一种天然植物纤维改性剂和天然植物纤维的表面改性方法[发明专利]

(10)申请公布号
(43)申请公布日 (21)申请号 201510492201.2
(22)申请日 2015.08.12
D06M 15/285(2006.01)
D06M 13/256(2006.01)
D06L 1/12(2006.01)
D06M 101/06(2006.01)
(71)申请人中南林业科技大学
地址410000 湖南省长沙市韶山南路498号
(72)发明人郑霞 李新功 唐钱
(74)专利代理机构长沙朕扬知识产权代理事务
所(普通合伙) 43213
代理人周志中
(54)发明名称
一种天然植物纤维改性剂和天然植物纤维的
表面改性方法
(57)摘要
本发明公开了一种天然植物纤维改性剂，按
重量份计，主要包括以下组份的原料：2～5份的
表面活性剂、5～10份的桥架剂和780～800份的
溶剂。

本发明的天然植物纤维的表面改性方法，包
括以下步骤：1）将天然植物纤维浸没到清洗剂中
清洗除去杂质，再用水清洗，干燥；2）将步骤1）后
干燥的天然植物纤维浸没在天然植物改性剂中，
并于70-90℃下水浴10～20min，取出天然植物纤
维，静置、自然干燥，即得到表面改性的天然植物
纤维。

经过本发明的天然植物纤维改性剂以及改
性方法处理后的天然植物纤维增强聚合物复合材
料拉伸强度增加20%以上，冲击强度增加15%以
上。

(51)Int.Cl.
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书4页CN 105113250 A 2015.12.02
C N 105113250
A
1.一种天然植物纤维改性剂，其特征在于，按重量份计，主要包括以下组份的原料：2～5份的表面活性剂、5～10份的桥架剂和780～800份的溶剂。

2.如权利要求1所述的天然植物纤维改性剂，其特征在于，所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠。

3.如权利要求1所述的天然植物纤维改性剂，其特征在于，所述桥架剂为阴离子聚丙烯酰胺。

4.如权利要求1～3任一项所述的天然植物纤维改性剂，其特征在于，所述溶剂为无水乙醇。

5.一种天然植物纤维的表面改性方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将天然植物纤维浸没到清洗剂中清洗除去杂质，再用水清洗，干燥；
2）将步骤1）后干燥的天然植物纤维浸没在权利要求1～4任一项所述的天然植物改性剂中，
并于70-90℃下水浴10～20min，取出天然植物纤维，静置、自然干燥，即得到表面改性的天然植物纤维。

6.如权利要求5所述的改性方法，其特征在于，所述步骤1）中，天然植物纤维与清洗剂的质量比为1:20～25。

7.如权利要求5或6所述的改性方法，其特征在于，所述步骤1）中，清洗剂为质量分数为4%～8%的六偏磷酸钠水溶液。

8.如权利要求5或6所述的改性方法，其特征在于，所述步骤1）中，清洗剂清洗天然植物纤维的时间为10min；水清洗天然植物纤维的时间为5～10min。

9.如权利要求5或6所述的改性方法，其特征在于，所述步骤1）中，干燥的温度为80-100℃；干燥的时间为6-8h。

10.如权利要求5所述的改性方法，其特征在于，所述步骤2）中，干燥的天然植物纤维与改性剂的质量比为1:25～35。

一种天然植物纤维改性剂和天然植物纤维的表面改性方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种改性剂以及复合材料界面改性方法，尤其涉及一种天然植物纤维改性剂以及天然植物纤维增强聚合物复合材料界面的改性方法。

背景技术
[0002] 竹纤维、木纤维等天然植物纤维具有资源丰富、比强度高、价廉、可再生性和可生物降解等优点，而且加工容易，是制备植物纤维增强聚合物复合材料的优质原料。

但是，竹纤维、木纤维等天然植物纤维是由纤维素、半纤维素、木质素及各种抽提物组成；其主要成分纤维素、半纤维素和木质素等含有大量的极性羟基和酚羟基官能团，天然植物纤维表面表现出很强的化学极性，而大多数聚合物表面能较低，存在表面惰性和疏水性，表面表现为非极性。

当天然植物纤维与聚合物复合时，导致天然植物纤维与聚合物等塑料基材间界面不相容，二者结合力差，应力在界面不能有效地传递，所制备的天然植物纤维增强聚合物复合材料的物理力学强度低。

[0003] 因此，在制备天然植物纤维增强聚合物复合材料时需要对天然植物纤维与聚合物界面进行改性处理，从而改善亲水的极性天然植物纤维表面与疏水的非极性聚合物界面相容性，制备高强度天然植物纤维增强复合材料。

目前，市场上的天然植物纤维改性剂不仅价格昂贵、易流失，而且是直接处理天然植物纤维，由于天然植物纤维表面存在一定量的硅质，直接处理天然植物纤维会使复合材料性能改善效果不明显、改性效果差。

发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种天然纤维改性剂和天然植物纤维的表面改性方法，能显著改善天然植物纤维与聚合物界面相容性。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种天然植物纤维改性剂，按重量份计，主要包括以下组份的原料：2～5份的表面活性剂、5～10份的桥架剂和780～800份的溶剂。

[0006] 上述的天然植物纤维改性剂，优选的，所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠。

十二烷基苯磺酸钠的添加量小、环保且对天然植物纤维强度损伤小。

[0007] 上述的天然植物纤维改性剂，优选的，所述桥架剂为阴离子聚丙烯酰胺，阴离子聚丙烯酰胺桥架剂表面活性强、与植物纤维及聚合物反应能力强，可以在天然植物纤维与聚合物之间形成牢固的吸附网状桥架。

[0008] 上述的天然植物纤维改性剂，优选的，所述溶剂为无水乙醇。

[0009] 作为一个总的发明构思，本发明还提供一种天然植物纤维的表面改性方法，包括以下步骤：
1）将天然植物纤维浸没到清洗剂中清洗除去杂质，再用水清洗，干燥；
2）将步骤1）后干燥的天然植物纤维浸没在上述的天然植物改性剂中，并于70-90℃下水浴10～20min，取出天然植物纤维，静置、自然干燥，即得到表面改性的天然植物纤维。

[0010] 上述的改性方法，优选的，所述步骤1）中，天然植物纤维与清洗剂的质量比为1:20～25。

[0011] 上述的改性方法，优选的，所述步骤1）中，清洗剂为质量分数为4%～8%的六偏磷酸钠水溶液。

[0012] 上述的改性方法，优选的，所述步骤1）中，清洗剂清洗天然植物纤维的时间为10min；水清洗天然植物纤维的时间为5～10min。

[0013] 上述的改性方法，优选的，所述步骤1）中，干燥的温度为80-100℃；干燥的时间为8h。

[0014] 上述的改性方法，优选的，所述步骤2）中，干燥的天然植物纤维与改性剂的质量比为1:25～35。

[0015] 在本发明中，天然植物纤维经清洗剂清除表面硅质等杂质被且力学强度不降低，天然植物纤维的表面在通过改性剂处理，与桥架剂的反应活性和能力显著增加，天然植物纤维表面会被牢固接枝一层阴离子聚丙烯酰胺，阴离子聚丙烯酰胺分子链的极性基团与天然植物纤维相通过机械、物理、化学等作用交联。

当改性后的天然植物纤维与聚合物复合时，聚合物与天然植物纤维上的阴离子聚丙烯酰胺的非极性基团交联，如此，阴离子聚丙烯酰胺在天然植物纤维与聚合物之间形成牢固的吸附网状桥架，天然植物纤维增强聚合物复合材料拉伸强度增加20%以上，冲击强度增加15%以上。

[0016] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
1）本发明的改性剂中的表面活性剂可以显著提高植物纤维与桥架剂的接枝能力，且活性剂添加量小、环保且对天然植物纤维强度损伤小；桥架剂表面活性强、与植物纤维及聚合物反应能力强，可以在天然植物纤维与聚合物之间形成牢固的吸附网状桥架；无水乙醇溶剂具有不与植物纤维反应，不会损坏植物纤维强度，处理完后易快速挥发、无毒、不易残留等优点。

本发明的天然植物纤维改性剂具有环保、成本低、改性效率高、改性效果好的特点。

[0017] 2）本发明的天然植物纤维的表面改性方法是在不破坏植物纤维自身强度的前提下，对植物纤维表面通过清洗剂进行表面清洗，可以去除植物纤维表面硅质等杂质，且不会破坏植物纤维力学强度；再通过表面活性剂对植物纤维进行表面处理，显著提高桥架剂与植物纤维表面的接枝面积、接枝能力以及接枝强度，可以在天然植物纤维与聚合物之间形成牢固的吸附网状桥架，避免了改性剂易流失、改性效果差的缺陷。

[0018] 3）采用本发明的天然植物纤维的表面改性方法改后的天然植物纤维与聚合物复合制备的复合材料，其拉伸强度增加20%以上，冲击强度增加15%以上。

具体实施方式
[0019] 为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

[0020] 除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。

本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

[0021] 除有特别说明，本发明中用到的各种试剂、原料均为可以从市场上购买的商品或者可以通过公知的方法制得的产品。

[0022] 实施例1：
一种本发明的天然植物纤维改性剂，按重量份计，主要包括以下组份的原料：5g的十二烷基苯磺酸钠、10g的阴离子聚丙烯酰胺和789g（1000mL）的无水乙醇。

[0023] 本实施例的天然植物纤维（天然木纤维）的表面改性方法，包括以下步骤：1）将天然木纤维浸没到质量分数为8%的六偏磷酸钠水溶液中（天然木纤维与六偏磷酸钠水溶液的质量比为1:25），充分搅拌10min后滤除杂质，并用自来水清洗10min，然后送入100℃的干燥箱中干燥8h。

[0024] 2）将上述的天然植物纤维改性剂倒入一带盖的玻璃容器中，然后将步骤1）干燥的天然木纤维浸没到天然植物纤维改性剂中（天然木纤维与天然植物纤维改性剂的质量比为1: 35），盖上盖子，然后在70℃的水中水浴10min。

取出天然木纤维，静置、自然干燥，即得到表面改性的天然木纤维。

[0025] 未改性处理的天然木纤维与聚乙烯复合制备的复合材料拉伸强度和冲击强度分别为46.1MPa和13.8KJ/m2。

本实施例改性处理的天然木纤维与聚丙烯复合制备的复合材料拉伸强度和冲击强度分别达到了57.6MPa和16.4KJ/m2，二者相比拉伸强度增加了25%，冲击强度增加了19%。

[0026] 实施例2：
一种本发明的天然植物纤维改性剂，按重量份计，主要包括以下组份的原料：2g的十二烷基苯磺酸钠、5g的阴离子聚丙烯酰胺和789g（1000mL）的无水乙醇。

[0027] 本实施例的天然植物纤维（天然竹纤维）的表面改性方法，包括以下步骤：1）将天然竹纤维浸没到质量分数为7%的六偏磷酸钠水溶液中（天然竹纤维与六偏磷酸钠水溶液的质量比为1:20），充分搅拌10min后滤除杂质，并用自来水清洗5min，然后送入90℃的干燥箱中干燥8h。

[0028] 2）将上述的天然植物纤维改性剂倒入一带盖的玻璃容器中，然后将步骤1）干燥的天然竹纤维浸没到天然植物纤维改性剂中（天然竹纤维与天然植物纤维改性剂的质量比为1: 25），盖上盖子，然后在80℃的水中水浴20min。

取出天然竹纤维，静置、自然干燥，即得到表面改性的天然竹纤维。

[0029] 未改性处理的天然竹纤维与聚丙烯复合制备的复合材料拉伸强度和冲击强度分别为48.2MPa和14.6KJ/m2。

本实施例改性处理后的天然竹纤维与聚丙烯复合制备的复合材料拉伸强度和冲击强度分别达到了58.8MPa和17.2KJ/m2，二者相比拉伸强度增加了22%，冲击强度增加了18%。

[0030] 实施例3：
一种本发明的天然植物纤维改性剂，按重量份计，主要包括以下组份的原料：4g的十二烷基苯磺酸钠、7g的阴离子聚丙烯酰胺和789g（1000mL）的无水乙醇。

[0031] 本实施例的天然植物纤维（天然蔗渣纤维）的表面改性方法，包括以下步骤：1）将天然蔗渣纤维浸没到质量分数为6%的六偏磷酸钠水溶液中（天然蔗渣纤维与六偏磷酸钠水溶液的质量比为1:22），充分搅拌10min后滤除杂质，并用自来水清洗5min，然后送入80℃的干燥箱中干燥8h。

[0032] 2）将上述的天然植物纤维改性剂倒入一带盖的玻璃容器中，然后将步骤1）干燥的天然蔗渣纤维浸没到天然植物纤维改性剂中（天然蔗渣纤维与天然植物纤维改性剂的质量
比为1: 30），盖上盖子，然后在90℃的水中水浴15min。

取出天然蔗渣纤维，静置、自然干燥，即得到表面改性的天然蔗渣纤维。

[0033] 未改性处理的天然蔗渣纤维与聚乳酸复合制备的复合材料拉伸强度和冲击强度分别为42.0MPa和11.4KJ/m2。

本实施例改性后的天然蔗渣纤维与聚丙烯复合制备的复合材料拉伸强度和冲击强度分别达到了50.8MPa和13.7KJ/m2，二者相比拉伸强度增加了21%，冲击强度增加了20%。