CN102503335A

CN102503335A - 一种纤维石膏生态木材及其制备方法

Info

Publication number: CN102503335A
Application number: CN2011103383628A
Authority: CN
Inventors: 韦华; 童军; 戴一军
Original assignee: HUBEI GREENS NEW BUILDING MATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: Hubei Greens Environmental Materials Co ltd
Priority date: 2011-11-01
Filing date: 2011-11-01
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2031-11-01
Also published as: CN102503335B

Abstract

本发明涉及一种纤维石膏生态木材及其制备方法，其特征在于：采用如下组分的原料和重量比配方制的：半水硫酸钙：可分散植物纤维：化学助剂：清水=100：6.0～20.0：2～3.6：18.63～20。所述清水为半水硫酸钙水化所需反应水，所述植物纤维是经过经无机盐及碱液蒸煮浸泽，表面钝化基团瓦解的植物纤维。不以水泥、树脂或塑料为粘结剂，充分保留石膏基、植物纤维材料固有的可塑性、环保功能性，没有高温热熔苛刻工艺和有毒物质存在和释放，避免植物纤维的高温热失配，其连续辊压成型的实芯板材，更具有锯、钉、刨木感质感，具有成本低廉、保护环境、节约天然资源等优势。

Description

一种纤维石膏生态木材及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种建筑材料，具体地说是一种纤维石膏生态木材及生产方法的制备技术。

背景技术

我国是世界上木材资源相对短缺的国家，据国家最新统计资料显示，我国人均占有森林面积的数量仅为世界人均水平的21.3%，人均森林蓄积量仅为世界人均水平的八分之一。另据资料显示，我国人均木材消耗量为0.22m3，世界平均为0.65m3，发达国家平均为1.16m3，2010年木材供应缺口将达6000万m3。面对严峻形势和我国林业政策的调整，随着国家天然林保护工程的实施，木材供应不足的局面将继续下去，充分利用代木资源，势在必行。植物纤维诸如秸秆、甘蔗、锯末等是自然界中最为丰富而且可以再生的生物质资源。公知的植物纤维资源化技术方案中，比较有代表性的技术有如下几种：人造板（纤维板、刨花板、层板）、造纸，从木材资源的市场缺乏直接导向为木材利用是植物纤维资源利用的主要途径，开发成本低廉、性能优越稳定、绿色环保的生态仿木材技术是缓解木材缺乏、植物纤维资源化利用的发展趋势。目前国内生产的各种人造木材主要有三种类型:一是以热固性聚合物如脲醛树脂、酚醛树脂为粘接剂的人造木材；二是以水泥、石膏、菱镁土为粘接剂的刨花板；三是以热塑性聚合物如聚乙烯、聚氯乙烯为代表的木塑材料。

以热固性树脂基人造板以脲醛树脂、酚醛树脂为粘接剂而存在游离甲醛与游离酚污染问题；以热塑性聚合物为基料的木塑材料由于老化、降解以及层析而导致氯气析出散发，皆不符合人类健康要求，其制品应用领域存在局限性。

以无机材料水泥、石膏、菱镁土为粘接剂，植物纤维作增强材料，添加适量复合添加剂制备的无机--植物纤维刨花板具有轻质、隔声、隔热、防火的建筑功能以及木材良好的机械加工性能，可钉、可锯、可刨等，装配方便，其中石膏基特有的环境功能性赋予材料更具竞争力。CN2006100383.5在工艺方面以加压时给以适当的温度条件，解决了现有的生产工艺中生产空心石膏刨花板中缩短其加压固化时间、提高物理力学性能的难题。CN01130495.2以蔗渣代替木质刨花，石膏基比例达到75%，蔗渣比例为21%，采用压制成型，扩展了植物纤维的种类及利用。国内外的研究主要包括对工艺参数、原料、添加剂的调整以提高石膏刨花板的性能，通过木膏比和水膏比的研究以及温度对石膏水化和凝固硬化过程影响的研究，主要存在的问题包括两方面：第一，石膏基胶凝组分强度低，通过矿物掺合料改性增强；第二，石膏基胶凝组分与植物纤维界面结合力差、植物纤维掺量低，产品木质化程度不显著，基于此，目前的技术都是通过偶联剂来实现无机填料和有机高分子之间的“分子桥”，如硅烷、钛酸酯偶联剂的使用增加植物剩余物与石膏基的相容性，降低界面的自由能，但若植物剩余物大多经过较长时间的自然堆放，结构中芳香基、羟基、羰基、羧基甲氧基等共轭双键活性基团的钝化，丧失偶联剂作用效果。与现有专利文件以及研究现状对比，本专利以半水硫酸钙的水化反应为原材料的组合机理，借助连续的辊压成型方式，以半水硫酸钙水化理论所需反应水为成型水，在微观结构层面上形成致密的硫酸钙网络晶体，宏观上表现出良好的物理力学性能。

综上所述，以半水硫酸钙为无机胶凝组分，以植物纤维为增强相制备纤维石膏生态木材是缓解木材紧缺、植物纤维资源化利用的发展趋势。公知专利及技术存在从微观结构、水化机理、成型方式等本质层面的空乏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纤维石膏生态木材及制备方法，在微观结构层面上形成致密的硫酸钙网络晶体，宏观上表现出良好的物理力学性能。以替代日渐稀缺的天然木材和非环保性的人造木材，从而为生态环境良性循环和资源永续不衰提供技术支撑。

本发明采用如下技术方案实现其发明目的，一种纤维石膏生态木材，其特征在于：采用如下组分的原料和重量比配方制的：

半水硫酸钙：可分散植物纤维：化学助剂：清水=100：6.0～20.0：2～3.6：18.63～20；

1）半水硫酸钙为天然α型、天然β型、工业α型、工业β型中的一种或几种；

2）可分散植物纤维为：蔗渣、锯末、玉米秸秆中的一种或几种；

3）化学助剂：组分为乙烯/醋酸乙烯酯共聚物的水溶性可分散粉、防水硅粉、硫铝酸钠、柠檬酸钾按其重量比1: 1：0.05～0.08:0.03～0.05复配而得；

4）清水：以半水硫酸钙水化所需反应水为成型用水，根据其半水硫酸钙的含水量微量调整。

如上所述的一种纤维石膏生态木材，其特征在于：所述植物纤维是经过经无机盐及碱液蒸煮浸泽，表面钝化基团瓦解的植物纤维。裸露出活性基团，其基体与植物纤维界面存在有机共轭基团的键桥，而非单一的物理搭接。通过处理剂的浸泡蒸煮，有效提高了两者的相容性，界面结合更为稳定。

一种纤维石膏生态木材的制备方法，其特征在于：用上述原材料及重量比配方，按如下步骤完成：

1）原材料预处理：植物纤维破碎处理或以喷射切断为长度5～12㎜、宽度0.5～5㎜、厚度0.1～5㎜的碎屑或短丝形状，直接使用硅酸钠、碳酸钠、石灰、硫酸铝、硫酸铝钾中的一种或几种处理剂的水溶液浸泡蒸煮2小时后离心脱水干燥至含水率＜3.5%。处理剂的用量为植物纤维的0.5～3%，处理剂水溶液浓度为0.01～5%，浸煮温度为室温至沸腾（96℃）；

2）计量搅拌：半水硫酸钙、可分散植物纤维、化学助剂按上述重量配比分别计量后预混合为标准粉料；

3）半湿料搅拌：标准粉体、清水精确连续计量进入连续混料装置，在强制连续螺杆推进式搅拌机内混合均匀成半湿状混合料；

4）辊压成型：以半水硫酸钙水化反应所需的理论用水为成型用水，以半水硫酸钙水化时间为成型时间进行辊压，即以半水硫酸钙的水化反应为成型机理，辊压压强0.1～3.0兆帕；

5）切割打磨：脉冲辊在成型试样表面同步滚动，达到产品设定规格时发出脉冲讯号进行切割处理，切割样分别进入打磨台进行打磨处理；

6）干燥抛光：进入隧道式干燥窑进行干燥，要求制品含水率≤3.0%后进入抛光台进行抛光处理。

本发明的纤维石膏生态木材不以水泥、树脂或塑料为粘结剂，充分保留石膏基、植物纤维材料固有的可塑性、环保功能性，没有高温热熔苛刻工艺和有毒物质存在和释放，避免植物纤维的高温热失配，其连续辊压成型的实芯板材，更具有锯、钉、刨木感质感，具有成本低廉、保护环境、节约天然资源等优势。

附图说明

图1是本发明实施例的工艺流程图；

图2是本发明实施例的半水硫酸钙水化产物的微观晶体图。

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步说明。

实施例1：

1、重量配方组成

1）半水硫酸钙：β-型脱硫半水石膏80份、α-脱硫半水石膏20份；

2）植物纤维：蔗渣20份；

3）化学助剂：水溶性可分散粉1.0份、防水硅粉1.0份、硫铝酸钠0.05份、柠檬酸钾0.03份；

4）清水：18.75份。

2、生产制备工艺：

（1）原材料预处理：蔗渣破碎为长度5～12㎜、宽度0.5～5㎜、厚度0.1～5㎜的碎屑或短丝形状，直接使用硅酸钠、石灰的水溶液浸泡蒸煮2小时后离心脱水至湿含量为20～25%。

（2）计量搅拌：β-型脱硫半水石膏80份、α-脱硫半水石膏20份、蔗渣20份、化学助剂2.08份分别精确计量后于搅拌机内混合搅拌为标准粉料；

（3）混合强制搅拌：由螺旋输送标准粉料、流量泵连续计量清水，螺旋搅拌推送标准半湿混合料，搅拌时间：10～25秒；

（4）压制成型：连续辊压成型，压强0.6～3.0兆帕；

（5）切割打磨: 脉冲辊在成型试样表面同步滚动，达到产品设定规格时发出脉冲讯号进行切割处理，切割样分别进入打磨台进行打磨处理；

（6）干燥抛光:制品采用自然干燥或者干燥窑烘干干燥，自然干燥方式3～5天，干燥窑烘干方式其干燥温度设定为50～65℃，干燥10～12小时，当含水率小于3.5（重量）%时成为半成品进入抛光台进行抛光处理。

实施例2：

1、重量配方组成

1）半水硫酸钙：β-型脱硫半水石膏100份；

2）植物纤维：蔗渣20份；

3）化学助剂：水溶性可分散粉1.0份、防水硅粉1.0份、硫铝酸钠0.08份、柠檬酸钾0.05份；

4）清水：20份。

2、生产制备工艺：

（2）计量搅拌：β-型脱硫半水石膏100份、蔗渣20份、化学助剂2.13份分别精确计量后于搅拌机内混合搅拌为标准粉料；

（4）压制成型：连续辊压成型，压强2.0～3.0兆帕；

实施例3：

1、重量配方组成

1）半水硫酸钙：α-型脱硫半水石膏100份；

2）植物纤维：蔗渣12份、锯末8份；

3）化学助剂：水溶性可分散粉0.8份、防水硅粉0.8份、硫铝酸钠0.05份、柠檬酸钾0.03份；

4）清水：19.17份。

2、生产制备工艺：

（1）原材料预处理：蔗渣破碎为长度5～12㎜、宽度0.5～5㎜、厚度0.1～5㎜的碎屑或短丝形状，锯末直接使用，两者按配比计量完毕后，直接使用硅酸钠、石灰的水溶液浸泡蒸煮2小时后离心脱水至湿含量为20～25%。

（2）计量搅拌：α-型脱硫半水石膏100份、蔗渣12份、锯末8份、化学助剂1.68份分别精确计量后于搅拌机内混合搅拌为标准粉料；

（4）压制成型：连续辊压成型，压强2.0～3.0兆帕；

本实施例的半水硫酸钙水化产物的微观晶体图如图2所示，其显微倍数是5000倍，从图中可以看出，硫酸钙水化晶体的外观形貌由纤维柱状转晶为板状网络结构，其晶体大小约为30×30μm，长径比为0.8～1.2，晶体与晶体之间不是简单的物理堆砌搭接，而是呈相互连生、相互咬合，形成“近程分散、远程连续”的致密网络结构。与传统的半水硫酸钙水化产物微观晶体结构相比，晶体形貌更为粗状、长径比小而更为稳定、晶体分布更为紧密；与硅酸钙水化产物的微观晶体结构相比，其致密板状的网络晶体结构比雪融状的C-S-H(水化硅酸钙)晶体结构更为稳定、致密，从而在宏观上表现出优异的物理力学性能。

本发明的多个实施例重量组分如下：

原材料	配比范围	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
							半水硫酸钙	100	100	100	100	100	100
α型		20	0	100	50	80
							β型		80	100	0	50	20
植物纤维	6.0～20.0	20	20	20	20	20
							蔗渣		20	20	12	8	0
锯末		0	0	8	12	20
							化学助剂	2.0～3.6	2.08	2.13	1.68	2.13	2.08
水溶性可分散粉	1	1	1	0.8	1	1
							防水硅粉	1	1	1	0.8	1	1
硫铝酸钠	0.05～0.08	0.05	0.08	0.05	0.08	0.05
							柠檬酸钾	0.03～0.05	0.03	0.05	0.03	0.05	0.03
清水	18.63～20	18.75	20	19.17	19.50	18.90

本发明所述的水溶性可分散粉是：乙烯/醋酸乙烯酯共聚物的水溶性可分散粉，商品名为VAE乳胶粉。

本发明的水化反应用水是清水，其配备比以半水硫酸钙的水化反应所需理论用水为基准，半水硫酸钙的水化反应为：

CaSO₄.0.5H₂O+1.5 H₂O→CaSO₄.2H₂O

分子量： 145 27 172

84.3 15.7 100

其中：15.7/84.3×100%=18.32%即为水化反应理论用水。

本实施例的纤维石膏生态木材的物理力学性能如下：

Figure 2011103383628100002DEST_PATH_IMAGE001

Claims

1.一种纤维石膏生态木材，其特征在于：采用如下组分的原料和重量比配方制的：半水硫酸钙：可分散植物纤维：化学助剂：清水=100：6.0～20.0：2～3.6：18.63～20；

半水硫酸钙：天然α型、天然β型、工业α型、工业β型中的一种或几种；

可分散植物纤维：蔗渣、锯末、玉米秸秆中的一种或几种；

化学助剂：组分为乙烯/醋酸乙烯酯共聚物的水溶性可分散粉、防水硅粉、硫铝酸钠、柠檬酸钾按其重量比1: 1：0.05～0.08:0.03～0.05复配而得；

清水：以半水硫酸钙水化所需反应水为成型用水，根据其半水硫酸钙的含水量微量调整。

2.如权利要求1所述的纤维石膏生态木材，其特征在于：所述植物纤维是经过经无机盐及碱液蒸煮浸泽，表面钝化基团瓦解的植物纤维。

3.，其特征在于按如下步骤完成：

1）原材料预处理：植物纤维破碎处理或以喷射切断为长度5～12㎜、宽度0.5～5㎜、厚度0.1～5㎜的碎屑或短丝形状，直接使用硅酸钠、碳酸钠、石灰、硫酸铝、硫酸铝钾中的一种或几种处理剂的水溶液浸泡蒸煮2小时后离心脱水干燥至含水率＜3.5%；处理剂的用量为植物纤维的0.5～3%，处理剂水溶液浓度为0.01～5%，浸煮温度为室温至沸腾；