CN104875247A - 一种无醛型竹材重组塑聚建筑结构材及制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无醛型竹材重组塑聚建筑结构材及制备工艺。本发明的技术要点是，该无醛型竹材重组塑聚建筑结构材，它由至少两层展开竹材重组塑聚单板分层叠加，用高分子树脂化合物接枝竹材中的纤维木质素，通过高温高压，使高分子树脂化合物于热熔融状态下与竹材塑聚形成一个整合体；展开竹材重组塑聚单板分层叠加时，竹黄层与竹黄层相对，竹青层与竹青层相对。本发明提高了竹材出材率；工作效率提高，降低了单位产品的成本；充分地保持了竹材的力学性能；采用高分子树脂填充重组塑聚竹材，使竹材改性，材料成为环保型的适合建筑结构用材。

Description

一种无醛型竹材重组塑聚建筑结构材及制备工艺
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种无甲醛的竹材重组塑聚建筑结构材及其制备工艺。
背景技术
竹材具有相当好的力学性能，就强度和成本而言，竹子被认为是自然界中效能最高的材料。竹材的抗拉强度约为木材的2倍，抗压强度为木材的1.5倍，竹材的比强度高于木材和普通钢材，因此，竹材具备作为建筑结构材的良好基础条件。若将其开发为建筑结构材料，就能拓宽竹材在建筑领域的用途，为提升竹资源的利用开拓一种有效途径。到目前为止，竹材还基本停留在室内家装、小家具、室外装饰和建筑模板的应用上，尚未被用作建筑结构材。竹材的抗拉、抗压力学性能没有得到充分的发挥，而竹材自身优良的力学性能非常适合开发建筑结构中的添加剂梁板、柱、墙体等结构板材和单向受力结构件材。
竹子虽然是自然界存在的一种典型的、具有良好的力学性能的生物体。它强度高、弹性好、性能稳定，而且密度小。结构决定力学性能，竹子生物体结构要承受自身的质量及生长环境的的载荷，漫长的进化过程使结构具有优良的力学性能。然而，竹子是小直径的空心园柱体，从形状到性能均不能满足现代建筑工程结构的建造要求。欲将其作为建筑结构材使用，必须对原竹进行改形、改性，制作出适用现代建筑工程结构建造技术的板材和型材。目前，重组竹材、层积竹材在压机容量满足要求情况下，可获得较厚的板坯，然后再裁成不同尺寸的梁、柱等方材，这种竹材人造板压制是需要很高压力才能获得足够的强度，故产品密度较大，原材料消耗较多，生产成本高。而且，它们在制造过程中，竹材的纤维生物量刨铣较多，竹材的内组织结构遭到了破坏，其强度得不到充分发挥。同时，采用了具有甲醛成份的树脂胶，给绿色环保型竹材添加了有害化学成份，产生了材料的制造污染，不适合用作房屋建筑结构材，有害于人们的身体健康。
竹子的结构是自然界中存在的比较典型的轻量化结构，给予了人们设计竹质建筑结构轻型材有益的启发。同时，由于当前我国对木结构型材的需求日益增大，而木材资源相对缺乏，木材供需矛盾日趋紧张的形势下，“以竹代木”加快发展绿色环保型竹质建筑结构材，将具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种将竹材展开重组塑聚单板作为面层、芯层和底层，并且具有较高的强度的无醛型竹材重组塑聚建筑结构材。
本发明的上述目的是通过如下的技术方案来实现的：该无醛型竹材重组塑聚建筑结构材，它由至少两层展开竹材重组塑聚单板分层叠加，用高分子树脂化合物接枝竹材中的纤维木质素，通过高温高压，使高分子树脂化合物于热熔融状态下与竹材塑聚形成一个整合体；展开竹材重组塑聚单板分层叠加时，竹黄层与竹黄层相对，竹青层与竹青层相对。
具体的，所述展开竹材重组塑聚单板是由弧形竹片去除竹内节，竹黄层纵向剖裂、竹青层相连，展平、定厚初刨竹青面腊层及竹黄面，并进行竹材预塑化改性处理及高分子树脂化合物铺装处理后的竹片，竹黄面为同一面、竹青面为同一面、侧面相靠紧密整齐排列而成的单板。
进一步，所述竹材预塑化改性处理是将偶联剂、交联剂和木质素纤维粘合剂溶液喷雾在干燥后的竹片的竹材纤维木素表面上，使其充分湿润和变性；所述高分子树脂化合物铺装是在竹材预塑化改性处理后竹片的竹黄面上铺装高分子树脂化合物，用振动的方式使树脂化合物进入裂纹间隙内。
本发明的目的之二在于提供上述无醛型竹材重组塑聚建筑结构材的制备工艺，该制备工艺包括如下步骤：
(1)将原竹锯切成规格长度的竹筒，再将竹筒剖分成两块以上的弧形竹片并除去竹内节；竹筒的长度为2600-5000mm；
(2)将除去竹内节竹片的竹黄面剖成4-5mm间距的纵裂纹，竹黄面剖裂深度距离竹青面3-4mm，形成竹黄层纵向均匀剖解一些细小竹条，而竹青层没有得到剖解，细小的竹黄竹条保留在竹青层上，形成原竹竹黄层剖裂疏解的竹片；再将竹片展平、定厚初刨竹青面腊层及竹黄面；
(3)对步骤(2)的竹片进行高温软塑处理；
(4)再对竹片进行干燥脱水，使竹片含水率达到8％；
(5)将脱水后的竹片进行竹材预塑化改性处理：即竹材表面纤维木质素改性处理，是对亲水性竹材纤维木质素进行表面改性处理，以提高其同高分子树脂化合物的结合能力；
(6)将竹材预塑化改性处理的竹片再经过干燥、高分子树脂化合物铺装、排片组坯、热压塑聚重组、裁边，即得到产品。
具体的，步骤(3)所述高温软塑处理工艺是：将竹片放置在密封耐压釜中进行处理，处理温度为130℃-135℃，时间为3-40分钟。
具体的，步骤(5)所述竹材表面纤维木质素改性处理，是将干燥后的竹片，用偶联剂、交联剂和木质素纤维粘合剂溶液喷雾在竹材纤维木质素表面上，使其充分湿润和变性，对其表面进行改性处理。
进一步，所述偶联剂、交联剂和木质素纤维粘合剂溶液中，偶联剂、交联剂和木质素纤维粘合剂的重量百分比浓度分别为2％、2.5％和0.5％。
具体的，步骤(6)所述高分子树脂化合物铺装，是指在竹材预塑化改性处理后竹片的竹黄面上铺装高分子树脂化合物，用振动的方式使树脂化合物进入裂纹间隙内；其中，所述高分子树脂化合物是聚氯乙烯PVC、聚乙烯PE、聚苯乙烯PS、ABS共聚树脂和木塑树脂、竹塑树脂中的任一种；树脂化合物中掺入占树脂质量百分比为0.1-4.0％的发泡剂。
具体的，步骤(6)所述排片组坯是，将高分子树脂化合物铺装处理好的竹片单元体，按对称性原则，竹黄面为同一面、竹青面为同一面、宽头与窄头相配对，侧面相靠紧密整齐地排列而成竹单板；再将竹单板分层叠加、竹黄层与竹黄层相对、竹青层与竹青层相对而形成层积坯板。
具体的，步骤(6)所述热压塑聚重组是将排片组坯后形成的层积坯板进行如下工艺处理：
(a)加热软化预压阶段：时间为3-4分钟，正压力为1.5-2.0Mpa，侧压力为1.5-2.0Mpa，温度为140℃；
(b)二次压实阶段：当竹材和树脂化合物软化，达到玻璃化转变条件时，再次增大压力，坯板正压力为3.5-4.0Mpa，侧压力为3.0-3.5Mpa，温度为170℃，时间按0.4-0.5分钟每毫米计算；
(c)最后降温降压定型阶段：时间为3-4分钟，正压力为1.8-2.0Mpa，侧压力为1.5-1.8Mpa，温度降到95℃。
本发明的技术原理主要是：
竹材预塑化改性处理工艺，是向竹材喷雾偶联剂、交联剂和木质素纤维粘合剂溶液，偶联剂、交联剂和木质素纤维粘合剂溶液与竹材纤维木质素进行生物化学反应，在一定的环境条件下达到化学反应完成，将竹材晾干或烘干，干燥后得到预塑化改性竹材。偶联剂能够提高对基材的强力衔接，主要的胺官能团能与一系列热固性树脂和热塑性塑料发生接枝作用。
竹材是由纤维素、半纤维素、木质素以及抽提物等组成的天然高分子材料，它是一种不均匀的各向异性材料，因此界面特性非常复杂。同时组成竹材的纤维素、半纤维素、木质素等主要组分中含有大量的极性羟基和酚羟基等官能团，其表面表现出很高的化学极性，因而在竹材纤维表面主要通过对极性官能团进行酯化、醚化、接枝共聚等改性处理，使其生成疏水性的非极性化学官能团并且有流动性，使竹材纤维表面与高分子树脂塑料表面的溶解度相似，降低塑料与竹材表面之间的相斥性，从而提高竹材与塑料的界面粘合性。竹材纤维表面预塑化改性主要是偶联剂的作用，改善了竹材纤维表面与塑料界面的相容性，提高两界面的粘合性。
纤维木质素是竹材细胞壁的主要成分之一，在细胞壁中能以物理或化学的方式使纤维与纤维之间粘合和加固，并构成竹材的骨架，以增加竹材的机械强度和抗微生物侵蚀的能力，使竹竿直立挺拔不易腐蚀。
纤维木质素是热塑性的高分子化合物，它的聚集态大分子上含有甲氧基、羰基、羰基等特征功能团。它具有无定形的高聚物的玻璃转化性质，在玻璃化温度以下，木质素是玻璃固态，但若在玻璃化温度以上，分子键发生运动，木质素软化变粘，并具有粘力。竹材纤维木质素玻璃化转化温度点为162℃。
竹材进行预塑化处理就是消除竹材纤维木质素分子之间的氢键相互排斥作用，减弱竹纤维木质素基因中甲氧基(-OCH3)、羟基(-OH)、羰基(-C＝O)的极性，改善细胞壁和细胞腔之间的界面，使竹材原有的极性区转化到非极性区，能有效地与树脂共熔，生产过程中不需要粘合剂。
本发明的技术效果主要是：
采用本发明工艺，原竹成片面积大，竹筒剖片数少，由弧形竹片展开成平面形竹片粗刨，竹材切削量大幅度减少，减少加工工序，不需要竹片精刨加工；提高了竹材出材率，原有工艺竹材出材率只有50％左右，本发明最大限度保留竹材有效实物量，竹材出材率提高80％；因成片面积大，工序少，人员减少，设备工作效率高，降低了单位产品的成本；因弧形竹片展开成平面形竹片铣刨，竹青层保留实物量比原工艺多，充分地保持了竹材的力学性能；本发明采用高分子树脂填充重组塑聚竹材，使竹材改性，材料成为环保型的适合建筑结构用材。
本发明无醛型竹材重组塑聚建筑结构材结构是一种三维塑聚复合材料结构。该材料结构以天然毛竹为主要承力构件，加高分子树脂填充材料、添加剂等，以特殊工艺过程塑聚而成的一种新型三维复合材料。材料结构中竹材为主要承力构件，高分子树脂起到填充、美观、装饰、防蛀、成型等作用，添加剂起到粘接、强化结点等功能。该结构具有三维增强作用，良好的组合，分支和补强功能，能达到以竹代木，以竹代钢，替代其它材料的目的，具有广泛的应用价值。
附图说明
图1是本发明竹材重组塑聚单板的结构示意图。
图2是本发明竹材重组塑聚建筑结构材的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
参见图1，是本发明竹材重组塑聚单板的结构示意图。从图1中可见，该展开竹材重组塑聚单板是由弧形竹片去除竹内节，竹黄层纵向剖裂、竹青层相连，展平、初刨竹青面腊层及竹黄面、加工成定宽定厚并进行竹材预塑化改性处理及高分子树脂化合物铺装处理后的竹片1，再由竹片1的竹黄面为同一面、竹青面为同一面、侧面相靠紧密整齐排列而成的单板；图1中，2是竹片1的竹节，3表示渗透进竹片1中的高分子树脂化合物。
本发明的竹材重组塑聚单板的工艺过程如下：将原竹锯切成长度为2600-5000mm的竹筒后，将竹筒用纵锯机或撞机剖成两块弧形竹片，除去竹内节；再经竹材辊剖竹黄疏解铣平机将竹材竹黄面剖裂成4-5mm间的纵裂纹，竹黄面层剖裂深度距竹青面3-4mm，形成竹黄面层纵向均匀剖解一些细小竹纤维束条，而竹青层没有得到剖解是一个完整体，细小的竹黄竹纤维束条，保留在竹青层上，形成原竹材竹黄层剖裂疏解竹材，外壁竹青层互联展开时为一整块，竹黄层依附于竹青层形成一个展开后的竹材单元体。然后将竹材单元体定厚铣黄刨平、进行高温软塑化处理、干燥、竹材预塑化改性处理、再干燥、铺装高分子树脂化合物成图1所示的竹片1，再将竹片1排片压制重组塑聚成图1所示的单板。
参见图2，是本发明竹材重组塑聚建筑结构材的结构示意图。从图2可见，竹材重组塑聚建筑结构材是由四层图1所示的展开竹材重组塑聚单板分层叠加，用高分子树脂化合物接枝竹材中的纤维木质素，通过高温高压，使高分子树脂化合物于热熔融状态下与竹材塑聚形成一个整合体；展开竹材重组塑聚单板分层叠加时，竹黄层与竹黄层相对，竹青层与竹青层相对。
下面对竹材重组塑聚建筑结构材的工艺过程进行详细的描述。
(1)原竹锯切成规格长度的竹筒后，将竹筒剖分成两块弧形竹片，除去竹内节；弧形竹片的长度为2600-5000mm；
(2)将竹片竹黄面疏解成4-5mm间距的纵裂纹纤维束条，竹黄面剖裂深度距离竹青面3-4mm，形成竹黄纤维条保留在竹青层上，形成原竹竹黄层剖裂疏解的竹片，定厚铣内黄刨平、初刨竹青面腊层；
(3)对疏解竹片进行高温软塑处理；
(4)竹片脱水干燥，含水率为8％。
(5)竹片预塑化改性处理：即竹材表面纤维木质素改性处理，是对亲水性竹材纤维木质素进行表面改性处理，以提高其同高分子树脂化合物的结合能力；
(6)干燥预塑化改性竹片：温度控制在55-60℃，含水率为8％；
(7)将高分子树脂化合物铺装填充竹片，排片组坯，再热压塑聚成型，裁边，最后根据用途热压重组层积材；得到的无醛型竹材重组塑聚建筑结构材厚度为14-50mm，长度为2600-4800mm，宽度为200-1200mm，特定竹材不受此限制，可依据需求而定。
上述步骤中的高温软塑处理工艺条件是：竹材在密封耐压釜中，温度130℃-135℃，处理3-40分钟。
上述步骤中的竹材表面纤维木质素改性处理是：将干燥后的竹片，用偶联剂、交联剂和木质素纤维粘合剂溶液喷雾在竹材纤维木质素表面上，使其充分湿润和变性，对其表面进行改性处理；偶联剂、交联剂和木质素纤维粘合剂溶液中，采用新型硅烷偶联剂(一异氰酸酯丙基三乙氧基硅烷)2％(质量百分浓度)、交联剂(二甲基乙二醇)2.5％(质量百分浓度)和木质素纤维粘合剂0.5％(质量百分浓度)的共混溶液。
上述步骤中的高分子树脂化合物铺装是：在预塑化竹片的竹黄面上铺装高分子树脂化合物，用振动的方式使树脂物进入裂纹间隙内；树脂中掺入占树脂质量百分含量是2.5％的发泡剂(偶氮二甲酰胺)；所述高分子树脂化合物是聚氯乙烯PVC、聚乙烯PE、聚苯乙烯PS、ABS共聚树脂和木塑树脂、竹塑树脂中的任一种。
上述步骤中的排片组坯是，将高分子树脂化合物铺装处理好的竹片单元体，按对称性原则，竹黄面为同一面、竹青面为同一面、宽头与窄头相配对，侧面相靠紧密整齐地排列而成竹单板；再将竹单板分层叠加、竹黄层与竹黄层相对、竹青层与竹青层相对而形成层积坯板。
上述步骤中的热压塑聚重组是将排片组坯后形成的层积坯板进行如下工艺处理：
(a)加热软化预压阶段：时间为3-4分钟，正压力为1.6Mpa，侧压力为1.5Mpa，温度为140℃；
(b)二次压实阶段：当竹材和树脂化合物软化，达到玻璃化转变条件时，再次增大压力，坯板正压力为3.6Mpa，侧压力为3.1Mpa，温度为170℃，时间按0.45分钟每毫米计算；
(c)最后降温降压定型阶段：时间为3分钟，正压力为1.8Mpa，侧压力为1.6Mpa，温度降到95℃。

Claims (10)

1.一种无醛型竹材重组塑聚建筑结构材，其特征在于：它由至少两层展开竹材重组塑聚单板分层叠加，用高分子树脂化合物接枝竹材中的纤维木质素，通过高温高压，使高分子树脂化合物于热熔融状态下与竹材塑聚形成一个整合体；展开竹材重组塑聚单板分层叠加时，竹黄层与竹黄层相对，竹青层与竹青层相对。
2.根据权利要求1所述无醛型竹材重组塑聚建筑结构材，其特征在于：所述展开竹材重组塑聚单板是由弧形竹片去除竹内节，竹黄层纵向剖裂、竹青层相连，展平、定厚初刨竹青面腊层及竹黄面，并进行竹材预塑化改性处理及高分子树脂化合物铺装处理后的竹片，竹黄面为同一面、竹青面为同一面、侧面相靠紧密整齐排列而成的单板。
3.根据权利要求2所述无醛型竹材重组塑聚建筑结构材，其特征在于：所述竹材预塑化改性处理是将偶联剂、交联剂和木质素纤维粘合剂溶液喷雾在干燥后的竹片的竹材纤维木素表面上，使其充分湿润和变性；所述高分子树脂化合物铺装是在竹材预塑化改性处理后竹片的竹黄面上铺装高分子树脂化合物，用振动的方式使树脂化合物进入裂纹间隙内。
4.一种如权利要求1所述无醛型竹材重组塑聚建筑结构材的制备工艺，其特征在于包括如下步骤：
(1)将原竹锯切成规格长度的竹筒，再将竹筒剖分成两块以上的弧形竹片并除去竹内节；竹筒的长度为2600-5000mm；
(2)将除去竹内节竹片的竹黄面剖成4-5mm间距的纵裂纹，竹黄面剖裂深度距离竹青面3-4mm，形成竹黄层纵向均匀剖解一些细小竹条，而竹青层没有得到剖解，细小的竹黄竹条保留在竹青层上，形成原竹竹黄层剖裂疏解的竹片；再将竹片展平、定厚初刨竹青面腊层及竹黄面；
(3)对步骤(2)的竹片进行高温软塑处理；
(4)再对竹片进行干燥脱水，使竹片含水率达到8％；
(5)将脱水后的竹片进行竹材预塑化改性处理：即竹材表面纤维木质素改性处理，是对亲水性竹材纤维木质素进行表面改性处理，以提高其同高分子树脂化合物的结合能力；
(6)将竹材预塑化改性处理的竹片再经过干燥、高分子树脂化合物铺装、排片组坯、热压塑聚重组、裁边，即得到产品。
5.根据权利要求4所述无醛型竹材重组塑聚建筑结构材的制备工艺，其特征在于：步骤(3)所述高温软塑处理工艺是：将竹片放置在密封耐压釜中进行处理，处理温度为130℃-135℃，时间为3-40分钟。
6.根据权利要求4所述无醛型竹材重组塑聚建筑结构材的制备工艺，其特征在于：步骤(5)所述竹材表面纤维木质素改性处理，是将干燥后的竹片，用偶联剂、交联剂和木质素纤维粘合剂溶液喷雾在竹材纤维木质素表面上，使其充分湿润和变性，对其表面进行改性处理。
7.根据权利要求6所述无醛型竹材重组塑聚建筑结构材的制备工艺，其特征在于：所述偶联剂、交联剂和木质素纤维粘合剂溶液中，偶联剂、交联剂和木质素纤维粘合剂的重量百分比浓度分别为2％、2.5％和0.5％。
8.根据权利要求4所述无醛型竹材重组塑聚建筑结构材的制备工艺，其特征在于：步骤(6)所述高分子树脂化合物铺装，是指在竹材预塑化改性处理后竹片的竹黄面上铺装高分子树脂化合物，用振动的方式使树脂化合物进入裂纹间隙内；其中，所述高分子树脂化合物是聚氯乙烯PVC、聚乙烯PE、聚苯乙烯PS、ABS共聚树脂和木塑树脂、竹塑树脂中的任一种；树脂化合物中掺入占树脂质量百分比为0.1-4.0％的发泡剂。
9.根据权利要求4所述无醛型竹材重组塑聚建筑结构材的制备工艺，其特征在于：步骤(6)所述排片组坯是，将高分子树脂化合物铺装处理好的竹片单元体，按对称性原则，竹黄面为同一面、竹青面为同一面、宽头与窄头相配对，侧面相靠紧密整齐地排列而成竹单板；再将竹单板分层叠加、竹黄层与竹黄层相对、竹青层与竹青层相对而形成层积坯板。
10.根据权利要求4所述无醛型竹材重组塑聚建筑结构材的制备工艺，其特征在于：步骤(6)所述热压塑聚重组是将排片组坯后形成的层积坯板进行如下工艺处理：
(a)加热软化预压阶段：时间为3-4分钟，正压力为1.5-2.0Mpa，侧压力为1.5-2.0Mpa，温度为140℃；
(b)二次压实阶段：当竹材和树脂化合物软化，达到玻璃化转变条件时，再次增大压力，坯板正压力为3.5-4.0Mpa，侧压力为3.0-3.5Mpa，温度为170℃，时间按0.4-0.5分钟每毫米计算；
(c)最后降温降压定型阶段：时间为3-4分钟，正压力为1.8-2.0Mpa，侧压力为1.5-1.8Mpa，温度降到95℃。
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Denomination of invention: Formaldehyde-free bamboo recombined, plasticized and polymerized building structure material and production technique

Effective date of registration: 20200317

Granted publication date: 20171010

Pledgee: Yiyang Financing Guarantee Co., Ltd

Pledgor: HUNAN FENGHE BAMBOO & WOOD SCIENCE & TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Registration number: Y2020980000789