CN102259368A - 一种全生物质增强纤维板 - Google Patents

Abstract

本项目涉及一种农作物秸秆制全生物质增强纤维板的制备工艺，该产品主要用作汽车内装饰零部件衬板。该材料是利用大宗农作物秸秆主要是稻草、麦草、棉杆、玉米杆等生物质作为原材料，经去泥沙、切段、碾压、揉搓、开松、混匀后，混入脂肪水解酶、蛋白水解酶和纤维水解酶，控制水解程度，使纤维表面的蜡状脂肪、纤维及胶原蛋白发生部分水解生成一定分子量的水性多羟基、羧基和氨基的生物质胶粘剂，将其填装在模具中，加温加压，使纤维上的和水解出来生物质胶粘剂的多羟基、羧基和氨基在高温下重新发生缩合聚合和交联化学反应，粘接成为一个整体材料，制成全生物质增强纤维板，于该方法可以用模压成型法制备形状负责的硬挺片状产品，其容重也可以随模具的厚薄限位而调整，主要可用于制造汽车、火车、轮船内装饰零部件用的新型复合材料或衬板材料，也可以代替各种纤维板和纤维塑胶板使用，该产品可以回收循环利用。

Description

一种全生物质增强纤维板

技术领域

本项目属于新材料中的生物质材料——生物质纤维板。主要用来模压成型制备汽车内装饰零部件用的新型复合支撑材料或衬板材料，也可以代替各种纤维板和纤维塑胶板使用

背景材料

关于用农作物秸秆做各类纤维板的研究论文和专利近几年发展很快，但基本上都是采用干纤维粉与聚乙烯或聚丙烯或ABS等热塑性树脂复合成型，或湿或干纤维与化学胶粘剂或水泥或石膏复合后成型。

专利(99228946)发明了一种一次覆塑麦秸板产品，用加工好的麦秸刨花作为板坯芯层材料，上下表面采用浸渍树脂纸。覆塑表面与麦秸板芯的胶合强度比二次贴面的普通麦秸板高，因此更适合于室外应用。

专利(03116254)发明了一种麦秸塑料复合材料，麦秸49％-79％，热塑性塑料19％-49％，助剂2％-4％，助剂含有下列成分的一种或多种组合：润滑剂、增塑剂、抗紫外线剂、抗氧剂、填充剂、增强剂、阻燃剂、防静电剂、偶联剂、粘合剂，经孔模挤压出制备麦秸塑料复合材料。

郭志远申请了一种利用蒸汽爆破秸杆制浆生产的低定量高强瓦楞原纸及其生产方法(专利号：200510104295)，以秸杆为原料，经粗切后进行蒸汽爆破，在145～180℃汽相蒸煮温度、0.9～2.0MPa压力下处理12～18分钟，瞬间减压释放得到汽爆秸杆；然后进行洗涤提取、粗打浆、筛选净化、精打浆工序而制得汽爆麦草浆，然后将混合后的浆料上网成形、压榨、干燥、卷取而制成成品。

专利(200610041980)发明了一种采用秸秆制作环保纸膜的制浆工艺，原料选用稻、麦、谷、玉米、高粱、棉花秸秆或其它农业废弃秸秆或果树废枝，用粉糠机粉碎至1mm～2mm的粉糠，加入0.1％重量的酵母菌或白腐菌发酵，并在浆料中加入胶料，使得施胶度达到1.75mm以上，即可制得环保纸膜的浆料。

专利(200610085520)发明的无醛麦秸软质板的制造方法是将粉碎原料，施无甲醛胶搅拌，机械式铺装，预压、热压，间歇式平压，层压机，裁边冷却

刘金忠发明了一种秸秆板材的生产工艺(专利号200710089224)。利用稻草，麦秸，芦苇，稻壳，锯末代替木材生产非木质板材的一种原材料配方及其生产工艺。施胶搅拌，贴面处理铺设，坯料铺装整形，加热加压，裁切周边等工序生产出成本低强度高的秸秆板材。

时君友等申请了水性高分子-异氰酸酯秸秆人造板及其制备方法(专利号200810050827)，以秸秆、水性高分子-异氰酸酯胶和秸秆界面性能改性剂为原料，制得了秸秆人造板。

南京林业大学张洋等申请了专利(号：200520075719)生物质原料稻或麦秸刨花/木质纤维复合板，其结构是三层结构，表层与底层是木质纤维施加脲醛树脂胶粘剂，中心层是稻或麦秸刨花施加异氰酸酯胶粘剂，可代替普通刨花板和中密度纤维板。

目前汽车内装饰衬板材料主要有八种，与本项目情况对照，见下表。

序号	材料种类	主要优点	重要缺点
				1	木质三夹板或多夹板	来源广泛、保型性好、价格适中。	不易做成复杂的凹凸形状，需砍伐木材。
2	木质纤维板或硬纸板	强度低，耐水性差，保型性较差，不易做成复杂的凹凸形状，需砍伐木材。	强度低，不耐水，保型性较差，不易做成复杂的凹凸形状，需砍伐木材
				3	聚苯乙烯泡沫塑料板	价格低廉、质轻、耐水性好。	耐温度低、保型性差、易燃，仅适合做低档车顶蓬。消耗石油资源
4	树脂玻纤复合材料(玻璃钢)	强度大、保型性好、耐水、耐热性好	重量大，隔热、吸音及减震性能差，不太适合作内装饰材料，且消耗石油资源，价格较高。
				5	聚氨酯或交联聚乙烯半硬质或软质泡沫材料	价格适中，质轻、隔热、吸音、耐老化性能好。	强度较低，保型性差，装饰性能差，仅适用于顶蓬和地板，消耗石油资源。
6	整体浇铸聚氨酯质泡沫材料	质轻，保型性较好，隔热、吸音性能好，不易燃烧，装饰性好，档次高	强度不太高，生产设备投资大，产品成本高，现场有高毒性的异氰酸酯类污染环境，适合作顶蓬等，不易回收循环利用。
				7	玻纤加膨胀珍珠岩及胶粘剂制成的复合材料。	质轻，隔热吸音性能好，不易燃烧，价格适中，耐老化性好。	强度不高，仅适合作顶蓬。不易回收循环利用。
8	增强聚丙烯或(硬质聚氯乙	耐水好、强度尚可、保型性、耐热性等整体性	强度和耐热性不太理想。消耗石油资源。
					烯)纤维复合材料	能一般。装饰性较好，极易回收循环利用。

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本项目新型复合材料

质轻，隔热吸音性能好，价格低廉，耐水、阻燃、耐老化及保型性好，可回收循环使用，易生物降解，无环境污染，不需砍伐树木。不消耗石油资源。

基本无缺点。但材料品种较新，有待增加科技投入以优化配方工艺，加强广告宣传，让更多的用户赏识。

发明内容

本项目涉及一种农作物秸秆制全生物质增强纤维板的制备工艺，该产品主要用作汽车内装饰零部件衬板。该材料是利用大宗农作物秸秆主要是稻草、麦草、棉杆、玉米杆等生物质作为原材料，经去泥沙、切段、碾压、揉搓、开松、混匀后，混入脂肪水解酶、蛋白水解酶和纤维水解酶，控制水解程度，使纤维表面的蜡状脂肪、纤维及胶原蛋白发生部分水解生成一定分子量的水性多羟基、羧基和氨基的生物质胶粘剂，将其填装在模具中，加温加压，使纤维上的和水解出来生物质胶粘剂的多羟基、羧基和氨基在高温下重新发生缩合聚合和交联化学反应，粘接成为一个整体材料，制成全生物质增强纤维板，于该方法可以用模压成型法制备形状负责的硬挺片状产品，其容重也可以随模具的厚薄限位而调整，主要可用于制造汽车、火车、轮船内装饰零部件用的新型复合材料或衬板材料，也可以代替各种纤维板和纤维塑胶板使用，该产品可以回收循环利用。

其实农作物秸秆如稻草、麦草等本身都象木材一样具备了优良的隔热、吸音、耐水、耐热、刚性、弹性、耐水、耐老化、抗弯曲性能，这刚好是汽车内装饰衬板材料所需要的性能，因此这些材料完全可以用来为生产汽车内装饰衬板材料的原材料。农作物秸秆稻草、麦草等生物质原材料，本身是由纤维素、木质素、原生质或胶原蛋白相互有机的结合在一起的多种生物高分子复合材料，完全可以通过切段、喷水软化、碾压、钉齿滚筒等机械揉搓开松成细柔的纤维和一些粉状木质素、原生质或胶原蛋白粉。再混匀、混入脂肪水解酶、蛋白水解酶和纤维水解酶，控制水解程度，使纤维表面的蜡状脂肪、纤维及胶原蛋白发生部分水解成一定分子量的水性多羟基、羧基和氨基的生物质胶粘剂，这些胶粘剂大多仍然粘附在纤维上，将这些原料填装在模具中，加温加压，使纤维上的和水解出来生物质胶粘剂的多羟基、羧基和氨基在高温下重新发生缩合聚合和交联化学反应，粘接成为一个整体材料，要控制好水解程度，既要使水解出足够的生物质胶粘剂，又不能水解过度以防止纤维材料过度损伤，须加足够的温度和压力，保温压合足够长的时间才能制成全生物质高耐水性的增强纤维板。

这些开松的细柔的纤维和木质素在纤维水解酶催化作用下，可以水解成多一系列分子量的具有一定水溶性的胶状的多糖或低聚糖等多羟基物质，只要控制好纤维水解酶的种类(包括亚种)、浓度、作用温度和作用时间等，就完全可以控制水解产物的种类和浓度。同理，附着于纤维素表面的以及开松下来的粉状原生质或胶原蛋白也在蛋白水解酶催化作用下，可以水解成多一系列分子量的具有一定水溶性的胶状的多肽或蛋白质等多羟基、羧基、氨基物质，经过上述几种酶的作用，未水解的纤维和角蛋白等也进一步软化。

水解程度一般控制在5-20％，在这里水解程度的简单粗略检测方法是：水解过程中不断取样，每次将样均分成两份，一份用水洗掉水溶性物质后干燥称重，一份直接干燥称重，二者之差的百分率即为水解程度。当水解解程度达到目标要求后，立即将物料加热升温灭活水解酶，或最好是立即将酶作用后的中间原料物质混合均匀，在模具中整理成坯，加温到约180度(此过程同时可以灭活)，同时加压(根据产品要求可调节)，使这些水解出来的胶质中的多羟基、羧基和氨基与秸秆混合纤维表面的多羟基、羧基和氨基在高温和较高压力下发生缩合聚合或交联化学反应，部分脱水重新构建成为一个整体材料，即可制成全生物质增强纤维板——汽车内装饰零部件用的新型复合材料或衬板材料，通过控制配料、模具间隙厚度、温度、压力、压合时间等工艺，就可制得厚度、弹性和容重不同的产品。

为保证产品有足够的弹性、刚性、保型性、耐水性、抗弯曲强度等目标产品所要求的性能，控制上述的热模压温度、压力、压合时间等工艺是非常重要的，反应不足，性能达不到；温度过高或时间过长产品会脆化，甚至煳化或碳化。

本项目不必加入其它化学化工原料或胶粘剂，仅加脂肪水解酶使秸秆表面的蜡状脂肪水解成甘油和脂肪酸、加蛋白水解酶将秸秆表面的蛋白质水解成含羧基和氨基的氨基酸或多肽类生物质胶体即胶粘剂、加纤维水解酶使纤维表面的部分纤维素水解成含多羟基的多糖或低聚糖生物质胶体，用这些水解生成物作纤维间的粘合剂，控制水解程度，取样，当水解出的水溶性物质达一定浓度后，即加热升温使酶灭活。加温加压，所加温度和加压时间应根据对产品厚度和使用要求而定，温度一般在120～190℃，时间一般为6～12分钟。如果需要产品强度高，耐水性好，就应加较高温度和较长时间，例如可在180～190℃压10分钟；反之可加较低温合较短时间，例如可在120～130℃压6分钟。

本项目实施中，应将所有开松出来的物质全部利用，实现零排放。既不像传统的湿法抄纸工艺会排放大量废水，也不像以前的长纤维气流成型或机械铺网制坯工艺，会排出大量的短纤维和胶原蛋白废弃物；对使用过后的本项目废弃的材料或边角料，均可可按上述对秸秆等生物质原料进行处理的类似工艺方法循环回收利用，本项目废弃的材料也极易生物降解，整个生产、使用、和回收利用过程中都无任何三废排放，不存在环境污染问题。

本项目材料的特点是：衬板的蓬松度、厚度、容重和强度等都可以根据需求调节，具有质轻、吸音、隔热、阻燃、耐水、耐热、耐老化、强度高、保型性好、成本低廉、可以循环回收利用、也可以自然降解。

该项目每年可以利用几乎所有的农作物和树枝作原料，此项目有利于大幅提高农副产品废弃物的利用效率，使当地农民增加收入500元/亩土地，有利于新农村的清洁化发展，与国家政策相符合。

本项目产品也可以根据产品要求，或再添加适量水性树脂、阻燃剂，或加上对原料配方及生产工艺适当调整，可制成满足各种高、中、低档汽车内装饰件用的新型复合生物质衬板材料，例如顶蓬、壁板、地板(毯)、门护板、中立柱、三角窗、行李板、仪表板或驾驶操作台板等产品的衬板材料，潜在应用非常广泛。

显然，完全可以按上述对稻草、麦草、棉杆、高粱杆、玉米杆、苞谷衣等生物质原料进行处理的类似的原理、工艺与方法对废弃的本项目材料循环回收利用。由于上述整个产品也可以生物降解，整个生产、使用、和回收利用过程中都无任何三废排放，不存在环境污染问题。

实施技术路线：

稻草、麦草、棉杆、高粱杆、玉米杆、苞谷衣等大宗废弃农副产品——分类——去泥沙等杂质——喷水软化——切段——机械揉搓开松——混匀——混入脂肪水解酶、蛋白水解酶和纤维水解酶——控制反应温度和时间使纤维表面的纤维和胶原蛋白水解成多羟基、羧基和氨基的生物质胶体即生物质胶粘剂(根据产品要求或再添加适量水性树脂和阻燃剂)——在模具中整理成坯——(预加温预压——多层叠合——)继续加温加压使纤维上的和水解出来的多羟基、羧基和氨基在高温下发生交联化学反应粘接成为一个整体材料———制成增强生物质纤维板———汽车内装饰零部件用的新型复合材料或衬板材料。

Claims (4)

1.用稻草、麦草、棉杆、玉米杆等秸秆作原料，经去泥沙、切段、碾压、揉搓、开松、混匀后，混入脂肪水解酶、蛋白水解酶和纤维水解酶，控制水解程度，使纤维表面的蜡状脂肪、纤维及胶原蛋白发生部分水解生成一定分子量的水性多羟基、羧基和氨基的生物质胶粘剂，将其填装在模具中，加温加压，使纤维上的和水解出来生物质胶粘剂的多羟基、羧基和氨基在高温下重新发生缩合聚合和交联化学反应，粘接成为一个整体材料，制成全生物质增强纤维板。可用作汽车内装饰零部件用的新型复合材料或衬板材料，也可代替各种纤维板和纤维塑胶板使用，该产品可以回收循环利用。

2.根据权利要求1所述，不必加入其它化学化工原料或胶粘剂，仅加脂肪水解酶使秸秆表面的蜡状脂肪水解成甘油和脂肪酸、加蛋白水解酶将秸秆表面的部分胶原蛋白水解成含羧基和氨基的氨基酸或多肽类生物质胶体即生物质胶粘剂、加纤维水解酶使纤维表面的部分纤维素水解成含多羟基的多糖或低聚糖生物质胶体，用这些水解生成物作纤维间的粘合剂，控制水解程度，取样，当水解出的水溶性胶粘剂达一定浓度后，即加热升温使酶灭活或立即进行下一步。

3.根据权利要求1和2所述，当水解出的水溶性胶粘剂达一定浓度后，即加热升温使酶灭活或立即直接装入目标产品形状的模具加温加压，所加温度和加压时间应根据对产品厚度、容重和使用要求如耐水性而定，温度一般在120～190℃，时间一般为6～20分钟。如果需要产品较厚、强度高、耐水性好，就应施加较高温度、较高压力和较长时间，例如可在180～190℃压15分钟；反之可加较低温合较短时间，例如可在120～130℃压8分钟。

4.根据权利要求1所述，应将所有开松出来的物质全部利用，对使用过后的本项目废弃材料或边角料，均可可按上述对秸秆等生物质原料进行处理的类似工艺方法循环回收利用，本项目废弃的材料极易生物降解，整个生产、使用、和回收利用过程实现全生物质生产和零排放。