CN1044583C - 从可再生原料制备复合材料的方法 - Google Patents

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Abstract

这里提供一种从可再生原料制备复合材料的方法，其中尤其是纤维形式的、包含作为粘合剂的淀粉的天然原料通过加水依照预定的温度和时间方案塑模以形成板或模塑件。所述这种方法的优点在于所述材料可完全生物降解并无有害物质。

Description

从可再生原料制备复合材料的方法
本发明涉及制备含从可再生原料得到的粘合剂的、可生物降解的天然纤维材料(木、纺织纤维、纸、等等)的方法，这种方法变得越来越重要，例如在生产环境相容的无甲醛颗粒板方面。
由木屑或木纤维制造的复合材料主要用作家俱或建筑业用平板。与造纸和纺织工业不同，在木材业中根本不用淀粉浆，或仅将其用作合成树脂胶的补充剂。
到目前为止，在板状的木质产品的生产中主要采用了由基本的石油化学材料生产的有机粘合剂。即使仅仅是一小部份这种合成粘合剂被由可再生原料制造的粘合剂代替都将导致生态学和宏观经济上相当可观的利益。
在传统的板材生产过程中，例如木纤维是用合成粘合剂靠热压法制备。合成粘合剂通过化学反应(聚合、加聚，等等)被交联或固化。在这些化学反应中，木材颗粒受到外压，表现出比相应于其堆积密度的压缩度更高的压缩度。合成粘合剂的固化使木材颗粒的弹性回复减小。当回复力被粘合剂完全吸收时，压制过程完成。木材颗粒在上胶之前被干燥，这一点所有的传统制备方法都一样。取决于合成粘合剂的用量，在上胶后，木屑的湿度可达10至15％。由于热压时的产生蒸汽压的影响，传统制备方法中较高的木屑湿度将导致材料中的张力超过板横向上的抗张强度。在压机打开后，板将会开裂。
本发明的目的是提供一种环境相容的、由可再生原料制成的复合材料以及一种环境相容且经济的方法以制备完全可生物降解的、无有害物质的天然纤维材料，及相应方法所制备的板和模塑件。
这个目的可通过以下技术方案来达到的。
通过以淀粉为基的可生物降解的粘合剂物理地粘合且压缩的可再生原料的纤维尤指木纤维制成的复合材料，其中粘合剂为干淀粉胶体基质。
通过以淀粉为基的可生物降解的粘合剂物理地粘合且压缩的可再生原料的纤维尤指木纤维制成的复合材料的制备方法，其中纤维材料和含有可溶胀淀粉的粘合剂与水混合，以使这些淀粉被转变成胶体，然后，在具有可变化开口侧的可加热压制机中将得到的混合物在压力下加热，并在压力减小同时进行干燥直至所需尺寸。
用生物可降解的以淀粉为基的粘合剂由可再生原料颗粒制备复合材料的方法，其中粘合剂的固化和压缩在物理过程中通过依赖于压缩面间距、挤压力、模制件的温度和保压时间的水的蒸发进行。
本发明基于以下几个构想：在制备可完全生物降解的天然纤维材料中利用以淀粉为基的粘合剂；协调和控制程序的步骤；基于干木屑或木纤维的用量来选择粘合剂、水以及如需的话其它添加剂的用量配方，从而优化热压时的停留时间且根据所需用途调节所制备的复合材料的机械性能。作为纤维材料的木屑的水份被用作天然纤维混合物生产中的溶剂和溶胀剂。
淀粉和/或糊精可经济地用于制备由木屑和木纤维制作的复合材料，尤其是当必要工艺技术要求变为工业化生产，使待替代产品的制备在数量上可与用在合成树脂粘合剂的原料相比拟时。
可用于上述方法中的粘合剂包括由例如马铃薯、木薯、玉米、蜡玉米、含高直链淀粉的玉米、谷物粉末得到的天然形式或杂化形式的天然淀粉或由物理和/或化学改性过的淀粉组成的淀粉衍生物。
从各种植物中获得的天然淀粉是不溶于冷水的，因而在这种状态下不能用作粘合剂。这需要一个化学和/或物理的过程来使淀粉具有粘合性能。不管用何种方法，淀粉被转变成为一个胶体体系。溶剂(水)蒸发后产生一个固态基料，这个基料可通过粘合力与其它物质或多或少坚固地粘合。
有利的是这些基于天然纤维并依照本发明制备的材料、板、模塑件和模制件是完全用可再生原料(即可再生原料的纤维和颗粒)制成的，它们可生物降解、完全没有有害物质(无甲醛)并且也可以应用于热应用。
在本发明的方法中压制的工艺参数包括：压制温度(例如160℃-220℃)、挤压力、压制机的闭合速度、保压时间、无纺织温度(Vliestemperatur)以及模压周期(过度压缩、放松、加热期、校准期)。
工艺参数随着配方参数和原料性能进行优化。另外，除与压制相关的参数，淀粉溶胀所需的水的量是一个与保压时间相关的配方因素。因而，要在粘合剂中加入适当的添加剂，使水-粘合剂比例减少，这样可能使木材中的水份活化为溶剂或溶胀剂。
在合适的混合器中制备原料的混合物，混合器宜含有一个测量以植物为基的原料、水和粘合剂的量的测量装置。混合器以带刀头的犁片混合器为宜。所有的成份例如以植物为基的原料(例如木素纤维素、木材、木屑或天然纤维如棉花)、水和淀粉粉末以一定的配方置于以上所述的混合器中(其中混合物中优选含有5-60重量％的水和5-60重量％的粘合剂)，经过充分的混合将混合物置于模具中，如果需要的话，可以以与水交替的方式一层层地加入。经短时间压缩后，盖模并置于可加热的压制机中。然后，料饼经特殊的方法在预定温度下模塑(温度优选介于80-250℃之间，挤压力优选介于0.1牛顿/毫米2-50牛顿/毫米2之间)，从模具中取出便得到完成的板。这样就生产出具有各种机械性能的纤维复合板。
另外，胶合板或装饰板可放在压制模具中压制到复合板上。
这种原料的混合物还可以用带有一个合适喷嘴的挤压机塑模，其中将混合物放到挤压机中，如果需要的话再加入水，压缩混合物，尤其在20至250℃之间，然后压出混合物并将该混合物放入模具中，压缩混合物以形成复合材料。如果需要可以通过压出法将其压到前述板材之上。
如果粘合剂采用的是可再生原料(例如淀粉)，那么粘合过程就不是化学反应造成的。天然粘合剂的固化是一个由水的蒸发所引起的物理过程。随着干燥的进行，固化程度加深。由于这些天然粘合剂与反应合成的粘合剂之间的特征差别需要一个完全不同的方法，这个方法与传统的制备过程有着重大差异。
下面是本发明方法的具体实施例。
实施例1
将1,760克细木屑置于130升带刀头的犁片混合器中，喷入520克水。然后向混合物中加入520克马铃薯淀粉，再混合一分钟。
取出这些混合物的50％均匀地撒在带有420×420毫米(内尺寸)框架的金属片上。物料在700牛顿的力下压一短时间。在得到的料饼上再加盖金属片，并放到可加热的压制机内。
料饼在170℃的压缩温度下经两秒钟压缩至10毫米水平。模具压力保持在0.1牛顿/毫米220分钟。压缩面间距调整到10毫米后一分钟。然后开模，取出完成的板。
实验室实验得到以下结果：
堆积密度       530克/升
抗弯强度       18牛顿/毫米2
实施例2
将1,760克细木屑置于130升带刀头的犁片混合器中，喷入520克水。然后向混合物中加入520克玉米淀粉，再混合一分钟。
取出这些混合物的50％均匀地撒在带有420×420毫米(内尺寸)框架的金属片上。物料在700牛顿的力下压一短段时间。在得到的料饼上再加盖金属片，并放到可加热的压制机内。
料饼在170℃的压缩温度下经两秒钟压缩至10毫米水平。模具压力保持在0.1牛顿/毫米220分钟。压缩面间距调整到10毫米后一分钟。然后开模，取出完成的板。
实验室实验得到以下结果：
堆积密度     546克/升
抗弯强度    14牛顿/毫米2
实施例3
将1,760克细木屑置于130升带刀头的犁片混合器中，喷入520克水。然后向混合物中加入520克阳离子的麦淀粉，再混合一分钟。
取出这些混合物的50％均匀地撒在带有420×420毫米(内尺寸)框架的金属片上。松散材料在700牛顿的力下压一短时间。在得到的料饼上再加盖金属片，并放到可加热的压制机内。
料饼在170℃的压缩温度下经两秒钟压缩至10毫米水平。模具压力保持在0.1牛顿/毫米220分钟。压缩面间距调整到10毫米后一分钟。然后开模，取出完成的板。
实验室实验得到以下结果：
堆积密度     528克/升
抗弯强度     21牛顿/毫米2
实施例4
将1,760克细木屑置于130升带刀头的犁片混合器中，喷入520克水。然后向混合物中加入520克马铃薯淀粉，再混合一分钟。将1,760克粗木屑置于130升带刀头的犁片混合器中，喷入520克水。然后向混合物中加入520克马铃薯淀粉，再混合一分钟。
对于每一种混合物各取25％，按如下的方法撒到带有420×420毫米(内尺寸)框架的金属片上：首先撒上一半细木屑的混合物，然后是粗木屑的混合物，最后是另一半细木屑的混合物。物料在700牛顿的力下压一短时间。在所得到的料饼上再加盖金属片，并放到可加热的压制机内。
料饼在170℃的压缩温度下经两秒钟压缩至11毫米水平。模具压力保持0.1牛顿/毫米214分钟。压缩面间调整到10毫米后一分钟。然后开模，取出完成的板。
实验室实验得到以下结果：
堆积密度    524克/升
抗弯强度    19牛顿/毫米2
实施例5
将1,760克细木屑置于130升带刀头的犁片混合器中，喷入520克水。然后向混合物中加入520克小麦淀粉，再混合一分钟。
取出这些混合物的50％按如下方法均匀地撒在带有420×420毫米(内尺寸)框架的金属片上：首先是一个3毫米厚的基层，然后撒100克水，接着是剩下的混合物，最后撒100克水。物料在700牛顿的力下压一短时间。在得到的料饼上再加盖金属片，并放到可加热的压制机内。
料饼在190℃的压缩温度下经20秒压缩至9.5毫米水平。压缩面间距保持在12.5毫米12分钟。接下来调压缩面间距至10毫米后三分钟。然后开模，取出完成的板。
实验室实验得到以下结果：
堆积密度    551克/升
抗弯强度    17牛顿/毫米2。

Claims (37)

1．通过以淀粉为基的可生物降解的粘合剂物理地粘合且压缩的可再生原料的纤维尤指木纤维制成的复合材料，其中粘合剂为干淀粉胶体基质。
2．通过以淀粉为基的可生物降解的粘合剂物理地粘合且压缩的可再生原料的纤维尤指木纤维制成的复合材料的制备方法，其中纤维材料和含有可溶胀淀粉的粘合剂与水混合，以使这些淀粉被转变成胶体，然后，在具有可变化开口侧的可加热压制机中将得到的混合物在压力下加热，并在压力减小同时进行干燥直至所需尺寸。
3．权利要求2所定义的方法，其中粘合剂包括由例如马铃薯、木薯、玉米、蜡玉米、含高直链淀粉的玉米、谷物粉末得到的天然形式或杂化形式的天然淀粉或由物理和/或化学改性过的淀粉组成的淀粉衍生物。
4．权利要求2所定义的方法，其包括以下步骤：
a)．加入定量的以植物为基的原料和水，并将其在混合器中混合：
b)．加入定量的粘合剂，进一步混合；
c)．将混合物放在模具中，如果需要的话，可以以与水交替的方式一层层放入；
d)．压缩混合物；
e)．模塑混合物以形成复合材料。
5．权利要求2所定义的方法，其包括以下步骤：
a)．加入定量的以植物为基的原料和水，在混合器中将其混合；
b)．加入定量的粘合剂，进一步混合；
c)．将混合物放到压出机中，如果需要的话再加入水；
d)．压缩混合物，尤其在20到250℃之间；
e)．压出混合物并将该混合物放入模具中；
f)．压缩混合物以形成复合材料。
6．权利要求4或5所定义的方法，其中混合器为带刀头的犁片混合器。
7．权利要求6所定义的方法，其中混合器含有一个测量以植物为基的原料、水和粘合剂的量的测量装置。
8．权利要求4或5所定义的方法，其中混合物含有重量含量5至60％的水和重量含量5至60％的粘合剂。
9．权利要求4或5所定义的方法，其中所述的以植物为基的原料为木素纤维素、木材、木屑或天然纤维如棉花。
10．按权利要求4所定义的方法，其中混合物被加工成无纺织物。
11．权利要求4或5所定义的方法，其中的步骤(e)在高温下进行。
12．权利要求11所定义的方法，其中步骤(e)依照预定的温度和时间方案进行。
13．权利要求11定义的方法，其中步骤(e)的温度介于80℃和250℃之间。
14．权利要求4或5所定义的方法，其中在步骤(e)中挤压力改变一次或多次。
15．权利要求4或5所定义的方法，其中在步骤(e)中挤压力介于0.1牛顿/毫米2和50牛顿/毫米2之间。
16．权利要求4所定义的方法，其中在步骤(e)中压缩面间距改变一次或多次。
17．权利要求4或5所定义的方法，其中在步骤(e)中将混合物施加到胶合板或装饰板上。
18．权利要求2所定义的方法，其中可再生原料为以植物为基的原料，如木素纤维素、木材或天然纤维。
19．用生物可降解的以淀粉为基的粘合剂由可再生原料颗粒制备复合材料的方法，其中粘合剂的固化和压缩在物理过程中通过依赖于压缩面间距、挤压力、模制件的温度和保压时间的水的蒸发进行。
20．由权利要求19所定义的方法，其中粘合剂包括由例如马铃薯、木薯、玉米、蜡玉米、含高直链淀粉的玉米、谷物粉末得到的天然形式或杂化形式的天然淀粉或由物理和/或化学改性过的淀粉组成的淀粉衍生物。
21．权利要求19所定义的方法，其包括以下步骤：
a)．加入定量的以植物为基的原料和水，并将其在混合器中混合：
b)．加入定量的粘合剂，进一步混合；
c)．将混合物放在模具中，如果需要的话，可以以与水交替的方式一层层放入；
d)．压缩混合物；
e)．模塑混合物以形成复合材料。
22．权利要求19所定义的方法，其包括以下步骤：
a)．加入定量的以植物为基的原料和水，在混合器中将其混合；
b)．加入定量的粘合剂，进一步混合；
c)．将混合物放到压出机中，如果需要的话再加入水；
d)．压缩混合物，尤其在20到250℃之间；
e)．压出混合物并将该混合物放入模具中；
f)．压缩混合物以形成复合材料。
23．权利要求21或22所定义的方法，其中混合器为带刀头的犁片混合器。
24．权利要求23所定义的方法，其中混合器含有一个测量以植物为基的原料、水和粘合剂的量的测量装置。
25．权利要求21或22所定义的方法，其中混合物含有重量含量5至60％的水和重量含量5至60％的粘合剂。
26．权利要求21或22所定义的方法，其中所述的以植物为基的原料为木素纤维素、木材、木屑。
27．权利要求21所定义的方法，其中混合物被加工成无纺织物。
28．权利要求21或22所定义的方法，其中的步骤(e)在高温下进行。
29．权利要求28所定义的方法，其中步骤(e)依照预定的温度和时间方案进行。
30．权利要求28定义的方法，其中步骤(e)的温度介于80℃和250℃之间。
31．权利要求21或22所定义的方法，其中在步骤(e)中挤压力改变一次或多次。
32．权利要求21或22所定义的方法，其中在步骤(e)中挤压力介于0.1牛顿/毫米2和50牛顿/毫米2之间。
33．权利要求21所定义的方法，其中在步骤(e)中压缩面间距改变一次或多次。
34．权利要求21或22所定义的方法，其中在步骤(e)中将混合物施加到胶合板或装饰板上。
35．权利要求19所定义的方法，其中可再生原料为以植物为基的原料，如木素纤维素、木材。
36．由下述方法可获得的板或模塑件，该方法包括以下步骤：
a)．加入定量的以植物为基的原料和水，并将其在混合器中混合：
b)．加入定量的粘合剂，进一步混合；
c)．将混合物放在模具中，如果需要的话，可以以与水交替的方式一层层放入；
d)．压缩混合物；
e)．模塑混合物。
37．由下述方法可获得的板或模塑件，该方法包括以下步骤：：
a)．加入定量的以植物为基的原料和水，在混合器中将其混合；
b)．加入定量的粘合剂，进一步混合；
c)．将混合物放到压出机中，如果需要的话再加入水；
d)．压缩混合物，尤其在20到250℃之间；
e)．压出混合物。
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