[00144102]玉米秸秆微晶纤维素的制备及增强聚乳酸复合材料性能研究

一、课题来源 由河南省科技攻关项目（112102310580）“玉米秸秆纤维素晶体复合材料的制备技术研究”资助,本研究成果为该项目研究内容。 二、应用领域和技术原理 应用领域：农业废弃物玉米秸秆的资源化利用和聚乳酸复合材料的生产领域。 技术原理：本研究通过对玉米秸秆提取纤维素的工艺条件进行优化,得到高效提取优质玉米秸秆纤维素的工艺条件;以提取的纤维素为原料,再对玉米秸秆纤维素的水解方法和条件进行响应面优化,得到收率较高的玉米秸秆微晶纤维素水解的工艺条件;利用得到的玉米秸秆微晶纤维素（CSCMC）作为增强剂,制备出CSCMC∕PLA复合膜材料,同时对复合膜的结构、热稳定性和力学性能进行了检测,以期得到有轻质、高性能、低成本的聚乳酸等完全生物可降解复合材料。 三、成果性能指标 纤维素的提取与半纤维素脱除的工艺条件为：质量分数为5 %的NaOH溶液,反应温度55 ℃,反应时间1.5 h,半纤维素脱除率达到92.82 %;纤维素的提取与木质素脱除的工艺条件为：反应浓度为9.5 g/L 的NaClO2,反应温度75 ℃,木质素的脱除率可达64.32 %;在此工艺条件下,提取的玉米秸秆纤维素含量达到70.12 %。 利用响应面法,通过建立微晶纤维素得率与硫酸浓度、水解温度、水解时间的二次多项式回归模型,得到了最佳工艺参数。经试验验证,硫酸浓度为60%、水解温度为57 ℃和水解时间为80 min时,晶体收率达到66.85%。 以玉米秸秆微晶纤维素为增强剂,以聚乳酸为基体,制备了CSCMC/PLA复合膜材料,复合膜材料的结晶度得到提高;复合材料的热学性能也得到了明显改善,其中PLA-10的起始分解温度比纯PLA提高了34.38 ℃;复合材料的力学性能同时得到了提高,其中PLA-10的拉伸强度和断裂伸长率分别比纯PLA膜提高了58.3%和31.1%。 四、成果的创新性和先进性 1．玉米秸秆纤维素提取的创新性和先进性 玉米秸秆中的维素和木质素与半纤维素紧密地交织在一起,很难进行分离,为此,本研究把纤维素的提取分成两个阶段：纤维素的提取与半纤维素脱除阶段和纤维素的提取与木质素脱除阶段,通过对这两个阶段的工艺条件的优化,得出纤维素的提取与半纤维素脱除的工艺条件,以及纤维素的提取与木质素脱除的工艺条件,在此工艺条件下,提取的玉米秸秆纤维素含量达到70.12 %。通过研究,确定了既能保持较大纤维素提取量,又能较多脱去半纤维素和木质素的酸碱结合的方法的工艺条件,提取出纯度较高优质的纤维素。 2．玉米秸秆微晶纤维素制备的创新性和先进性 纤维素可通过酸水解法或酶降解法降解掉其无定型部分,保留其结晶部分可制得微晶纤维素。由于酶水解法不但成本较高,而且纤维素不能完全被降解,降低了微晶纤维素的得率,本研究采用酸水解法。 以前的优化方法与试验设计,都未能给出直观的图形,因而也不能凭直觉观察其最优化点,虽然能找出最优值,但难以直观地判别优化区域。响应面分析也是一种最优化方法,它是将体系的响应作为一个或多个因素的函数,运用图形技术将这种函数关系显示出来,以供我们凭借直觉的观察来选择试验设计中的最优化条件。 本成果以自制的玉米秸秆纤维素为原料,利用响应面法,建立了微晶纤维素得率与硫酸浓度、水解温度、水解时间的二次多项式回归模型,得到了最佳工艺参数。在硫酸浓度为60%、水解温度为57 ℃和水解时间为80 min时,晶体收率达到66.85%。通过研究,找寻出最优的玉米秸秆微晶纤维素酸水解工艺条件,制备出得率较高的微晶纤维素,大大降低了微晶纤维素的制备成本,具有巨大的经济效益和生态效益。 3．玉米秸秆微晶纤维素/聚乳酸复合膜制备的创新性和先进性 聚乳酸（PLA）也是一种重要的环境友好高分子材料,具有优良的力学性能、生物相容性、生物降解性和资源可再生性,在生物医学工程、涂料、薄膜、热塑材料、纺织、包装等领域都有巨大的市场。但PLA韧性和和热稳定性差极大地限制了它的应用。 微晶纤维素具有许多优良性能,如高强度、高结晶度和较大的比表面积等,利用天然微晶纤维素增强复合材料的性能已成为目前研究的热点之一。以前的研究多采用棉短绒、木浆、动物纤维素等原料制备微晶纤维素,这些原料的利用增加了微晶纤维素的制备成本。 本成果以我国大宗农业废弃物玉米秸秆微晶纤维素（CSCMC）为增强剂,以聚乳酸为基体,制备了CSCMC/PLA复合膜材料,复合膜材料的热学性能和力学性能都得到了明显提高。通过本研究,不但提高了聚乳酸复合材料的性能,而且大大降低了聚乳酸复合材料的生产成本。 五、推广应用的范围、条件和前景 本技术推广应用的范围主要包括：农业废弃物资源化相关企业、聚乳酸复合材料生产相关企业、以及化工相关的高技术生产企业。 本技术主要是农业废弃物玉米秸秆的资源化利用,具有巨大的经济效益、社会效益和环保效益,因此应用前景广阔。