一种荷叶与明胶全降解复合材料及其制备方法

1.本发明涉及一种复合材料，特别是涉及一种基于荷叶和明胶的全降解生物质复合材料板材及其制备方法，属于复合材料制造技术领域。


背景技术：

2.随着工业水平的进步，人们的工作生活方式得到了极大的改善，但同时也带来了生态环境破坏和能源短缺的挑战，其中最为严重的就是以传统的石油及其一系列衍生物等高分子材料带来高污染和资源日益减少的问题。由于难回收、难降解的特点，塑料的大量使用导致了严重的“白色污染”，对环境造成了严重的破坏。
3.生物质复合材料作为一种环境友好的新型材料，有可完全降解、无污染等特点，将自然中可再生的植物资源作为原料制备生物质复合材料被认为是缓解能源短缺和环境污染一项重要方法，符合我国可持续发展战略。
4.植物叶是自然中丰富的可再生资源，但落叶的实际利用率底下，大部分落叶更是与生活垃圾采用相同的处理方法，对环境造成不同程度的破坏。我国在植物叶这种可再生资源的利用方面存在着严重浪费。由于其良好的隔热性，这种材料可以被应用于建筑领域，用植物叶纤维同天然高分子材料为原料的生物质复合材料研究依然较少。利用植物叶制备的新型生物质复合材料可以适当缓解能源与环境严重污染带来的压力，为可持续发展提供一种可行的方案。荷叶应用于食品包装的起源可追溯至我国古代，《水浒传》中就出现过相关情景。将荷叶应用于一次性包装制品前景广阔。
5.明胶是利用动物的皮肤，骨等组织中胶原部分降解制成的一种天然生物高分子材料，天然不含化学试剂。用荷叶与明胶制备的全降解生物质复合材料可作为一次性塑料包装等制品的替代品，具有重要的经济效益与环保意义。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种荷叶与明胶全降解生物质复合材料，解决植物叶利用不足造成的大量浪费，和大量使用塑料造成的环境污染，以及一般木塑复合材料的不完全自然降解的问题。
7.本发明的另一个目的是提供上述荷叶与明胶全降解生物质复合材料的制备方法。提供上述复合材料的制备方法，解决制造工艺难度大，生产成本高的问题。
8.本发明的技术方案是，一种荷叶与明胶全降解生物质复合材料，由整片荷叶、明胶组成，按照重量百分比，其中荷叶为70％，明胶为30％。
9.一种荷叶与明胶全降解生物质复合材料及其制备方法是按照以下步骤实施：
10.步骤1：将荷叶干燥处理后进行热水预处理：注去离子水于恒温水浴锅中，水温加热至 95℃，将荷叶的烧杯浸于无添加热水中，浸泡时间为5min，随后取出叶片置于室温通风处阴干备用；
11.步骤2：将干燥的荷叶沿径向裁切成100mm
×
100mm的形状备用；
12.步骤3：根据实验设计进行原材料配比，取15g荷叶，按照重量百分比称量荷叶为70％，明胶粉末为30％；
13.步骤4：将明胶粉末溶于100ml去离子水中，均匀搅拌使明胶溶液无颗粒，无结块；
14.步骤5：将荷叶浸渍于明胶溶液，使明胶均匀涂于荷叶表面，取出荷叶，在室温通风处阴干，反复浸渍，直至溶液完全浸完；
15.步骤6：采用层压成型工艺，将完成预处理、浸胶且干燥的荷叶按层叠放于模具中，设置压力为10mpa，上、下模温度为80℃，层压25min，每5min换气一次，常温冷却，取出压好的材料，即为荷叶与明胶全降解生物质复合材料。
16.本发明所达到的有益效果：
17.1.本发明的一种荷叶与明胶全降解生物质复合材料，将来源广泛的植物资源作为原料制备完全可降解复合材料可以缓解处理大量农作物废弃物带来的环境污染问题，解决大量使用难回收、难降解的塑料造成的严重的“白色污染”和环境破坏问题。
18.2.本发明的一种荷叶与明胶全降解生物质复合材料，可生物降解，无毒无污染，复合材料产品力学性能、吸湿性能、导热性能、热稳定性、疏水性等指标均较优。加强使用过程安全环保，降低成本，扩大植物叶的应用领域。
19.3.所述制备方法与成型工艺相对简单，快捷方便，可操作性强，生产成本较低。
附图说明
20.图1是
21.图2是本发明一种荷叶与明胶全降解生物质复合材料制备方法的工艺流程图；
22.图3是本实施例中制备的荷叶与明胶全降解生物质复合材料的明胶含量对拉伸强度影响图；
23.图4是本实施例中制备的荷叶与明胶全降解生物质复合材料的荷明胶含量对冲击强度影响图；
24.图5是本实施例中制备的荷叶与明胶全降解生物质复合材料的荷叶明胶含量对弯曲强度影响图；
25.图6是本实施例中制备的荷叶与明胶全降解生物质复合材料的荷叶明胶含量对弯曲强度影响图；
26.图7是本实施例中制备的不同明胶含量的复合材料7天吸湿率图；
27.图8是本实施例中制备的不同明胶含量复合材料平衡吸湿率图；
28.图9是本实施例中制备的不同明胶含量对其生物质复合材料导热性能的影响图；
29.图10是本实施例中制备的荷叶与明胶全降解生物质复合材料的复合材料层间断面的扫描电镜图；
具体实施方式
30.本发明的技术方案是，一种植物叶与生物胶全降解生物质复合材料，由整片荷叶、明胶组成，按照重量百分比，其中荷叶为70％，明胶为30％。
31.一种植物叶与生物胶全降解生物质复合材料及其制备方法是按照以下步骤实施：
32.步骤1：将荷叶干燥处理后进行热水预处理：注去离子水于恒温水浴锅中，水温加
热至 95℃，将荷叶的烧杯浸于无添加热水中，浸泡时间为5min，随后取出叶片置于室温通风处阴干备用；
33.步骤2：将干燥的荷叶沿径向裁切成100mm
×
100mm的形状备用；
34.步骤3：根据实验设计进行原材料配比，取15g荷叶，按照重量百分比称量荷叶为70％，明胶粉末为30％；
35.步骤4：将明胶粉末溶于100ml去离子水中，均匀搅拌使明胶溶液无颗粒，无结块；
36.步骤5：将荷叶浸渍于明胶溶液，使明胶均匀涂于荷叶表面，取出荷叶，在室温通风处阴干，反复浸渍，直至溶液完全浸完；
37.步骤6：采用层压成型工艺，将完成预处理、浸胶且干燥的荷叶按层叠放于模具中，设置压力为10mpa，上、下模温度为80℃，层压25min，每5min换气一次，常温冷却，取出压好的材料，即为荷叶与明胶全降解生物质复合材料。
38.图2
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图5为明胶含量对其生物质复合材料力学性能的影响，10wt％、20wt％、25wt％、30wt％的明胶对其生物质复合材料力学性能的影响。由图可以看出，随着明胶含量的提高，荷叶/明胶的各项力学性能均有所提高。相较于荷叶/10wt％明胶复合材料，荷叶/30wt％明胶复合材料拉伸强度、冲击强度、弯曲强度和弯曲模量提高了143.69％、126.32％、53.66％、43.90％。
39.图6
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图7为明胶含量对其生物质复合材料吸湿性能的影响。明胶含量的提高使平衡吸湿率呈明显升高趋势。由于明胶相较于植物叶具有较高的吸湿性，在冷水中即可以发生溶胀，可吸收5
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10倍自身重量的水分，明胶含量的提高是导致复合材料吸湿率上升的重要原因；然而另一方面提高明胶含量可以减少材料内部缺陷，使荷叶与明形成结合紧密的整体，水分子不易进入材料内部以吸收水汽，对吸湿率的降低亦起到了一定积极作用。
40.图8为不同明胶含量对其生物质复合材料导热性能的影响图。表示了明胶添加量为 10wt％、20wt％、25wt％、30wt％时荷叶/明胶复合材料的导热系数。随着明胶含量的逐渐升高，导热系数也呈现逐渐升高的趋势。荷叶/明胶复合材料导热系数的最大值出现在30wt％明胶含量处，此时的导热系数为0.117w/(m
·
k)，而明胶添加量为10wt％时，复合材料导热系数最低，仅为0.042w/(m
·
rk)，比30wt％的复合材料降低了64.10％。一方面，明胶在该材料体系中属于较好的导热材料，明胶的增加有利于导热性能的提高；另一方面，当明胶配比提高，复合材料中空隙减少，材料内部导热性能较差的空气含量降低，复合材料的导热系数升高。
41.图9为复合材料层间断面的扫描电镜图。明胶添加量为30wt％时，荷叶发生了显著的热变形、层间分界较为模糊，明胶在此含量时可以将其与荷叶较好的粘结为整体，表明两相间具有较为牢固的结合。
42.制得的生物质复合材料的性能检测为拉伸强度11.77mpa、冲击强度4.73kj/m2、弯曲强度14.06mpa、弯曲模量618.79mpa，平衡吸湿率18.5％，导热系数0.117w/(m
·
k)。
43.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述启示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作出的简单修改，等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。