CN102139500A - 一种塑化木及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种塑化木，充分利用了自然界中一些利用不广的木质纤维资源，如速生木材、灌木、树枝、竹子等，以及制浆造纸中产生的大量木质素资源，和酚醛树脂一起参与了塑化反应，酚羟基和醛基为这些材料共有，在条件下，缩聚反应最终成为体型高聚物，牢固地连接着纤维，木质素的热塑化，水充当了增塑剂作用，由于模具内压力的作用，其流变得到控制和利用，最终在回到其玻璃化温度以下，塑化木制作的塑化完成，这种塑化木木塑材料，可以在重型结构材方面得到应用，替代钢材水泥在建筑结构上的应用，减少钢材水泥的高能耗生产，实践单位GDP减排的低碳之路。

Description

一种塑化木及其制造方法

【技术领域】

本发明涉木塑材料技术领域。

【背景技术】

植物纤维区分为细胞壁和细胞腔，细胞壁主要由纤维素、半纤维素和木质素构成，细胞腔内的物质统称为果胶，果胶分布在纤维细胞之间、纤维细胞和非纤维细胞之间，也填充在初生壁的一些空隙里面，起到粘接的作用，木质素、纤维素和半纤维是构成植物骨架的主要成分。

制浆造纸的主要技术就是脱除木质纤维中的木质素，其主要的副产物之一木质素磺酸盐是一类宽分子量分布的大分子有机材料，由于其结构复杂，生物降解难，是造纸工业主要的有机污染物，若不充分利用，流入江河湖泊，造成严重的环境污染及大量的资源浪费。在我国每年制浆造纸可利用的木质素有1000多万吨，过去大部分随造纸废水排放污染环境，现在普遍采用碱回收利用技术，绝大部分是被燃烧处理，木质素磺酸盐的年产量将近50万吨，除部分直接用作混泥土减水剂外，大量的木质素资源有待开发利用。

木塑复合板材料是国内外近年蓬勃兴起的一类新型复合材料，现有技术中通常利用聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等，代替通常的树脂胶粘剂，与超过50％以上的木粉、稻壳、秸秆等废植物纤维混合成新的木质材料，再经挤压、模压、注射成型等塑料加工工艺，生产出的板材或型材。木塑复合材料内含塑料，因而具有较好的弹性模量。此外，由于内含纤维并经与塑料充分混合，因而具有与硬木相当的抗压、抗弯曲等物理机械性能，并且其耐用性明显优于普通木质材料。表面硬度高，一般是木材的2-5倍。

在现有技术木塑材料的加工中，原材料的处理需适当添加剂来改性聚合物和木粉的表面，以提高木粉与树脂之间的界面亲和力；另外，高填充量木粉在熔融的热塑性塑料中分散效果差，使得熔体流动性差，挤出成型加工困难，需要加入表面处理剂来改善流动性以利于挤出成型；

在现有技术木塑材料的加工中，加料过程由于木粉结构蓬松，不易对挤出机螺杆喂料，特别是木粉中含有较多的水分时常会出现“架桥”和“抱杆”现象，加料的不稳定会导致挤出波动现象，造成挤出质量和产量降低。加料中断，物料在机筒内停留时间延长，导致物料烧焦变色，影响制品的内在质量和外观。

在现有技术木塑材料的加工中，木塑复合材料挤出过程中，螺杆的构型起着十分重要的作用。合理的螺杆结构能降低螺杆与木纤维的摩擦，产生适当的剪切和分散混合，使含有大量木粉的物料体系能很好的均匀塑化；我国在专用设备的开发上存在不足，国外借据起步早的优势，加上其传统的优势精密机械制造，开发出如德国SMC公司的“Titan”系列锥型双螺杆挤出机和意大利BAUSANO公司的异向锥型双螺杆挤出机等设备，可以做到将融体相对均一地挤出，把持行业领先，要超越有瓶颈；

国内外对木塑材料的研究由于其颇具潜力的性能和发展优势从最初到现在一直没停过，初期的木塑复合材料一直是被当作改性塑料的一个种类，但随着木塑复合材料生产技术水平的不断提高，其制成品逐渐具备了如像塑料、木材、金属等单质材料的诸多优点，产品特色逐步凸现，逐渐成为一类自成体系的新型材料，它是目前新型生物质复合材料家族中最具活力的一个分支，现已逐渐形成了以填充聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)为主的结构型产品和以填充发泡聚氯乙烯(PVC)为主的装饰型产品两大分支；从木塑材料的另一组分分析，现有的技术是以木屑、竹屑、麦秸、谷糠、棉秸杆等初级生物质材料为主原料，从木塑材料的产品分析，现有技术中有生产普通木塑物流运输托盘为主的初级产品和以生产景观建材和装饰材料为主的中级产品。

【发明内容】

本发明的目的在于克服以上现有技术中在制浆造纸造成环境污染和大量的木质素资源浪费问题方面、木塑复合板材料制造原材料木质纤维和树脂基体的相容性问题方面、挤出工艺所面临的融体结构流变控制和设备瓶颈问题方面以及木塑材料不能在重型结构材方面的应用等问题的不足，提供了一种木塑材料即塑化木，其充分利用了制浆造纸的副产物木质素资源，改变现有技术中的制造工艺，产品保留了木塑材料的防水、防潮、防虫、防白蚁、阻燃、可加工性能好等优点，并且可以在重型结构材方面得到应用；本发明的另一目的是，提供所述塑化木的一种制造方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种塑化木，由至少包括木质纤维、水溶性酚醛树脂和木质素璜酸盐三组分合成单元合成制得。

木质纤维包括木质素磺酸盐在结构单元上既有酚羟基又有醛基，水溶性酚醛树脂与它们一样，也是有酚羟基和醛基，所以三者的合成在相容性方面是极佳的；水溶性酚醛树脂是苯酚和甲醛在氢氧化钠催化剂作用下缩聚而成的，是目前在木材工业中用量最大、用途最广的酚醛树脂胶粘剂，而木质素磺酸盐是制浆造纸工业中用酸性亚硫酸盐溶液与木材一起加热被磺化的木质素，也是水溶性的。

本发明采用的技术方案考虑到现有技术中将如木屑、竹屑、麦秸、谷糠、花生壳、棉秸杆等初级生物质材料原料磨成木粉状的设计思路，将木质纤维原有的力学性能消失殆尽，而木塑材料的力学主要以树脂基料来保证，使得木塑材料不能在重型结构材方面得到应用，本发明采用的技术方案采用保留了木质纤维的直向排列形状，也即保留了木质纤维原有的力学性能，木质材纤维的直向排列形状的制备可以通过多种常规手段制作，如旋切、刨切和碾压等，制作要求是尽可能暴露最多的界面面积同时要适宜捆扎等操作，另外所述的木质材纤维是同一化学性质的材料，再通过进行复合增强，使得在结构材上的应用则会成为可能。

根据这一改进，本发明采用的技术方案突破了在制造方面专用设备上的瓶颈，采用了模压工艺，而非传统的挤压工艺，结合国内优势的造纸和人造板加工技术手段，弥补了在精密机械制造上的不足，克服了融体相对难均一地挤出的缺陷，并且不光在材料力学方面，而且在材料的自然美观方面和规格尺寸方面也得到突破，使木塑材料更具有发展前景。

本发明采用的技术方案塑化工艺主要包括有木质素的塑化、酚醛树脂的固化，这是个复杂的过程，木质素的软化流变，酚羟基和醛基的缩聚反应，木质素磺酸盐的脱磺反应、脱糖作用，纤维素的脱水(结晶水)和去氢作用间或有发生，同时也有酸碱中和反应等。本方案技术是将压制好的材料连同模具一起塑化，压制好的材料是在常温下受60MPa以上压强的力成型并固定的，塑化温度为120～170℃，塑化时间为4～12小时。在工艺的后半部分，酚羟基和醛基的缩聚反应在模具内的压制好纤维中继续，释放出水和热，酚羟基和醛基的缩聚反应也包括了木质素磺酸盐中相对较小分子量的分子的参与，当模具内纤维的温度到达150℃左右时，纤维素大分子中的化学结合水会开始脱去，间或也有去氢作用，材料中的木质素在这之前已开始了塑化，水充当了增塑剂作用，并由于模具内压力的作用，其流变得到控制和利用，最终在回到其玻璃化温度以下，塑化木制作的塑化完成，而此时的酚醛树脂已成为体型高聚物，牢固地连接着纤维，替代了原来果胶的作用，并作用力更强。另外，在木质素的塑化过程中，木质素中的酚羟基至少也参与了和酚醛树脂中游离醛的反应，其作用之一是使木塑型材的产品甲醛释放量降到低位。

为了达到克服现有技术的不足目的，本发明一种塑化木的制造方法包含以下生产工序：

(1)木质纤维的制备

木质纤维的制备根据原材料的不同在采用保留木质纤维的直向排列形状的方法上也有所不同，有旋切、刨切和碾压等，自然界中含木质纤维的原材料很多，有乔木、速生木材、灌木、树枝、竹等等，如乔木、速生木材可采用去皮后旋切的方法，如灌木、树枝、竹可采用去皮后碾压的方法，制作要求首先是制备纤维要与制作的塑化木模具等长，呈条状或束状，另外是尽可能暴露最多的界面面积同时要适宜捆扎等操作，将以上所得捆扎，大小按适宜手搬操作为准，放置在煮锅中水煮1-3小时，水温控制在50-100℃，最后放置干燥设备中干燥至含水率8-12％即可；

(2)施加酚醛树脂

施加酚醛树脂采用浸胶工艺，将(1)所得木质纤维放置在浸胶笼里，浸至浸胶池中的酚醛树脂5-10分钟，再沥干即可；

(3)施加木质素磺酸盐

将以上(2)所得沥干之木质纤维在低于60℃温度下干燥到酚醛树脂在纤维界面出现凝胶状态，此时纤维含水率在15-45％之间，手摸感觉有粘性，此时撒上木质素磺酸盐粉末使其粘在纤维表面，再捆扎后堆放1-2天自然风干至纤维含水率在12-20％之间即可；

(4)模压

将以上(3)所得捆扎纤维按所生产塑化木材料密度要求的每模重量放置压机的进料机上，解开捆扎绳，由进料机推至模具上，施加压力后用扣件锁住模板，取出压制好的材料(连同模具一起)即可；压机施加的压力为压制好的材料在常温下受60MPa-80MPa压强的力，温压所受压力相对较小，所生产塑化木材料密度越大，所受压力就越大；

(5)塑化

将以上(3)所得压制好的材料(连同模具一起)堆放在塑化炉窑中塑化，塑化温度为120～170℃，塑化时间为4～12小时。在工艺的前半部分，保持塑化炉窑里的温度在70～90℃，时间在4～8小时之间，使模具内材料温度均匀，酚羟基生成充分，水分缓慢通过模具两端释放，在工艺的后半部分，塑化炉窑里的温度到达120℃后，酚羟基和醛基的缩聚反应在模具内的压制好纤维中继续，释放出水和热，酚羟基和醛基的缩聚反应也包括了木质素磺酸盐中相对较小分子量的分子的参与，当模具内纤维的温度到达150℃左右时，纤维素大分子中的化学结合水会开始脱去，间或也有去氢作用，材料中的木质素在这之前已开始了塑化，水充当了增塑剂作用，并由于模具内压力的作用，其流变得到控制和利用，最终在回到其玻璃化温度以下，塑化木制作的塑化完成，塑化工艺要到达的最高温度受塑化木产品的颜色要求和疏水性能等要求共同制约，在135～170℃之间，一般产品深色可以较高温度，产品疏水性能就相对增强，当达到最高温度后，保持2小时后即可自然冷却；

(6)脱模，

自然冷却至室温后即可脱模。

本发明塑化木的积极效果是：

(1)制浆造纸中产生的大量木质素资源可以得到充分利用，减轻环境治理的压力。

(2)自然界中一些利用不广的木质纤维资源可以得到充分利用，如速生木材、灌木、树枝、竹子等，缓解森林木材资源供应的不足，减少对森林的砍伐。

(3)塑化木材料可以在重型结构材方面得到应用，可以大量替代钢材水泥在建筑结构上的应用，减少钢材水泥高能耗生产，实践单位GDP减排的低碳之路。

【具体实施方式】

以下提供本发明塑化木具体的实施方式。但本发明不限于以下实施例。

实施例1

以沙棘枝条为原料，制造规格为1000mm*200mm*160mm的塑化木：

将沙棘枝条截断成1000mm长度，经剥皮用碾压机碾压成厚度为2mm左右的束状条子，将其捆扎成每捆5KG左右的物料，放置煮锅中水煮3小时，水温控制为90℃，然后再放置干燥烘道中干燥至含水率10％；装入浸胶笼里，浸至浸胶池里，在水溶性酚醛树脂中浸8分钟，再吊起后沥干放置干燥房中解捆扎绳散开；在低于60℃温度下干燥到纤维含水率在40％之间，撒上木质素磺酸镁粉末使其粘在纤维表面，再捆扎堆放，2天自然风干后至纤维含水率在18％左右；将以上捆扎纤维放置在压机的进料机上，解开捆扎绳，重量为18KG，由进料机推至模具上，施加单位面积75MPa的压力后用扣件锁住模板，保持塑化炉窑里的温度为70℃在8小时后再以5小时时间缓慢升温至145℃停止升温，保持2小时后停止加温，使其自然冷却，自然冷却至室温后即可取出脱模。

实施例2

以杨树为原料，制造规格为2000mm*200mm*160mm的塑化木：

将杨树锯切断成2000mm长度木料，经剥皮用旋切机旋切成厚度为5mm的单板，直接剪切成宽度在30mm的单板，将以上所得捆扎成每捆5KG左右的物料，放置煮锅中水煮2小时，水温控制为80℃，然后再放置干燥房中干燥至含水率10％；装入浸胶笼里，浸至浸胶池里，在水溶性酚醛树脂中浸10分钟，再吊起后沥干放置干燥房中解捆扎绳散开；在低于60℃温度下干燥到纤维含水率在30％之间，撒上木质素磺酸钙粉末使其粘在纤维表面，再捆扎堆放至60℃恒温房里，1天后干燥至纤维含水率在15％左右；将以上捆扎纤维(保持在55℃左右温度)放置在压机的进料机上，解开捆扎绳，重量为35KG，由进料机推至模具上，施加单位面积50MPa的压力后用扣件锁住模板，保持塑化炉窑里的温度为70℃在7小时后再以4小时时间缓慢升温至135℃停止升温，保持2小时后停止加温，使其自然冷却，自然冷却至室温后即可取出脱模。

Claims (4)

1.一种塑化木，其特征在于，所述的塑化木合成单元至少包括木质纤维、酚醛树脂和木质素磺酸盐三组分。

2.根据权利要求1所述的一种塑化木，其特征在于，所述的一种塑化木的合成主要组分中酚羟基和醛基结构单元为这些合成组分材料所共有。

3.根据权利要求1所述的一种塑化木，其特征在于，所述的一种塑化木的一合成组分木质素磺酸盐是从造纸黑液中提取制造的。

4.一种塑化木的制造方法，包含以下生产工序：(1)木质纤维的制备(2)施加酚醛树脂(3)施加木质素磺酸盐(4)模压(5)塑化(6)脱模，其特征在于，塑化工序是将压制好的材料连同模具一起塑化，压制好的材料是在常温下受60MPa以上压强的力成型并固定，塑化温度为120～170℃，塑化时间为4～12小时，在工艺的后半部分，酚羟基和醛基的缩聚反应在模具内的压制好纤维中继续，释放出水和热，当模具内纤维的温度到达150℃左右时，纤维素大分子中的化学结合水会开始脱去，间或也有去氢作用，材料中的木质素在这之前已开始了塑化，水充当了增塑剂作用，并由于模具内压力的作用，其流变得到控制和利用，最终在回到其玻璃化温度以下，塑化木制作的塑化完成，而此时的酚醛树脂已成为体型高聚物。