CN103072174A

CN103072174A - 椰纤维增强农作物秸秆复合材料及其制造方法

Info

Publication number: CN103072174A
Application number: CN2013100076114A
Authority: CN
Inventors: 张利; 胡英成; 李利芬
Original assignee: Northeast Forestry University
Current assignee: Northeast Forestry University
Priority date: 2013-01-09
Filing date: 2013-01-09
Publication date: 2013-05-01

Abstract

本发明公开了一种椰纤维增强农作物秸秆复合材料及其制造方法，旨在提供一种力学性能、胶接性能、材料韧性及振动阻尼性能优良的强韧型及环保型生物质复合材料。该材料是在农作物秸秆单元中添加椰纤维，并使椰纤维在复合材料体系中均匀分散、交叉互联形成体型的网状结构，椰纤维在体系中的质量分数为10%~50%。制备步骤包括：秸秆单元制备及预处理、椰纤维制备、单元混杂、施胶、铺装组坯、预压、热压或冷压成型、后期处理等。该材料无异氰酸酯类胶黏剂的使用，可降低人造板制备成本，并可作为结构材料和减振材料应用于承重结构及振动疲劳作用频繁、易发冲击载荷的苛刻使用环境中，起到承重支撑、减振降噪的作用，扩大了农作物秸秆人造板的应用领域。

Description

椰纤维增强农作物秸秆复合材料及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种生物质复合材料及其制造方法，更具体地说，它涉及一种使用农作物秸秆、椰纤维、胶黏剂复合制备强韧型结构用生物质复合材料的方法。

背景技术

农作物秸秆是我国分布广、蓄积量大的天然生物质资源之一，主要包括稻秆、麦秆及玉米秸秆三种，对其的主要有效用途是制备人造板，如刨花板、纤维板等，但是农作物秸秆表面含有大量的蜡质和硅质，使其表面润湿性很差，使用普通胶黏剂进行胶接很难达到良好的胶接性能，所以一般都采取各种各样的方法来改善复合材料的胶接性能，这就导致了农作物秸秆人造板的制备工艺的复杂及制备成本的大幅提高。

在现有的专利文献及科研文献中，制备农作物秸秆人造板时，为了既获得良好的胶接性能又能够使制备成本处于可接受的范围内，主要采取的方法有：（1）使用物理、化学或者生物的方法对农作物秸秆表面进行处理以改善其润湿性能；（2）使用异氰酸酯类胶黏剂，或者使用其他的胶黏剂与异氰酸酯类胶黏剂进行搭配以降低异氰酸酯类胶黏剂的使用量，或者使用热塑型高聚物（如聚乙烯、聚丙烯等）或无机胶黏剂（如水泥、石膏等）与农作物秸秆单元进行胶接；（3）使用木质或竹质等其他生物质原材料与农作物秸秆单元进行搭配以获得良好的胶接性能。

在对农作物秸秆单元表面进行相应的处理后，可以改善其润湿性能，促进胶黏剂的扩散胶接，但是在只使用普通胶黏剂的情况下，其制品的内结合强度还是达不到国家标准规定的指标，并且农作物秸秆单元在经过处理后其机械强度有所损失、脆性变大。

使用无机胶黏剂对农作物秸秆单元进行胶接，其制品的密度较大、脆性大，并易失去生物质材料与人亲近的自然感；使用热塑性高聚物与农作物秸秆单元进行复合制备木塑复合材料，其制备工艺复杂、添加剂众多，并且材料的最终自然降解也困难；只有使用异氰酸酯类胶黏剂对农作物秸秆单元进行胶结，或者使用木质或竹质单元与农作物秸秆单元进行一定比例的搭配，制品的胶接性能才能够满足国家标准规定的指标要求。

但或多或少的使用异氰酸酯类胶黏剂都将提高制品的制备成本，并且异氰酸酯易与水发生反应，这就相应提高了在生产线中对施胶设备密闭性的要求，并且压板后还要解决脱模问题，这些都加大了设备资金的投入；同时，随着木质和竹质资源的大量利用，其供需矛盾也日益突出，价格也日益升高，造成了其与农作物秸秆混杂制备的人造板材料的成本升高，并且复合材料的性能也较单一；所以寻找新的方法或者新的混杂材料以制备农作物秸秆复合材料，既能够降低农作物秸秆人造板的制备成本，又能够改善其胶接性能，并同时赋予材料强度与韧性双方面性能都优异的新特点，扩大农作物秸秆人造板的应用领域，是一个亟待解决的重要问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，使用椰纤维与农作物秸秆单元进行混杂组坯，提供一种材料结构均匀、易于加工制造，材料物理力学性能满足国家标准规定的结构用板材的性能指标，同时赋予材料良好的韧性及减振性能，且具有较低材料制备成本的椰纤维增强农作物秸秆复合材料及其制造方法。

为了解决上述存在的技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的：

本发明的椰纤维增强农作物秸秆复合材料，主要由农作物秸秆单元和胶黏剂粘结复合而成，并且在农作物秸秆单元中还添加有椰纤维；椰纤维在复合材料体系中交叉互联形成体型的网状结构，以便把农作物秸秆碎料单元包覆于网状结构内；其在复合材料体系中的质量分数为10%~50%，较佳质量分数为35%~45%。

本发明使用的农作物秸秆包括稻秆、麦秆、玉米秸秆中的一种或多种，秸秆单元形态包括刨花、纤维、细小碎料中的一种或多种；所使用的胶黏剂包括脲醛树脂、酚醛树脂、三聚氰胺树脂、聚醋酸乙烯酯树脂、豆胶、淀粉胶中的一种或几种。

本发明的椰纤维增强农作物秸秆复合材料的制造方法，主要步骤包括：农作物秸秆单元制备、农作物秸秆单元预处理、椰纤维制备、单元混杂、施胶、铺装组坯、预压、热压或冷压成型、后期处理等，其中椰纤维制备是指将长的椰纤维短切成适应农作物秸秆单元长度的短纤维，方便与农作物秸秆单元进行混杂，单元混杂是指将短椰纤维与农作物秸秆单元充分混合均匀后再施胶，以减少在施胶过程中椰纤维结团的可能，并在铺装组坯中要将短椰纤维充分分散，避免板坯局部区域的椰纤维富集。

本发明的有益效果是：（1）椰纤维增强农作物秸秆复合材料由于在体系中加入了椰纤维，可以在不使用异氰酸酯类胶黏剂的情况下，获得良好的胶接性能，降低了复合材料的制备成本；（2）椰纤维在复合材料中的网状互联结构，使复合材料具有良好的静曲强度、弹性模量及内结合强度，并且还使复合材料具有了优良的冲击韧性、弯曲韧性和振动阻尼性能；（3）椰纤维增强农作物秸秆复合材料只使用了少量的胶黏剂，其他的大部分成分是生物质原材料，可在使用报废后完全自然降解，是一种环保型复合材料；（4）椰纤维增强农作物秸秆复合材料的制备工艺流程简单，可以在传统木质人造板的生产线上得以实现，易于加工制备；（5）椰纤维增强农作物秸秆复合材料由于具有优良的力学、韧性及振动阻尼性能，可以作为结构材料和减振材料应用于承重结构及振动疲劳作用频繁、易发冲击载荷的苛刻使用环境中，起到承重支撑、减振降噪的作用，扩大了农作物秸秆人造板的应用领域。

附图说明

图1是椰纤维增强稻草复合材料的制备工艺流程图；

图2是椰纤维增强稻草复合材料的宏观形貌图；

图3是椰纤维增强稻草复合材料的微观形貌图。

具体实施方式

下面结合具体实施例与附图对本发明作进一步的详细描述。

本发明选取农作物秸秆中的稻草秸秆作为具体实施例中的原材料，其表面的蜡质和硅质含量较高，具有典型代表；并且选择刨花碎料作为秸秆单元形态。

稻草刨花碎料的制备与碱处理：将收割后并在室外自然气干的稻秆先进行喷水至含水率为30%~40%，再将稻秆在植物揉搓机中进行粉碎，以便能够获得长丝长片状较多的碎料，保留稻草秸秆的机械性能；粉碎后的稻草碎料，先使用网眼尺寸为10mm×10mm的铁丝网筛选出大尺寸稻草碎料进行再粉碎，然后再使用8目的筛网进行筛选，筛网上的稻草碎料作为主要制板原料；使用氢氧化钠稀溶液对稻草碎料进行喷淋处理，碱液浓度（质量分数）为1.5%、料液比为10:50（g:ml）、处理时间为8~12h，处理后进行烘干，干燥温度为90℃，至含水率为3%±1%；检测碱处理并干燥后的稻草刨花碎料的筛分值，其重量百分比为：<4目占20%，4~40目占70%，>40目占10%，稻草刨花碎料的长度为1~4cm。碱处理后稻草碎料颜色加深变黄，材性变的酥脆。

椰纤维的制备：市售长丝状的椰纤维易交织结团，长度一般在10~15cm，须将其短切至长度为1~4cm，适应稻草碎料的尺寸长度，以便单元混杂时分散均匀，并干燥至含水率为3%±1%。短切后的椰纤维容易分散，自结团性降低。

复合材料制备工艺参数：椰纤维增强稻草复合材料的目标绝干密度为0.75g/cm³，板材公称厚度为10mm；主要制备工艺参数为：热压温度为130℃、热压时间为2.0min/mm、酚醛树脂胶施胶量为14%、液体石蜡防水剂用量为1%。

复合材料性能检测：性能检测依据的标准有GB/T4897.4-2003《刨花板第4部分：在干燥状态下使用的结构用板要求》及GB/T17657-1999《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》，标准中规定的性能指标为，当板材公称厚度为6~13mm时，要求静曲强度≥17MPa，弯曲弹性模量≥2.3GPa，内结合强度≥0.40MPa，24h吸水厚度膨胀率≤16%。弯曲韧性采用弯曲载荷-挠度曲线下的面积来表征（能量法）。振动阻尼比的检测是使用FFT分析仪，在弯曲振动检测模式下，利用Hilbert包络法识别出基频模态下的阻尼比。

对比例1：

在上述的制备工艺参数及附图1的制备工艺流程下（省略椰纤维制备及单元混杂步骤），制备无椰纤维及无异氰酸酯胶黏剂添加的纯稻草板，依据标准检测其性能，得出的试验结果为：静曲强度为20.09MPa，弯曲弹性模量为3.70GPa，内结合强度为0.27MPa，24h吸水厚度膨胀率为20.46%，弯曲韧性为872.42N·mm。可以看出，此种稻草板的内结合强度和24h吸水厚度膨胀率没有达标。

对比例2：

在上述的制备工艺参数及附图1的制备工艺流程下（省略椰纤维制备及单元混杂步骤），制备无椰纤维添加但施加有3%异氰酸酯胶黏剂的纯稻草板，依据标准检测其性能，得出的试验结果为：静曲强度为30.23MPa，弯曲弹性模量为4.55GPa，内结合强度为0.41MPa，24h吸水厚度膨胀率为13.41%，冲击韧性为21.46KJ/m²，弯曲韧性为1451.23N·mm，阻尼比为3.002%。可以看出，在施加了3%的异氰酸酯胶黏剂后，稻草板的各项性能都有所改善，达到了标准的要求。

实施例：

在上述的制备工艺参数及附图1的制备工艺流程下，制备添加有椰纤维但没有施加异氰酸酯胶黏剂的复合稻草板，其中椰纤维质量占椰纤维与稻草碎料总重量的40%，依据标准检测其性能，得出的试验结果为：静曲强度为25.31MPa，弯曲弹性模量为2.84GPa，内结合强度为0.54MPa，24h吸水厚度膨胀率为14.05%，冲击韧性为24.48KJ/m²，弯曲韧性为1802.04N·mm，阻尼比为3.773%。可以看出，椰纤维增强稻草复合材料的各项性能也符合标准的要求，并且复合材料的韧性与阻尼性能获得了较大的提升，相比对比例2，冲击韧性提高14%，弯曲韧性提高24%，阻尼比提高25%。

材料的性能与结构密切相关，实施例中椰纤维增强稻草复合材料的宏观及微观形貌如附图2和附图3所示。从附图2中可发现，在板材的横断面上，具有较多的微小孔洞，这是由于椰纤维具有较大的密度及硬度，而稻草刨花碎料是平面状、易压缩的材料，所以在热压后，复合板内的稻草刨花容易被压平，而椰纤维由于相互勾连搭接而形成较多的孔洞。再结合附图3（电镜观察照片）所示，在复合板中，稻草刨花呈片状铺设，铺展平顺，而椰纤维端面仍呈圆柱状，不易压缩，椰纤维与椰纤维、与平整的稻草片的结合处易相互架空、而形成孔洞。这些孔洞的出现，使椰纤维增强稻草复合材料形成类似于泡沫材料的结构特点，微孔中充满着空气，一方面可以利用空气的阻尼特性来改善复合材料整体的阻尼性能，到达减振降噪的目的；另一方面也可以利用空气的缓冲特性及椰纤维的韧性，来改善复合材料的抗冲击性能及弯曲韧性。所以椰纤维在复合材料体系中的交叉互联形成的体型网状结构赋予了复合材料优良的物理力学性能。

Claims

1.一种椰纤维增强农作物秸秆复合材料，主要由农作物秸秆单元和胶黏剂粘结复合而成，其特征是，所述的农作物秸秆单元中还添加有椰纤维。

2.根据权利要求1所述的椰纤维增强农作物秸秆复合材料，其特征是，所述的椰纤维在复合材料体系中交叉互联形成体型网状结构。

3.根据权利要求1所述的椰纤维增强农作物秸秆复合材料，其特征是，所述的椰纤维在复合材料体系中的质量分数为10%~50%。

4.根据权利要求4所述的椰纤维增强农作物秸秆复合材料，其特征是，所述的椰纤维在复合材料体系中的质量分数为35%~45%。

5.根据权利要求1所述的椰纤维增强农作物秸秆复合材料，其特征是，所述的农作物秸秆包括稻秆、麦秆、玉米秸秆中的一种或多种，秸秆单元形态包括刨花、纤维、细小碎料中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的椰纤维增强农作物秸秆复合材料，其特征是，所述的胶黏剂包括脲醛树脂、酚醛树脂、三聚氰胺树脂、聚醋酸乙烯酯树脂、豆胶、淀粉胶中的一种或几种。

7.一种实现权利要求1所述的椰纤维增强农作物秸秆复合材料的制造方法，主要步骤包括：农作物秸秆单元制备、农作物秸秆单元预处理、椰纤维制备、单元混杂、施胶、铺装组坯、预压、热压或冷压成型、后期处理等，其特征是，所述的椰纤维制备是指将长的椰纤维短切成适应农作物秸秆单元长度的短纤维，单元混杂是指将短椰纤维与农作物秸秆单元充分混合均匀后再施胶，并在铺装组坯中要将短椰纤维充分分散。