一种玉米芯纤维素发泡材料及其制备方法和用途与流程

本发明属于发泡材料技术领域，涉及一种玉米芯纤维素发泡材料及其制备方法和用途。

背景技术：

现在市场上应用沙发家具、枕头、坐垫等的填充材料的主要成分是聚氨酯。但是，聚氨酯泡沫都是易燃物，一旦燃烧就会产生含有剧毒氰化氢的气体，人如果吸入一口就会中毒死亡。当聚氨酯类产品超过使用年限后，其性能会大幅度下降而报废，这些废料就必须进行回收处理，这样就加大了成本，还会对环境造成一定的污染。

纤维素作为地球上储量最丰富的、可再生的生物质资源，具有生物相容性好、易降解、易衍生化的优点，将成为未来化工生产的主要原料之一。纤维素发泡材料具有无毒、环保、可生物降解的优点，可广泛应用于家具、汽车及包装等行业。

CN 106084279 A公开了一种纤维素基生物可降解型发泡材料的制备方法，其包括如下步骤：步骤一：准备植物纤维分散体；步骤二：纤维原细化处理；步骤三：将原细化处理后的植物纤维处理得到分散均匀的浆料悬浮液；步骤四：向浆料悬浮液中加入发泡剂，处理得到均匀的泡沫/纤维分散体系；步骤五：取泡沫/纤维分散体，置于泡沫成型装置中，实现植物纤维发泡材料的成型；步骤六：对成型好的植物纤维发泡材料进行干燥处理，得到纤维素基生物可降解型发泡材料。该发泡材料可用于取代石油基聚合物制备环保型发泡材料。所述制备方法中使用的植物纤维包括木材纤维、非木材纤维或半木材纤维。但是，其得到的纤维素发泡材料用于填充材料性能还较差。

因此，本领域还需要进一步的研究，以制备出以纤维素为原料的性能较好的发泡材料。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种玉米芯纤维素发泡材料及其制备方法和用途，所述玉米芯纤维素发泡材料的性能较好，具有无毒、环保、可生物降解的优点，可广泛应用于家具、汽车及包装等行业，替代聚氨酯填充材料；另外，玉米芯纤维素的利用有利于农村经济发展。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的目的之一在于提供一种玉米芯纤维素发泡材料，所述玉米芯纤维素发泡材料的原料组分包括：玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液、发泡剂和成孔剂。

本发明提供的玉米芯纤维素发泡材料在原料组成上用玉米芯纤维素替代现有纤维素发泡材料的原料木材纤维、非木材纤维或半木材纤维等，大大提高了发泡材料的综合性能，尤其是弹性得到显著提高，所得发泡材料可用于替代聚氨酯填充材料。

制备的纤维素发泡材料强度佳，气孔丰富，有良好的缓冲、吸震、保温、过滤性能，且具有无毒、可生物降解的显著优势。

玉米芯纤维素具有多孔性(如图1-2所示)，不但有利于纤维素的溶解，同时还能降低溶解温度，即降低了能耗；另外，由于目标发泡材料也为多孔结构，玉米芯纤维素的多孔结构也增加了发泡材料的多孔性，有利于增大发泡体的弹性。

所述玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液中玉米芯纤维素和增强纤维素的总质量百分含量为1％-15％；如1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％或15％等；优选为5-15％，如5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％或15％等；进一步优选为5-10％，如5％、6％、7％、8％、9％或10％等。

优选地，所述玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液通过将玉米芯纤维素和增强纤维素溶解于溶剂中制备得到。

优选地，所述溶剂选自离子液体、N-甲基吗啉-N-氧化物或NaOH/尿素水溶液体系，优选为离子液体。所述溶剂只要能够将玉米芯纤维素和增强纤维素溶解即可，无特殊限制。

优选地，所述离子液体选自1-乙基-3-甲基咪唑氯盐离子液体、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐离子液体和1-乙基-3-甲基-咪唑醋酸盐离子液体中的一种。

优选地，所述溶解的温度为60-150℃，如65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃、100℃、105℃、110℃、115℃、120℃、125℃、130℃、135℃、140℃或145℃等。在同等条件下，玉米芯纤维素比其他纤维素的溶解温度降低5-10℃。

优选地，所述溶解过程中进行搅拌，以加快溶解速率。

优选地，所述玉米芯纤维素和增强纤维素溶解前进行粉碎和烘干，以去除其中的水分。

优选地，粉碎后的玉米芯纤维素和增强纤维素的粒径独立地≤0.1μm，如0.1μm、0.08μm、0.05μm、0.03μm或0.01μm等。玉米芯纤维素和增强纤维素的粒径越小，越有利于其在溶剂中的溶解。

所述增强纤维素选自亚麻、脱脂棉或纳米纤维素中的任意一种或至少两种的组合。典型但非限制性的组合如亚麻与脱脂棉，亚麻与纳米纤维素，亚麻、脱脂棉与纳米纤维素。所述增强纤维素的使用有利于提高发泡材料的强度。

优选地，所述增强纤维素的质量为玉米芯纤维素质量的10-80％，如10％、15％、20％、25％、30％、35％、42％、48％、51％、55％、58％、62％、68％、70％或75％、80％等，优选为40-60％，进一步优选为50％。

所述发泡剂选自对甲苯磺酰肼、偶氮二甲酸二乙酯或碳酸氢钠中的任意一种或至少两种的组合。典型但非限制性的组合如对甲苯磺酰肼与偶氮二甲酸二乙酯，对甲苯磺酰肼与碳酸氢钠，甲苯磺酰肼、偶氮二甲酸二乙酯与碳酸氢钠。

优选地，所述发泡剂的质量为玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液质量的1-10％，如1％、2％、2.2％、2.5％、2.8％、3.1％、3.5％、3.8％、4.2％、4.5％或4.8％、5％、7％、9％、10％等；优选为1-6％，如1％、2％、2.2％、2.5％、2.8％、3.1％、3.5％、3.8％、4.2％、4.5％、4.8％、5％、5.3％、5.5％或5.8％等；进一步优选为4-6％，如4.1％、4.2％、4.5％、4.8％、5.1％、5.5％或5.8％等。

所述成孔剂并无特殊限制，为现有技术中制备发泡材料所用的成孔剂，例如可选自氯化钠、碳酸钠或硫酸钠中的任意一种或至少两种的组合。典型但非限制性的组合如氯化钠与碳酸钠，氯化钠与硫酸钠，氯化钠、碳酸钠与硫酸钠。

优选地，所述成孔剂的质量为玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液质量的0.5-5倍，如0.5倍、1倍、2倍、2.2倍、2.5倍、2.8倍、3.1倍、3.4倍、3.8倍、3.9倍、4倍或5倍等；优选为1-4倍，如1倍、2倍、2.2倍、2.5倍、2.8倍、3.1倍、3.4倍、3.8倍、3.9倍或4倍等；进一步优选为2-4倍，如2倍、2.2倍、2.5倍、2.8倍、3.1倍、3.4倍、3.8倍、3.9倍或4倍等。

本发明的目的之二在于提供一种如上所述玉米芯纤维素发泡材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)将配方量的发泡剂和成孔剂与玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液混合，得到混合料；

(2)将混合料注入模具，发泡成型，得到成型物；

(3)洗涤成型物，干燥，得到所述玉米芯纤维素发泡材料。

所述制备方法操作工艺简单，生产过程不发生化学反应，毒性小，能耗小，溶剂可回收利用，无废水废气环境污染等显著优点。

步骤(1)所述玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液通过将玉米芯纤维素和增强纤维素溶解于溶剂中制得。

优选地，所述溶剂选自离子液体、N-甲基吗啉-N-氧化物或NaOH/尿素水溶液体系，优选为离子液体。

优选地，所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑氯盐离子液体、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐离子液体和1-乙基-3-甲基-咪唑醋酸盐离子液体中的一种。

优选地，所述溶解的温度为60-150℃，如60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃、100℃、105℃、110℃、115℃、120℃、125℃、130℃、135℃、140℃、145℃或150℃等。在同等条件下，玉米芯纤维素比其他纤维的溶解温度降低5-10℃。

优选地，所述溶解过程中进行搅拌，以加快玉米芯纤维素和增强纤维素的溶解速率。

优选地，所述玉米芯纤维素和增强纤维素溶解前进行粉碎和烘干，如粉碎至粒径≤0.1μm后再烘干，以去除其中的水分。

步骤(2)所述发泡成型包括：将所述混合料在发泡剂的分解温度下发泡，之后放入0-10℃水中成型，如0.5℃、1℃、2℃、3℃、4℃、5℃、6℃、7℃、8℃或9℃等。

优选地，步骤(3)所述洗涤使用的溶剂为去离子水。

优选地，步骤(3)所述洗涤的温度为50-60℃，如51℃、52℃、53℃、54℃、55℃、56℃、57℃、58℃或59℃等。在此温度下进行洗涤，有利于快速将原料中的溶剂、成孔剂、剩余的发泡剂和发泡剂分解产物洗涤去除。

优选地，步骤(3)所述干燥为自然风干。

作为优选的技术方案，所述玉米芯纤维素发泡材料的制备方法包括如下步骤：

(1)将配方量的玉米芯纤维素和增强纤维素粉碎，干燥后溶解于离子液体中，得到玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液；

(2)将配方量的发泡剂和成孔剂与所述玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液混合，得到混合料；

(3)将混合料注入模具，在发泡剂的分解温度下发泡，之后放入0-10℃水中成型，得到成型物；

(4)采用温度为50-60℃的去离子水洗涤成型物，除去所述纤维素浆料的溶剂、成孔剂、剩余的发泡剂和发泡剂分解产物，在空气中自然风干，得到所述玉米芯纤维素发泡材料。

本发明的目的之三在于提供如上所述的玉米芯纤维素发泡材料的用途，其用于家具、汽车或包装领域。如所述玉米芯纤维素发泡材料用于制作沙发、汽车坐垫或包装材料等。

本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的玉米芯纤维素发泡材料的表观密度为20-40kg/m³，孔隙率大，气孔丰富，压缩回弹率高，可达到95％(压缩回弹率均为压缩率50％，压缩时间72h的压缩回弹率)，强度佳，抗撕裂强度可达到80N/mm，具备缓冲、吸震、保温、过滤等功能，可广泛应用于家具、汽车、包装等行业；

本发明制备的玉米芯纤维素发泡材料无毒可降解，不会对土壤或空气产生毒害；

本发明提供的玉米芯纤维素发泡材料由于使用玉米芯纤维素，有利于农村经济发展；

本发明提供的玉米芯纤维素发泡材料的制备方法简单，可大规模使用。

附图说明

图1为本发明提供的玉米芯纤维素放大倍数为1000倍的SEM图，其标尺长度为20μm。

图2为本发明提供的玉米芯纤维素放大倍数为5000倍时的SEM图，其标尺长度为10μm。

图3为本发明提供的棉质纤维素放大倍数为1000倍时的SEM图，其标尺长度为20μm。

图4为本发明提供的棉质纤维素放大倍数为5000倍时的SEM图，其标尺长度为10μm。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1-4所示，为本发明提供的玉米芯纤维素和棉质纤维素在不同放大倍数下的SEM图，从图中可以看出，玉米芯纤维素相较于棉质纤维素，表面具有孔状结构，另外，其他非玉米纤维素，例如木质素等等，表面均无丰富孔状结构，附图中不一一列明。

实施例1

一种玉米芯纤维素发泡材料，所述玉米芯纤维素发泡材料的原料组分包括：玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液、发泡剂和成孔剂；

所述玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液中玉米芯纤维素和增强纤维素的总质量百分含量为7％；所述增强纤维素的质量为玉米芯纤维素质量的50％；所述发泡剂的质量为玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液质量的4％；所述成孔剂的质量为玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液质量的3倍；

所述增强纤维素选自脱脂棉；

所述发泡剂选自对甲苯磺酰肼；

所述成孔剂选自硫酸钠。

一种上述玉米芯纤维素发泡材料的制备方法包括如下步骤：

(1)将玉米芯纤维素和增强纤维素粉碎至粒径独立地≤0.1μm后烘干，以除去其中的水分，之后，在搅拌条件下溶解于温度为80℃的溶剂中，得到玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液；所述溶剂选自离子液体(1-乙基-3-甲基咪唑氯盐离子液体)；

(2)将配方量的发泡剂和成孔剂与玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液混合，得到混合料；

(3)将混合料注入模具，在90℃条件下发泡，发泡完成后立即放入0℃水中成型，得到成型物；

(4)采用温度为50℃的去离子水洗涤成型物，除去所述纤维素浆料的溶剂、成孔剂、剩余的发泡剂和发泡剂分解产物，在空气中自然风干，得到所述玉米芯纤维素发泡材料。

本实施实例制得的玉米芯纤维素发泡材料的表观密度为31.4kg/m³，气孔均匀饱满，平均孔径较大，大部分孔径在100-400μm之间，截面呈蜂窝状，孔隙率达到97％，强度佳，吸水性和保湿性较好。

实施例2

与实施例1相比，区别仅在于，将实施例1中的发泡剂对甲苯磺酰肼替换为偶氮二甲酸二乙酯，其他条件不变。

实施例3

与实施例1相比，区别仅在于，将实施例1中的增强纤维脱脂棉替换为亚麻，其他条件不变。

实施例4

与实施例1相比，区别仅在于，将实施例1中的成孔剂硫酸钠替换为氯化钠，其他条件不变。

实施例5

与实施例1相比，区别仅在于，将实施例1中的增强纤维脱脂棉替换为纳米纤维素，其他条件不变。

实施例6

与实施例1相比，区别仅在于，将实施例1中的增强纤维脱脂棉替换为亚麻：脱脂棉1:1，其他条件不变。

实施例7

与实施例1相比，区别仅在于，将实施例1中的增强纤维脱脂棉替换为亚麻、脱脂棉、与纳米纤维素1:1:3，其他条件不变。

实施例8

与实施例1相比，区别仅在于，将实施例1中的发泡剂对甲苯磺酸肼替换为对甲苯磺酸肼、偶氮二甲酸二乙酯和碳酸氢钠1:1:1，其他条件不变。

实施例9

与实施例1相比，区别仅在于，将实施例1中的成孔剂硫酸钠替换为氯化钠、碳酸钠和硫酸钠2:2:1，其他条件不变。

实施例10

一种玉米芯纤维素发泡材料，除玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液中玉米芯纤维素和增强纤维素的总的质量百分含量为5％外，其余与实施例1相同。

实施例11

一种玉米芯纤维素发泡材料，除玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液中玉米芯纤维素和增强纤维素的总的质量百分含量为15％外，其余与实施例1相同。

实施例12

一种玉米芯纤维素发泡材料，除玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液中玉米芯纤维素和增强纤维素的总的质量百分含量为1％外，其余与实施例1相同。

实施例13

一种玉米芯纤维素发泡材料，除玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液中玉米芯纤维素和增强纤维素的总的质量百分含量为10％外，其余与实施例1相同。

实施例14

一种玉米芯纤维素发泡材料，除增强纤维素的质量为玉米芯纤维素质量的10％外，其余与实施例1相同。

实施例15

一种玉米芯纤维素发泡材料，除增强纤维素的质量为玉米芯纤维素质量的80％外，其余与实施例1相同。

实施例16

一种玉米芯纤维素发泡材料，除发泡剂的质量为玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液质量的2％外，其余与实施例1相同。

实施例17

一种玉米芯纤维素发泡材料，除发泡剂的质量为玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液质量的6％外，其余与实施例1相同。

实施例18

一种玉米芯纤维素发泡材料，除发泡剂的质量为玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液质量的1％外，其余与实施例1相同。

实施例19

一种玉米芯纤维素发泡材料，除发泡剂的质量为玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液质量的10％外，其余与实施例1相同。

实施例20

一种玉米芯纤维素发泡材料，除所述成孔剂的质量为玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液质量的0.5倍外，其余与实施例1相同。

实施例21

一种玉米芯纤维素发泡材料，除所述成孔剂的质量为玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液质量的5倍外，其余与实施例1相同。

实施例22

一种玉米芯纤维素发泡材料，除纤维素溶剂替换为N-甲基吗啉-N-氧化物之外，其余与实施例1相同。

实施例23

一种玉米芯纤维素发泡材料，除纤维素溶剂替换为NaOH/尿素水溶液体系；

步骤(1)为：将玉米芯纤维素和增强纤维素粉碎至粒径独立地≤0.1μm后烘干，以除去其中的水分，之后，将其加入至NaOH/尿素水溶液体系中，搅拌1h，然后置于-10℃环境中，冷冻12h，后自然解冻，得到玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液；

其余与实施例1相同。

该方法能耗较高，条件较为苛刻。

对比例1

一种发泡材料，除将玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液替换为棉纤维素溶液素外，其余与实施例1相同。

对比例2

一种发泡材料，除将玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液替换为木质纤维素溶液外，其余与实施例1相同。

对比例3

一种发泡材料，除将玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液替换为玉米芯纤维素溶液外，其余与实施例1相同。

以上实施例和对比例具体见下表1：

表1

测定上表1中的实施例和对比例中产品的表观密度、孔隙率、压缩回弹率和撕裂强度，具体见下表2：

表2

上表1中，纤维素含量为：玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液中玉米芯纤维素和增强纤维素的总质量百分含量。

增强纤维素/玉米芯纤维素：为增强纤维素的质量占玉米芯纤维素的质量百分含量。

发泡剂含量：发泡剂的质量占玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液质量的质量百分含量。

成孔剂含量：成孔剂的质量占玉米芯纤维素和增强纤维素的溶液质量的倍数。

压缩回弹率均为压缩率50％，压缩时间72h的压缩回弹率。

弹性测试：

测试条件：压缩率50％，压缩时间72h，测定其压缩回弹率。

通过实施例及对比例可以看出：

1、发泡材料的配方不同，其得到的发泡材料的性能不同；

2、将发泡材料中的原料玉米芯纤维素替换为其它的纤维素，制得的发泡材料性能明显降低。

另外，将实施例中的1-乙基-4-甲基咪唑氯盐离子液体替换为1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐离子液体、1-乙基-3-甲基-咪唑醋酸盐离子液体或其它的能够溶解玉米芯纤维素和增强纤维素的离子液体，其得到的发泡材料的性能与使用1-乙基-4-甲基咪唑氯盐离子液体时的性能相似。

申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。