CN102515604A - 增强水泥轻质墙材用农林废弃纤维的机械制浆方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供增强水泥轻质墙材用农林废弃纤维的机械制浆方法,是将农林废弃纤维(如秸秆、甘蔗渣等)经过氢氧化钠溶液、氢氧化钙溶液或亚硫酸钠溶液表面预处理之后,经进一步揉搓细化,再进行两段高浓磨浆处理,即得到机械纤维浆料。该浆料与水泥混合制备农林废弃纤维增强水泥轻质墙材。采用该机械制浆方法能有效地改善植物纤维形貌,所得的浆料能促进水泥水化进程,由此制得的墙材具有密度小、质量轻、强度高、保温性能和隔音性能好等特点,并且本发明还为农业废弃物的高效综合利用提供了新途径。
Description
技术领域
本发明涉及建筑用植物纤维增强水泥轻质墙材,具体涉及增强水泥轻质墙材用农林废弃纤维的机械制浆方法。
背景技术
目前,由农林可再生植物资源转化获得新材料、高热值能源、化工原料及药物正成为一种重要的发展趋势,高效、环保地利用这些生物质材料具有十分重要的意义。植物纤维是自然界最为丰富的天然高分子材料,自然界中每年生长的纤维素总量多达千亿吨,远远超过了地球上现存石油的总储量。植物纤维的纤维形态具有长径比大,比强度高,比表面积大等优点,特别是中空结构特点。
传统的建筑墙体材料一般都是以黏土、砂石和水泥等为原料,经泥料处理、成型、干燥和焙烧而成,虽具有价格低、经久耐用、防火隔热及吸潮等性能,但也有砖块小,质量大、耗原料多、污染环境等缺陷。随着建筑设计要求逐渐提高以及来自环境保护和能源紧缺等方面的压力,绿色植物纤维作为作为一种新型建筑材料已在建筑物内外墙中得到应用。植物纤维作为建筑材料具有价格低廉、环保、弯曲模量、弹性模量高、保温效果好和重量轻等优点。在水泥砖制坯过程中添加植物纤维, 不仅可克服普通水泥制品容易干缩的不足,还可起到增强的作用。普通的硅酸盐水泥碱性较高,对植物纤维有很强的腐蚀作用,甚至会对其产生降解作用,阻碍水泥的水化过程,因在混合前此须对植物纤维进行表面预处理。常用的预处理方法是加入稀碱液保温处理一段时间,去除半纤维素的多糖物质,在与水泥的混合过程中加入助凝剂,提高水化进程。
高效利用农林废弃纤维原料,如麦秆、稻草、甘蔗渣等可再生资源,经过表面预处理,制备高性能的植物纤维增强水泥轻质墙材,代替目前广泛使用的粘土砖、水泥砖和木质水泥刨花板,具有十分重要的现实意义。
发明内容
为提高农林废弃纤维原料的利用率及提高水泥轻质墙材的性能,本发明提供增强水泥轻质墙材用农林废弃纤维的机械制浆方法,将农林废弃纤维原料经过表面预处理并高浓磨浆处理后,与水泥混合制备植物纤维增强水泥轻质墙材。该方法能有效地改善植物纤维形貌,促进水泥水化进程,降低材料密度,提高材料的抗拉、抗压、弯曲以及剪切强度。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
(1)农林废弃纤维的前处理:将农林废弃纤维进行粗切细化,除去原料中的砂石及大块杂质;
(2)农林废弃纤维的预处理:按照液固比10:1~30:1将碱液与经步骤(1)处理后得的农林废弃纤维混合后,在温度50℃~100℃、压力0.1Mpa~1.0Mpa的条件下预处理30min~300min,然后脱水得到农林废弃纤维粗料;
(3)使用双螺杆纤维搓磨分丝机对步骤(2)得到de 农林废弃纤维粗料脱水后进一步搓磨细化;
(4)将步骤(3)得到的农林废弃纤维粗料进行两段高浓磨浆:一段磨浆浓度为10%~20%,磨盘间隙4mm~8mm;二段磨浆浓度5%~10%,磨盘间隙1mm~4mm,得到增强水泥轻质墙材用农林废弃纤维。
进一步的,所述步骤(2)碱液为氢氧化钠溶液、氢氧化钙溶液或亚硫酸钠溶液。
上述碱液中碱用量相当于磨后浆料绝干量的0.2~5.0%。根据具体采用的碱溶液的碱度的不同,适当调整碱用量,比如氢氧化钠(其碱用量为相对于磨后浆料绝干量的0.2~2.0%)、氢氧化钙(其碱用量为相对于磨后浆料绝干量的0.5~5.0%)、氨水(其碱用量为相对于磨后浆料绝干量的0.5~5.0%)和亚硫酸钠(其碱用量相当于磨后浆料绝干量0.5~5.0%)。
所述农林废弃纤维为稻草、麦草、高粱秆、玉米秆、芦苇、甘蔗渣中的一种以上。
所述步骤(4)一段磨浆磨后浆料的打浆度为10~25°SR,二段磨浆磨后浆料的打浆度为12~25°SR。根据具体采用的原料性质的差异,打浆度略有不同。例如,稻草经一段磨浆后浆料打浆度约10~20°SR,二段磨浆后浆料打浆度为15~25°SR;麦草经一段磨浆后浆料打浆度为12~25°SR,二段磨浆后浆料打浆度为15~28°SR;甘蔗渣经一段磨浆后浆料打浆度为18~25°SR,二段磨浆后浆料打浆度为15~20°SR。
进一步的,所述步骤(4)中两段高浓磨浆之间的时间间隔为3min~5min。
步骤(1)所述粗切细化具体为切碎、撕碎、压碎或碾碎,粗切细化后秸秆类的长度为1~15cm。
利用上述得到的农林废弃纤维制造增强水泥轻质墙材的方法参考(孙成栋,植物纤维水泥复合板,新型建筑材料[J],2000,6:25-27):将本发明得到的植物纤维增强水泥轻质墙材用浆1份(以绝干量计)、陶瓷粉尘5份、425#硅酸盐水泥10份混合均匀,再加水5份后搅拌成浆料,加助凝剂氯化钙0.5份后继续搅拌均匀;然后将混合好的浆料注入模具,高温蒸压(120℃,40Mpa)12小时,脱模后养护10天,即得到增强水泥轻质墙材,外型尺寸为240mm×100mm×50mm。
与现有的技术相比,本发明具有以下特点:
(1)本发明的机械制浆方法中添加了相应的化学助剂(碱液)对纤维表面进行处理,引入双螺杆搓磨分丝技术和高浓磨浆技术,以农林废弃纤维作为原料与水泥进行混合制备复合轻质墙体材料,投资小,降低了此类墙体材料的生产成本,易于推广普及。
(2)与传统的墙体材料相比,采用本发明获得的农林废弃纤维,制备的植物纤维增强水泥复合轻质墙体材料具有密度小、质量轻、强度高、保温性能和隔音性能好等特点。
(3)本发明利用农林废弃纤维为原料,采用低能耗、环保的方法充分利用可再生植物资源,符合国家环境保护及可持续发展的要求。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行进一步说明,但不限于此。
实施例1
稻草原料经过切草机初切,尺寸为6cm(平均值,下同);用氢氧化钠碱液对稻草原料进行预处理,氢氧化钠用量为0.5%(相对于绝干原料),液固比20:1,温度50℃,压力0.1Mpa,处理时间60min;进行螺旋挤压脱水后原料的干度为25%。然后用双螺杆搓磨分丝机进行稻草原料的进一步细化,细化后原料干度为35%;用高浓盘磨机对细化后的原料进行疏解,第一段磨浆浓度15%,盘磨间距4mm,第二段磨浆浓度8%,盘磨间距1mm,两段磨浆的间隔时间为4min。一段磨浆后稻草浆的打浆度为19°SR,纤维长度为1.5cm(平均值,下同),二段磨浆后打浆度为28°SR,纤维长度为0.8cm(平均值,下同)。
轻质墙体材料的成型:取上述得到的纤维浆料1份(以绝干量计),[w1] [w2] 5份,425#硅酸盐水泥10份混合均匀,加水5份后搅拌成浆料,加助凝剂氯化钙0.5份;将混合好的浆料注入模具,高温蒸压12小时,脱模后养护10天,得到增强水泥轻质墙材,其外型尺寸为240mm×100mm×50mm。
实施例2
麦草原料经过切草机初切,尺寸为8cm;用氨水对麦草原料进行预处理,氨的用量为1%(相对于绝干原料),液固比30:1,温度70℃,压力0.1Mpa,处理时间40min;进行螺旋挤压脱水后原料的干度为25%。然后用双螺杆挫磨分丝机进行麦草原料的进一步细化,细化后原料干度为32%;用高浓盘磨机对细化后的原料进行疏解,第一段磨浆浓度12%,盘磨间距5mm,第二段磨浆浓度6%,盘磨间距1.5mm,两段磨浆的间隔时间为4min。一段磨浆后麦草浆的打浆度为14°SR,纤维长度为2.4cm,二段磨浆后打浆度为22°SR,纤维长度为1.1cm。
轻质墙体材料的成型:取上述得到的纤维浆料1份(以绝干量计),陶瓷粉尘5份,425#硅酸盐水泥10份混合均匀,加水5份后搅拌成浆料,加助凝剂氯化钙0.5份;将混合好的浆料注入模具,高温蒸压12小时,脱模后养护10天,得到增强水泥轻质墙材,其外型尺寸为240mm×100mm×50mm。
实施例3
甘蔗渣原料经过粉碎机粉碎,尺寸为3cm;用亚硫酸钠对甘蔗渣原料进行预处理,亚硫酸钠的用量为2%(相对于绝干原料),液固比25:1,温度80℃,压力0.15Mpa,处理时间50min;进行螺旋挤压脱水后原料的干度为23%。然后用双螺杆搓磨分丝机进行蔗渣原料的进一步细化,细化后原料干度为35%;用高浓盘磨机对细化后的原料进行疏解,第一段磨浆浓度16%,盘磨间距4mm,第二段磨浆浓度8%,盘磨间距2.0 mm,两段磨浆的间隔时间为5min。一段磨浆后蔗渣浆的打浆度为21°SR,纤维长度为1.0cm,二段磨浆后打浆度为19°SR,纤维长度为0.4cm。
轻质墙体材料的成型:取上述得到的纤维浆料1份(以绝干量计),陶瓷粉尘5份,425#硅酸盐水泥10份混合均匀,加水5份后搅拌成浆料,加助凝剂氯化钙0.5份;将混合好的浆料注入模具,高温蒸压12小时,脱模后养护10天,得到增强水泥轻质墙材,其外型尺寸为240mm×100mm×50mm。
实施例4
甘蔗渣原料经过粉碎机粉碎,尺寸为3cm;用氢氧化钙对甘蔗渣原料进行预处理,氢氧化钙的用量为3.5%(相对于绝干原料),液固比30:1,温度80℃,压力0.2Mpa,处理时间120min;进行螺旋挤压脱水后原料的干度为25%。然后用双螺杆挫磨分丝机进行蔗渣原料的进一步细化,细化后原料干度为32%;用高浓盘磨机对细化后的原料进行疏解,第一段磨浆浓度15%,盘磨间距3.5mm,第二段磨浆浓度5%,盘磨间距1.8mm,两段磨浆的间隔时间为5min。一段磨浆后蔗渣浆的打浆度为21°SR,纤维长度为0.8cm,二段磨浆后打浆度为21°SR,纤维长度为0.2cm。
轻质墙体材料的成型:取上述得到的纤维浆料1份(以绝干量计),陶瓷粉尘5份,425#硅酸盐水泥10份混合均匀,加水5份后搅拌成浆料,加助凝剂氯化钙0.5份;将混合好的浆料注入模具,高温蒸压12小时,脱模后养护10天,得到增强水泥轻质墙材,其外型尺寸为240mm×100mm×50mm。
实施例5
稻草原料经过切草机初切,尺寸为5cm;用氢氧化钠碱液对稻草原料进行预处理,氢氧化钠用量为1.0%(相对于绝干原料),液固比30:1,温度80℃,压力0.2Mpa,处理时间120min;进行螺旋挤压脱水后原料的干度为22%。然后用双螺杆挫磨分丝机进行稻草原料的进一步细化,细化后原料干度为33%;用高浓盘磨机对细化后的原料进行疏解,第一段磨浆浓度12%,盘磨间距3.5mm,第二段磨浆浓度5%,盘磨间距1.5mm,两段磨浆的间隔时间为5min。一段磨浆后稻草浆的打浆度为20°SR,纤维长度为1.2cm,二段磨浆后打浆度为24°SR,纤维长度为0.6cm。
轻质墙体材料的成型:取上述得到的纤维浆料1份(以绝干量计),陶瓷粉尘5份,425#硅酸盐水泥10份混合均匀,加水5份后搅拌成浆料,加助凝剂氯化钙0.5份;将混合好的浆料注入模具,高温蒸压12小时,脱模后养护10天,得到增强水泥轻质墙材,其外型尺寸为240mm×100mm×50mm。
实施例6
玉米秸秆原料经过切草机初切,尺寸为5cm;用氨水对稻草原料进行预处理,氢氧化钠用量为0.8%(相对于绝干原料),液固比20:1,温度50℃,压力0.2Mpa,处理时间90min;进行螺旋挤压脱水后原料的干度为21%。然后用双螺杆挫磨分丝机进行稻草原料的进一步细化,细化后原料干度为34%;用高浓盘磨机对细化后的原料进行疏解,第一段磨浆浓度15%,盘磨间距4mm,第二段磨浆浓度5%,盘磨间距2mm,两段磨浆的间隔时间为5min。一段磨浆后稻草浆的打浆度为16°SR,纤维长度为1.5cm,二段磨浆后打浆度为17°SR,纤维长度为0.8cm。
轻质墙体材料的成型:取上述得到的纤维浆料1份(以绝干量计),陶瓷粉尘5份,425#硅酸盐水泥10份混合均匀,加水5份后搅拌成浆料,加助凝剂氯化钙0.5份;将混合好的浆料注入模具,高温蒸压12小时,脱模后养护10天,得到增强水泥轻质墙材,其外型尺寸为240mm×100mm×50mm。
物理性能的检验
表中1号、2号、3号、4号、5号和6号分别代表由实施例1至6得到的浆料制备的农林废弃纤维增强水泥轻质墙材,7号对照组代表普通水泥砖墙,其轻质墙材的成型工艺与各实施例的相同,仅仅是用相同份数的水泥取代纤维浆料。将各实施例所制得的增强水泥轻质墙材及对照组的普通水泥砖墙进行强度、密度、吸水率、导热系数及隔声性能的测定,测试结果分别如表1至表5所示。
采用农林废弃纤维制备增强水泥轻质墙材,因植物纤维具有弹性模量高、韧性大的特点,故能大大增强墙材的强度性能;又因植物纤维为中空结构,故可提高墙材的保温隔热性能;此外,农林废弃纤维浆料质量轻、比重低,在相同体积条件下,加入农业废弃纤维浆料可大大减轻墙材的重量,实现墙材轻质化生产。
(1)强度性能的测定
表1
表1中各项强度指标显示添加农林废弃纤维制备的复合墙体材料具有较好的强度,且明显优于未添加纤维原料的普通水泥砖墙。此外,不同打浆度的纤维原料的制备砖墙也表现出不同的强度性能,打浆度越高,有利于提高纤维间的氢键连接,得到的材料强度性能越好。
(2)密度的测定
表2
由表2数据显示,本发明制备的墙体材料密度明显低于普通水泥砖墙,具有质轻的特点。
(3)吸水率的测定
隔音性能的测定参照GB/T3810.3-1999标准进行,结果如表3所示:
表3
添加农林废弃纤维的的复合墙材吸水率有一定程度的提高,是由于纤维表面的氢键吸水所致。
(4)导热系数的测定
利用通用导热系数仪分别测定各实施例浆料制得的复合墙体材料的导热系数如表4所示:
表4
由表4数据显示,加入农林废弃纤维制备的水泥复合墙体材料具有较低的导热系数,说明其具有优良的隔热保温性能,且打浆度对材料隔热性能影响较小。
(5)隔声性能的测定
隔音性能的测定参照ISO 140-12-2000标准进行,结果如表5所示:
表5
表5中数据显示植物纤维增强水泥轻质墙材具有良好的隔声性能,主要是植物纤维具有中空结构,能提高材料的隔音性能,且打浆度越高隔音效果更佳,显著优于普通水泥砖墙。
Claims (8)
1.增强水泥轻质墙材用农林废弃纤维的机械制浆方法,其特征在于步骤如下:
(1)农林废弃纤维的前处理:将农林废弃纤维进行粗切细化,以除去原料中的砂石及大块杂质;
(2)农林废弃纤维的预处理:按照液固比10:1~30:1将碱液与经步骤(1)处理后的农林废弃纤维混合后,在温度50℃~100℃、压力0.1Mpa~1.0Mpa的条件下预处理30min~300min,然后脱水得到农林废弃纤维粗料;
(3)使用双螺杆纤维搓磨分丝机对步骤(2)脱水后得到的农林废弃纤维粗料进一步搓磨细化;
(4)将步骤(3)得到的农林废弃纤维粗料进行两段高浓磨浆:一段磨浆浆浓为10%~20%,磨盘间隙4mm~8mm;二段磨浆浆浓5%~10%,磨盘间隙1mm~4mm,得到农林废弃纤维增强水泥轻质墙材用浆。
2.根据权利要求1所述的机械制浆方法,其特征在于步骤(2)所述碱液为氢氧化钠溶液、氢氧化钙溶液或亚硫酸钠溶液。
3.根据权利要求2所述的机械制浆方法,其特征在于步骤(2)所述碱液中的碱用量相当于磨后浆料绝干量的0.2~5.0%。
4.根据权利要求1所述的机械制浆方法,其特征在于所述步骤(4)一段磨浆磨后浆料的打浆度为10~25°SR,二段磨浆磨后浆料的打浆度为12~25°SR。
5.根据权利要求1所述的机械制浆方法,其特征在于所述步骤(4)两段高浓磨浆之间的时间间隔为3min~5min。
6.根据权利要求1所述的机械制浆方法,其特征在于步骤(1)所述粗切细化为切碎、撕碎、压碎或碾碎,粗切细化后农林废弃纤维的长度为1 cm~15cm。
7.根据权利要求1至6之一所述的机械制浆方法,其特征在于步骤(1)所述农林废弃纤维为稻草、麦草、高粱秆、玉米秆、芦苇、甘蔗渣中的一种以上。
8.根据权利要求7所述的机械制浆方法,其特征在于所述稻草经一段磨浆后浆料打浆度为10~20°SR,二段磨浆后浆料打浆度为15~25°SR;麦草经一段磨浆后浆料打浆度为12~25°SR,二段磨浆后浆料打浆度为15~28°SR;甘蔗渣经一段磨浆后浆料打浆度为18~25°SR,二段磨浆后浆料打浆度为15~20°SR。
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