CN102672789A

CN102672789A - 一种耐久木竹质纤维素类复合材料

Info

Publication number: CN102672789A
Application number: CN2012101958254A
Authority: CN
Inventors: 王建和; 葛诗健; 许武雄
Original assignee: 王建和; 葛诗健; 许武雄
Current assignee: Ningbo Zhongjia Low Carbon New Technology Research Institute Co., Ltd.
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2032-06-14
Also published as: CN102672789B

Abstract

本发明涉及不使用防腐剂或杀菌剂的高性能耐久人造板产品制造领域人造板产品制造领域，尤其是一种耐久木竹质纤维素类复合材料。一种耐久木竹质纤维素类复合材料，由木竹质纤维或植物纤维施加高碱性改性酚醛树脂胶及助剂后热压制成。本发明的有益之处：低碳绿色环保，建造的户外户内景观工程、装修工程和住宅具有木材质地，自然亲切、保温、环保、抗震能力强等优势，使用寿命长，可大大降低温室气体的排放，从而达到节能减耗的综合效果。

Description

一种耐久木竹质纤维素类复合材料

技术领域

本发明涉及不使用防腐剂或杀菌剂的高性能耐久人造板产品制造领域人造板产品制造领域，尤其是一种耐久木竹质纤维素类复合材料。

背景技术

为应对全球气候变化，中国政府承诺到2020年，单位国内生产总值二氧化碳排放应比2005年下降40-45%。为此，中国的产业结构将实现大规模调整，对高耗能、高污染产业将实行淘汰和限制，对于环保产业、低碳新技术等领域将大力扶持。

在人类的各种社会活动和生活中都离不开建材，而中国又是世界上最大的建材生产和消费国，中国水泥、平板玻璃、卫生陶瓷、石材、墙体材料和地板等产量多年居世界首位。当前建材行业的发展重点在于大力发展低碳新技术，开发绿色或生态建材。推进技术进步和自主创新，加快产业结构调整；加快产品升级换代，以节能减排为中心，大力发展循环经济，实现可持续发展。今后新建材产品首先是绿色和低碳排放，减少废气、废渣、废水排放，减少环境污染和温室效应，节约资源和能源；其次是容易回收和可循环利用。低碳、环保和健康是建材企业应追求的产品质量指标，建立以人为本，利用自然条件和人工手段来创造一个有利于居住、舒适、健康的生活环境，同时又要控制自然资源的使用，多使用人造、复合、可循环利用的材料，有利于保护大生态环境，实现向自然索取与得到自然回报之间的平衡。新建材产品从材料设计、制备、应用，直至废弃物的处理都应与生态环境相协调，都应以可持续发展为目的。

近两年，在中国政府的宣传扶持之下，环保建材产业发展迅速。中国建材装修市场以地板为例，目前已经发展成为地板生产和出口大国。2010年我国地板生产企业销售量约3.99亿m²，同比增长9.6%。其中强化木地板约2.38亿m²，同比增长12.3%；实木地板约4300万m²，同比增长2.4%；实木复合地板约8900万m²，同比增长7.2%；竹地板约2530万m²，同比增长1.2%；其它地板约320万m²，同比增长45%。特别是2010年的上海世博会上，以低碳理念打造的环保展馆的精彩表现，让人们看到了中国环保建材的希望，肯定会迎来一个快速发展时期。

目前木竹质纤维素类产品以纤维板产品为主，按密度不同主要可分为：中密度纤维板 (GB/T11718-1999，密度为 500-880kg/m³)，轻质纤维板 (LY/T 1718-2007，密度为500 kg/m³以下)和硬质纤维板(GB/T12626-1990，密度大于880kg/m³)。纤维板通常以采伐、造材、加工剩余物、速生丰产用材林(杨木和松木为主)的小径级木材,竹材以及城市废弃木材等木质纤维为主要原料, 按以下工序制成：1.原料 – 2.备料 - 3.纤维分离 – 4.施胶 - 5.纤维干燥 - 6.铺装成型 -7.热压 – 8.锯截 – 9.砂光 – 10.产品分等 – 11.包装出厂。备料通常包括削片、筛选、再碎、水洗和木(竹)片储备；纤维分离通常包括热磨和精磨。生产过程中通常使用脲醛胶 (pH = 7-7.5)，施胶量为 8-12%，板热压前的含水率为5-10%。虽然木竹材是用于制造木质纤维复合材料的主要原料，但是其他木质纤维素类材料如植物纤维，包括农作物秸杆(稻草、棉杆等)、甘蔗渣、芦苇等，也可以用来替代或取代木竹材制造纤维板和刨花板。中国纤维板2007年产量为2730万m³。至2008年底中国共有纤维板生产线661条，总生产能力达到年产3005万m³， 2010年年产达到3500万m³。目前纤维板产品通常只能用于室内, 主要用途为家具制造，室内装饰装修，强化木地板，复合门和包装。按用途划分，家具(中厚板和8mm 以下薄板)占55%，复合门板占13%，强化木地板基材占12% ，室内装饰装修占11%，包装及其他产品占9%。薄板厚度通常为2.5 mm、3 mm 和4mm，中厚板厚度通常为9 mm、12 mm、15 mm和18mm。

木竹质纤维或植物纤维是真菌生长的首选媒介之一，因此木竹质纤维素类产品的主要缺点是不防霉也不防腐,通常只能在干燥的室内场合使用。一般来说，真菌是在酸性同时具有较高的渗透压和含糖的环境下生长，绝大多数的木竹材可以为这些真菌提供良好的生长条件。随着木竹材应用的拓展，除弹性模量、强度、表面外观、硬度以及尺寸稳定性等性能外，由于产品耐久腐性直接影响到构件仍至整个结构的使用寿命和安全，在易受生物侵蚀的场合下使用的木竹质纤维素类复合材料产品，耐腐性也必须满足相关的要求，因此高强耐腐是该类材料必须的基本特性。

目前木塑复合材料(WPC)已开发和商业化，在户外已得到较广泛的应用，但价格相对过高。由于产品中含有相当数量的热塑性材料，因此产品的抗蠕变性能特别是在高温环境下是很低的。此外，木材和塑料在产品中是不兼容的，导致木塑复合材料的强度很低。一般来说，塑料对温度变化非常敏感，而对水分变化不敏感；而木材对水分变化非常敏感，但对温度变化不敏感。随着水分的变化，木材的尺寸变化，但塑料尺寸几乎不改变。然而，随着温度的变化，塑料改变尺寸，但木材尺寸变化不大。因此木塑复合材料在户外应用中，经常引起周期性的应力，木材和塑料之间的接合面很容易在使用过程中分开。此外，该木塑复合材料产品含有木材，因此在使用过程中仍会发霉和腐烂。总之，到目前为止，如不经有毒化学品高强度处理，以木材为基础制成的产品还不是一种真正的户外等级材料。目前木质纤维素类复合材料产品提高耐久腐和防霉性能的主要方法是对纤维进行防腐处理，即在纤维上施加防腐剂，通常施加量为1-1.5%左右，以避免对胶料的固化，对制板工艺、板的强度、吸水率和成本造成很大的影响。防腐剂对菌类和昆虫必须具有足够的毒性，必须持久稳定，对金属腐蚀性小，不会在纤维干燥热压过程中，发生分解或挥发，使用安全，对人畜无毒或低毒，不污染环境。但目前常用的是水溶性防腐剂例如硼化物（硼砂、硼酸和八硼酸二钠）、五氯氛钠、铜铬砷（CCA）和氨溶季铵铜（ACQ）具有杀菌、杀虫和阻燃的效果，但抗流失性差，污染环境。另外为提高木质纤维素类复合材料产品的耐久腐)和防霉性能，也可用防腐剂如CCA或ACQ或杀菌剂来直接处理复合材料产品，但工艺复杂，成本高。通常，防腐剂和杀菌剂对人体有毒，不环保。防腐处理涉及到施加防腐剂所需的附加设备、工序、防腐药剂的回收，防腐剂对产品胶合强度的消极影响, 产品使用中防腐剂浸出对环境的影响，废旧材料回收处理以及成本高等一系列问题。申请号或专利号2010101800519涉及一种高强耐腐木(或竹)基胶合板和层积材制造方法，其特征是不用防腐剂，而是采用低分子量改性酚醛树脂浸渍,或采用一种高分子量(1000-3000)的改性酚醛树脂和一种低分子量(200-1000)的改性酚醛树脂以10：90 - 90：10的固体树脂质量百分比混合而成的改性复合树脂；将木单板或竹单元进行浸渍或涂胶处理来达到12-15%的酚醛树脂含量，组坯热压成高强耐腐木(或竹)基胶合板和层积材。该专利涉及单板和竹片的处理以制造胶合板和层积材, 但不涉及木竹质纤维或植物纤维或板材的处理。

绝大多数的木竹质纤维或植物纤维的pH值大约在5左右，为真菌生长提供了一个理想的条件。木材还含有大量糖类化合物，为真菌生长提供了良好的营养。本发明提供了一种绿色环保、真正耐久的户外用木竹质纤维素类复合材料产品及其制造方法。该复合材料产品不使用任何有毒的防腐剂或杀菌剂处理，但提供一个不适合真菌的生长环境。

发明内容

为了解决上述木塑复合材料价格过高和目前木竹质纤维或植物纤维易于真菌生长的技术问题，本发明提供一种绿色环保、真正耐久的木竹质纤维素类复合材料。

本发明的技术方案如下：

一种耐久木竹质纤维素类复合材料，由木竹质纤维或植物纤维施加高碱性改性酚醛树脂胶及助剂后热压制成。

作为优选，所述木竹质纤维或植物纤维原料以纤维或纤维束形式存在，后者为低密度纤维板，通过施加改性酚醛树脂胶及助剂后组坯二至七层，然后热压制成复合材料。

作为优选，所述改性酚醛树脂胶是一种低分子酚醛树脂分子量200-1000，25℃粘度100-250cps，固体树脂含量40%-60%，或该低分子酚醛树脂和一种高分子酚醛树脂分子量1000-3000，25℃粘度600-900cps，固体树脂含量40%-60% 按10:90- 90:10的固体树脂质量百分比混合制成。

作为优选，所述改性酚醛树脂胶含有1%-5%的二苯基甲烷二异氰酸酯胶MDI。

作为优选，所述改性酚醛树脂胶及助剂混合后PH值大于或等于10。

作为优选，所述植物纤维是农作物秸秆、棉秆或甘蔗渣。

作为优选，所述助剂是硼砂、硼酸、硼酸钾和碳酸钠，按一定重量配比混合，其用量最高为固体树脂重量的5%。

作为优选，所述纤维板是由干法生产的, 厚度不大于15mm。

作为优选，所述改性酚醛树脂胶固体树脂施加量应为 12%-20%。

作为优选，所述热压采用常规热压或微波或射频热压。

使用本发明的技术方案，低碳绿色环保，建造的户外户内景观工程、装修工程和住宅具有木材质地，自然亲切、保温、环保、抗震能力强等优势，使用寿命长，可大大降低温室气体的排放，从而达到节能减耗的综合效果。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

材料为9 mm厚的低密度木质纤维板（密度350kg/m³左右），采用低分子量改性酚醛树脂和助剂处理的方法。酚醛树脂分子量200，25℃粘度100-250cps，固体树脂含量50%-60%，并经二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)改性（施加量3%)，以增加耐水性；助剂为硼砂，硼酸，硼酸钾和碳酸钠，配比（重量）可为1: 1: 1: 2，用量最高可为树脂重量的5%，用以降低木材的渗透压力，提高产品表面的pH值。可用浸渍的方法，在改性酚醛树脂胶中处理木质纤维板材5分钟，也可直接在木质纤维板材上辊涂改性酚醛树脂胶，以替代传统的真空－加压等处理方式。施胶后使木质纤维板材平均酚醛固体树脂含量达到12%。在以上处理后, 三层或五层木质纤维板材组坯热压, 热压压力1.5 -2.5 MPa, 热压温度140-155C°，热压时间按层数调整（约8-20分钟），制成纤维素复合材料产品。通过测定, 产品表面的pH值在10和12之间，样品（19 mm x 19 mm）暴露在真菌C.puteana中12个星期和暴露在真菌N.lepideus中24个星期的重量损失（失重率）低于3％，具有很好的耐久腐性，无须进行防腐处理，足以在室外使用。样品在经过72 小时蒸煮冷冻干燥交替加速老化试验后，无变色，局部微膨胀少于2%，硬度和强度值降低不到5%，性能远远超过传统的炭化木、防腐木和木塑复合材料板材。

实施例2

与实施例1不同的是，三层或五层木质纤维板材组坯，再通过微波（或射频）加热热压，热压压力1.5-2.0 MPa，热压温度90-105度，热压时间约5-10分钟，产品表面的pH值在10和12之间。产品具有很好的耐久腐性，无须进行防腐处理，足以在室外使用。

实施例3

材料为9mm厚的二苯基甲烷二异氰酸脂MDI制成的低密度植物纤维板材（密度350 kg/m³左右），其他同实施例1。用改性酚醛树脂浸渍的方法处理植物纤维板材5-30分钟，也可直接辊涂改性酚醛树脂胶，以替代传统的真空－加压等处理方式，施胶后使9 mm厚植物纤维板材平均酚醛固体树脂含量达到12%。在以上处理后，三层或五层植物纤维板材组坯热压，热压压力1.5-3.0 MPa，热压温度145-155C°，热压时间约8-20分钟，产品表面的pH值在10和12之间。产品具有很好的耐久腐性，无须进行防腐处理，足以在室外使用。

实施例4

同实施实例3，三层或五层植物纤维板材组坯，再通过微波(或射频) 加热热压，热压压力1.5-2.5 MPa，热压温度90-105°C，热压时间约5-10分钟，产品表面的pH值在10和12之间。产品具有很好的耐久腐性，无须进行防腐处理，足以在室外使用。

实施例5

材料为9 mm厚的低密度木质纤维板（密度350 kg/m³左右），采用一种高分子量酚醛（PF）树脂（分子量1000-3000，25℃粘度600-900cps，固体树脂含量40-50%）和一种低分子量酚醛(PF)树脂（分子量200-1000，25℃粘度100-250cps，固体树脂含量50-60%）以50%:50%的固体树脂质量百分比混合制成复合树脂, 并经二苯基甲烷二异氰酸酯胶（MDI）改性（施加量3% ），以增加耐水性。助剂可用硼砂，硼酸，硼酸钾（钠）和碳酸钠（钾）等按1: 1: 1: 2左右重量配比混合，用以降低木材的渗透压力，用量为树脂重量的2%左右。可用浸渍的方法处理纤维板材5-30分钟，将纤维板材树脂浸渍和施胶结合在一起,也可直接涂胶，以替代传统的真空－加压等处理方式，施胶后使纤维板材平均酚醛固体树脂含量达到15%。在以上处理后, 三层或五层纤维板材组坯热压，热压压力1.5-2.5 MPa,热压温度140-155°C，热压时间按层数调整，约8-20分钟后制成复合材料产品。通过测定，产品表面的pH值在10和12之间，样品（19 mm x 19 mm）暴露在真菌C.puteana中12个星期和暴露在真菌N.lepideus中24个星期的重量损失（失重率）低于3％，具有很好的耐久(腐)性。无须进行防腐处理，足以在室外使用。样品在经过72 小时蒸煮冷冻干燥交替加速老化试验后，无变色，局部微膨胀少于2%，硬度和强度值降低不到5%，性能远远超过传统的炭化木、防腐木和木塑复合材料板材。

实施例6

同实施实例5，三层或五层木质纤维板材组坯，再通过微波（或射频）加热热压，热压压力1.5-2.0 MPa,热压温度90-105C°，热压时间约5-12分钟，产品表面的pH值在10和12之间。产品具有很好的耐久腐性，无须进行防腐处理，足以在室外使用。

实施例7

材料为9 mm厚的低密度竹质纤维板（密度350 kg/m³左右），改性酚醛树脂和助剂配比与处理同实施实例5，三层或五层竹质纤维板材组坯,再通过微波(或射频) 加热热压，热压压力1.5-2.5 MPa，热压温度90-105°C，热压时间约8-15分钟，产品表面的pH值在10和12之间。产品具有很好的耐久腐性，无须进行防腐处理，足以在室外使用。

表1 木质纤维素复合材料产品的性能和重量损失比较

注: ^* 19 mm x 19 mm试件暴露在真菌N.lepideus中24个星期后的失重率.

^**它仅包含100％ACQ覆盖的木材样品，21个星期后测量获得的重量损失.

表2：游离甲醛含量结果比较

该木竹质纤维素类复合材料产品以木材，竹材，农作物及植物秸秆为原料，一些低附加值的杂木、杨木等材料也可尽量采用，因此原料来源广，成本低，最终产品成本比木塑复合材料（WPC）低50%以上，但是强度比木塑复合材料高一倍以上，产品貌似塑料，具有均匀的外观。产品既可用于室外也可用于室内，由于生产过程中不使用任何有毒的防腐剂和消毒剂，同时产品游离甲醛含量极低，因此产品绿色环保，对环境无毒无害。该复合材料产品为达到所需的固体树脂含量，无需采用真空加压设备，生产过程简化，产品具有更高的硬度、弯曲和剪切强度，良好的尺寸稳定性, 防腐性能等同或超过氨溶季铵铜（ACQ）处理的产品。同时，产品是天然的热绝缘体，有很好的防火性能, 并且有强大的碳吸附和储存功能。该产品对开发木质纤维或植物纤维在室内外使用，尤其是园林景观，地面铺板，脚手架铺板，地板，露台，窗框，围栏，混凝土模板，集装箱底板，各类车厢底板和其他高附加价值的应用，为保护环境、节约能源、减少温室气体排放、延缓全球气候变暖、推广绿色环保产品开拓了一条新的途径，具有广泛的经济效益、社会效益和生态效益。

Claims

1.一种耐久木竹质纤维素类复合材料，其特征在于：由木竹质纤维或植物纤维施加高碱性改性酚醛树脂胶及助剂后热压制成。

2.根据权利要求1所述的一种耐久木竹质纤维素类复合材料，其特征在于：所述木竹质纤维或植物纤维原料以纤维或纤维束形式存在，后者为低密度纤维板，通过施加改性酚醛树脂胶及助剂后组坯二至七层，然后热压制成复合材料。

3.根据权利要求1所述的一种耐久木竹质纤维素类复合材料，其特征在于：所述改性酚醛树脂胶是一种低分子酚醛树脂分子量200-1000，25℃粘度100-250cps，固体树脂含量40%-60%，或是该低分子酚醛树脂和一种高分子酚醛树脂分子量1000-3000，25℃粘度600-900cps，固体树脂含量40%-60%按10:90- 90:10的固体树脂质量百分比混合制成。

4.根据权利要求1所述的一种耐久木竹质纤维素类复合材料，其特征在于：所述改性酚醛树脂胶含有1%-5%的二苯基甲烷二异氰酸酯胶MDI。

5.根据权利要求1所述的一种耐久木竹质纤维素类复合材料，其特征在于：所述改性酚醛树脂胶及助剂混合后PH值大于或等于10。

6.根据权利要求1所述的一种耐久木竹质纤维素类复合材料，其特征在于：所述植物纤维是农作物秸秆、棉秆或甘蔗渣。

7.根据权利要求1所述的一种耐久木竹质纤维素类复合材料，其特征在于：所述助剂是硼砂、硼酸、硼酸钾和碳酸钠，按一定重量配比混合，其用量最高为固体树脂重量的5%。

8.根据权利要求2所述的一种耐久木竹质纤维素类复合材料，其特征在于：所述纤维板是由干法生产的，厚度不大于15mm。

9.根据权利要求1所述的一种耐久木竹质纤维素类复合材料，其特征在于：所述改性酚醛树脂胶固体树脂施加量应为 12%-20%。

10.根据权利要求1所述的一种耐久木竹质纤维素类复合材料，其特征在于：所述热压采用常规热压或微波或射频热压。