CN104073009A - 一种生物质泡沫及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物质泡沫，包括农业废弃物的加工产物、无机粉末填料、有机粘接剂、发泡剂、乳化剂、水、固化剂，所述农业废弃物的加工产物是由农业废弃物加工成的粉末或生物油。所述生物质泡沫利用农业废弃物的提取物，合成发泡获得的生物质泡沫作为泡沫板的基材，促进废物利用，减少环境压力，更加绿色环保。具有轻质、绿色无毒等特点，还具有良好的力学性能以及出色的隔热性和阻燃性，且制作简单，成本低廉，便于推广。

Description

一种生物质泡沫及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于材料领域，具体涉及生物质泡沫及其制备方法和应用。 

技术背景

我国属于农业大国，每年都会产生大量的农业废弃物，如各种农作物的秸秆，由于这类农业废弃物的量太大，不易集中处理，以前的通常做法是就地焚烧，这不仅严重影响空气质量，而且还是一种严重的资源浪费。随着我国经济发展模式的转变和可持续发展战略的深入实施，对于农业废弃物的妥善处理提出了更高的要求。目前已有少量将农业废弃物深加工后用于制备生物质泡沫的报道。但现有技术中制备生物质泡沫通常需要先对农业废弃物进行较复杂的加工，工序繁琐、农业废弃物的回收利用成本较高。且制备的生物质泡沫普遍存在力学性能差、综合性能不稳定等缺陷，并不能很好地满足应用要求，尤其限制了其作为外墙保温板的推广应用。限制了该农业废弃物回收利用手段的推广。 

发明内容

本发明针对上述问题，提供了一种具有良好的力学性能的无毒、阻燃、隔热的生物质泡沫保温材料。 

本发明通过以下技术方案来实现： 

一种生物质泡沫，包括农业废弃物的加工产物、无机粉末填料、有机粘接剂、发泡剂、乳化剂、水、固化剂，所述农业废弃物的加工产物是由农业废弃物加工成的粉末或生物油。所述农业废弃物加工成的生物油可以采用公开号为CN 103060023的专利文献提供的方法制备，也可以直接从市场上购买。所述农业废弃物的加工产物（尤其是农作物秸秆粉末），仅通过简单的初加工就可制得，成本低廉，通过各原料的相互作用使所得的生物质泡沫材料具有轻质、绿色无毒，还具有良好的力学性能以及出色的隔热性和阻燃性。作为可选，所述农业废弃物粉末被加工成50~150目，采用该细度范围的农业废弃物粉末有利于提高产品的力学强度。

作为可选方式，在上述生物质泡沫中，所述无机粉末填料为氢氧化铝、氢氧化镁、高岭土、三氧化二铝、硫酸钡、滑石粉、碳酸钙中至少一种。粉末粒度范围？通过添加无机粉末填料一方面可以在材料中起到颗粒增强和增韧的效果，另一方面对农业废弃物起到一定的矿化作用，提高农业废弃物的稳定性，避免其中的可溶性碳水化合物（如丹宁、糖类等）会在水中溶解和抽出，从而影响泡沫材料的强度和稳定性。 

作为可选方式，在上述生物质泡沫中，所述有机粘接剂为酚醛树脂或聚氨酯树脂。所述有机粘接剂具有优异的发泡性、粘接性和防火性。除了构成泡沫以外，还能将各组分有机地粘接在一起，并具有阻燃效果。 

在上述生物质泡沫中，所述发泡剂的作用在发泡过程中产生气泡，使材料形成多孔的泡沫状结构，从而减轻材料的容重。作为可选方式，所述发泡剂为烷烃发泡剂，如正戊烷、环戊烷、石油醚、己烷中的一种或几种，采用这类发泡剂，发泡所需温度低，发泡效果好，且绿色环保。 

作为可选方式，在上述生物质泡沫中，所述乳化剂为硅油，壬基酚聚氧乙烯醚，脂肪醇聚氧乙烯醚中的至少一种，所述乳化剂的作用是材料配方中的有机物、无机物、亲属性和疏水性物质都充分均匀的混合，是所得的材料性能均一、稳定。 

在上述生物质泡沫中，所述固化剂能将树脂固化，形成稳定的泡沫结构，当有机粘接剂为酚醛树脂时所述固化剂为酸类固化剂（如对甲基苯磺酸、甲基磺酸、苯酚磺酸以及它们的复配物），当有机粘接剂为聚氨酯时所述固化剂为二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）。 

作为可选方式，在上述生物质泡沫中，各组分按重量份的配比如下：所述农业废弃物的加工产物为10~60份；无机粉末填料为15~20份；有机粘接剂为10~40份；发泡剂为1~10份；乳化剂为2~6份；固化剂为5~20份。 

作为可选方式，在上述生物质泡沫中，所述生物质泡沫中还含有玄武岩连续纤维。添加玄武岩纤维可以较大程度提高泡沫的抗压、抗拉性能，还可以显著提高板件的电绝缘性、抗腐蚀、抗燃烧、耐高温等性能。作为可选，所述玄武岩连续纤维的质量在所述生物质泡沫材料总重量中所占的比例为1~10%。 

作为可选方式，在上述生物质泡沫中，所述玄武岩连续纤维是直径为9~22μm，长度为3~25mm的短纤维。该尺寸的短纤维对泡沫材料的增强增韧效果较好 

作为可选方式，在上述生物质泡沫中，所述短纤维在泡沫基体中是随机取向的。有利于保证材料的均匀性；有利于提高材料在各方向上的强度，增加材料的各向同性。

作为可选方式，在上述生物质泡沫中，所述玄武岩连续纤维是直径为9~22μm，长度在100~2000mm以上的长纤维。采用长纤维有利于大幅提高板件纤维方向的强度和韧性，对于泡沫的拉拔强度有很大的提高。 

作为可选方式，在上述生物质泡沫中，所述长纤维在泡沫基体中是定向分布的。采用相同的纤维取向有利于根据应用需要，提高特定的一个或几个方向的力学强度。 

作为可选方式，在上述生物质泡沫中，所述玄武岩连续纤维在泡沫基体中分层分布，形成有纤维层和无纤维层间隔分布的结构。通过交替设置有纤维层和无纤维层有利于改善力学性能分布不均匀性，能在控制复合材料密度的同时提高其综合机械性能。 

本发明还提供了上述生物质泡沫的制备方法，具体步骤为： 

1）将农业废弃物粉碎成50~150目的粉末或提炼成生物油；

2）加入其他原料，在室温下充分搅拌获得生物质泡沫浆料；

3）将浆料浇注到一定的模具中，在25-75℃环境中发泡10-120 分钟，得到生物质酚醛泡沫材料。

作为可选方式，可以在上述方法的步骤2）中加入玄武岩连续纤维与浆料一起混合搅拌或在所述步骤3）中一边浇注一边加入玄武岩连续纤维。 

本发明还提供了一种上述生物质泡沫的应用，其特征在于，将其用于制作墙板或通风管道。 

在上应用中可以将所述生物质泡沫制作成板材，还可以在所述板材结构中加入由金属丝构成的支架。通过所述金属支架对板材进行进一步的定型，提高板材的强度和刚度。 

作为可选方式，还可以在上述生物质泡沫制作成的板材的上下表面各设置有一层金属板。在板件的上下表面各设置一层金属包裹层，一方面更美观，同时减少泡沫板的磨损，进一步增加板件的强度，降低板件断了的风险。所述金属板优选厚度为0.6-2mm的铝合金板或彩涂钢板。进一步的，还可以在所述生物质泡沫板材的上、下表面均设置大量凹槽，所述金属板的形状与生物质泡沫板上、下表面的形状相匹配。通过增加凹槽使生物质泡沫与金属板接触面积更大，结合更紧密；更进一步的，将所述凹槽设置成较短底边朝外的梯形槽可以使生物质泡沫与金属板相互锁合。 

作为可选方式，在所述生物质泡沫制作成的板材中，所述生物质泡沫板材的一端设置有梯形突起，所述梯形突起的较长底边朝外，所述生物质泡沫板材的另一端设置有与所述梯形突起相适配的梯形凹槽。安装时，直接将一块泡沫板的梯形突起卡入另一块板件的凹槽，即可实现两块板的卡合固定，无需其他辅助固定装置，安装方便操作简单。 

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。 

本发明的有益效果： 

1、利用农业废弃物的提取物，合成发泡获得的生物质泡沫作为泡沫板的基材，促进废物利用，减少环境压力，更加绿色环保。

2、本发明中的农业废弃物的加工产物（尤其是农作物秸秆粉末），仅通过简单的初加工就可制得，成本低廉，方法简单，便于推广。通过各原料的相互作用使所得的生物质泡沫材料具有轻质、绿色无毒，还具有良好的力学性能以及出色的隔热性和阻燃性。 

具体实施方式：

以下通过实施例的具体实施方式再对本发明的上述内容作进一步的详细说明。但不应当将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明的精神和原则之内做的任何修改，以及根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的等同替换或者改进，均应包括在本发明的保护范围内。实施例中所涉及的百分比，如无特殊说明均为重量百分比。

实施例1  原料的准备 

将农业废弃物进行粉碎获得50~150目的粉末或采用公开号为CN 103060023的专利文献提供的方法提炼成生物油。玄武岩连续纤维可以从市场上购得，也可由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成的玄武岩石料在高温熔融后，通过漏板快速拉制而成。

实施例2 制备生物质泡沫 

取实施例1中制备的农业废弃物的加工产物100g；氢氧化铝粉末200g；酚醛树脂100g；正戊烷10g；壬基酚聚氧乙烯醚20g；苯酚磺酸50g。在室温下与适量的水500mL水充分搅拌获得生物质泡沫浆料；将浆料浇注到一定的模具中，在25℃环境中发泡10 分钟，得到生物质酚醛泡沫材料。所得材料具有多孔的泡沫状结构，容重为90 kg/m³，具有良好的隔热性、阻燃性，抗拉强度为 0.18 MPa，抗压强度为0.35MPa。

作为对比，在本实施例所述配方中去掉氢氧化铝粉末，其余原料和参数均不变，所得的材料强度降低20%以上，且泡沫状结构不牢固，易松散掉渣。 

实施例3 

取实施例1中制备的农业废弃物的加工产物600g；碳酸钙粉末150g；聚氨酯树脂400g；石油醚100g；脂肪醇聚氧乙烯醚60g；MDI 200g。在室温下与适量的水1000mL水充分搅拌获得生物质泡沫浆料；将浆料浇注到一定的模具中，在50℃环境中发泡60 分钟，得到生物质聚氨酯泡沫材料。所得材料具有多孔的泡沫状结构，容重为20 kg/m³，具有良好的隔热性、阻燃性，抗拉强度为0.08  MPa，抗压强度为0.11  MPa。

实施例4 

取实施例1中制备的农业废弃物的加工产物300g；三氧化二铝100g；滑石粉80g；聚氨酯树脂300g；环戊烷20g；己烷60g；壬基酚聚氧乙烯醚20g；脂肪醇聚氧乙烯醚20g；MDI 100g。在室温下与适量的水1000mL水充分搅拌获得生物质泡沫浆料；将浆料浇注到一定的模具中，在75℃环境中发泡120 分钟，得到生物质聚氨酯泡沫材料。所得材料具有多孔的泡沫状结构，容重为25 kg/m³，具有良好的隔热性、阻燃性，抗拉强度为 0.09 MPa，抗压强度为 0.13 MPa。

实施例5 

分别在上述实施例2、3、4所述的配方中加入玄武岩纤维，控制所述玄武岩的加入量在所得泡沫材料总质量中的比例为1~10%。通过混合搅拌的方式将浆料与玄武岩连续纤维充分混合后发泡固化成型，所得的玄武岩增强的生物质泡沫材料在中，所述短纤维在泡沫基体中是随机取向的，所得材料仍具有多孔的泡沫状结构，相对于对应的不含玄武岩纤维的泡沫材料容重增加不超过10%，抗拉强度增加50%以上，抗压强度增加20%以上，玄武岩纤维的加入还显著提高了材料的电绝缘性、抗腐蚀。

作为对比，在本实施所述的配方中分别选择选取直径为 9~22μm，长度为3~25mm的玄武岩短纤维和直径为9~22μm，长度在100~2000mm以上的玄武岩长纤维制作两类玄武岩纤维增强的生物质泡沫。制作所述长纤维增强的生物质泡沫时，先将除玄武岩之外的所有原料充分混合搅拌制成生物质泡沫浆料，然后将浆料浇注到一定的模具中，一边浇注一边沿特定方向铺设玄武岩长纤维，所得的玄武岩增强的生物质泡沫中，所述长纤维在泡沫基体中是定向分布的。结果显示长纤维增强的生物质泡沫与短纤维增强的生物质泡沫相比沿纤维方向的抗拉强度明显增加，其余性能无明显差别。 

作为可选方式，成型时一边浇注生物质泡沫浆料，一边沿间断性地加入玄武岩纤维，所得玄武岩连续纤维在所述泡沫基体中分层分布，形成有纤维层和无纤维层间隔分布的结构。通过交替设置有纤维层和无纤维层有利于改善力学性能分布不均匀性，能在控制复合材料密度的同时提高其综合机械性能。 

实施例6 

设计相应的成型模具，将上述实施例中的各生物质泡沫制作成板材。

作为可选方式，还可以先采用金属丝编制成支架，然后将所得支架放入成型模具形成的空腔中，再按实施1中所述的各种方式进行浇注、发泡、固化、成型，得到一系列泡沫基体还含有由金属丝支架的复合生物质泡沫板。通过所述金属支架对板材进行进一步的定型，提高板材的强度和刚度。 

作为可选方式，在上述生物质泡沫板结构中，在成型时通过模具使所述生物质泡沫板一端设置有梯形突起，所述梯形突起的较长底边朝外，所述所述生物质泡沫板的另一端设置有与所述梯形突起相适配的梯形凹槽。安装时，直接将一块泡沫板的梯形突起卡入另一块板件的凹槽，即可实现两块板的卡合固定，无需其他辅助固定装置，安装方便操作简单。 

实施例7 

在按实施例6所述方法制备生物质泡沫板时，成型过程中，先在成型模具形成的空腔底部放置金属薄板，然后再按实施例1或实施例2所述的方法进行浇注，浇注后再在浆料的上面盖上另一层金属薄板，然后进行发泡、固化、成型。所得生物质泡沫板的上下表面各设置有一层金属板。在板件的上下表面各设置一层金属包裹层，一方面更美观，同时减少泡沫板的磨损，进一步增加板件的强度，降低板件断了的风险。所述金属板优选厚度为1-2mm的铝合金板或彩涂钢板。

作为可选，将所述金属薄板压制成具有大量凹槽的形状，所得的生物质泡沫板的上、下表面均设置有大量凹槽，所述金属板的形状与生物质泡沫板上、下表面的形状相匹配。通过增加凹槽使生物质泡沫与金属板接触面积更大，结合更紧密；更进一步的，将所述凹槽设置成较短底边朝外的梯形槽可以使生物质泡沫与金属板相互锁合。 

以上所述仅为本发明的优选实施例，对本发明而言仅是说明性的，而非限制性的；本领域普通技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效变更，但都将落入本发明的保护范围。 

Claims (10)

1.一种生物质泡沫，其特征在于，所述生物质泡沫包括农业废弃物的加工产物、无机粉末填料、有机粘接剂、发泡剂、乳化剂、水、固化剂，所述农业废弃物的加工产物是由农业废弃物加工成的粉末或生物油。

2.根据权利要求1所述的生物质泡沫，其特征在于，各组分按重量份的配比如下：所述农业废弃物的加工产物为10~60份；无机粉末填料为15~20份；有机粘接剂为10~40份；发泡剂为1~10份；乳化剂为2~6份；固化剂为5~20份。

3.根据权利要求1所述的生物质泡沫，其特征在于，所述生物质泡沫中还含有玄武岩连续纤维。

4.根据权利要求3所述的生物质泡沫，其特征在于，所述玄武岩连续纤维是直径为 9~22μm ，长度为3~25mm的短纤维。

5.根据权利要求3所述的生物质泡沫，其特征在于，所述玄武岩连续纤维是直径为9~22μm，长度在100~2000mm以上的长纤维。

6.根据权利要求3所述的生物质泡沫，其特征在于，所述玄武岩连续纤维在泡沫基体中分层分布，形成有纤维层和无纤维层间隔分布的结构。

7.根据权利要求1所述的生物质泡沫，其特征在于，所述无机粉末填料是氢氧化铝、氢氧化镁、高岭土、三氧化二铝、硫酸钡、滑石粉、碳酸钙中的至少一种。

8.一种如权利要求1所述的生物质泡沫的制备方法，其特征在于，具体步骤为：

1）将农业废弃物粉碎成50~150目的粉末或提炼成生物油；

2）加入其他原料，在室温下充分搅拌获得生物质泡沫浆料；

3）将浆料浇注到一定的模具中，在25-75℃环境中发泡10-120 分钟，得到生物质酚醛泡沫材料。

9.根据权利要求8所述的生物质泡沫的制备方法，其特征在于，在所述步骤2）中加入玄武岩连续纤维与浆料一起混合搅拌或在所述步骤3）中一边浇注一边加入玄武岩连续纤维。

10.根据权利要求1所述的生物质泡沫的应用，其特征在于，将其用于制作墙板或通风管道。