CN104942959A - 混合层-三倍体毛白杨木质复合材料生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及木质复合材料模制造技术领域，特别涉及一种混合层-三倍体毛白杨木质复合材料生产的制备工艺。以三倍体毛白杨和玻璃纤维、亚麻屑为主要原材料，采用北林大BN-1号低毒性PF树脂为胶黏剂，北林大BZ-1号石蜡乳液防水剂，北林大BZ-2号表面处理剂及北林大BZ-3号脱模剂制备复合材料。通过对玻璃纤维用量、亚麻屑用量、胶粘剂和助剂的用量、预压压力和时间、热压温度、热压时间、热压压力、加压方式的控制，达到最佳的生产工艺效果。同时，制备出的复合材料性能可以达到或超过欧共体定向结构板(PrEN300-94OSB/4)的标准要求，可作为工程结构材料。

Description

混合层-三倍体毛白杨木质复合材料生产工艺
技术领域：
本发明涉及木质复合材料模制造技术领域，特别涉及一种混合层-三倍体毛白杨木质复合材料生产的制备工艺。
背景技术：
木材是国民经济中不可缺少的重要材料之一，当今木材供求非常紧张，为缓解这一矛盾，我国采取了大量营造人工林增加木材资源的对策，目前人工林面积已居世界之首，但是由于其材质难以满足各种用材领域的要求，致使人工林用材不能充分利用，因此如何合理利用现有人工林木材生产高附加值的木质复合材料，已成为当前木材加工界重要的前沿热点研究之一。
九十年代以来，国外林产工业界学者鉴于世界范围可用木材资源日趋减少的态势和玻璃纤维具有价格便宜，力学性能好，耐腐蚀性强和耐高温等特点，将用玻璃纤维作为木质复合材料的增强材料作为主攻方向之一，并且做了一些探索性的工作，如美国华盛顿州立大学用异氰酸酯作为胶粘剂在实验室研究用于汽车和其它工业的木质-玻璃纤维复合板；英国Fritz T对用玻璃纤维增强刨花板的表层作了研究，其胶粘剂用异氰酸酯，结果表明增强后产品的抗弯强度和弹性模量均优于华夫刨花板；另外，俄罗斯、法国、葡萄牙等国的科技人员也正在进行这方面探索工作。从目前研究现状看，主要研究方向为木质材料和玻璃纤维复合途径的研究，由于玻璃纤维本身特点，SiO2的含量在60％以上，是一种无机材料，而木质材料是有机材料，将这两种材料真正有机地结合起来，是个相当大的难题。关于两种材料界面特性及复合机理的研究尚未见过公开报道。
玻璃纤维已有很长的历史，它是最早用于聚合物基复合材料的一种增强材料，玻璃纤维复合材料于30年代问世，40年代初即应用于航空工业，至今，它已在国民经济的各个领域得到了广泛应用，并形成一个独立的部门。
目前虽然发展了各种新型纤维增强材料，如金属纤维，碳纤维、芳纶、硼纤维、氧化铝纤维、聚烯烃纤维和石棉增强纤维等。并制成了许多性能优异的复合材料，但并没有因此而降低玻璃纤维增强材料的价值。由于玻璃纤维结构，性能工艺和价格方面的特点，它将继续在复合材料中发挥重要作用。
美国Saucier J.R.,Holman J.A.认为利用玻璃纤维增强木材的强度及刚度是一个经济上可行的技术方案，玻璃纤维的加入可增加复合材料的抗弯、抗拉强度，降低其吸水厚度膨胀率。这种复合材料由于掺入了大量纤维，可以降低制品的重量。利用轻质木材为芯材，外侧复合上玻璃纤维树脂所形成的复合材料具有较高的强度/重量比，可以用作结构材料及风力发电机浆叶。
美国华盛顿州立大学的木质材料工程实验室，用异氰酸脂作为胶粘剂研究用于汽车和其它工业的木质-玻璃纤维复合板。
俄罗斯在实验室中研究用木材碎料和玻璃纤维为基料、制备聚合压缩物料；英国Moulin JM试验由木材和玻璃纤维与苯酚胶粘剂层积制成复合梁并进行三点弯曲试验。结果表明与没有玻璃纤维的木梁相比，玻璃纤维强化胶合梁具有较高的机械强度。其裂断模式由明显改变。
英国Fritz T对用玻璃纤维和亚麻增强刨花板表层作了研究，该研究分别采用网目宽度为0.45、0.6、0.75mm，酚醛树脂浸渍量102-260g/m2的三种玻璃纤维布及亚麻作为增强材料，制板时，将玻璃纤维布置于表层厚度的25％以下，而亚麻纤维制成坯并双面浸以异氰酸脂后置于表层厚度的中央，板的表层刨花采用山毛榉细刨花或细长的针叶材刨花，芯层采用山毛榉刨花，制成的玻璃纤维增强刨花板的密度为0.82g/cm3，厚度为38mm；亚麻纤维增强板厚20mm，密度为0.715g/cm3；结果表明制得的增强后产品的抗弯强度和弹性模量均优于华夫刨花板。
俄罗斯XapueBHHKOB B H以呋喃树脂为基体，用混凝土主要原料，与木质锯屑，刨花和木片来制备安山岩木质混凝土板，为了转换蠕变状态，因此必须加筋，安山岩木质聚合混凝土的最有效的加筋是用铝硼硅酸、混合物的玻璃纤维。
俄罗斯BOHOB E r研制用玻璃纤维增强用桦木原料，并且用环氧树脂作为胶粘剂来生产木制运动用品，试验表明：用玻璃纤维增强的复合材料的物理力学性能比未加强的胶合木要高12～80％，在运动用品增大强度和刚度的同时，用不珍贵树种代替珍贵的硬阔叶树材。
俄罗斯AHHeHKoB BCP研究了玻璃纤维和玄武岩纤维对木质-胶合混合物(胶粘剂采用脲醛树脂)制成的压制材料的影响，并确定了这些树脂结合作用的可能性。对增强材料的不同含量(重量的5-30％)、不同木质碎料长度(10-50mm)和研制材料容重(900,1000,1100kg/m3)进行试验。试验表明：用高强度纤维加强的木质-胶合混合物不仅会提高材料的强度，而且能改善异形构件在曲线表面上的形成条件，降低或完全排除裂隙和断裂的产生，并能获得等强度和等密度的材料。当材料中玻璃纤维含量为12-20％(重量)、玄武岩纤维为15-22％时，可以得到最佳的加强效应。
王国超、吴国仕、曾春雷等人、高文超、袁越濮安彬等人相继用无碱玻璃纤维平纹布和无碱薄毡来增强刨花板和胶合板强度的初步摸索实验。试验结果表明：无碱平纹玻璃纤维布(薄毡)增强的刨花板(胶合板)静曲强度、弹性模量有所提高，吸水厚度膨胀率有所下降，内胶合强度下降。
从国内外木质材料与玻璃纤维复合的材料研究现状及发展趋势，可以得出：木质复合材料经过各种复合制备后，比原本木材具有许多优良性能，可按照人们的意愿和用途，改良天然木材固有的缺点和赋予木材新的功能；提高木材使用价值，实现低质材的优化利用，可以讲，复合材料是材料科学发展的必然结果，体现了材料发展的规律，木材工业今后将大力发展木质复合材料。
发明内容：
本发明是以三倍体毛白杨和玻璃纤维、亚麻屑为主要原材料，采用北林大BN-1号低毒性PF树脂为胶黏剂，采用北林大BZ-1号石蜡乳液防水剂，采用北林大BZ-2号表面处理剂，采用北林大BZ-3号脱模剂制备的复合材料。
本发明涉及的复合材料的结构见附图1，附图1为混合层-三倍体毛白杨木质复合材料结构形式图(C-W-C)，C-W-C为混合层-木质刨花芯层-混合层(混合层为短切玻璃纤维丝、亚麻屑和木质刨花表层按一定比例混合而成)，W为木质刨花板坯。
通过产品的极差和方差分析及自变量与因变量关系，确定了制备C-W-C复合材料的最佳工艺如下：
短切玻璃纤维丝用量(Fd)为25％，亚麻屑用量(My)为20％，胶粘剂用量为10％，石蜡乳液的用量为1％，表面处理剂的用量为2％，目标密度为0.81g·cm-3。
预压：单位压力为1.80MPa，时间为30s；热压采用两段加压法，高压段单位压力为3.5MPa，低压段单位压力为1.5MPa，热压温度(T)为170℃，热压时间(t)为480s。
本发明有益效果：
“天然林保护工程”实施以后，可利用天然林日趋减少，而现有木质产品，品种单一，资源利用受到局限，而且，建筑业、集装箱等行业迫切寻求能够替代传统珍贵木材的新型木质工程结构复合材料，利用人工林速生材三倍体毛白杨与玻璃纤维复合制备一种新的材料，既增加其产品附加值，拓宽市场，又可充分利用现有木材资源，是解决木质材料供需矛盾的有效途径之一。
毛白杨是杨树中木材品质最好的树种之一，尤其适于造纸用材。如果按现有6667公顷人工林最低生产量(每株树5年生长0.1m3)预算，每年每公顷生长30立方米木材，5年中可生长木材100万立方米，按400元/立方米价格计算，产值可达4亿元。5年成本每公顷造林费和每年抚育费共22500元，共需支出22.5亿元，可获利37.5亿元，由此可见，经济效益显著，进一步推广前景十分广阔。
玻璃纤维、亚麻屑等与人工林木材-三倍体毛白杨木材复合，采用本发明的制造工艺，制备出的木质复合材料性能可以达到或超过欧共体定向结构板(PrEN300-94OSB/4)的标准要求，可作为工程结构材料。
具体实施方式：
附图1为混合层-三倍体毛白杨木质复合材料结构形式图。
本发明采用C-W-C结构形式。C-W-C为混合层-木质刨花芯层-混合层(混合层为短切玻璃纤维丝、亚麻屑和木质刨花表层按一定比例混合而成)，W为木质刨花板坯。工艺流程如下：
(1)将玻璃纤维涂PF树脂。将玻璃纤维剪成长50mm的短切玻璃纤维丝后，放置实验室电热烘箱中，在200-2500C温度下放置3h，然后浸渍含有2％BZ-2号表面处理剂的BN-1号酚醛树脂胶液。玻璃纤维取自于北京251厂玻璃纤维车间。用于制造复合材料的玻璃纤维常用无碱玻璃纤维，这种纤维中含有大量的铝、硼、硅的氧化物，故称铝硼硅酸盐系玻璃纤维；玻璃纤维制成的复合材料，力学性能好，多用于国防工业，飞机等要求特殊的领域中，但产品的成本高。考虑到木材加工产品应用范围及研究的实用性、经济性、故本研究采用普通有碱玻璃纤维，属钙钠玻璃纤维。
(2)木质刨花和亚麻屑拌PF树脂，进行筛选。木质刨花取自于河北晋州北京林业大学培育的三倍体毛白杨四年生幼龄材，在实验室里加工成刨花，并干燥至含水率2-4％；亚麻屑取自于黑龙江呼兰县亚麻纺织厂。麻纤维是优良的纺织品原料，麻纤维加工时，其副产品为麻屑，是制备人造板的较好材料。亚麻屑一般长2～17mm，宽1～2.5mm，亚麻屑的PH值为5.5左右。
(3)采用一次复塑成型工艺，即，混合层-木质刨花芯层-混合层(混杂表层-短切玻璃纤维丝、亚麻屑和木质刨花表层按一定比例混合而成)；即C-W-C复合材料的次序铺装，见附图1。
(4)预压。调胶、喷胶、铺装、预压都是在相同的程序下进行操作。调胶手工进行；喷胶，在实验室拌胶机中进行；铺装用自制铺装框进行手工铺装。预压的单位压力1.8MPa，时间30s。板坯含水率一致控制在10-12％
(5)热压。胶粘剂：采用北林大BN-1号低毒性PF树脂，主要物化指标：固体含量：39-41％；粘度(200C)：0.35-0.45Pa.S；密度：1.15-1.19g/cm3；游离酚和醛：均<0.1％；贮存期：>60d；防水剂：采用北林大BZ-1号石蜡乳液防水剂，主要指标：浓度：30％，PH：8-9；表面处理剂：采用北林大BZ-2号表面处理剂，主要由有机硅烷、乙醇和水配制；脱模剂：采用北林大BZ-3号脱模剂，主要由氢氧化钠、正丁醇、油酸和水配制。
采用二段加压法试验。具体取值高压段单位压力为3.5MPa，低压段单位压力为1.5MPa，热压温度(T)为170℃，热压时间(t)为480s。
(6)后处理(锯边，成板)。
(7)结合欧共体定向结构板(PrEN300-94)标准和国家GB/T4897-92标准的测定方法进行板材性能测定。

Claims (4)

1.基于混合层-三倍体毛白杨木质复合材料生产工艺，它包括基材，增强材料，助剂和预压、热压工艺参数，其特征在于：它还包括基材使用的树种，混合层的成分及用量以及复合材料的结构。
2.根据权利要求1所述复合材料生产工艺中的助剂，其特征在于：胶粘剂的种类及用量，防水剂的种类及用量，表面处理剂的种类及用量和脱模剂的种类。
3.根据权利要求1所述复合材料生产工艺中的预压工艺参数，其特征在于：单位压力，时间。
4.根据权利要求1所述复合材料生产工艺中的热压工艺参数，其特征在于：加压方式，热压时间，热压温度，热压压力，目标密度。
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