CN106079015A - 玄武岩纤维仿生双螺旋排布增强秸秆板材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种玄武岩纤维仿生双螺旋排布增强秸秆板材及其制备方法，板材包含秸秆纤维、按甲虫前翅双螺旋结构排布并起增强作用的玄武岩纤维和以环氧树脂为主体的胶黏基体材料。制备方法是：将秸秆粉与胶黏基体材料混合，铺一层预处理后的秸秆纤维层，将制作好的玄武岩纤维按角度错层地铺放在秸秆纤维层上，再铺一层预处理后的秸秆纤维层，压实、抽真空，夹紧后加热固化成型，脱模即可得到板材成品。本发明借助仿生学原理改造纤维排布方式以增加材料强度，性能优于传统植物砌体以及秸秆塑料等新材料，具有很好的社会效益。

Description

玄武岩纤维仿生双螺旋排布增强秸秆板材及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用玄武岩纤维仿生双螺旋排布增强秸秆板材及其制备方法，具体地讲是借助仿生学原理改造秸秆纤维排布方式以增加强度的秸秆板材及其制备方法。

背景技术

农作物秸秆是一种环保的建筑材料，具有有优良的力学、物理性能，如能充分使用，可以解决因焚烧秸秆引起的雾霾、森林资源锐减、碳排放量过高等严峻的环境问题。然而因受多种因素的制约，秸秆建材的发展遇到了瓶颈，在市场中并没有很好的表现。目前，对于秸秆板材的研究方向，大多集中在如何提高秸秆和胶黏剂的粘合性能上。但基于环保和经济要求，不使用或少使用胶黏剂的秸秆板应该更符合未来板材的发展方向。但是这方面的研究较少，而且胶黏剂用量减少后，产品性能变差，没有很好的市场。纵观秸秆板研究，很少有在秸秆纤维排布和板结构层次提出性能改善的。陈银轩(一种复合板材)提出一种利用植物秸秆长纤维纵向和横向交叉排布、层与层之间胶合的板材。这种板材抗拉性能好，但层与层之间的粘结力不够，容易发生滑移。与秸秆纤维结合生产复合材料也很少，目前为止只看到过与聚丙烯复合制作木塑板的(陈银轩的《一种复合板材》、《秸秆蜂窝材料》)优化秸秆纤维的排布以及秸秆同其他材料复合，这两方面无疑给提升秸秆板力学性能提供了新思路。

纵观植物杆砌体的其他相关发明专利，两个类型居多，一种是将所有原材料按比例混合在一起后制作成砌块，另一种是分成不同层次，各个层次中的材料不同。其中将原材料按照一定比例混合在一起的专利较多，使用到的材料也是多种多样。新兴秸秆复合材料如秸秆塑料则是由作物秸秆经干燥后与塑料、塑料助剂混合,经双螺杆挤出机挤出造粒后制成的。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种玄武岩纤维仿生双螺旋排布增强秸秆板材，借助仿生学原理改造纤维排布方式以增加材料强度，性能优于传统植物砌体以及秸秆塑料等新材料，具有一定创新性和前瞻性。

本发明的另一个目的在于提供一种玄武岩纤维仿生双螺旋排布增强秸秆板材的制备方法，以秸秆为原料，玄武岩纤维作为增强纤维，减少胶黏剂的使用量，提高现有秸塑材料力学、环保性能。

为实现上述目的，本发明是通过以下的技术方案来实现的：

玄武岩纤维仿生双螺旋排布增强秸秆板材，包括按质量百分数计的如下组分：玄武岩纤维3％、秸秆纤维50-80％，以及余量的胶黏基体材料；

上述比例中，胶黏基体材料的质量分数较佳20％-30％；

更佳地，玄武岩纤维3％、秸秆纤维70％、胶黏基体材料27％。

其中，玄武岩纤维层错层地铺放在上下两层秸秆纤维层之间，且每相邻两层玄武岩纤维层的铺设角度差在70-90度之间，相间两层的铺设角度差在20-30度之间；单层纤维中秸秆纤维和玄武岩纤维平行排列。

玄武岩纤维为长玄武岩纤维，直径6μm-20μm。

秸秆纤维选自稻麦秆。

所述的胶黏基体材料按照环氧树脂:固化剂:稀释剂＝10:3:1的质量比混合；

玄武岩纤维增强的秸塑复合材料的方法，包括以下的步骤：

(1)秸秆纤维粉碎、磨粉，至粒度为1-2mm；

(2)胶液配制：环氧树脂:固化剂:稀释剂按照10:3:1的质量比混合，充分搅拌；

(3)秸秆纤维预处理：将秸秆纤维粉与胶黏基体材料均匀混合，使胶黏基体材料充分浸润秸秆纤维。

(5)制备基体：先铺一层预处理后的秸秆纤维作为底层基体铺层，再将玄武岩纤维按角度错层地铺放在秸秆纤维上，再铺一层预处理后的秸秆纤维作为顶层基体铺层，充分压实；

铺设的玄武岩纤维层数至少为3层，以5层为宜；

(4)抽真空，使气泡析出，加大材料内部的密实度；

(5)固化、脱模：夹紧模具，然后将模具放入鼓风干燥箱中60℃加热固化1h，120℃加热固化1h，待模具完全后冷却至室温脱模。

本发明仿双螺旋纤维叠层结构的机理阐述：发明人在雄性独角仙前翅中，观察到了非等角的螺旋纤维叠层结构(图3)，(a)为从活独角仙上取下的鲜前翅的断面照片；(b，c)则显示了纤维的叠层情况(经KOH溶液处理)。对11张照片测定，结果表明：独角仙前翅上层Y2和X1-X2相交处共有9层，各层平均夹角如(d)所示。由(d)可知，独角仙前翅相邻各层之间的夹角，最大约为90°，最小约为65°，多数分布在72°-80°之间。受此启发，发明人提出一种双螺旋铺层结构的玄武岩-秸秆连续纤维板。虽然甲虫前翅的纤维排布层间的差角是非严格相等的，但差别不大(基本在10度以内)，生物结构往往存在较大的偏差性，因此我们有理由相信，层间等角排列的螺旋结构，而不是简单的平行排列或垂直排列对提升结构强度有很大作用。而且层间等角排列易于生产和加工。不难发现，这种螺旋排布的方式类似于生物学中DNA的双螺旋结构，因此该结构得以命名。这种双螺旋的排布方式单层纤维是由长秸秆纤维和玄武岩纤维平行排列，玄武岩纤维可以增强单层秸秆纤维的轴向、横向强度，每相邻两层的铺设角度差在70-90度之间，相间两层的铺设角度差在20-30度之间，这样就形成一种双螺旋的铺设结构，片层角度示意图如图4所示，数字表示每层的位置。这种结构排布既可以获得较大的轴向(拉伸)强度，同时又兼顾了与其垂直及其斜向所需要的强度，增加断裂韧性。

附图说明

图1是本发明的制备工艺流程图。

图2是本发明中板材结构示意图。

图3是独角仙前翅的纤维叠层结构.(a)X21方向截面,(b)Y21方向几丁质纤维,(c)为图(b)中箭头位置处放大,其中数字代表距表面的层数。(d)几丁质纤维层的纤维取向。

图4是双螺旋结构铺层示意图。

图5是本发明实施例2制备的试件破坏后的断面形态；(a)本发明玄武岩增强试件侧面；(b)本发明玄武岩增强试件底面；(c)未增强试件侧面；(d)未增强试件底面；可见本发明增加了玄武岩纤维的试件在弯曲破坏时裂缝非常明显，挠度较大；而未加玄武岩纤维的试件裂缝相对较小，破坏时的挠度也较小。这表明，未经增强的试样当材料开裂时丧失承载力而退出工作，经玄武岩增强的试样可以带裂缝工作，抗拉承载力主要由玄武岩纤维提供，因而承载能力提高。

图6是本发明实施例2所得试样抗弯强度测试荷载-位移曲线。

图7是本发明实施例2所得试样和其他玄武岩纤维增添方法的抗弯强度提高率-玄武岩纤维含量散点图。

图8是本发明秸秆体积分数与抗拉强度的关系；通过改变秸秆纤维的含量，测试胶黏基体材料的质量分数为20％-50％的秸塑材料的抗拉强度，在胶黏基体材料30％以内，材料强度提升，大于30％后，强度又有所下降。对试验结果按最小二乘法进行曲线拟合，发现最佳的胶黏基体材料质量分数在27％左右。对于胶体分数—抗拉强度出现峰值的情况，我们从秸秆含量的角度做如下分析和预测：1)秸秆含量较少时，秸秆纤维还不足以形成连续相。成海岛状分散在胶黏基体材料连续相中且分布不均匀，使得在秸秆纤维末端容易产生应力集中，进而成为应力破坏的引发点。而纤维与纤维之间距离较大，没有形成刚性粒子的相互制约。在外力持续作用下胶黏基体材料相因为秸秆纤维和玄武岩纤维的存在，引发形成微裂纹，而胶黏基体材料相的受力屈服因纤维的刚性而受阻会产生少量伸长和局部微量颈缩后、断裂。2)随着秸秆含量的增多，胶黏基体材料均匀分布于微纤维表面的空隙及纤维间，成为纤维之间的牢固粘合剂，纤维与纤维之间会发生相互接触交叉甚至缠绕的情形，其拉伸强度也相应提高。3)秸秆含量继续增多，秸秆的交互作用和胶黏基体材料和秸秆的粘结作用没有明显提升，但此时胶黏基体材料含量和玄武岩纤维含量有所下降，导致材料整体强度下降。4)若秸秆继续增多，胶黏基体材料和玄武岩纤维发挥的作用就十分有限，强度主要由秸秆之间在高压下的粘结力提供，曲线会趋于稳定。

图9是不同材料抗拉强度比较。对比同条件下的普通秸塑材料，可以发现，本材料的抗拉性能较没有加玄武岩纤维的木塑秸塑材料有明显提高，并略高于建筑用木材(杨木)。

具体实施方式

以下将结合具体的实施例来说明本发明的技术方案。

按表1的含量制备实施例1-4的板材：

表1

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
					胶黏基体材料％	20	27	40	50
秸秆％	77	70	57	47
					玄武岩纤维％	3	3	3	3
总量	100％	100％	100％	100％

图1是本发明的制备工艺流程图，实施例1-4的制备方法：

(1)秸秆纤维粉碎、磨粉；

(2)胶液配制：环氧树脂:固化剂:稀释剂按照10:3:1的质量比混合，充分搅拌；

(3)秸秆纤维预处理：将秸秆纤维粉与胶黏基体材料均匀混合，使胶黏基体材料充分浸润秸秆纤维。

(5)制备基体：先铺一层预处理后的秸秆纤维作为底层基体铺层，再将玄武岩纤维按角度错层地铺放在秸秆纤维上，再铺一层预处理后的秸秆纤维作为顶层基体铺层，充分压实；在实施例1-4中，铺设的玄武岩纤维层数均是5层；

(4)抽真空，将气泡析出，加大材料内部的密实度；

(5)固化、脱模：夹紧模具，然后将模具放入鼓风干燥箱中60℃加热固化1h，120℃加热固化1h，待模具完全后冷却至室温脱模，切割成板。

对制成的试样(250×25×10mm)进行三点弯实验测试(万能测试机加载，加载速度10mm/min，跨距160mm)，通过分析荷载位移曲线可以发现，增加玄武岩纤维后，材料的强度有所增大，但添加单向玄武岩纤维后的效果不明显，这是由于单向的长玄武岩纤维仅提高了一个方向的强度，而秸秆基体相对较为松散，加载时裂缝会向侧面发展并向上延伸从而丧失承载力，玄武岩纤维的性能没有很好地发挥。而本发明双螺旋铺层排列玄武岩纤维增强的试件在后期的强度有明显增长，材料的延性大幅提升，这是由于玄武岩纤维改善了秸秆基体在多个方向的受力特性，材料整体性提高，玄武岩纤维能最大限度地发挥作用。通过多次试验计算，添加玄武岩纤维的试样的平均抗弯强度比不添加玄武岩纤维的试样大63.6％，而试验控制的玄武岩纤维质量分数在3％，定义比增强率其中ΔS表示抗弯强度的增长率，C表示玄武岩纤维含量。卢国军[改性玄武岩纤维增强木塑复合材料的研究.西南林业大学学报，2014，34(2):89-94]苏军[仿生轻量型玄武岩纤维增强木塑复合材料的开发]曾分别利用6mm和3mm的短玄武岩纤维增强过木塑材料，绘制响度增长率-玄武岩纤维含量散点(图7)，并计算最大比增强率得：而本试样的由此可见其性能之优越(图6、7)。

Claims (7)

1.玄武岩纤维仿生双螺旋排布增强秸秆板材，其特征在于包括按质量百分数计的如下组分： 玄武岩纤维3%、秸秆纤维50-80%，以及余量的胶黏基体材料；

其中，玄武岩纤维层错层地铺放在上下两层秸秆纤维层之间，且每相邻两层玄武岩纤维层的铺设角度差在70-90度之间，相间两层的铺设角度差在20-30度之间；单层纤维中秸秆纤维和玄武岩纤维平行排列。

2.根据权利要求1所述的玄武岩纤维仿生双螺旋排布增强秸秆板材，其特征在于胶黏基体材料的质量分数为20%-30%。

3.根据权利要求1所述的玄武岩纤维仿生双螺旋排布增强秸秆板材，其特征在于包括按质量百分数计的如下组分：玄武岩纤维3%、秸秆纤维 70%、胶黏基体材料27%。

4.根据权利要求1所述的玄武岩纤维仿生双螺旋排布增强秸秆板材，其特征在于所述的玄武岩纤维为长玄武岩纤维，直径6μm-20μm；所述的秸秆纤维为稻麦秆。

5.根据权利要求1所述的玄武岩纤维仿生双螺旋排布增强秸秆板材，其特征在于所述的胶黏基体材料是环氧树脂、固化剂、稀释剂按10:3:1的质量比的混合物。

6.权利要求1所述的玄武岩纤维仿生双螺旋排布增强秸秆板材的制备方法，其特征在于，包括以下的步骤：

（1）秸秆纤维粉碎、磨粉，至粒度为1-2mm；

（2）胶液配制：环氧树脂:固化剂:稀释剂按照10:3:1的质量比混合，充分搅拌；

（3）秸秆纤维预处理：将秸秆纤维粉与胶黏基体材料均匀混合，使胶黏基体材料充分浸润秸秆纤维；

（5）制备基体：先铺一层预处理后的秸秆纤维作为底层基体铺层，再将玄武岩纤维按角度错层地铺放在秸秆纤维上，再铺一层预处理后的秸秆纤维作为顶层基体铺层，充分压实；

（4）抽真空，使气泡析出，加大材料内部的密实度；

（5）固化、脱模：夹紧模具，然后将模具放入鼓风干燥箱中60℃加热固化1h，120℃加热固化1h，待模具完全后冷却至室温脱模。

7.权利要求6所述的玄武岩纤维仿生双螺旋排布增强秸秆板材的制备方法，其特征在于步骤（5）中铺设的玄武岩纤维层数至少3层。