一种具有玉米秸秆纤维的聚乙烯复合材料及其制备方法
文献发布时间：2023-06-19 18:46:07
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，特别是一种具有玉米秸秆纤维的聚乙烯复合材料及其制备方法。
背景技术
聚乙烯(Polyethylene,PE)是一种质轻无毒的热塑性高分子材料，因其具有卓越的电学性能，优良的耐低温性和良好的化学稳定性及机械加工性能，而被广泛地应用到工业、农业中。
中国是农业大国，主要农作物有水稻、小麦、玉米以及高粱等，在丰收同时，带来了秸秆处理这个难题。通常，农民将秸秆清扫收集后，现场焚烧，该方法简单，易于实施。但是，焚烧带来了极大的环境污染问题，产生的烟雾、废气以及颗粒，极其影响了空气质量。
秸秆是成熟农作物茎叶穗部分的总称，通常指小麦、水稻、玉米、薯类、油菜、棉花、甘蔗和其它农作物通常为粗粮在收获籽实后的剩余部分。
为了解决大量的玉米秸秆的后处理问题，现有技术将玉米秸秆直接添加到聚乙烯中，制成复合材料，然而，玉米秸秆虽然进行粉碎后，引入到聚乙烯材料中，二者之间兼容性相对较差，导致聚乙烯材料的性能大幅度的降低，限制了其应用。
因此，需要对现有技术进行进一步的改善。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有玉米秸秆纤维的聚乙烯复合材料及其制备方法，以解决现有技术中的不足。
本发明采用的技术方案如下：
一种具有玉米秸秆纤维的聚乙烯复合材料，按重量份计由以下成分制成：聚乙烯树脂96-100份、玉米秸秆复合纤维13-15份、无机填料33-35份、增塑剂6-10份、润滑剂1.4-2份、钛酸酯偶联剂3-5份、硬脂酸2-4份、硼酸锌3-5份、二异氰酸酯2-3份、抗静电剂1.5-1.8份、乙撑双硬酯酰胺2-5份；
优选的，所述聚乙烯树脂分子量为35000。
作为进一步的技术方案：所述玉米秸秆复合纤维制备方法为：
(1)首先，将玉米秸秆添加到粉碎机中进行粉碎处理，然后过100目筛，得到玉米秸秆粉；
(2)向上述得到的玉米秸秆粉中添加水，搅拌均匀后，再添加发酵菌液，继续搅拌30min，然后进行恒温发酵处理6-7小时，得到发酵料；
(3)将上述得到的发酵料进行干燥处理，然后再添加到乙醇溶液中，调节温度值50℃，保温搅拌2小时，再进行在真空抽滤，得到滤液；
(4)向上述得到的滤液中添加盐酸溶液，调节滤液pH至2.5，然后搅拌30min，再添加滤液质量5倍清水，以3000r/min转速搅拌1小时，静置20小时，再进行分离，得到固体料；
(5)对固体料进行水洗，干燥，得到复合基料；
(6)将复合基料、石墨烯依次添加到N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀后，调节温度至40℃，保温40min，然后进行静电纺丝处理，得到玉米秸秆复合纤维。
作为进一步的技术方案：步骤(2)中向玉米秸秆粉中添加其质量40％的水；
所述发酵菌液采用的是枯草杆菌与酵母菌复合发酵菌液。
作为进一步的技术方案：所述发酵菌液中枯草杆菌浓度为1.2×10
酵母菌浓度为1.8×10
玉米秸秆粉、发酵菌液混合质量比为30:1-1.5；
恒温发酵的温度为38℃。
作为进一步的技术方案：步骤(4)中盐酸溶液浓度为1.2mol/L。
作为进一步的技术方案：步骤(6)中复合基料、石墨烯、N,N-二甲基甲酰胺的混合质量比为10-15:3:40。
作为进一步的技术方案：所述无机填料为膨润土。
作为进一步的技术方案：所述膨润土经过浸渍处理：
将膨润土添加到(乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷)乙醇溶液中，搅拌均匀后，再置于真空浸渍反应釜内，浸渍处理2小时，然后进行抽滤，经过清洗，干燥，即可；
所述膨润土、(乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷)乙醇溶液混合质量比为1：10；
所述(乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷)乙醇溶液中(乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷)质量分数为18％，乙醇质量分数为40％；
所述真空浸渍反应釜内浸渍温度为65℃，真空度为0.02MPa。
作为进一步的技术方案：所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯；
所述润滑剂为聚乙烯蜡，分子量为2500；
所述抗静电剂为HDC-102抗静电剂。
一种具有玉米秸秆纤维的聚乙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按各重量份称取:聚乙烯树脂、玉米秸秆复合纤维、无机填料、增塑剂、润滑剂、钛酸酯偶联剂、硬脂酸、硼酸锌、二异氰酸酯、抗静电剂、乙撑双硬酯酰胺；
(2)将聚乙烯树脂、玉米秸秆复合纤维、无机填料、增塑剂、润滑剂、钛酸酯偶联剂、硬脂酸、硼酸锌、二异氰酸酯、抗静电剂、乙撑双硬酯酰胺依次添加到高速搅拌机中进行搅拌均匀，得到均匀混合料；
(3)将得到的均匀混合料添加到双螺杆挤出机中进行熔融挤出造粒，即得。
本发明不仅限于玉米秸秆，还可以采用小麦秸秆、高粱秸秆、水稻秸秆等农作物秸秆。
本发明通过将玉米秸秆作为填料，以塑料为基体，通过挤出的加工方式制备的复合材料，能够代替木材在各个领域中的使用，不仅可以节约木材的使用量，同时，能够极大的提高对农作物秸秆的处理效率和资源化利用率。
直接将玉米秸秆添加到聚合物树脂中进行结合，由于二者之间存在相容性差的问题，会导致复合材料的界面性能较差，因此，本发明通过对玉米秸秆进行了一定的处理，制备成玉米秸秆复合纤维，大幅度的改善了其与聚乙烯树脂之间的相容性，从而提高了复合材料的界面性能。
在玉米秸秆复合纤维制备过程中，经过发酵处理，再进行静电纺丝制成的复合纤维，能够大幅度的增强了玉米秸秆复合纤维与聚乙烯分子链之间的粘附性，机械性能得到明显的提高，玉米秸秆复合纤维上的活性基团与聚乙烯分子链之间经过反应形成化学键，使得二者之间的结合更加紧密，稳定。
没有经过发酵处理的话，容易使得复合纤维之间的“搭桥”现象严重，纤维的堆积密度较小，活性基团不足，使得玉米秸秆复合纤维与聚乙烯分子链之间的结合性能大幅度的降低。
本发明通过对膨润土进行一定的处理，对膨润土的性能进行了进一步的改进，使得经过处理后的膨润土与聚合物之间的结合性能得到进一步的提高，避免了膨润土的聚集现象的产生，使得膨润土能够均匀的分散在材料中，进而改善了复合材料的性能。
有益效果：
本发明制备工艺简单，通过特定方法将制备得到的玉米秸秆复合纤维引入到聚乙烯树脂中，进行复合制成的复合材料的性能得到大幅度的改善提高；在玉米秸秆复合纤维制备过程中，经过发酵处理，能够使得制备的玉米秸秆复合纤维更加趋于稳定，复合纤维的均匀质性更好，从而提高其与聚乙烯树脂之间的结合性能，进而改善增强了复合材料的机械性能，尤其是拉伸强度，得到明显的提高。
附图说明
图1是对比玉米秸秆复合纤维制备过程中恒温发酵处理时间对复合材料拉伸强度影响图；
图2是实施例与对比例材料吸水率柱状图。
具体实施方式
实施例1
一种具有玉米秸秆纤维的聚乙烯复合材料，按重量份计由以下成分制成：聚乙烯树脂96份、玉米秸秆复合纤维13份、无机填料33份、增塑剂6份、润滑剂1.4份、钛酸酯偶联剂3份、硬脂酸2份、硼酸锌3份、二异氰酸酯2份、抗静电剂1.5份、乙撑双硬酯酰胺2份；
聚乙烯树脂分子量为35000。
所述玉米秸秆复合纤维制备方法为：
(1)首先，将玉米秸秆添加到粉碎机中进行粉碎处理，然后过100目筛，得到玉米秸秆粉；
(2)向上述得到的玉米秸秆粉中添加水，搅拌均匀后，再添加发酵菌液，继续搅拌30min，然后进行恒温发酵处理6小时，得到发酵料；
(3)将上述得到的发酵料进行干燥处理，然后再添加到乙醇溶液中，调节温度值50℃，保温搅拌2小时，再进行在真空抽滤，得到滤液；
(4)向上述得到的滤液中添加盐酸溶液，调节滤液pH至2.5，然后搅拌30min，再添加滤液质量5倍清水，以3000r/min转速搅拌1小时，静置20小时，再进行分离，得到固体料；
(5)对固体料进行水洗，干燥，得到复合基料；
(6)将复合基料、石墨烯依次添加到N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀后，调节温度至40℃，保温40min，然后进行静电纺丝处理，得到玉米秸秆复合纤维。
步骤(2)中向玉米秸秆粉中添加其质量40％的水；
所述发酵菌液采用的是枯草杆菌与酵母菌复合发酵菌液。
所述发酵菌液中枯草杆菌浓度为1.2×10
酵母菌浓度为1.8×10
玉米秸秆粉、发酵菌液混合质量比为30:1；
恒温发酵的温度为38℃。
步骤(4)中盐酸溶液浓度为1.2mol/L。
步骤(6)中复合基料、石墨烯、N,N-二甲基甲酰胺的混合质量比为10:3:40。
所述无机填料为膨润土。
所述膨润土经过浸渍处理：
将膨润土添加到(乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷)乙醇溶液中，搅拌均匀后，再置于真空浸渍反应釜内，浸渍处理2小时，然后进行抽滤，经过清洗，干燥，即可；
所述膨润土、(乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷)乙醇溶液混合质量比为1：10；
所述(乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷)乙醇溶液中(乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷)质量分数为18％，乙醇质量分数为40％；
所述真空浸渍反应釜内浸渍温度为65℃，真空度为0.02MPa。
所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯；
所述润滑剂为聚乙烯蜡，分子量为2500；
所述抗静电剂为HDC-102抗静电剂。
一种具有玉米秸秆纤维的聚乙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按各重量份称取:聚乙烯树脂、玉米秸秆复合纤维、无机填料、增塑剂、润滑剂、钛酸酯偶联剂、硬脂酸、硼酸锌、二异氰酸酯、抗静电剂、乙撑双硬酯酰胺；
(2)将聚乙烯树脂、玉米秸秆复合纤维、无机填料、增塑剂、润滑剂、钛酸酯偶联剂、硬脂酸、硼酸锌、二异氰酸酯、抗静电剂、乙撑双硬酯酰胺依次添加到高速搅拌机中进行搅拌均匀，得到均匀混合料；
(3)将得到的均匀混合料添加到双螺杆挤出机中进行熔融挤出造粒，即得。
实施例2
一种具有玉米秸秆纤维的聚乙烯复合材料，按重量份计由以下成分制成：聚乙烯树脂97份、玉米秸秆复合纤维14份、无机填料34份、增塑剂7份、润滑剂1.6份、钛酸酯偶联剂4份、硬脂酸3份、硼酸锌4份、二异氰酸酯2.5份、抗静电剂1.6份、乙撑双硬酯酰胺3份；
聚乙烯树脂分子量为35000。
所述玉米秸秆复合纤维制备方法为：
(1)首先，将玉米秸秆添加到粉碎机中进行粉碎处理，然后过100目筛，得到玉米秸秆粉；
(2)向上述得到的玉米秸秆粉中添加水，搅拌均匀后，再添加发酵菌液，继续搅拌30min，然后进行恒温发酵处理6.5小时，得到发酵料；
(3)将上述得到的发酵料进行干燥处理，然后再添加到乙醇溶液中，调节温度值50℃，保温搅拌2小时，再进行在真空抽滤，得到滤液；
(4)向上述得到的滤液中添加盐酸溶液，调节滤液pH至2.5，然后搅拌30min，再添加滤液质量5倍清水，以3000r/min转速搅拌1小时，静置20小时，再进行分离，得到固体料；
(5)对固体料进行水洗，干燥，得到复合基料；
(6)将复合基料、石墨烯依次添加到N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀后，调节温度至40℃，保温40min，然后进行静电纺丝处理，得到玉米秸秆复合纤维。
步骤(2)中向玉米秸秆粉中添加其质量40％的水；
所述发酵菌液采用的是枯草杆菌与酵母菌复合发酵菌液。
所述发酵菌液中枯草杆菌浓度为1.2×10
酵母菌浓度为1.8×10
玉米秸秆粉、发酵菌液混合质量比为30:1.2；
恒温发酵的温度为38℃。
步骤(4)中盐酸溶液浓度为1.2mol/L。
步骤(6)中复合基料、石墨烯、N,N-二甲基甲酰胺的混合质量比为12:3:40。
所述无机填料为膨润土。
所述膨润土经过浸渍处理：
将膨润土添加到(乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷)乙醇溶液中，搅拌均匀后，再置于真空浸渍反应釜内，浸渍处理2小时，然后进行抽滤，经过清洗，干燥，即可；
所述膨润土、(乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷)乙醇溶液混合质量比为1：10；
所述(乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷)乙醇溶液中(乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷)质量分数为18％，乙醇质量分数为40％；
所述真空浸渍反应釜内浸渍温度为65℃，真空度为0.02MPa。
所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯；
所述润滑剂为聚乙烯蜡，分子量为2500；
所述抗静电剂为HDC-102抗静电剂。
一种具有玉米秸秆纤维的聚乙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按各重量份称取:聚乙烯树脂、玉米秸秆复合纤维、无机填料、增塑剂、润滑剂、钛酸酯偶联剂、硬脂酸、硼酸锌、二异氰酸酯、抗静电剂、乙撑双硬酯酰胺；
(2)将聚乙烯树脂、玉米秸秆复合纤维、无机填料、增塑剂、润滑剂、钛酸酯偶联剂、硬脂酸、硼酸锌、二异氰酸酯、抗静电剂、乙撑双硬酯酰胺依次添加到高速搅拌机中进行搅拌均匀，得到均匀混合料；
(3)将得到的均匀混合料添加到双螺杆挤出机中进行熔融挤出造粒，即得。
实施例3
一种具有玉米秸秆纤维的聚乙烯复合材料，按重量份计由以下成分制成：聚乙烯树脂98份、玉米秸秆复合纤维14份、无机填料34份、增塑剂8份、润滑剂1.8份、钛酸酯偶联剂3.5份、硬脂酸3份、硼酸锌4份、二异氰酸酯2.5份、抗静电剂1.7份、乙撑双硬酯酰胺3份；
聚乙烯树脂分子量为35000。
所述玉米秸秆复合纤维制备方法为：
(1)首先，将玉米秸秆添加到粉碎机中进行粉碎处理，然后过100目筛，得到玉米秸秆粉；
(2)向上述得到的玉米秸秆粉中添加水，搅拌均匀后，再添加发酵菌液，继续搅拌30min，然后进行恒温发酵处理6.5小时，得到发酵料；
(3)将上述得到的发酵料进行干燥处理，然后再添加到乙醇溶液中，调节温度值50℃，保温搅拌2小时，再进行在真空抽滤，得到滤液；
(4)向上述得到的滤液中添加盐酸溶液，调节滤液pH至2.5，然后搅拌30min，再添加滤液质量5倍清水，以3000r/min转速搅拌1小时，静置20小时，再进行分离，得到固体料；
(5)对固体料进行水洗，干燥，得到复合基料；
(6)将复合基料、石墨烯依次添加到N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀后，调节温度至40℃，保温40min，然后进行静电纺丝处理，得到玉米秸秆复合纤维。
步骤(2)中向玉米秸秆粉中添加其质量40％的水；
所述发酵菌液采用的是枯草杆菌与酵母菌复合发酵菌液。
所述发酵菌液中枯草杆菌浓度为1.2×10
酵母菌浓度为1.8×10
玉米秸秆粉、发酵菌液混合质量比为30:1.2；
恒温发酵的温度为38℃。
步骤(4)中盐酸溶液浓度为1.2mol/L。
步骤(6)中复合基料、石墨烯、N,N-二甲基甲酰胺的混合质量比为12:3:40。
所述无机填料为膨润土。
所述膨润土经过浸渍处理：
将膨润土添加到(乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷)乙醇溶液中，搅拌均匀后，再置于真空浸渍反应釜内，浸渍处理2小时，然后进行抽滤，经过清洗，干燥，即可；
所述膨润土、(乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷)乙醇溶液混合质量比为1：10；
所述(乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷)乙醇溶液中(乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷)质量分数为18％，乙醇质量分数为40％；
所述真空浸渍反应釜内浸渍温度为65℃，真空度为0.02MPa。
所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯；
所述润滑剂为聚乙烯蜡，分子量为2500；
所述抗静电剂为HDC-102抗静电剂。
一种具有玉米秸秆纤维的聚乙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按各重量份称取:聚乙烯树脂、玉米秸秆复合纤维、无机填料、增塑剂、润滑剂、钛酸酯偶联剂、硬脂酸、硼酸锌、二异氰酸酯、抗静电剂、乙撑双硬酯酰胺；
(2)将聚乙烯树脂、玉米秸秆复合纤维、无机填料、增塑剂、润滑剂、钛酸酯偶联剂、硬脂酸、硼酸锌、二异氰酸酯、抗静电剂、乙撑双硬酯酰胺依次添加到高速搅拌机中进行搅拌均匀，得到均匀混合料；
(3)将得到的均匀混合料添加到双螺杆挤出机中进行熔融挤出造粒，即得。
实施例4
一种具有玉米秸秆纤维的聚乙烯复合材料，按重量份计由以下成分制成：聚乙烯树脂100份、玉米秸秆复合纤维15份、无机填料35份、增塑剂10份、润滑剂2份、钛酸酯偶联剂5份、硬脂酸4份、硼酸锌5份、二异氰酸酯3份、抗静电剂1.8份、乙撑双硬酯酰胺5份；
聚乙烯树脂分子量为35000。
所述玉米秸秆复合纤维制备方法为：
(1)首先，将玉米秸秆添加到粉碎机中进行粉碎处理，然后过100目筛，得到玉米秸秆粉；
(2)向上述得到的玉米秸秆粉中添加水，搅拌均匀后，再添加发酵菌液，继续搅拌30min，然后进行恒温发酵处理7小时，得到发酵料；
(3)将上述得到的发酵料进行干燥处理，然后再添加到乙醇溶液中，调节温度值50℃，保温搅拌2小时，再进行在真空抽滤，得到滤液；
(4)向上述得到的滤液中添加盐酸溶液，调节滤液pH至2.5，然后搅拌30min，再添加滤液质量5倍清水，以3000r/min转速搅拌1小时，静置20小时，再进行分离，得到固体料；
(5)对固体料进行水洗，干燥，得到复合基料；
(6)将复合基料、石墨烯依次添加到N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀后，调节温度至40℃，保温40min，然后进行静电纺丝处理，得到玉米秸秆复合纤维。
步骤(2)中向玉米秸秆粉中添加其质量40％的水；
所述发酵菌液采用的是枯草杆菌与酵母菌复合发酵菌液。
所述发酵菌液中枯草杆菌浓度为1.2×10
酵母菌浓度为1.8×10
玉米秸秆粉、发酵菌液混合质量比为30:1.5；
恒温发酵的温度为38℃。
步骤(4)中盐酸溶液浓度为1.2mol/L。
步骤(6)中复合基料、石墨烯、N,N-二甲基甲酰胺的混合质量比为15:3:40。
所述无机填料为膨润土。
所述膨润土经过浸渍处理：
将膨润土添加到(乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷)乙醇溶液中，搅拌均匀后，再置于真空浸渍反应釜内，浸渍处理2小时，然后进行抽滤，经过清洗，干燥，即可；
所述膨润土、(乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷)乙醇溶液混合质量比为1：10；
所述(乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷)乙醇溶液中(乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷)质量分数为18％，乙醇质量分数为40％；
所述真空浸渍反应釜内浸渍温度为65℃，真空度为0.02MPa。
所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯；
所述润滑剂为聚乙烯蜡，分子量为2500；
所述抗静电剂为HDC-102抗静电剂。
一种具有玉米秸秆纤维的聚乙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按各重量份称取:聚乙烯树脂、玉米秸秆复合纤维、无机填料、增塑剂、润滑剂、钛酸酯偶联剂、硬脂酸、硼酸锌、二异氰酸酯、抗静电剂、乙撑双硬酯酰胺；
(2)将聚乙烯树脂、玉米秸秆复合纤维、无机填料、增塑剂、润滑剂、钛酸酯偶联剂、硬脂酸、硼酸锌、二异氰酸酯、抗静电剂、乙撑双硬酯酰胺依次添加到高速搅拌机中进行搅拌均匀，得到均匀混合料；
(3)将得到的均匀混合料添加到双螺杆挤出机中进行熔融挤出造粒，即得。对比例1：与实施例1区别为将玉米秸秆复合纤维替换为玉米秸秆粉；
对比例2：与实施例1区别为玉米秸秆复合纤维制备过程中，不经过发酵处理；对比例3：与实施例1区别为膨润土不经过处理。
力学性能检测：
将制备的标准试样在室温下，采用万能试验机进行测量力学性能；
根据国标1447-2005，以10mm/min速度进行拉伸性能检测；
表1
由表1可以看出，本发明制备的具有玉米秸秆纤维的聚乙烯复合材料具有优异的拉伸性能。
以实施例1为基础试样，对比玉米秸秆复合纤维制备过程中恒温发酵处理时间，对复合材料拉伸强度影响：
表2
由表2可以看出，不同的恒温发酵时间处理得到的玉米秸秆复合纤维对复合材料拉伸强度影响不同。
吸水性检测：
根据GB/T 17657-1999进行检测材料的吸水率；
表3
由表3可以看出，本发明制备的复合材料具有更低的吸水率。
以实施例1为基础试样，对比玉米秸秆复合纤维制备过程中恒温发酵处理时间，对复合材料拉伸强度影响，如图1。
图2为实施例与对比例材料吸水率柱状图。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。