CN102482877B - 甘蔗渣复合材料、复合材料制造方法及利用该材料的室内装饰材料 - Google Patents

甘蔗渣复合材料、复合材料制造方法及利用该材料的室内装饰材料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及甘蔗渣复合材料、复合材料的制造方法及利用该复合材料的室内装饰材料，更详细地说，涉及包含从甘蔗渣得到且颗粒尺寸为40～120目而且长度与直径之比为3∶1至5∶1的纤维质55～75重量％及热塑性聚合物25～45重量％，从而得到强度优秀且不产生溶胀现象的复合材料。而且，本发明的复合材料类似于天然木材的自然质感及花纹，用这种复合材料可以制造各种室内装饰材料和能够代替用于外部的防腐木的所有产品。

Description

甘蔗渣复合材料、复合材料制造方法及利用该材料的室内装饰材料
技术领域
本发明涉及能够制造地板材料、内装材料、家具材料、隔音壁、窗户等室内装饰材料和可代替防腐木的产品的复合材料，更详细地说，涉及包含从甘蔗渣(Bagasse)得到的纤维质和热塑性聚合物的复合材料、复合材料的制造方法及利用该复合材料的室内装饰材料。
背景技术
最近消费者对天然木材的偏好度大大增加，而且随着对于天然木材的砍伐所引起的二氧化碳的增加会破坏环境的担忧增强，对于能够代替天然木材的原材料的开发的呼声变高。尤其，天然木材的需求多的建筑材料的情况更是如此。
在这种背景下，最近进行了很多关于具有类似于天然木材的质感和外观的复合材料的研究。
于是提出了少使用木材或使用非木材的复合材料的方案。例如，现有的复合材料划分为：在将原木较薄地截断之后对一侧面或两侧面着色并使其干燥，然后利用粘接剂附着薄膜等并使其干燥之后，以预定长度切断而备用的胶合板形式；以及在将原木或废木粉碎成粉末之后添加大量的树脂，然后进行加热压接而制造的MDF(Medium Density Fiber wood，中密度纤维板)。MDF能够附着天然饰面或塑料饰面按照用途进行加工而使用。
但是，这种复合木材由于具有包含于粘接剂的有害物质而污染环境。而且，MDF存在如下问题，即，在饰面与板材之间产生收缩膨胀，并且由于外部水分等的影响而使所附着的饰面分离，裂开或腐烂。
另外，在日本公开专利第1995-080809号(1995.03.28)中公开了一种不使用木材而利用甘蔗渣的耐水性板。上述耐水性板是混合通过粉碎甘蔗渣而得到的2～8cm的纤维成分及粉末成分和蜜胺树脂及/或酚醛树脂而制造耐水性板。但是，上述耐水性板并不是由用作粘接剂的蜜胺树脂及/或酚醛树脂浸渍在尺寸大的纤维质中(纤维质的尺寸大而无法浸渍)，而是彼此粘接纤维质和粉末成分而成。从而，上述耐水性板与树脂浸渍在纤维质中的情况相比，强度等耐久性降低，当长期暴露于液体等时蜜胺树脂及/或酚醛树脂的粘接力降低，存在板容易折断或一部分掉落的问题。而且，上述耐水性板由于进行热压缩成型而如板材压出，因此模样或形态无多样性，混合了蜜胺树脂及/或酚醛树脂的材料无法再利用而不环保。
于是，目前的状况是需要对不使用木材但歪斜少且强度优秀，而且环保，即使暴露在阳光中也不变色的复合材料进行研究。
发明内容
技术课题
本发明的目的是提供一种复合材料及该复合材料的制造方法，该复合材料强度优秀且能够无破碎、裂开、歪斜现象等的形态变化及变色而安全地长期使用。
而且，本发明的另一目的是利用复合材料提供地板材料、内装材料、家具材料、隔音壁、窗户等的室内装饰材料。
课题解决方案
为了达到上述目的，本发明的复合材料包含从甘蔗渣得到的纤维质55～75重量％及热塑性聚合物25～45重量％，上述纤维质的颗粒尺寸为40～120目，纤维质的长度与直径之比为3∶1至5∶1。
而且，本发明的复合材料的制造方法包括：纤维质的制造步骤；在高温下熔融混合已制造的纤维质55～75重量％和热塑性聚合物25～45重量％的步骤；以及挤压已混合的纤维质聚合物混合物的步骤，上述纤维质的制造步骤包括：将在甘蔗制糖工程中作为副产物得到的甘蔗渣进行干燥而加工成水的含量小于5重量％的甘蔗渣的步骤；将已加工的甘蔗渣放置在安装有网筛的传送带上除去芯并仅收集纤维质的步骤；在已收集的纤维质中加入水进行捣碎而使其软质化的步骤；以及将已软质化的纤维质用精炼机粉碎的步骤。
另外，本发明提供使用复合材料的室内装饰材料。
发明效果
本发明的复合材料由于主要使用甘蔗渣而环保，由于作为主材料的甘蔗渣与热塑性聚合物的结合力优秀并以高密度形成，因此拉伸强度、弯曲强度、冲击强度等强度及弹性优秀，而且不产生溶胀现象。并且，即使长期暴露在阳光中也不发生变色。
由于这种机械特性，复合材料不会因强大的外部力而破碎或裂开，不会因为由雨水及饮料之类的液体或阳光等所引起的溶胀现象而产生歪斜现象。
而且，本发明的复合材料类似于天然木材的自然质感及花纹，重量轻而便于搬运及施工，而且少受到来自害虫的攻击，因而与利用木材的复合材料相比，能够长期使用。
另外，这种复合材料能够熔化而再利用，因此能够制造地板材料、内装材料、家具材料、隔音壁、窗户等各种室内装饰材料和可代替防腐木的产品。
附图说明
图1是表示本发明的优选实施例的复合材料的制造方法的方框图。
具体实施方式
本发明涉及包含从甘蔗渣(Bagasse)得到的纤维质和热塑性聚合物而环保且强度优秀，并且可用作室内装饰材料的复合材料及其制造方法。
以下，详细说明本发明。
本发明的复合材料的特征在于，包含从甘蔗渣得到的纤维质55～75重量％及热塑性聚合物25～45重量％。而且，复合材料除了纤维质及热塑性聚合物之外还可以额外添加添加剂。
本发明中所使用的甘蔗渣适用甘蔗制糖工程中作为副产物得到的甘蔗渣。甘蔗渣(bagasse)是指从甘蔗的茎(杆)榨出蔗糖之后剩下的残渣，呈白色或淡黄色。
这种甘蔗渣作为代替木材、纤维等的原料而具有足够的价值，尤其用于制作代替由木材制造的合成木材(wood polymer composite)的复合材料，有效利用农产品系资源，从而提高农场的收益性，对于减少由焚烧引起的大气污染起到重要的作用。而且，甘蔗制糖工程后获得的甘蔗渣其密度和体积适合输送和储藏而便于使用。
本发明中使用的纤维质最好粉碎成微细的粉末而使用，此时，纤维质的颗粒大小为40～120目(mesh)，优选为80～100目(mesh)。如此粉碎的纤维质最好其长度与直径之比为3∶1或5∶1。
纤维质和热塑性聚合物在高温下熔融并且热塑性聚合物浸渍到纤维质的气孔内，从而制作纤维质聚合物混合物。因此，在上述纤维质的颗粒尺寸小于40目的情况下，由于纤维质的颗粒尺寸大，因此不形成纤维质与聚合物之间的配合，有可能产生聚合物或纤维质颗粒向一处堆积的现象，在颗粒尺寸超过120目的情况下，当混合纤维质和热塑性聚合物时，热塑性聚合物有可能无法浸渍到纤维质的气孔内。
而且，在纤维质的长度与直径之比小于3∶1的情况下，由于高分子物质无法充分浸渍到纤维质内，因此耐久性有可能降低，在长度与直径之比超过5∶1的情况下，由于长度长，因此热塑性聚合物有可能难以浸渍到纤维质气孔内。
从上述甘蔗渣得到的纤维质的含量为55～75重量％，优选为65～75重量％。此时，在纤维质的含量小于55重量％的情况下，热塑性聚合物的使用量增加而不环保，在纤维质的含量超过75重量％的情况下，热塑性聚合物的使用量少而强度降低，当暴露在水中时有可能产生歪斜。
上述热塑性聚合物是从聚丙烯(PP，polypropylene)、聚乙烯(PE，polyethylene)、聚苯乙烯(PS，polystyrene)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET，polyethylene terephthalate)及聚氯乙烯(PVC，polyvinyl chloride)中选择的一种或两种以上。而且，热塑性聚合物可以使用废塑料。
而且，可以在由纤维质和热塑性聚合物制造的纤维质聚合物混合物中追加添加剂，相对于纤维质聚合物100重量份，添加剂的含量为8～10重量份。
添加剂是从结合剂、抗氧剂、UV稳定剂、UV吸收剂、润滑剂、无机填充剂、着色剂、阻燃剂、热稳定剂、发泡剂中选择的一种或两种以上。本发明可以利用本发明的复合材料制造地板材料、内装材料、家具材料、隔音壁、窗户等室内装饰材料，此时添加剂的种类根据室内装饰材料的种类而不同。上述室内装饰材料均包含建筑物内部或建筑物外部的室内装饰材料。
例如，在用本发明的复合材料制造地板材料的情况下，相对于纤维质聚合物100重量份，可以使用UV稳定剂1～2重量份、UV吸收剂1～2重量份、着色剂2～4重量份、发泡剂1～2重量份，在制造内装材料、家具材料及隔音壁的情况下，相对于纤维质聚合物100重量份，可以使用无机填充剂0.5～2重量份、阻燃剂2～4重量份、结合剂2～4重量份。而且，在制造窗户的情况下，相对于纤维质聚合物100重量份，可以使用抗氧剂1～2重量份、热稳定剂1～2重量份、阻燃剂2～4重量份、润滑剂1～2重量份、着色剂1～2重量份。但是并不局限于此，在制造上述室内装饰材料时可以追加使用其他添加剂。
在上述添加剂中，结合剂是为了提高纤维质与热塑性聚合物的结合力而使用，抗氧剂切断氧气及紫外线而防止变色，UV稳定剂防止由UV引起的变色，UV吸收剂吸收UV，润滑剂增大作为微细粉末的纤维质的分散。而且，无机填充剂防止由冲击、热及负载引起的变形，着色剂给产品赋予颜色，阻燃剂用于提供耐热性强的产品，热稳定剂使在加工及使用中因热而产生的分解最小化，发泡剂起到使纤维质发泡的作用。
本发明的复合材料由于能够熔化后再使用，因此可以再利用。
图1是表示本发明的优选实施例的复合材料制造方法的方框图。
如图1所示，本发明的复合材料的制造方法包括：纤维质的制造步骤S110；在高温下熔融混合已制造的纤维质55～75重量％和热塑性聚合物25～45重量％的步骤S120；以及挤压已混合的纤维质聚合物混合物的步骤S130，上述纤维质制造步骤S110包括：将在甘蔗制糖工程中作为副产物得到的甘蔗渣进行干燥而加工成水的含量小于5重量％的甘蔗渣的步骤；将已加工的甘蔗渣放置在安装有网筛的传送带上除去芯并仅收集纤维质的步骤；在已收集的纤维质中放入水进行捣碎而使其软质化的步骤；以及将已软质化的纤维质用精炼机粉碎的步骤。而且，可以在S120步骤与S130步骤之间追加添加添加剂的步骤。
在制造纤维质的步骤S110中，纤维质从甘蔗渣得到。一般而言，甘蔗渣在刚进行制糖工程之后包含水20～40重量％左右，而在本发明中为了分离成芯(内杆)和纤维质，使甘蔗渣的水含量小于5重量％。在水含量为5重量％以上的情况下，芯粘贴在纤维质上而难以仅分离出纤维质，在复合材料内部产生气泡而使产品的质量降低。
以小于5重量％的水含量进行干燥的甘蔗渣在安装有网筛的传送带上移动的同时被分离成芯和纤维质。由于在传送带上设有尺寸为4.0～6.0mm的网筛，因此芯通过网筛向下掉落90％以上，纤维质无法通过网筛而是随着传送带移动并收集到一处。通过网筛分离的芯为甘蔗渣的大约1/3，纤维质为大约2/3。
网筛需要具备芯能通过而纤维质不能通过的尺寸的网目，如上所述尺寸优选为4.0～6.0mm。网筛安装在传送带上，安装方法没有特别限定。
传送带一般存在稍微摇晃的倾向，有利于甘蔗渣分离成芯和纤维质。但是，当将甘蔗渣放置在传送带上时，最好是稍微摇晃之后放置，这有利于芯与纤维质的分离。
如上所述分离的纤维质用足够量的水进行清洗。这是为了除去包含于纤维质的灰尘和在制糖后粘贴在纤维质上的糖分等异物，可以根据甘蔗渣的状态选择性地进行，其反复次数也可以调节。以往曾需要利用化学药品的清洗过程，但在本发明中用水就足以。在清洗后分别集中水和纤维质进行下一个步骤，已用于清洗的水在以后通过过滤而作为清洗用水再利用。
在除去了异物的纤维质中再放入水并经过捣碎并压实的过程而使其软质化。水含量没有特别限定，但最好以纤维质与水的重量比大约1∶1放入水有利于捣碎。在软质化过程中水起到将纤维质变成潮湿的状态而不使用化学药品也能进行软质化的作用。在该步骤中使用的水也可以再利用。
用于软质化的机构没有特别限定，但相比于利用金属类设备，优选使用由木头构成的设备，例如木臼等。若用金属类进行捣碎，则纤维质有可能严重受损或被压缩而歪斜。软质化压力可以根据纤维质的量以1～2kgf/cm2进行。
已软质化的纤维质挤出水之后用精炼机(refinery)进行粉碎而使其变成颗粒尺寸为40～120目且长度与直径之比为3∶1～5∶1。精炼机可以使用在本领域中通常使用的精炼机。一般在粉碎木材时使精炼机向正向驱动，而在本发明中为了使纤维质更好地膨胀，优选向逆向驱动。
由于甘蔗渣是轻质的性质，因此在吸收足够量的水的状态下进行压实就能实现软质化，在精炼机内圆盘的方向不是正向，而是为了使纤维质能够扭曲而向相反方向、例如逆向旋转，从而使纤维质更多地膨胀或散开，可以起到使纤维之间的结合变强的作用。从而，纤维质越是更多地膨胀，当制作成复合材料时纤维质之间的结合力越是增大而拉伸强度变得优秀。
混合纤维质和热塑性聚合物的步骤S120中，将在S110步骤中制造的纤维质55～75重量％和热塑性聚合物25～45重量％在150～200℃的高温下熔融混合而制造纤维质聚合物混合物。如此制造的纤维质聚合物混合物由于热塑性聚合物浸渍到膨胀的纤维质的气孔之间，从而使纤维质与热塑性聚合物之间的结合力增大，能够制造高密度的纤维质聚合物混合物。
挤压纤维质聚合物混合物的步骤130中，将在S120步骤中制造的纤维质聚合物混合物在130～140℃的温度下以20～25kgf/cm2的压力经过15～20分钟的热压过程进行挤压而得到复合材料。如此得到的复合材料根据成型结构进行成型后用冷却水冷却而维持形态，从而得到所需用途的内部或外装用室内装饰材料。
在上述S120步骤后还可以包括根据室内装饰材料的种类添加添加剂的步骤。
以下，为了有助于理解本发明而公开优选的实施例，但以下的实施例只是举例说明本发明，本领域技术人员应该明白在发明的范畴及技术思想范围内可以进行各种变形及修改，当然这种变形及修改也应属于所附的权利要求书范围内。
实施例1
将甘蔗渣加工成水含量为15重量％之后，放置在安装有尺寸为6.0mm的网筛的传送带上分离芯。于是，仅滤出尺寸超过6.0mm的纤维质，剩余的残留纤维和芯被分离掉。此时，纤维质为甘蔗渣的2/3左右。将如此得到的纤维质以3cm进行切断之后，进行清洗以除去残留的糖分和灰尘。结束清洗的纤维质以1∶1比例与水一起用2kgf/cm2压力进行5分钟的捣碎和压实，从而成为软质的纤维质。此时，设备利用木臼来代替金属类设备。
然后，将已软质化的纤维质用碎解工序利用精炼机粉碎纤维。此时，为了增加纤维质的膨胀，向逆向粉碎而不是正向。如此粉碎的纤维质的颗粒尺寸为90目，长度与直径之比为4∶1。
将如此得到的纤维质70g与聚丙烯30g在170℃下进行熔融混合之后，在140℃下用20kgf/cm2的压力挤压20分钟而制造了复合材料。
实施例2
用与上述实施例1相同的方法进行，在挤压之前添加UV稳定剂1g、UV吸收剂2g、着色剂4g、发泡剂2g而制造了复合材料。
实施例3
用与上述实施例1相同的方法进行，在挤压之前添加无机填充剂2g、阻燃剂3g、结合剂3g而制造了复合材料。
比较例1
用与上述实施例1相同的方法进行，使用颗粒尺寸为160目的纤维质制造了复合材料。
比较例2
用与上述实施例1相同的方法进行，使用长度与直径之比为6∶1的纤维质制造了复合材料。
比较例3
用与上述实施例1相同的方法进行，代替纤维质而使用木材70g制造了复合材料。
试验例
拉伸强度(MPa)：；利用KS M 3006(塑料拉伸性试验方法)测定拉伸强度(基准值：12MPa以上)。
弯曲强度(MPa)：利用KS M ISO 178(塑料弯曲性试验方法)测定弯曲强度(基准值：61～82MPa以上)。
弯曲弹性模量(MPa)：利用KS M ISO 178(塑料弯曲性试验方法)测定弯曲弹性模量(基准值：2100MPa以上)。
吸收率(％)：利用KS M 3015(塑料一般试验方法)测定水分的吸收率(基准值：3％以下)。
冲击强度(kgcm/cm2)：利用KS M 3055(塑料-艾氏冲击强度试验方法)测定冲击强度(基准值：12kgcm/cm2以上)。
湿润时尺寸变化率(％)：利用KS F 3126(装饰木质地板尺寸变化率试验方法)测定湿润时尺寸变化率(基准值：长度方向0.3％以下，厚度方向2％以下)。
以下表1是比较实施例1至3与比较例1至3的试验例的表。
表1
如上述表1所示，实施例1至3其拉伸强度、弯曲强度、冲击强度等强度及弹性优秀，而且几乎没有尺寸变化率，不产生溶胀现象。
相反，已经确认到，如比较例1及2，如果不按照本发明的实施例的纤维质的颗粒尺寸和长度与直径之比，则强度及弹性模量降低，尺寸变化率高而使复合材料弯曲或拉长。而且，相比于实施例1至3，比较例1至3的吸收率高，由此可知复合材料的耐久性降低。
另外，将实施例1至3及比较例1至3的复合材料暴露在UV中30天后用肉眼观察颜色变化的结果确认到，与利用了从甘蔗渣得到的纤维质的复合材料相比，使用木材的复合材料即比较例3逐渐变黄。

Claims (10)

1.一种复合材料的制造方法，其特征在于，
包括：纤维质的制造步骤；
在高温下熔融混合已制造的纤维质55～75重量％和热塑性聚合物25～45重量％的步骤，其中上述纤维质的颗粒尺寸为40～120目且长度与直径之比为3:1至5:1；以及
挤压上述已混合的纤维质聚合物混合物的步骤，
上述纤维质的制造步骤包括：将在甘蔗制糖工程中作为副产物得到的甘蔗渣进行干燥而加工成水的含量小于5重量％的甘蔗渣的步骤；将已加工的甘蔗渣放置在安装有网筛的传送带上除去芯仅收集纤维质的步骤；在已收集的纤维质中加入水进行捣碎而使其软质化的步骤；以及将已软质化的纤维质用精炼机粉碎的步骤，
其中，所述粉碎纤维质的步骤是向精炼机的逆向进行。
2.根据权利要求1所述的复合材料的制造方法，其特征在于，
在所述收集纤维质的步骤中使用的网筛的尺寸为4.0～6.0mm。
3.根据权利要求1所述的复合材料的制造方法，其特征在于，
在所述熔融混合纤维质和热塑性聚合物的步骤中，温度为150～200℃。
4.根据权利要求1所述的复合材料的制造方法，其特征在于，
在所述挤压纤维质聚合物混合物的步骤中，挤压在20～25kgf/cm2的压力、130～140℃的温度下进行15～20分钟。
5.一种由权利要求1所述的复合材料的制造方法制造的复合材料，
其中，热塑性聚合物浸渍在纤维质内，相对于上述浸渍的纤维质聚合物混合物100重量份，包含结合剂2至4重量份。
6.根据权利要求5所述的复合材料，其特征在于，
上述纤维质为65～75重量％，上述热塑性聚合物为25～35重量％。
7.根据权利要求5所述的复合材料，其特征在于，
上述纤维质的颗粒尺寸为80～100目。
8.根据权利要求5所述的复合材料，其特征在于，
上述热塑性聚合物是从由聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯及聚氯乙烯构成的组中选择的一种以上。
9.根据权利要求5所述的复合材料，其特征在于，
相对于上述纤维质聚合物混合物100重量份，以8～10重量份追加从由抗氧剂、UV稳定剂、UV吸收剂、润滑剂、无机填充剂、着色剂、阻燃剂、热稳定剂及发泡剂构成的组中选择的一种以上和上述结合剂。
10.一种室内装饰材料，包含权利要求5所述的复合材料。
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