CN103332918B

CN103332918B - 一种功能性植物纤维石膏材料的制备方法

Info

Publication number: CN103332918B
Application number: CN201310260408.8A
Authority: CN
Inventors: 蹇守卫; 蔡礼雄; 邢金宇; 马保国; 郅真真; 汪婷; 王智
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2033-06-26
Also published as: CN103332918A

Abstract

本发明具体涉及一种功能性植物纤维石膏材料的制备方法，首先将植物纤维进行半碳化处理得到改性植物纤维，然后将改性植物纤维、石膏、减水剂、引气剂、发气剂、增稠剂、石灰、水泥均匀混合即可得到功能性植物纤维石膏材料。本发明的有益效果在于：本发明具有废弃物用量大、产品功能性强的优点：1）植物纤维用量最高可达到50%，有利于节约产品生产过程的资源消耗；2）对植物纤维进行改性后，使植物纤维兼具韧性和强吸附性增大了材料的孔隙率和比表面积，使材料从基本物相（石膏、半碳化纤维）到内部结构（孔）均具有一定的调湿、保温功能，与现有节能材料相比，废弃物利用率高、功能性强，产品可获得良好的抗折、吸湿、保温等特性。

Description

一种功能性植物纤维石膏材料的制备方法

技术领域

本发明具体涉及一种功能性植物纤维石膏材料的制备方法，主要用于建筑材料领域。

背景技术

我国是农业大国，每年排放的农业废弃物数量惊人，据统计，我国每年产生的农作物秸秆量约7000万t，每年可供收集的秸秆资源总量高达6000万t。农作物收获后，为保证土地的再次耕种，大量的农作物秸秆被烧掉，既浪费了自然资源，又对环境造成了污染，使CO₂及PM2.5严重超标。随着人们对环保意识的增强，对农作物秸秆的处理已引发人们的高度关注。

目前在植物纤维的资源化利用方面已有大量研究，如利用植物纤维生产沼气、制备木塑复合材料、造纸等，其中利用植物纤维制备新型建筑材料由于用量和需求大，成为人们研究的热点问题。目前在此方面主要的文献、专利报道有：

在文献方面：如艾桃桃研究了利用MgCl₂、MgO作为胶凝材料与植物纤维制备植物纤维装饰板配方（陶瓷，2008年第8期），朱河清等研究了植物纤维水泥空心轻质墙板在建筑中的应用（建筑人造板，2001年第4期），杨子江等研究了植物纤维石膏渣增强砌块（新型墙材，2006年第5期）……，分析这些文献可以发现，在利用植物纤维制备建筑材料时，多数采用的是直接利用植物纤维的方法，而直接使用植物纤维时一般存在着易老化、界面性能差等问题。

在专利方面：已有利用石膏和植物纤维直接复合制备植物纤维-石膏复合材料的内容，但分析这些专利发现，相关权利要求中所涉及的植物纤维并未进行改性，而是直接利用，如植物纤维石膏板轻钢龙骨防火隔墙（01279630）、一种含植物纤维石膏砌块的配制方法（01138351）、一种植物纤维增强增韧氟石膏纸面板的生产方法（201010545685）等，采用这些方法利用植物纤维均可获得一定保温隔热性能，但其它功能难以实现，同时由于植物纤维表面含有部分蜡质材料，其凝结时间和界面性能均难以控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提供一种功能性植物纤维石膏材料的制备方法，使植物纤维-石膏材料既具有良好的力学性能，又具有保温调湿等功能性。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种功能性植物纤维石膏材料的制备方法，首先将植物纤维进行半碳化处理得到改性植物纤维，然后将质量比例为改性植物纤维20-50%、石膏30-80%、减水剂0-1%、引气剂0-1%、发气剂0-0.5%、增稠剂0.01-1%、石灰0-10%、水泥0-10%均匀混合即可得到功能性植物纤维石膏材料。

按上述方案，所述的植物纤维半碳化处理工艺指在O₂含量＜1%的气氛或N₂气氛中室温升温至植物纤维着火点温度-着火点温度以下20℃范围，保温30-120min，然后降温至室温。

按上述方案，所述的植物纤维为稻草、麦秸秆、玉米杆或甘蔗渣。

按上述方案，所述的植物纤维着火点温度是采用对植物纤维进行热分析，确定其着火点，所述的热分析指在利用热重法检测物质温度-质量变化关系的仪器中进行的差热分析测试，用于判定植物纤维的脱水温度和着火点温度。

按上述方案，所述的石膏为满足国家标准要求的β半水石膏、α半水石膏中的一种或两种的复合，其细度0.2mm方孔筛筛余小于等于15.0wt%。

按上述方案，所述的减水剂为聚羧酸减水剂、萘系减水剂和三聚氰胺减水剂中的任意一种或几种的复合。

按上述方案，所述的引气剂为松香树脂类引气剂、烷基类引气剂、烷基芳烃磺酸类引气剂、脂肪醇磺酸盐类引气剂、皂苷类引气剂、蛋白质盐引气剂和石油磺盐酸类引气剂中的任意一种或几种的复合。

按上述方案，所述的发气剂为符合GB2084《发气铝粉》的带脂干铝粉。

按上述方案，所述的增稠剂为甲基纤维素醚、羧甲基纤维素醚、羧丙基甲基纤维素醚、淀粉醚、羧已基纤维素醚、聚丙烯酰胺中的任意一种或几种的复合。

按上述方案，所述的石灰指氧化钙和/或氧化镁的含量大于等于85wt%，其细度0.90mm方孔筛筛余小于等于1.5wt%，且细度0.125mm方孔筛筛余小于等于18.0wt%。

按上述方案，所述的水泥为普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和矿渣水泥中的任意一种或几种的复合。

本发明的形成机理为：

①植物纤维的功能化改性原理：植物纤维是由碳、氢、氧等元素组成一系列的有机物质，如纤维素、半纤维素、木素等三种高分子聚合物，通过控制一定的温度、气氛和时间，可使植物纤维由表及里缓慢脱水，其过程是表面首先脱水形成多孔碳化层，随时间延长，碳化深度不断扩展，控制合适的时间，可使碳化脱水仅在表面形成，而内部强度较高的纤维素部分不会碳化，最终达到使植物纤维不仅具有多孔性能，而且具有一定力学性能的目的。与此同时，本改性技术还解决了植物纤维内部由于含有大量胶树脂、油脂、酸性物质等抽出物对水泥及石膏的缓凝或阻凝作用，保证了材料后期制备过程的正常凝结。

②植物纤维功能墙体材料的制备原理：选择以石膏作为胶凝材料的优点是由于石膏本身导热系数低、同时石膏水化产物为二水石膏，可以同时起到部分保温和调湿的作用；以水泥为辅助材料主要是为了提高石膏材料的耐水性，避免石膏胶凝材料与植物纤维组合后大量吸水导致的蠕变；选择石灰作为添加材料是为了提高系统的碱性并利用石灰与水的放热反应，提高材料制备过程中的温度，使铝粉得以反应放出H₂；加入引气剂是为了进一步提高材料的孔隙率，从而一方面提高材料的保温性能，另一方面，增加材料的吸湿能力；大掺量的利用改性植物纤维，则强化了系统的保温隔热性能。

本发明的有益效果在于：本发明具有废弃物用量大、产品功能性强的优点：1）植物纤维用量最高可达到50%，有利于节约产品生产过程的资源消耗；2）对植物纤维进行改性后，使植物纤维兼具韧性和强吸附性，加入石膏、水泥、石灰等胶凝材料、添加引气剂和发泡剂，实现了孔从微观（碳化孔）到宏观（发泡孔）的多级控制，增大了材料的孔隙率和比表面积，使材料从基本物相（石膏、半碳化纤维）到内部结构（孔）均具有一定的调湿、保温功能，与现有节能材料相比，废弃物利用率高、功能性强，产品可获得良好的抗折、吸湿、保温等特性。

附图说明

图1为改性植物纤维断面微观结构图；

图2为改性植物纤维表面微观结构图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1：

将稻草在德国耐驰公司生产的STA449C型综合分析仪中以5℃/min升温进行热分析，测得其着火点温度为313℃；

首先将稻草在N₂气氛中室温升温至310℃，保温30min，降温至室温，然后按照质量比例将得到的改性植物纤维20%与β半水石膏70%、石灰9.99%、羧丙基甲基纤维素醚0.01%均匀混合即可得到最终产品，

其中，β半水石膏其细度0.2mm方孔筛筛余小于等于15.0wt%，石灰为氧化钙含量大于等于85wt%，其细度0.90mm方孔筛筛余小于等于1.5wt%，且细度0.125mm方孔筛筛余小于等于18.0wt%，

使用时，另外加入占产品质量71%的水搅拌3min，可用于石膏砌块的浇注成型，经检测，其导热系数可达0.06W/m·K，平衡含湿量0.4-1.0g/kg，压折比2.80。

图1为对植物纤维改性后的断面微观结构图，由图可见，植物纤维改性后断面孔尺寸为50-250μm，孔壁内外侧颜色存在差异，外层颜色较深，表明已经完全碳化，内层颜色较浅，表明未完全碳化；将外层在SEM中继续放大分析，如图2，可以清楚的发现纤维外层是由相互连通的孔所组成，孔壁厚度为100nm左右，孔的尺寸为50-200nm，孔洞面积比例占面层总面积的70%以上。上述结果表明改性纤维表面具有大量微观孔洞，具有良好的吸附、吸湿能力。

实施例2：

将玉米杆在德国耐驰公司生产的STA449C型综合分析仪中以2℃/min升温进行热分析，测得其着火点为344℃；

首先将玉米杆在O₂含量＜1%的气氛中室温升温至330℃，保温120min，降温至室温，然后按照质量比例将得到的改性植物纤维30%与β半水石膏60%、石灰5%、矿渣水泥4.98%、羧丙基甲基纤维素醚0.02%均匀混合即可得到最终产品，

使用时，另外加入占产品质量65%的水搅拌4min，可用于纸面石膏板的浇注成型，经检测，其导热系数可达0.055W/m·K，平衡含湿量0.4-1.0g/kg，压折比2.85。

实施例3：

将稻草在德国耐驰公司生产的STA449C型综合分析仪中以5℃/min升温进行热分析，测得其着火点温度为344℃；

首先将甘蔗渣在N₂气氛中室温升温至340℃，保温80min，降温至室温，然后按照质量比例将得到的改性植物纤维50%与β半水石膏40%、普通硅酸盐水泥9.96%、聚丙烯酰胺0.04%均匀混合即可得到最终产品，

其中，β半水石膏其细度0.2mm方孔筛筛余小于等于15.0wt%，

使用时，另外加入占产品质量70%的水搅拌3min，可用于纸面石膏板的浇注成型，经检测，其导热系数可达0.045W/m·K，平衡含湿量0.6-1.2g/kg，压折比2.5。

实施例4：

测定甘蔗渣着火点同实施例3；

首先将甘蔗渣在N₂气氛中室温升温至340℃，保温60min，降温至室温，然后按照质量比例将得到的改性的植物纤维50%与β半水石膏40%、石灰8.66%、聚丙烯酰胺0.04%、聚羧酸减水剂0.5%、蛋白质盐引气剂0.5%、符合GB2084《发气铝粉》的带脂干铝粉0.3%均匀混合即可得到最终产品，

其中，β半水石膏其细度0.2mm方孔筛筛余小于等于15.0wt%，石灰为氧化钙和氧化镁的含量大于等于85wt%，其细度0.90mm方孔筛筛余小于等于1.5wt%，且细度0.125mm方孔筛筛余小于等于18.0wt%，

使用时，另外加入占产品质量70%的水搅拌4min，可用于纸面石膏板的浇注成型，经检测，其导热系数可达0.050W/m·K，平衡含湿量0.6-1.2g/kg，压折比2.5。

实施例5：

将麦秸秆在美国TA仪器生产的Q5000综合分析仪中以2℃/min升温进行热分析，测得其着火点为330℃；

首先将麦秸秆在O₂含量＜1%的气氛中室温升温至320℃，保温30min，降温至室温，然后按照质量比例将得到的改性的植物纤维45%与β半水石膏45%、石灰9.46%、羧甲基纤维素醚0.08%、三聚氰胺减水剂0.46%均匀混合即可得到最终产品，

其中，β半水石膏其细度0.2mm方孔筛筛余小于等于15.0wt%，石灰为氧化镁的含量大于等于85wt%，其细度0.90mm方孔筛筛余小于等于1.5wt%，且细度0.125mm方孔筛筛余小于等于18.0wt%，

使用时，另外加入占产品质量75%的水搅拌3min，可用于石膏粉刷，经检测，其导热系数可达0.06W/m·K，平衡含湿量0.4-1.0g/kg，压折比2.9。

实施例6：

测定甘蔗渣着火点同实施例3；

首先将甘蔗渣在N₂气氛中室温升温至340℃，保温80min，降温至室温，然后按照质量比例将得到的改性的植物纤维40%、β半水石膏50%、萘系减水剂1%、松香皂引气剂1%、符合GB2084《发气铝粉》的带脂干铝粉0.5%、聚丙烯酰胺1%、石灰4.5%、普通硅酸盐水泥2%均匀混合即可得到最终产品，

其中，β半水石膏其细度0.2mm方孔筛筛余小于等于15.0wt%，石灰为氧化钙的含量大于等于85wt%，其细度0.90mm方孔筛筛余小于等于1.5wt%，且细度0.125mm方孔筛筛余小于等于18.0wt%，

使用时，另外加入占产品质量60%的水搅拌3min，可用于石膏砌块的浇注成型，经检测，其导热系数可达0.05W/m·K，平衡含湿量0.6-1.1g/kg，压折比2.7。

实施例7：

测定甘蔗渣着火点同实施例3；

首先将甘蔗渣在N₂气氛中室温升温至344℃，保温40min，降温至室温，然后按照质量比例将得到的改性的植物纤维35%、α半水石膏50%、三聚氰胺减水剂1%、烷基芳烃磺酸类引气剂0.5%、符合GB2084《发气铝粉》的带脂干铝粉0.5%、甲基纤维素醚0.5%、石灰4.5%、普通硅酸盐水泥8%均匀混合即可得到最终产品，

其中，α半水石膏其细度0.2mm方孔筛筛余小于等于15.0wt%，石灰为氧化钙的含量大于等于85wt%，其细度0.90mm方孔筛筛余小于等于1.5wt%，且细度0.125mm方孔筛筛余小于等于18.0wt%，

使用时，另外加入占产品质量60%的水搅拌3min，可用于石膏砌块的浇注成型，经检测，其导热系数可达0.06W/m·K，平衡含湿量0.7-1.3g/kg，压折比2.9。

实施例8：

测定甘蔗渣着火点同实施例3；

首先将甘蔗渣在N₂气氛中室温升温至344℃，保温60min，降温至室温，然后按照质量比例将得到的改性的植物纤维45%、α半水石膏15%、β半水石膏25%、聚羧酸减水剂0.5%、烷基芳烃磺酸类引气剂0.5%、符合GB2084《发气铝粉》的带脂干铝粉0.5%、甲基纤维素醚0.5%、石灰5%、普通硅酸盐水泥8%均匀混合即可得到最终产品，

使用时，另外加入占产品质量60%的水搅拌3min，可用于石膏砌块的浇注成型，经检测，其导热系数可达0.045W/m·K，平衡含湿量0.7-1.3g/kg，压折比2.7。

实施例9：

测定甘蔗渣着火点同实施例3；

首先将甘蔗渣在N₂气氛中室温升温至344℃，保温90min，降温至室温，然后按照质量比例将得到的改性的植物纤维50%、α半水石膏10%、β半水石膏25%、聚羧酸减水剂0.5%、烷基芳烃磺酸类引气剂0.5%、符合GB2084《发气铝粉》的带脂干铝粉0.5%、甲基纤维素醚0.5%、石灰8%、普通硅酸盐水泥5%均匀混合即可得到最终产品，

使用时，另外加入占产品质量60%的水搅拌3min，可用于石膏砌块的浇注成型，经检测，其导热系数可达0.045W/m·K，平衡含湿量0.7-1.3g/kg，压折比2.5。

实施例10：

测定甘蔗渣着火点同实施例3；

首先将甘蔗渣在N₂气氛中室温升温至344℃，保温90min，降温至室温，然后按照质量比例将得到的改性的植物纤维50%、α半水石膏10%、β半水石膏25%、聚羧酸减水剂0.6%、烷基芳烃磺酸类引气剂0.5%、符合GB2084《发气铝粉》的带脂干铝粉0.5%、甲基纤维素醚0.4%、石灰8%、普通硅酸盐水泥5%均匀混合即可得到最终产品，

其中，α、β半水石膏其细度0.2mm方孔筛筛余小于等于15.0wt%，石灰为氧化钙的含量大于等于85wt%，其细度0.90mm方孔筛筛余小于等于1.5wt%，且细度0.125mm方孔筛筛余小于等于18.0wt%，

使用时，另外加入占产品质量80%的水搅拌3min，可用于石膏砌块的浇注成型，经检测，其导热系数可达0.041W/m·K，平衡含湿量0.8-1.4g/kg，压折比2.5。

Claims

1.一种功能性植物纤维石膏材料的制备方法，首先将植物纤维进行半碳化处理得到改性植物纤维，然后将质量比例为改性植物纤维20-50％、石膏30-70％、减水剂0-1％、引气剂0-1％、发气剂0-0.5％、增稠剂0.01-1％、石灰0-10％、水泥0-10％均匀混合即可得到功能性植物纤维石膏材料；

所述的植物纤维半碳化处理工艺指在O₂含量＜1％的气氛或N₂气氛中室温升温至植物纤维着火点温度-着火点温度以下20℃范围，保温30-120min，然后降温至室温；所述的植物纤维为稻草、麦秸秆、玉米杆或甘蔗渣；所述的植物纤维着火点温度是采用对植物纤维进行热分析，确定其着火点，所述的热分析指在利用热重法检测物质温度-质量变化关系的仪器中进行的差热分析测试，用于判定植物纤维的脱水温度和着火点温度。

2.根据权利要求1所述的功能性植物纤维石膏材料的制备方法，其特征在于所述的石膏为满足国家标准要求的β半水石膏、α半水石膏中的一种或两种的复合，其细度0.2mm方孔筛筛余小于等于15.0wt％。

3.根据权利要求1所述的功能性植物纤维石膏材料的制备方法，其特征在于所述的减水剂为聚羧酸减水剂、萘系减水剂和三聚氰胺减水剂中的任意一种或几种的复合。

4.根据权利要求1所述的功能性植物纤维石膏材料的制备方法，其特征在于所述的引气剂为松香树脂类引气剂、烷基类引气剂、烷基芳烃磺酸类引气剂、脂肪醇磺酸盐类引气剂、皂苷类引气剂、蛋白质盐引气剂和石油磺盐酸类引气剂中的任意一种或几种的复合。

5.根据权利要求1所述的功能性植物纤维石膏材料的制备方法，其特征在于所述的发气剂为符合GB2084《发气铝粉》的带脂干铝粉。

6.根据权利要求1所述的功能性植物纤维石膏材料的制备方法，其特征在于所述的增稠剂为甲基纤维素醚、羧甲基纤维素醚、羧丙基甲基纤维素醚、淀粉醚、羧已基纤维素醚、聚丙烯酰胺中的任意一种或几种的复合。

7.根据权利要求1所述的功能性植物纤维石膏材料的制备方法，其特征在于所述的石灰指氧化钙和/或氧化镁的含量大于等于85wt％，其细度0.90mm方孔筛筛余小于等于1.5wt％，且细度0.125mm方孔筛筛余小于等于18.0wt％。

8.根据权利要求1所述的功能性植物纤维石膏材料的制备方法，其特征在于所述的水泥为普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和矿渣水泥中的任意一种或几种的复合。