稻壳/PBS复合材料的制备方法及基于该方法制备得到的复合材料

摘要

本发明稻壳/PBS复合材料的制备方法，按照重量百分比称取稻壳纤维为50~80％，PBS为10~40％和淀粉为5%~12%，合计重量百分比为100％，本发明采用一对相互配合的成型辊，利用大螺旋输送机一，将PBS熔融塑化挤出在成型辊上流延，两成型辊之间形成输送空间，然后将纤维材料均匀从另一成型辊表面输送空间，与PBS熔膜接触，并在两成型辊的碾压下，层合成性能优异、质量稳定、成分均一的生物质复合材料。本制备方法，有效解决了生产过程中的稻壳纤维与PBS共混后纤维易缠结、结块、成团、吸水导致不均匀输送困难的问题，使稻壳/PBS复合材料的生产效率提高，易于加工。

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料领域，具体地，涉及稻壳/PBS复合材料的制备方法及基于该方法制备得到的复合材料。

背景技术

木塑复合材料（Wood-Plastic Composites,WPC）是国内外近年蓬勃兴起的一类新型复合材料，指利用聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等，代替通常的树脂胶粘剂，与超过50%以上的木粉、稻壳、秸秆等废植物生物质纤维混合成新的木质材料，再经挤压、模压、注射成型等塑料加工工艺，生产出的板材或型材。主要用于建材、家具、物流包装等行业。将塑料和木质粉料按一定比例混合后经热挤压成型的板材，称之为挤压木塑复合板材。

聚丁二酸丁二醇酯（PBS）树脂呈乳白色，无嗅无味，易被自然界的多种微生物或动植物体内的酶分解、代谢，最终分解为二氧化碳和水，是典型的可完全生物降解聚合物材料。具有良好的生物相容性和生物可吸收性；密度1.26g/cm3，熔点114℃，根据分子量的高低和分子量分布的不同，结晶度在30~45%之间。具有良好可生物降解性能的聚合物，与聚乳酸、聚羟基烷酸酯、聚己内酯等可生物降解塑料相比，PBS价格相对较低，力学性能优异，耐热性能好，热变形温度接近100℃，是国内外在生物降解塑料研发方面的重点。

近年来，具有良好的综合性能的聚丁二酸丁二醇酯（PBS）迅速成为可广泛推广应用的通用型完全生物降解塑料的研究热点。但是，由于PBS生产成本较高，严重制约其发展和广泛应用。在这一背景下，廉价的再生周期短的稻壳纤维进入了研究者的视野，将经过处理的稻壳纤维作为增强材料，制备可生物降解稻壳纤维/PBS复合材料，该复合材料结合了PBS和稻壳纤维的优点，大大降低了产品的成本，而且对于解决能源短缺和环境污染有十分重要的意义。但是稻壳纤维本身具有较强的极性和亲水性，而PBS是典型的非极性聚酯，具有疏水性，二者之间的极性相差较大导致其界面相容性很差，所以如何提高二者之间的界面相容性是制备稻壳纤维/PBS复合材料要解决的关键问题之一。

以稻壳纤维与PBS混合，生产出一种新型复合材料，可代替木材、塑料、金属等，广泛应用于各行各业。但是，稻壳纤维与PBS共混后纤维易缠结、结块、成团、吸水导致不均匀输送困难的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术不足，本发明要解决的技术问题是针对现有技术不足，提供一种稻壳/PBS复合材料的制备方法，有效解决了生产过程中的稻壳纤维与PBS共混后纤维易缠结、结块、成团、吸水导致不均匀输送困难的问题，使稻壳/PBS复合材料的生产效率提高，易于加工。

本发明另一目的在于提供一种稻壳/PBS复合材料的制备方法制备得到的稻壳/PBS复合材料。

本发明的发明目的是通过以下技术方案实现：

公开的稻壳/PBS复合材料的制备方法，按照重量百分比称取稻壳纤维为50%~80％，PBS为10%~40％和淀粉为5%~12%，合计重量百分比为100％，其中制备方法包括以下步骤：

S1. 将稻壳粉粹至长度为10~20mm，然后烘干备用；将PBS烘干备用；

S2. 将PBS一和淀粉放在大螺旋输送机一中，通过熔融塑化挤出在成型辊一上，将PBS一压合呈成熔融状态的PBS熔膜A；

同时，将稻壳材料加入到气动输送机中，通过成型辊一和成型辊二初步压合，加热至150~170℃，所述稻壳材料在PBS一的上方，将压合后的PBS熔膜A和稻壳材料输送至成型辊二和成型辊三间；调整成型辊二和成型辊三之间的压力至90~120MPa，使稻壳材料完全与PBS熔膜A结合；

S3. 将PBS二和淀粉放在大螺旋输送机二中，通过熔融塑化挤出在成型辊四上，通过成型辊四与成型辊五压合，加热到150~170℃，将PBS二压合呈成熔融状态的PBS熔膜B；随着成型辊五和成型辊六配合转动，将压合PBS熔膜A、稻壳与PBS熔膜B成为一体；制成稻壳/PBS复合材料；

其中，大螺旋输送机一的下方的成型辊一；所述气动输送机、成型辊二和成型辊三由上到下依次设置；所述成型辊一与成型辊二的表面形成输送通道；所述成型辊二与成型辊三相配合转动；

所述大螺旋输送机二的下方设置成型辊四，所述成型辊四与成型辊五配合转动；所述成型辊五的下方设置与成型辊五相配合的成型辊六；

所述螺杆挤出机包括挤出机和流延模具，所述挤出机的出口与所述流延模具的入口连通。

进一步地，步骤S1的烘干温度为60~80℃。

进一步地，步骤S3所述压合的压力为90~120MPa。

本发明的另一目的在于公开由上述稻壳/PBS复合材料的制备方法生产的稻壳/PBS复合材料。

本发明的另一目的在于公开稻壳/PBS复合材料的制备方法生产的稻壳/PBS复合材料应用于建筑领域。

本发明的稻壳/PBS复合材料的制备方法，解决纤维易缠结、结块、成团、吸水导致均匀输送困难的问题，采取直接强制送料、减少输送路径、利用具有成型辊的特殊结构的圆柱面分散纤维料，将稻壳盒PBS熔膜碾压层合在一起，得到性能优异、质量稳定的生物质复合材料。

本发明的稻壳/PBS复合材料的连续生产系统可以智能控制待复合材料的输送速度和待复合材料的状态，能有效控制复合后的复合材料的质量，达到使用性能。

本发明采用一对相互配合的成型辊，利用大螺旋输送机一，将PBS熔融塑化挤出在成型辊上流延，两成型辊之间形成输送空间，然后将纤维材料均匀从另一成型辊表面输送空间，与PBS熔膜接触，并在两成型辊的碾压下，层合成性能优异、质量稳定、成分均一的生物质复合材料。

本发明通过控制待复合材料的输送速度、成型辊旋转速度、各成型辊之间的间隙，来有效控制复合材料的厚度，从而控制生物质复合材料的性能。

本发明的连续生产系统的使用方法操作简单，产品生产稳定，效率高，适用于各种直压式复合材料的生产，应用范围广泛。

相对现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明的提供的稻壳/PBS复合材料的制备方法，有效解决了生产过程中的稻壳纤维与PBS共混后纤维易缠结、结块、成团、吸水导致不均匀输送困难的问题，使稻壳/PBS复合材料的生产效率提高，易于加工。

本发明的稻壳/PBS复合材料的制备方法，将PBS与稻壳分别通过可加热的滚筒，形成熔融状态，能有效控制稻壳/PBS复合材料的结合力，增加稻壳和PBS界面的相容性，通过调整输送速度、成型辊旋转速度、各成型辊之间的间隙，来有效控制复合材料的厚度，从而控制生物质复合材料的性能。

对稻壳纤维和淀粉的混合物进行处理，淀粉溶胀后具有一定的自粘性，淀粉在糊化后会具有糊状滑移性，使用淀粉作为胶粘剂解决了植物纤维、粉本身不具有延展性的问题。大多数植物都具有木质素，淀粉类黏胶物质会与植物纤维的木质素在高温时会发生反应，产生极大的粘性，这样在高温高压挤注和压制本材料成型的过程中，利用淀粉与木质素的反应得到自粘性，使得挤注和压制成型的产品密度一致，表面致密，内结合强度高，并且还能挤注和压制出复杂的形状。

通过本稻壳/PBS复合材料制成的产品可以完全代替市场上的木纤维复合类产品，还可以替代绝大多数实木产品，不仅可以用于制造一般家居生活领域的建筑产品，还可以用于制造工业领域的建筑产品。

附图说明

图1为本发明的稻壳/PBS复合材料的连续生产系统的示意图。

其中，1-大螺旋输送机一、2-气动输送机、3-成型辊二、4-稻壳材料、5-PBS熔膜A、6-成型辊四、7-大螺旋输送机二、8-成型辊五、9-PBS熔膜B、10-成型辊六、11-成型辊三、12-成型辊一、101-挤出机、102-流延模具。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1所示，本实施例提供的稻壳/PBS复合材料的连续生产系统，

包括PBS熔膜成型装置一、稻壳纤维材料输送装置和PBS熔膜成型装置二；PBS熔膜成型装置一包括大螺旋输送机一1和设置在大螺旋输送机一1下方的成型辊一12。

稻壳纤维材料输送装置包括由上到下依次设置的气动输送机2、成型辊二3和成型辊三11；成型辊一12与成型辊二3的表面形成输送通道，成型辊二3的与成型辊三11相配合转动。

PBS熔膜成型装置二包括大螺旋输送机二7、成型辊四6、成型辊五8和成型辊六10；成型辊四6与成型辊五8配合转动，成型辊五8的下方设置与成型辊五8相配合的成型辊六10。

本实施例的螺杆挤出机一1和螺杆挤出机二2均包括挤出机101和流延模具102，挤出机101的出口与流延模具102的入口连通，流延模具102的下方设有成型辊一12。为了加热熔膜成熔融状态，以便于纤维材料完全与PBS熔膜紧密贴合，本实施例的成型辊均为空心圆筒，空心圆筒内部通过水、油或气体加热。

实施例2

本实施例的稻壳/PBS复合材料的制备方法，按照重量百分比称取稻壳纤维为50g，PBS为40g和淀粉为10g，将上述PBS和淀粉组分平均分成两份，其中制备方法包括以下步骤：

S1. 将稻壳粉粹至长度为10~20mm，然后烘干温度为60℃下烘干备用；将PBS烘干备用；

S2. 将20g的PBS一和5g淀粉放在大螺旋输送机一1中，通过熔融塑化挤出在成型辊一12上，同时，将稻壳材料加入到输送机，通过成型辊一12和成型辊二3初步压合，将成型辊一12和成型辊二3加热至150℃，将压合后的PBS一和稻壳材料4输送至成型辊二3和成型辊三11间；调整成型辊二3和成型辊三11之间的压力90MPa，使稻壳材料4完全与PBS熔膜A5紧密结合；

S3. 将20g的PBS二和5g淀粉放在大螺旋输送机二7中，通过熔融塑化挤出在成型辊四6上，通过成型辊四6与成型辊五8压合，成型辊四6与成型辊五8加热到170℃，将PBS二压合呈成熔融状态的PBS熔膜B9；随着成型辊五8和成型辊六10配合转动，压合PBS熔膜A5、稻壳材料4与PBS熔膜B9成为一体。

实施例3

本实施例的稻壳/PBS复合材料的制备方法与实施例2相似，其不同之处在于，按照重量百分比称取稻壳纤维为80g，PBS为10g和淀粉为10g，将上述PBS和淀粉组分平均分成两份，步骤S2的加热温度170℃，其余步骤与实施例2相同。

实施例4

本实施例的稻壳/PBS复合材料的制备方法与实施例2相似，其不同之处在于，按照重量百分比称取稻壳纤维为55g，PBS为40g和淀粉为5g，将上述PBS和淀粉组分平均分成两份，其中制备方法包括以下步骤：步骤S2的压力为120MPa，其余步骤与实施例2相同。

通过本稻壳/PBS复合材料的制备方法，调整待复合材料的输送速度、成型辊旋转速度、各成型辊之间的间隙，来有效控制复合材料的厚度，从而控制生物质复合材料的性能。本方法得到的生物质复合材料的各复合层间结合紧密，性能优异，质量稳定。

对实施例2~实施例4制备得到的稻壳/PBS复合材料进行性能测试，其测试结果见表1。

表1

拉伸强度（MPa）冲击强度（MPa）弯曲强度（MPa）实施例220.55.312.3实施例318.35.110.9实施例422.64.911.2

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。