CN103937180B - 生物可降解竹原纤维增强复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种生物可降解竹原纤维增强复合材料的制备方法，所述聚生物可降解竹原纤维增强复合材料的制备方法包括以下步骤：原料处理、铺网针刺、模压成型，利用该方法制得的复合材料不会对环境产生污染。

Description

生物可降解竹原纤维增强复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种生物可降解竹原纤维增强复合材料的制备方法。

背景技术

许多新型材料在给人类带来各种方便的同时，也给人们带来难以想象的麻烦。由于有些废弃材料在自然条件下不会降解，燃烧又会释放出有害气体，给生态环境造成了难以治理的污染。

因此，有必要设计一种不会对环境产生污染的复合材料的制备方法。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种不会对环境产生污染的复合材料的制备方法。

一种生物可降解竹原纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于：所述聚羟基丁酸戊酸共聚酯复合材料的制备方法包括以下步骤：原料处理、铺网针刺、模压成型。

优选的，所述原料处理为对竹原纤维进行碱处理。

优选的，所述碱处理的工艺为将竹原纤维浸泡于7.5%的NaOH溶液中90min后，温度为20℃，用清水洗净后干燥。

优选的，所述铺网针刺工艺包括以下流程：开松、给棉、梳理、铺网、进料、预针刺、成卷、针刺。

优选的，所述模压成型的工艺条件为：成型温度165℃-180℃，时间3min-6min，压强5MPa-14MPa。

与现有技术相比，本发明至少具有如下技术效果：利用该方法制得的复合材料不会对环境产生污染。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

聚羟基丁酸戊酸共聚酯(PHBV)是一种生物高分子聚酯，它与聚丙烯有相似的性质。这种材料在废弃后，即使在潮湿的环境下也是稳定的，但在有微生物的情况下，它将降解为二氧化碳和水。因此它具有良好的生物相容性、生物降解性以及生物可吸收性。聚羟基丁酸戊酸共聚酯(PHBV)的原料来源十分丰富，各种植物的残骸经发酵、分离均可制备PHBV。

PBHV具有完全的生物相容性和对水、气的高阻隔性等。因此在诸如医用材料（缝线、骨钉）、薄膜材料（地膜、购物袋、堆肥袋）、一次性用品（笔、餐具）、包装材料（特别是食品包装）等方面有着广泛的应用前景。以PHBV为基体，以淀粉等各类无机物纤维素纤维为增强体或填充物，可以制得性能各异的生物可降解的复合材料，以满足不同场合的使用要求。比如采用聚羟基丁酸戊酸共聚酯(PHBV)生产生物自毁塑料在医疗上用途颇广。例如，在骨折手术中，它可以充当骨骼间的承托物。随着骨骼的愈合，它也会逐渐自行分解。荷兰科学家发明一种塑料，植入体内大约两年便自行分解，变成二氧化碳和水。还有一种线状生物自毁塑料，可以代替传统的医用外科手术线缝合伤口。这种塑料手术线，可被身体逐渐吸收，免除拆线之苦恼。此外，用生物自毁塑料制成的药用胶囊，在体内会慢慢溶解，并且可控制药物进入血管的速度。

我国拥有丰富的竹林资源，资源面积、产量均居世界第一，世界竹类资源中性能最优良、利用价值最高的毛竹林约有90%分布在我国南方。竹纤维分成天然竹纤维（竹原纤维）和化学竹纤维（竹浆纤维和竹炭纤维）两大类。竹原纤维就是从自然生长的竹子中提取出的一种纤维素纤维，是继棉、麻、毛、丝之后的第五大天然纤维。竹纤维具有良好的透气性、瞬间吸水性、较强的耐磨性和良好的染色性等特性，同时又具有天然抗菌、抑菌、除螨、防臭和抗紫外线功能。竹原纤维资源丰富，价格低廉，比模量和比强度高，在复合材料中可部分取代玻璃等合成纤维，制作复合材料时生产成本低，有利于节约能源；而它最突出的优点是具有生物降解性和可再生性，对环境无污染，这是其它任何增强材料无法比拟的。本项目采用竹原纤维强度为6.5cN/dtex-7.5cN/dtex，长度为30mm-50mm。

本方法以开发成本低、制作工艺简单的生物可降解复合材料为目标，选择加工流程短、成本低、无需织造的针刺非织造加工方法来制作竹原纤维增强复合材料，通过选择聚羟基丁酸戊酸共聚酯(PHBV)作为复合材料的基体，选择竹原纤维为复合材料的增强体或填充物，经过反复试验后采用一定的工艺流程和工艺条件，开发出生物可降解竹原纤维增强复合材料。

一种聚羟基丁酸戊酸共聚酯复合材料的制备方法，包括原料处理、铺网针刺、模压成型。

原料处理：

竹原纤维在进行开松混合前，需进行碱处理，通过多次实验确定最佳碱处理工艺如下：将竹原纤维浸泡于7.5%的NaOH溶液中90min后，温度为20OC，用清水洗净后干燥。

聚羟基丁酸戊酸共聚酯(PHBV)是一种生物高分子聚酯,它的熔点较低(165℃)，起始分解温度在180℃左右，它具有良好的生物相容性，生物降解性以及生物可吸收性。

以PHBV为复合材料的基体，以竹原纤维为增强体或填充物，可以制得性能各异的生物可降解的复合材料，以满足不同领域的使用要求。

铺网针刺：

工艺流程：开松、给棉、梳理、铺网、进料、预针刺、成卷、针刺。

所用设备：WL-GK-1-600型开松机、WL-J-500型给棉机、WL-GS-A-600型梳理机、WL-ZGS.Z-Y-800型预针刺机、WL-ZGS.Z-Z-800型针刺机、WL-800型成卷机，以上设备由中国太仓双凤非织造布设备有限公司制造。

开松机由梳棉风机、主开松辊、勾槽罗拉、进料帘等组成，在操作过程中因为有棉结，梳棉风机处长期不处理会因堆积过多造成声音异常，影响梳棉进度。

预针刺机动程50mm，每米布针量按3500枚布针，如需增加针刺密度。必须提高主机频率和减少进、出料速度，如需减少针刺密度，则相反，还有调节针刺深度。预针刺机主要是针对成网工序后高蓬松且纤维间抱合力很小的纤网层进行针刺，其基本目的是保证高蓬松的纤网层顺利喂入针刺区，不产生拥塞和过大的意外牵伸。主针刺机的动程为30mm，每米布针量按5000枚布针，其他同预针刺机相同。主针刺机主要加工对象是经过预针刺的纤网，其对预针刺后的纤网作进一步的加固。主针刺机的剥网板与脱网板之间的距离缩小，针刺动程变小，植针密度增大，刺针频率提高，且速度也有大幅提高。各工序设计参数如表1：

表1各工序设计参数

用针刺加固生产的非织造材料具有良好的机械性能，对于下一步制作复合提供了优良的条件，同时使该增强复合材料的拉伸强度及弯曲强度更好，在汽车、建筑业等方面具有良好的应用前景。

模压成型：

将经过针刺铺网的竹原纤维和聚羟基丁酸戊酸共聚酯(PHBV)按一定配比均匀混合放入模具中进行热压成型，模压设备为上海齐才液压机械有限公司生产的平板硫化机，由于PHBV的熔点较低(165℃)，起始分解温度在180℃左右，所以成型温度选择165℃-180℃，时间选择3-6min，压强选择5MPa-14MPa，即得到生物可降解竹原纤维针刺非织造增强复合材料。

模压条件选择：

为了分析竹原纤维/PHBV的配比、热压温度、热压时间以及热压压强对复合材料力学性能的影响，探索最优竹原纤维/PHBV增强复合材料制备工艺，取竹原纤维/PHBV配比、热压温度、热压时间、热压压力四个因素各设置四个水平进行正交设计。竹原纤维/PHBV配比、热压温度、热压时间、热压压力四个因素的各实验水平见表2。

表2正交实验四因素四水平

正交实验的设计参照L16(45)，并分别对未经碱处理的竹原纤维与碱处理后的竹原纤维进行正交实验。通过正交实验制备的竹原纤维/PHBV复合材料经测试后得到其拉伸强度如下，表3为未经碱处理竹原纤维/PHBV复合材料正交试验分析表，表4为经碱处理竹原纤维/PHBV复合材料正交试验分析表。

表3未处理竹原纤维/PHBV复合材料正交实验分析表

表4碱处理竹原纤维/PHBV复合材料正交实验分析表

从表3与表4中竹原纤维/PHBV复合材料的拉伸强度可知，将竹原纤维作为增强体加入到PHBV中后，不管竹原纤维有无经过碱液处理，其复合材料的拉伸断裂强度基本上都大于纯PHBV板材的拉伸断裂强度，而经碱液处理过的竹原纤维与PHBV的复合材料的拉伸断裂强度更高。这说明在PHBV中加入竹原纤维后，增强效果明显，拉伸断裂强度明显提升，特别是竹原纤维经碱液处理后其与PHBV界面结合改善，其拉伸断裂强度的改善较未经处理的竹原纤维与PHBV的复合材料更为显著。

竹原纤维/PHBV增强复合材料的性能测试分析：

（1）未经碱液处理竹原纤维/PHBV增强复合材料

由表3中的拉伸强度确定，未处理竹原纤维/PHBV复合材料配比水平3最好，热压温度水平2最好，热压时间水平4最好，热压压强水平3最好，复合材料的拉伸强度最高达83.64MPa，因此最优组合工艺为A3B2C4D3，即竹原纤维/PHBV配比为30/70、热压温度为170℃、热压时间为6min、热压压强为11MPa。

为了进一步研究分析竹原纤维/PHBV复合材料随竹原纤维/PHBV配比变化的趋势，采用热压温度为170℃、热压时间为6min、热压压强为11MPa条件下，变动竹原纤维/PHBV配比这一因素来分析该因素变化对竹原纤维/PHBV复合材料的拉伸断裂强度的影响。未处理竹原纤维/PHBV复合材料的拉伸强调见表5。

表5未处理竹原纤维/PHBV增强复合材料的拉伸强度

从表5可以看出，未处理竹原纤维/PHBV复合材料的拉伸断裂强度随竹原纤维比重的增加而呈现出先增加后降低的趋势。这是由于开始竹原纤维在复合材料中的比重较小，随着竹原纤维的增加，对复合材料的增强作用不断增加，故复合材料的拉伸断裂强度也不断增加，但复合材料中竹原纤维的比重超过一定量后，复合材料中基体的比重相对减少，这使得基体不能很好的包覆竹原纤维，不能对竹原纤维形成完全侵润，因此随着竹原纤维的比重不断增加，复合材料的拉伸断裂强度呈现下降趋势。从表5可知，对于未经碱液处理的复合材料的竹原纤维/PHBV最佳配比为25/75—50/50，其拉伸强度均超过60MPa，最高达到83.64MPa。

（2）经过碱处理竹原纤维/PHBV增强复合材料

由表4中的拉伸强度确定，经过碱处理竹原纤维/PHBV增强复合材料的配比水平4最好，热压温度水平3最好，热压时间水平2最好，热压压强水平4最好，因此最优组合工艺为A3B2C4D3，即竹原纤维/PHBV配比为30/70、热压温度为170℃、热压时间为6min、热压压强为11MPa，复合材料的拉伸强度最高达104.21MPa。

为了进一步研究分析经过碱处理后竹原纤维/PHBV增强复合材料随竹原纤维/PHBV配比变化的趋势，采用热压温度为170℃、热压时间为6min、热压压强为11MPa，条件下，变动竹原纤维/PHBV配比这一因素来分析该因素变化对竹原纤维/PHBV复合材料的拉伸断裂强度的影响。经过碱处理竹原纤维/PHBV复合材料的拉伸强调见表6。

表6经过碱处理竹原纤维/PHBV增强复合材料的拉伸强度

从表6可以看出，经碱液处理竹原纤维/PHBV增强复合材料的拉伸断裂强度随着竹原纤维/PHBV的配比中竹原纤维比重的增加开始增加而后降低，但经碱液处理后的竹原纤维/PHBV增强复合材料的拉伸强度整体高于未经碱液处理的竹原纤维增强PHBV复合材料的拉伸强度，这是由于竹原纤维经过碱液处理后，其表面性能得到改善，竹原纤维与基体的相容性得到改观，使得竹原纤维与基体的界面粘结情况改善，表现在复合材料上就是其力学性能的提升。从表6可知，对于经过碱处理的竹原纤维/PHBV增强复合材料的最佳配比为20/80—55/45，其拉伸强度均超过60MPa，最高达到104.21MPa。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

本方法以开发成本低、制作工艺简单的竹原纤维复合材料为目标，采用竹原纤维针刺非织造物和聚羟基丁酸戊酸共聚酯(PHBV)按一定配比均匀混合放入模具中，在一定条件下进行热压成型制造增强复合材料，该方法加工流程短、成本低、无需织造的针刺非织造混合物，通过适当的复合固化工艺生产竹原纤维针刺非织造增强复合材料。本方法研制的复合材料力学性能超过同类工程塑料水平，可应用于医药、汽车、建筑工业及军事航空等领域。

本发明选择竹原纤维作为复合材料的增强体、聚羟基丁酸戊酸共聚酯(PHBV)作为基体。聚羟基丁酸戊酸共聚酯(PHBV)是一种生物高分子聚酯,它具有良好的生物相容性，生物降解性以及生物可吸收性，同时还有其独有的特点:①原料丰富,各种植物的残骸经发酵，分离均可制备PHBV；②性能与通用树脂相当,可以作为树脂的替代产品,发展潜力巨大；③结晶性能好,可以作为柔性链高聚物的模型来进行研究；④PHBV良好的生物相容性、生物可吸收性及一定的生物吸收周期和较高的熔点为其在医疗和其它一些特殊环境中的应用提供了条件。因此该复合材料可以应用于一些特殊领域，而且产品的废弃材料可以生物降解，有利于环境保护，因此具有广阔的应用前景。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (3)

1.一种生物可降解竹原纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于：所述复合材料的制备方法包括以下步骤：原料处理、铺网针刺、模压成型；所述原料处理是对竹原纤维进行碱处理，所述铺网针刺是对竹原纤维进行铺网针刺，所述模压成型是将经过铺网针刺的竹原纤维与聚羟基丁酸戊酸共聚酯按照一定的质量配比混合均匀然后热压成型，所述模压成型的工艺条件为：成型温度170℃，时间6min，压强11MPa；所述竹原纤维与聚羟基丁酸戊酸共聚酯的质量配比为25/75-45/55。

2.根据权利要求1所述的生物可降解竹原纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于：所述碱处理的工艺为将竹原纤维浸泡于7.5％的NaOH溶液中90min后，温度为20℃，用清水洗净后干燥。

3.根据权利要求1所述的生物可降解竹原纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于：所述铺网针刺工艺包括以下流程：开松、给棉、梳理、铺网、进料、预针刺、成卷、针刺。