一种绿色环保型木基复合材料及其制备方法与应用

摘要

本发明提供了一种绿色环保型木基复合材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)将木粉和细菌纤维素分散液混合后溶于蒸馏水中，得到细菌纤维素/木粉混合溶液；(2)调节步骤(1)中木粉与细菌纤维素的占比，使得细菌纤维素/木粉混合溶液中总纤维素含量占比为50～70wt％，室温下进行磁力搅拌30～60min；(3)将细菌纤维素/木粉混合溶液静置0.5～2小时；(4)对步骤(3)所得混合溶液进行减压抽滤，得到细菌纤维素/木粉湿滤饼，进行干燥处理，即得。本发明可获得力学性能优异、稳定性极佳的木基复合材料。并且该材料是一种可完全降解的绿色复合材料，可用于替代常见的一次性塑料吸管、塑料袋等领域。

说明书

技术领域

本发明属于环保材料的制备技术领域，具体涉及一种绿色环保型木基复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

合成塑料一直在日常生活和全球经济中发挥着重要的作用，在各个行业均可看见塑料产品的广泛使用，塑料为我们的生活带来了诸多便利，然而以化石能源为原料的塑料导致的环境问题却日益严峻。一方面，随着对低成本、一次性塑料材料的依赖和需求日益增加，这将必然导致全球能源需求快速增长以及原材料价格的上涨；另一方面，大量塑料垃圾的产生已经造成了严重的环境污染，由于塑料回收成本较高，大多选择直接焚烧或填埋处理，但合成塑料存在降解周期较长，塑料的污染逐渐积累且对生态系统的破坏难以逆转，造成了日益严重的全球废物危机和环境污染问题。近年来，能源消耗和环境污染问题逐渐受到人们的关注和重视，我国已经开始取消使用塑料吸管和塑料袋而是替换为纸制吸管和纸袋的方式来减少环境污染。

天然木材作为一种丰富的生物质资源，其主要成分包括纤维素、半纤维素和木质素。其中，纤维素是由D-葡萄糖的重复单元通过共价键以及分子水平上的链内和链间氢键组装，形成线性和刚性纤维素链。木质素是无定形的三维含氧对丙基苯酚聚合物，是一种芳香族化合物，由木质素单体在植物细胞壁中的自由基聚合形成。半纤维素是由几种不同类型的单糖(戊糖和己糖)组成的多相聚合物，如木糖、阿拉伯糖和半乳糖。纤维素和半纤维素都是多糖，统称为综纤维素，它们是碳水化合物。

在木材的实际生产加工过程中，会产生大量的废弃木粉，而现有的木材衍生复合材料的制备方法往往需要将木材或是一部分木粉使用大量化学试剂(酸或碱溶液)进行预处理，再与高分子材料复合或者进行机械处理，这一过程中使用的大量化学试剂会对环境造成影响，同时脱除的木质素大多被作为废物丢弃，造成了可再生资源的严重浪费和环境污染问题。

因此，在允许的情况下尽可能地减少一次性塑料的使用，同时加快推进农业固废物的再利用和回收，寻求可持续以及可生物降解的具有环境友好性塑料替代品已成为一项紧迫的任务。

天然纤维由于具有来源丰富，成本低、可再生、可降解等优点，而受到了广泛关注。天然纤维根据其来源可以分为植物纤维、动物纤维和矿物纤维。细菌纤维素是天然纤维素的一种，具有高结晶度、高纤维素纯度、良好的生物可降解性以及较高的力学强度，并且对健康和环境没有不良影响。

鉴于细菌纤维素独特的理化性质，以及价廉易得等优点，能否将其与木材生产加工过程的废弃木粉进行结合，用于制备出可完全降解的绿色环保型木基复合材料，同时保证其力学性能极其优异，能够实现很好代替塑料进行日常使用，避免可再生资源的浪费以及解决环境污染的潜在问题，成为本发明亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明就是为了解决上述技术问题，从而提供一种绿色环保型木基复合材料及其制备方法与应用。本发明的技术目的在于：第一方面解决木材生产加工过程中对废弃木粉的回收利用问题，避免可再生资源的大量浪费；第二方面解决在复合木材加工过程中避免使用大量化学试剂处理而带来的环境污染问题；第三方面解决如何实现木基复合材料高效代替塑料材料，提供新的绿色环保型材料的制备问题。

为了实现上述技术目的，本发明采用了以下一系列技术方案来解决。

首先，本发明提供了一种绿色环保型木基复合材料的制备方法，其包括以下步骤：

(1)将木粉和细菌纤维素分散液混合后溶于蒸馏水中，得到细菌纤维素/木粉混合溶液；

(2)调节步骤(1)中木粉与细菌纤维素的占比，使得细菌纤维素/木粉混合溶液中总纤维素含量占比为50～70wt％，室温下进行磁力搅拌30～60min；

(3)将搅拌均匀的细菌纤维素/木粉混合溶液静置0.5～2小时；

(4)对步骤(3)所得混合溶液进行减压抽滤，得到细菌纤维素/木粉湿滤饼，进行干燥处理，即得。

本发明的发明人从木粉的回收再利用角度出发，经过大量研究后，最终确定了上述细菌纤维素与木粉结合的方法。但是在细菌纤维素与木粉复合的生产过程中，发明人发现要想保证复合材料的力学性能是极为困难的，大部分情况下所获得的复合材料的力学性能较差，低于30MPa，同时材料的稳定性较差。发明人通过不断调整制备工艺，以及调整相应的原料复配方案，最终通过上述方法制备得到的细菌纤维素/木材绿色复合材料，不仅其力学性能优异，而且稳定性极佳，可很好用于替代传统的一次性塑料制品。

如本发明图4中c分图所示，当混合物料中纤维素含量低于40wt％时，所得复合材料的抗拉强度低于20MPa，而当纤维素含量高于50wt％时，复合材料的抗拉强度出现显著上升，提升到40～70MPa。

本发明使用的废弃木粉主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。纤维素、半纤维素和木质素的分子链中都含有大量的羟基活性基团，因此，可以与具有植物纤维素化学组成相似的细菌纤维素结合形成氢键，最终按照本发明方法，可获得力学性能优异，稳定性极佳的木基复合材料。该工艺方法简单，制备周期短，不破坏原有木材中的纤维素、半纤维素和木质素组分，实现了可再生资源的最大程度利用，并且该材料是一种可完全降解的绿色复合材料，可用于替代常见的一次性塑料吸管、塑料袋等领域。

进一步的是，步骤(1)中所述木粉来自于木材加工过程中的废弃边角料，将其粉碎成平均粒度为30μm的粉末。

进一步的是，步骤(1)中所述木粉的纤维素含量不低于20wt％。

进一步的是，步骤(1)中所述细菌纤维素分散液的浓度为0.1-1.0wt％。

进一步的是，步骤(2)中所述磁力搅拌的时间为45min。

进一步的是，步骤(3)中所述静置的时间为1小时。

进一步的是，步骤(4)中所述干燥处理的条件为80℃烘箱干燥处理24h。

其次，本发明提供了一种由上述方法制备得到的绿色环保型木基复合材料。

再次，本发明还提供了一种如上所述的绿色环保型木基复合材料的应用，其是将该木基复合材料用于代替塑料进行应用。

具体的，所述应用是将该木基复合材料制备成板材或吸管材料，用于代替塑料。

本发明的有益效果如下：

1、本发明提供了一种将细菌纤维素与木粉组合用于制备木基复合材料的方法，其是利用废弃木粉与高纤维素含量的细菌纤维素组合，通过调整其纤维素含量并进行均质处理，制备得到了一种具有良好力学性能的绿色环保型细菌纤维素/木粉复合材料，可用于替代传统难降解的一次塑料。

2、本发明中所用的木粉无需采用化学试剂进行预处理，而是直接与细菌纤维素进行结合，处理过程对环境无污染；本发明的另一材料为具有良好降解性的细菌纤维素，其对环境无危害，对人体无毒性，可完全实现绿色无污染生产。

3、本发明所获得的木基复合材料的抗拉强度可高达60MPa以上，具备力学性能极其优异，且稳定性极好的优点，在水中浸泡长达4h后无任何变形或分解。

4、本发明具有工艺方法简单，原材料来源广泛、成本低廉、制备路径环保无污染等优点。

附图说明

图1为样品实物图，其中：(a)原料废弃木粉的实物图；(b)制备得到的细菌纤维素/木粉湿滤饼实物图；(c)细菌纤维素/木粉复合材料制成的吸管实物图。

图2为实施例所得细菌纤维素/木粉复合材料制成的吸管在水中浸泡0h、1h、2h、3h后的实物图(以实施例1为例，其余实施例效果类似)。

图3为SEM图，其中：(a)原料废弃木粉的SEM图；(b)图a的局部放大图；(c)实施例1所得细菌纤维素/木粉复合材料的表面SEM图；(d)图c的局部放大图；(e)实施例1细菌纤维素/木粉复合材料的断面SEM图；(f)图d的局部放大图。

图4(a)为原料废弃木粉(Wood Powder)、纯细菌纤维素(Pure BC)和实施例1-3以及对比例1-2所得复合材料的IR图；(b)为原料废弃木粉(Wood Powder)、纯细菌纤维素(Pure BC)和实施例1-3以及对比例1-2所得复合材料的XRD图；(c)为实施例1-3以及对比例1-2所得复合材料的抗拉强度图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要指出的是，以下实施例仅仅用于对本发明进行解释和说明，并不用于限定本发明。本领域技术人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

本发明使用的废弃木粉来自于木材加工过程中的废弃边角料，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中纤维素占25.19wt％，半纤维素占7.76wt％，木质素占27.79wt％。将其粉碎成平均粒度为30μm的粉末后进行实验。

实施例1

一种绿色环保型木基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取质量为0.5g的木粉和33.1mL 0.75wt％的均质细菌纤维素分散液溶于200mL蒸馏水中；

(2)配制总纤维素占比为50％的细菌纤维素/木粉混合溶液，在室温环境中，进行磁力搅拌45min；

(3)将均匀的细菌纤维素/木粉混合溶液静置1小时；

(4)对步骤(3)的混合溶液进行减压抽滤，将获得的细菌纤维素/木粉湿滤饼裁剪后，在聚四氟乙烯管上缠卷制的吸管后，放置在80℃的鼓风干燥箱中烘干，干燥时间为24h。

实施例2

一种绿色环保型木基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取质量为0.5g的木粉和58mL 0.75wt％的均质细菌纤维素分散液溶于200mL蒸馏水中；

(2)配制总纤维素占比为60wt％的细菌纤维素/木粉混合溶液，在室温环境中，进行磁力搅拌45min；

(3)将均匀的细菌纤维素/木粉混合溶液静置1小时；

(4)对步骤(3)的混合溶液进行减压抽滤，将获得的细菌纤维素/木粉湿滤饼裁剪后，放置在80℃的鼓风干燥箱中烘干，干燥时间为24h。

实施例3

一种绿色环保型木基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取质量为0.5g的木粉和99.6mL 0.75wt％的均质细菌纤维素分散液溶于200mL蒸馏水中；

(2)配制总纤维素占比为70wt％的细菌纤维素/木粉混合溶液，在室温环境中，进行磁力搅拌45min；

(3)将均匀的细菌纤维素/木粉混合溶液静置1小时；

(4)对步骤(3)的混合溶液进行减压抽滤，将获得的细菌纤维素/木粉湿滤饼裁剪后，放置在80℃的鼓风干燥箱中烘干，干燥时间为24h。

实施例4

一种绿色环保型木基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取质量为0.5g的木粉和38.1mL 0.25wt％的均质细菌纤维素分散液，溶于200mL蒸馏水中；

(2)配制总纤维素占比为50wt％的细菌纤维素/木粉混合溶液，在室温环境中，进行磁力搅拌30min；

(3)将均匀的细菌纤维素/木粉混合溶液静置0.5小时；

(4)对步骤(3)的混合溶液进行减压抽滤，将获得的细菌纤维素/木粉湿滤饼裁剪后，在聚四氟乙烯管上缠卷制的吸管后，放置在80℃的鼓风干燥箱中烘干，干燥时间为24h。

实施例5

一种绿色环保型木基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取质量为0.5g的木粉和60mL 1.0wt％的均质细菌纤维素分散液，溶于200mL蒸馏水中；

(2)配制总纤维素占比为50wt％的细菌纤维素/木粉混合溶液，在室温环境中，进行磁力搅拌60min；

(3)将均匀的细菌纤维素/木粉混合溶液静置2小时；

(4)对步骤(3)的混合溶液进行减压抽滤，将获得的细菌纤维素/木粉湿滤饼裁剪后，在聚四氟乙烯管上缠卷制的吸管后，放置在80℃的鼓风干燥箱中烘干，干燥时间为24h。

对比例1

一种绿色环保型木基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取质量为0.5g的木粉和4.6mL 0.75wt％的均质细菌纤维素分散液，溶于200mL蒸馏水中；

(2)配制总纤维素占比为30wt％的细菌纤维素/木粉混合溶液，在室温环境中，进行磁力搅拌45min；

(3)将均匀的细菌纤维素/木粉混合溶液静置1小时；

(4)对步骤(3)的混合溶液进行减压抽滤，将获得的细菌纤维素/木粉湿滤饼裁剪后，在聚四氟乙烯管上缠卷制的吸管后，放置在80℃的鼓风干燥箱中烘干，干燥时间为24h。

对比例2

一种绿色环保型木基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取质量为0.5g的木粉和16.5mL 0.75wt％的均质细菌纤维素分散液溶于200mL蒸馏水中；

(2)配制总纤维素占比为40wt％的细菌纤维素/木粉混合溶液，在室温环境中，进行磁力搅拌45min；

(3)将均匀的细菌纤维素/木粉混合溶液静置1小时；

(4)对步骤(3)的混合溶液进行减压抽滤，将获得的细菌纤维素/木粉湿滤饼裁剪后，在聚四氟乙烯管上缠卷制的吸管后，放置在80℃的鼓风干燥箱中烘干，干燥时间为24h。

实验例

将实施例和对比例所得木基复合材料进行性能测试，测试方法为：水中稳定性测试参照GB/T 41008-2021，将细菌纤维素/木粉复合材料制作的吸管浸入适量水中，在室温(23±2)℃，静置1-3h，取出，并观察液体浸泡部分；力学性能测试参照国家标准GB/T1040-2006，将细菌纤维素/木粉复合材料制作成哑铃型，在万能拉力试验机(美特斯工业系统(中国)有限公司，E44.104)上测试其拉伸性能，所得结果分别如图2和图4中c部分所示。其中50％、60％、70％分别代表实施例1、2、3所得复合材料，30％、40％分别代表对比例1和2所得复合材料，实施例4和5所得复合材料未示出，但其结果与实施例1-3相似。

测试结果表明，本发明实施例制备所得木基复合材料的稳定性好，在水中放置时间长达3h后，所得复合材料的形态无变化，其抗拉强度高，达到40-70MPa；而对比例1和2制备所得木基复合材料的抗拉强度低于20MPa，其稳定性也较差，在水中放置2h后就容易软化变形。