在环境中的弥散，保护了生产环境空气的清洁。

具体实施方式

实施例1

将麦秸晒干后在锚式搅拌剪切机中剪切5min得到麦秸碎料。称取100克麦秸碎料，置于搅拌罐内，在搅拌条件下，向麦秸碎料中喷20毫升固含量为5%的聚丙烯酸酯水乳液，待搅拌均匀，即麦秸表面被水乳液润湿后，加入15克长度为1cm的短切玻璃纤维原丝，搅匀；然后加入60克聚合度为1700，醇解度为88%的聚乙烯醇粉末，搅匀；然后在搅拌条件下加入15克活性碳酸钙，搅匀。在不锈钢模具内表面刷一层植物油，然后在内表面粘附一层纸。将物料装入模具，合模。将装有物料的模具放置在温度为160℃的压板之间，加压至15 MPa，热压15 min，取下模具，冷却至室温后开模。所得复合材料施胶前的拉伸强度达到15.3MPa，比未使用玻璃纤维的复合材料的拉伸强度提高22%。

实施例2

将稻草晒干后短切为7cm的稻草段，然后在锚式搅拌剪切机中剪切5min得到多样化形态稻草碎料的混合物。称取100克碎料，置于搅拌罐内，在搅拌条件下，向麦秸碎料中喷10毫升固含量为5%的聚丙烯酸酯水乳液，待搅拌均匀，即麦秸表面被水乳液润湿后，加入30克长度为1cm的短切玻璃纤维原丝，搅匀；然后加入80克冷冻粉碎的聚苯乙烯粉末，搅匀；然后在搅拌条件下加入10克活性碳酸钙，搅匀。在不锈钢模具内表面刷一层植物油，然后在内表面粘附一层纸。将物料装入模具，合模。将装有物料的模具放置在温度为200℃的压板之间，加压至20 MPa，热压20 min，取下模具，冷却至室温后开模。所得复合材料施胶前的拉伸强度达到24.2MPa，比未使用玻璃纤维的复合材料的拉伸强度提高30%。

实施例3

将麦秸晒干后通过秸秆粉碎机制备麦秸碎料。取15克长度为2cm的玻璃纤维原丝，置于玻璃容器中，向其中加入100mL无水乙醇，升温至60℃，使玻璃纤维在其中浸泡10min，然后倾析分离，60℃干燥待用。称取100克麦秸碎料，置于搅拌罐内，在搅拌条件下，向麦秸碎料中喷20毫升固含量为5%的聚丙烯酸酯水乳液，待搅拌均匀，即麦秸表面被水乳液润湿后，加入前述已经热乙醇浸泡的15克长度为2cm的短切玻璃纤维原丝，搅匀；然后加入60克聚合度为1700，醇解度为88%的聚乙烯醇粉末，搅匀；再在搅拌条件下加入15克活性碳酸钙，搅匀。在不锈钢模具内表面刷一层植物油，然后在内表面粘附一层纸。将物料装入模具，合模。将装有物料的模具放置在温度为160℃的压板之间，加压至15 MPa，热压15 min，取下模具，冷却至室温后开模。所得复合材料施胶前的拉伸强度达到16.1MPa MPa。

实施例4

与实施例1的方式相近，只是润湿麦秸碎料时使用的是水，而不是水乳液，所得复合材料施胶前的拉伸强度达到13.7MPa。

实施例5

与实施例1的方式相近，只是使用的聚合物是聚苯乙烯，而不是聚乙烯醇，所得复合材料施胶前的拉伸强度达到15.8MPa。

实施例6

与实施例1的方式相近，只是玻璃纤维的用量改为25克，所得复合材料施胶前的拉伸强度达到17.6MPa。