本发明属于材料制备，涉及一种秸秆纤维复合材料及其制备方法，具体公开了一种cs包覆后cpam不对称桥联絮聚生物炭的加填工艺以及复合材料的制备方法。
背景技术：
1、目前，生物炭作为填料在纤维复合材料中的应用受到广泛关注。生物炭因其具有丰富的孔隙结构和较大的比表面积，能够显著提高复合材料的吸附性能和机械强度。然而，由于生物炭颗粒表面带负电荷，与纤维的结合力较弱，导致填料在纤维中的留着率较低，影响了复合材料的整体性能。为了解决这一问题，研究人员尝试通过不同的助留剂和施胶剂来提高生物炭在纤维中的留着率和施胶效果。阳离子淀粉(cs)和阳离子聚丙烯酰胺(cpam)因其良好的絮凝和粘结性能，成为研究热点。cs带有正电荷，能够通过静电引力将带负电荷的生物炭吸附到纤维上，提高填料的留着率。被cs包覆的填料不仅能减少对akd施胶剂的吸附量，提高施胶效率，还能使填料与纤维形成更加坚固的结合，提升材料的强度。
2、cpam上的酰胺基可与纤维上的羟基结合形成氢键，提高秸秆纤维复合材料的力学性能，但这一提升效果仍有局限。部分未被cpam覆盖的生物炭颗粒未能充分与纤维结合，影响了材料的整体强度。此外，cpam也可以作为絮凝剂，通过静电引力和桥联作用絮凝带负电荷的生物炭颗粒。然而，当cpam通过桥联作用与生物炭填料相互连接时，大部分生物炭表面仍未被cpam覆盖，未被覆盖的生物炭表面会吸附akd施胶剂，减少akd在纤维上的留着，影响施胶效果。且未完全覆盖的生物炭与纤维之间的结合力也相对较弱，导致材料的力学性能提升有限。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明公开提供了一种秸秆纤维复合材料及其制备方法，并同时提出一种包覆后通过不对称桥联絮聚生物炭的加填工艺。首先，cs通过静电引力包覆生物炭，然后加入cpam，先沉积在纤维上，随后cpam通过不对称桥联作用将纤维与被cs包覆的生物炭连接在一起，以提高生物炭在纤维上的留着。
2、需要说明的是，上述现有技术存在的问题均可通过优化cpam的分子结构、增加吸附时间或引入其他辅助处理手段来改善，例如使用复合助留剂等。目前，提高填料留着率、减少填料对材料性能影响的相关技术主要包括改变加填方式、纤维/填料复合、填料改性以及填料预絮聚。包覆后絮聚的概念，即先对填料进行包覆改性，然后进行预絮聚，通过将两种技术有效结合，制备高性能的填充材料。陈安男采用apam、cs和cpam对硅酸钙填料进行包覆后絮聚的预处理工艺，先在硅酸钙悬浮液中加入带负电荷的apam，通过静电排斥使硅酸钙颗粒在悬浮液中分散，增加与之后加入的cs的接触面积，cs可固定在填料表面或用于包覆填料颗粒，促进硅酸钙填料形成初级絮聚体。
3、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
4、本发明的第一个技术目的是提供一种cs包覆后cpam不对称桥联絮聚生物炭的加填工艺，所述工艺如下：
5、以生物炭作为填料，akd作为施胶剂，阳离子淀粉(cs)和阳离子聚丙烯酰胺(cpam)作为助留剂。采用包覆后不对称桥联絮聚的加填工艺，制备高负载多孔填料秸秆纤维复合材料。保证填料含量的同时保持材料力学性能和施胶效率。将生物炭悬浮在水中，制备生物炭悬浮液；将cs和cpam分别溶解在水中，制备溶液；向所得生物炭悬浮液中加入cs溶液，搅拌，随后在悬浮液中加入cpam溶液，再次搅拌得到生物炭@cs+cpam；参照gb/t24325-2009标准，将kp浆板和水稻秸秆纤维分别浸泡8h之后，采用pl4-00瓦利打浆机打浆至45±5°sr，混合。混合浆料由70％水稻秸秆纤维和30％kp纤维组成，加水稀释浓度至0.2％，将akd乳液用水稀释至浓度2％，在浆料中加入akd，得到纤维+akd混合溶液。最后将混合溶液与先前配置的生物炭@cs+cpam溶液混合，这一生物炭加填工艺被称为“纤维+akd+[生物炭@cs+cpam]”(@表示cs对生物炭的包覆，[]表示优先混合，+表示cpam的不对称桥联)。
6、进一步地，纤维+akd溶液中akd添加量为1.5％(相对于复合膜中纤维干重)，生物炭悬浮液中生物炭添加量为每张复合膜材料中纤维原料干重的20％，向生物炭悬浮液中分别加入1.2wt％cs和0.12wt％cpam(由于在制备膜材料过程中加水会流失，上述助剂百分比均是相对于复合膜中纤维干重)，再次搅拌得到生物炭@cs+cpam溶液。
7、本发明的第二个技术目的是提供一种秸秆纤维复合材料的制备方法，所述方法具体包括如下步骤：
8、将kp浆板和水稻秸秆纤维分别浸泡后打浆至45±5°sr，混合得混合浆料；
9、在所述混合浆料中加水稀释浓度至0.2％，随后依次加入akd得到“纤维+akd”溶液，将生物炭悬浮在水中，制备生物炭悬浮液；将cs和cpam分别溶解在水中，制备溶液；向所得生物炭悬浮液中加入cs溶液，搅拌，随后在悬浮液中加入cpam溶液，再次搅拌得到生物炭@cs+cpam，最后利用zcx-a纸页成型器制备所述秸秆纤维复合材料。
10、进一步地，所述混合浆料由70％水稻秸秆纤维和30％kp纤维组成。
11、进一步地，所述利用zcx-a纸页成型器制备秸秆纤维复合材料的工艺操作如下：
12、将添加不同助剂的混合浆料分别倒入纸页成型器中进行抄片，抄纸时先给水至100ml，倒浆料，再给水至350mm，均匀搅拌后取出；抄纸时真空抽水，将纤维和棉布贴合，经挤压，压实后干燥，得所述秸秆纤维复合材料。
13、更进一步地，所述的干燥温度为105℃，干燥时间为15min。
14、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
15、(1)分别比较了cs和cpam对浆料zeta电位、填料留着率、施胶度和力学性能的影响。单独加入1.2wt％cs或0.12wt wt％cpam时，浆料的zeta电位由负值转为正值，填料留着率分别提高73.91％和79.77％，施胶度分别提高247.10％和253.20％，干抗张指数分别提高25.95％和28.85％，撕裂指数分别提高23.79％和25.97％。
16、将带正电荷的cs加入带负电荷的生物炭悬浮分散液中，cs沉积在生物炭表面，实现对生物炭填料的包覆，被称为“生物炭@cs”。由于静电斥力，加入的第二种助剂cpam无法吸附在“生物炭@cs”上，cpam与“生物炭@cs”分散在悬浮液中。将含有cpam和“生物炭@cs”的悬浮液加入含有akd的浆料中，cpam吸附在带负电的纤维上。cpam在生物炭悬浮液中不与被包覆的生物炭发生桥联作用，而是在加入浆料后通过非对称桥联机理将生物炭和纤维连接在一起。cpam仍需加入生物炭悬浮液中，这样做的目的是增加纤维与akd之间的接触机会，提高akd在纤维上的留着率。
17、cs作为稳定剂加到浆料中，能够吸附到akd胶粒上，赋予后者正电荷，使乳液的zeta电位升高，增加akd胶粒间的静电斥力，有效提高乳液的稳定性，减少了因水解而失效的akd胶粒数量，延长了akd的水解时间。从分子结构角度看，cs作为含有多羟基的高分子聚合物，当其加入浆料中附着在纤维上时，可以与纤维素分子间通过氢键结合在一起，增加了纤维间的氢键数量，提高纤维内部的结合力，形成内聚网络，改善材料强度。当吸附到填料上时，可以通过絮聚填料来削弱加填导致的材料强度损失。
18、(2)与“纤维+akd+生物炭”相比，采用“纤维+akd+[生物炭@cs+cpam]”的加填工艺使生物炭絮聚体平均粒径扩大1.94倍，表面电荷增加了52.83mv，透气度降低了19.16％，施胶度提高了35.02％，接触角提高了64.13％，填料留着率提高了84.77％，总留着率提高了25.70％，干抗张指数提高了35.14％，撕裂指数提高了53.62％，填料粘合系数提高了35.30％。cs通过静电引力吸附生物炭颗粒，被cs包覆的生物炭颗粒与纤维之间通过cpam不对称桥联作用连接在一起，增大了生物炭絮聚体的尺寸。絮聚体有利于填充在纤维间的空隙中，降低材料透气度。包覆后的生物炭减少与akd的接触面积，减少生物炭对akd的吸附，提高施胶效率，采用包覆后不对称桥联絮聚的加填工艺能够提高生物炭留着率，改善生物炭与纤维的结合，cs和cpam通过化学键形成网络结构，提高秸秆纤维复合材料的力学性能。
19、(3)本发明考察了cs和cpam作为助留剂对秸秆纤维复合材料性能影响的规律与机理，在此基础上，提出一种cs包覆后cpam不对称桥联絮聚生物炭的加填工艺，并研究不同加填工艺对秸秆纤维复合材料的填料粒度分布、zeta电位、填料留着率、施胶效率和材料性能的影响。结果表明，cs通过静电引力吸附生物炭颗粒，被cs包覆的生物炭颗粒与纤维之间通过cpam不对称桥联作用连接在一起，增大了生物炭絮聚体的尺寸。絮聚体有利于填充在纤维间的空隙中，降低材料透气度。包覆后的生物炭减少与akd的接触面积，减少生物炭对akd的吸附，提高施胶效率，采用包覆后不对称桥联絮聚的加填工艺能够提高生物炭留着率，改善生物炭与纤维的结合，cs和cpam通过化学键形成网络结构，提高秸秆纤维复合材料的力学性能。
1.一种cs包覆后cpam不对称桥联絮聚生物炭的加填工艺，其特征在于，所述工艺如下：
2.根据权利要求1所述的cs包覆后cpam不对称桥联絮聚生物炭的加填工艺，其特征在于，混合浆料的浓度为0.2％，纤维+akd溶液中akd添加量为1.5％(相对于复合膜中纤维干重)，生物炭悬浮液中生物炭添加量为每张复合膜材料中纤维原料干重的20％，向生物炭悬浮液中分别加入1.2wt％cs和0.12wt％cpam(由于在制备膜材料过程中加水会流失，上述助剂百分比均是相对于复合膜中纤维干重)，再次搅拌得到生物炭@cs+cpam溶液。
3.一种秸秆纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
4.根据权利要求3所述的秸秆纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述混合浆料由70％水稻秸秆纤维和30％kp纤维组成。
5.根据权利要求3所述的秸秆纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述利用zcx-a纸页成型器制备秸秆纤维复合材料的工艺操作如下：
6.根据权利要求5所述的秸秆纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述的干燥温度为105℃，干燥时间为15min。
