CN106747031A

CN106747031A - 一种植物纤维增强无机轻质复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN106747031A
Application number: CN201611003618.9A
Authority: CN
Inventors: 吴义强; 肖俊华; 吕建雄; 刘元; 卿彦; 左迎峰; 李贤军; 李新功
Original assignee: Central South University of Forestry and Technology
Current assignee: Central South University of Forestry and Technology
Priority date: 2016-11-15
Filing date: 2016-11-15
Publication date: 2017-05-31

Abstract

本发明公开了一种植物纤维增强无机轻质复合材料，主要由六水氯化镁、七水硫酸镁、轻烧氧化镁、水、减水剂、增强剂、增强纤维、发泡剂、激发剂、稳定剂和调凝剂制备而成。本发明的制备方法：将六水氯化镁、七水硫酸镁和水混合制成盐溶液；向盐溶液中加入轻烧氧化镁、减水剂、增强剂，恒速搅拌，得到无机胶料；将增强纤维加入无机胶料中恒速搅拌，再缓慢滴加调凝剂、稳定剂和激发剂，最后迅速加入发泡剂，高速搅拌得到发泡的无机胶料；将发泡的无机胶料倒入模具，静停发泡，脱模养护，即得到植物纤维增强无机轻质复合材料。该复合材料具有高抗压和抗弯曲强度、密度低、无甲醛、防老化、防霉变、防白蚁、防潮、不变形、隔声隔热、保温性能好等优点。

Description

一种植物纤维增强无机轻质复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑及装饰材料领域，尤其涉及一种植物纤维增强无机轻质复合材料及其制备方法。

背景技术

近年来，随着高层建筑的迅速发展，为了满足保温防震的要求和减轻顶板梁柱的载荷，对于轻质多孔建筑复合材料的需求越来越高。现有技术中，轻质复合材料的制备通常是在胶凝材料中加入发泡剂或者将聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫等与胶凝材料混合，但是这种技术生产的轻质材料强度不高，容易出现开裂、塌陷等问题，而且防火性能不高。尤其是越来越多火灾事故的发生以及随着人们对建筑物防火意识的不断增强，以往的轻质泡沫复合材料已经受到人们的冷遇。而镁系无机胶凝材料由于具有强度高、凝结速度较快、阻燃性能优异等使制作的无机复合材料成为备受人们关注的新型建筑材料，但是由于技术水平参差不齐，产品质量很不稳定，因此仍亟待需要改进。

中国专利申请201510469444中公开了一种通过纤维增强的复合材料的发明专利，其采用了植物纤维，但是该申请中基体材料选择有机高分子聚合物，主要增强纤维为玻璃纤维和无机晶须，植物纤维以粉末形式添加主要为填充作用，可见该发明的复合材料实际为玻璃纤维和无机晶须增强的木塑复合材料，而且该申请中提到的有机高分子聚合物为石油提炼产品，会加剧世界能源的消耗。

中国专利申请201510429245中公开了一种镁质硫铝酸盐水泥及其与纤维增强复合材料制备板材的方法，该专利申请以玻璃纤维、丙纶纤维或植物纤维增强镁质硫铝酸盐水泥制备复合板材，虽然解决了镁质硫铝酸盐水泥力学性能较差的不足，但是该复合板材的密度较大，保温隔热性能欠佳，很难满足现代建筑保温防震、环保节能的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种绿色高强、高耐水、阻燃及保温隔热性能好的植物纤维增强无机轻质复合材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种植物纤维增强无机轻质复合材料，主要由以下重量份的原料制备而成：

六水氯化镁 100份；

七水硫酸镁 44~61份；

轻烧氧化镁 274~406份；

水 167~202份；

减水剂 5~9份；

增强剂 12~21份；

增强纤维 11~30份；

发泡剂 35~75份；

激发剂 6~12份；

稳定剂 9~19份和调凝剂 1~2份。

上述的植物纤维增强无机轻质复合材料，优选的，所述减水剂为聚羧酸盐高效减水剂、氨基磺酸盐高效减水剂、磺化三聚氰胺减水剂中的一种或几种；减水剂分子能定向吸附于无机胶料颗粒表面，使胶料颗粒表面带有同一种电荷，形成静电排斥作用，增加胶料颗粒的分散性，另外可以减少无机胶料的单位用水量，增加胶料黏稠程度。

所述稳定剂为硬脂酸钙、聚丙烯酰胺、羟甲基纤维素或羟甲基纤维素盐的一种或几种。稳定剂的选择一方面可以降低溶液表面张力，另一方面增加溶液粘度，起到增稠和防止无机胶料下沉的作用，从而满足气泡较长时间的稳定存在，并不破灭或逸出飞散。

上述的植物纤维增强无机轻质复合材料，优选的，所述发泡剂选自双氧水或铝粉中的一种；双氧水在碱性介质中发生歧化反应生成氧气，气泡在无机胶料硬化的同时充满内部形成多孔发泡材料，在无机胶料中容易均匀分散，发气速率可控，且不生成有害物质；铝粉与无机胶料中的碱性物质反应，在胶料内部生成氢气泡，保证材料能够生成多孔发泡材料。

所述激发剂为二氧化锰粉末或0.1mol/L氢氧化钠溶液中的一种；掺加激发剂的主要作用是激发发泡剂的化学反应，加快其释放气体的速率。选择二氧化锰作为双氧水发泡剂的激发剂，可以保证其不会与无机胶料中的成分反应。选择0.1mol/L氢氧化钠溶液可以加快铝粉与胶料中的水和碱性物质反应，但是如果浓度过高会使发泡过于剧烈，造成气泡尺寸过大导致部分气泡发生破裂而影响发泡无机胶料的性能；如果浓度过低会使气体生成速率减慢，气泡无法到达表层，造成发泡不均匀，泡孔尺寸小。

上述的植物纤维增强无机轻质复合材料，优选的，所述增强纤维为木材纤维、竹材纤维、农作物秸秆纤维中的一种或几种；增强纤维可改善发泡无机胶料的泡孔结构，增强无机胶料基体的握裹力，有效的控制发泡无机胶料塑性收缩、干缩、温度变化等因素引起的微裂，防止及抑制裂缝的形成和发展，同时可提高其抗折、抗压强度及弯曲韧性。

所述增强剂为硫铝酸盐、硅酸盐、EVA乳液、硅丙乳液中的一种或几种；

上述的植物纤维增强无机轻质复合材料，优选的，所述调凝剂为碳酸锂、三乙醇胺、甲酸钙中的一种或几种。

上述的植物纤维增强无机轻质复合材料，优选的，所述六水氯化镁中氯化镁的质量分数为44%~46%；

所述轻烧氧化镁中氧化镁的质量分数为75%~95%，反应活性≥60%；进一步优选的，所述轻烧氧化镁中氧化镁的质量分数为85%。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的植物纤维增强无机轻质复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将100重量份的六水氯化镁、44~61重量份的七水硫酸镁和167~202重量份的水混合，并恒速搅拌均匀得到盐溶液；

（2）向步骤（1）所得的盐溶液中加入274~406重量份的轻烧氧化镁、5~9重量份的减水剂、12~21重量份的增强剂，恒速搅拌，得到无机胶料；

（3）将11~30重量份的增强纤维加入到步骤（2）得到的无机胶料中恒速搅拌，再缓慢滴加（3~5min之内滴完）1~2重量份的调凝剂、9~19重量份的稳定剂和6~12重量份的激发剂，最后迅速（3~5s内加完）加入35~75重量份的发泡剂，高速搅拌得到发泡的无机胶料；

其中，调凝剂的滴加速度在内缓慢

（4）将步骤（3）所得发泡的无机胶料倒入模具，放在养护箱中进行静停发泡，最后脱模养护，即得到所述植物纤维增强无机轻质复合材料。

上述的制备方法，优选的，所述步骤（1）中，恒速搅拌的时间为10~20分钟，搅拌速率为250r/min~350r/min。

上述的制备方法，优选的，所述步骤（2）和（3）中，恒速搅拌的时间为5~10min，搅拌速率为250r/min~350r/min；所述步骤（3）中，高速搅拌速率为400r/min~550r/min，搅拌的时间为10s。

上述的制备方法，优选的，所述步骤（4）中，养护箱中的温度为25℃，湿度大于95%；锁模时间为24h，养护时间为3~7天。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明的轻质复合材料采用的是大自然取之不尽用之不竭的植物纤维增强，不仅仅绿色环保、质量轻还有利于降低成本，同时还能够利用植物纤维与发泡无机胶料的纠缠结合能力增强复合材料的强度，还能防止发泡无机胶料的收缩、塌陷、开裂等缺陷。

（2）本发明的植物纤维增强无机轻质复合材料具有极佳的耐火性，使用原料中氧化镁具有很高的耐火度（熔点2270℃），而且氯化镁在高温下分解释放氯气，不仅可以使复合材料具有防火A级的要求，还具有普通复合材料不具备的致熄性，可使火焰在早期熄灭。

（3）本发明的植物纤维增强无机轻质复合材料所用无机胶料最显著的特点就是凝结速度快、强度高，因此，发泡的复合材料依然具有较高的抗压和抗弯曲强度，此外这种多孔的复合材料密度可根据使用需求在200kg/m³~1200 kg/m³范围内变化，相比于普通无机复合材料，密度显著降低，可广泛应用于隔墙、防火门、吊顶、装饰、家具等领域。

（4）本发明的植物纤维增强无机轻质复合材料不含有甲醛或其它有机挥发物的释放，不会对人与动物的身体健康造成影响，同时该材料还具有防老化、防霉变、防白蚁、防潮、不变形、隔声隔热、保温性能好等优点。

（5）相比于传统轻质复合材料的制备方法，本发明的植物纤维增强无机轻质复合材料采用化学发泡的方法直接在胶料中发泡，省去了发泡机发泡后再与胶料混合的过程，简化了制备工艺，而且便于对发泡速率和轻质复合材料泡孔尺寸进行调控。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1：

一种本发明的植物纤维增强无机轻质复合材料，主要由以下原料制备而成：

六水氯化镁（氯化镁质量分数为46%） 100份；

七水硫酸镁 44份；

轻烧氧化镁（氧化镁的质量分数为75%，反应活性为60%） 406份；

水 202份；

聚羧酸盐高效减水剂 5份；

增强剂（52.5R白色硅酸盐、EVA乳液、硅丙乳液的混合物） 12份；

木材纤维、竹材纤维和农作物秸秆纤维的混合纤维 30份；

发泡剂双氧水 75份；

激发剂二氧化锰粉末 12份；

稳定剂硬脂酸钙 19份；

调凝剂（三乙醇胺、碳酸锂的混合物） 1份。

本实施例的植物纤维增强无机轻质复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将100份的六水氯化镁、44份的七水硫酸镁和202份的水置于容器中，恒速搅拌（搅拌速率为350r/min）20min，配成盐溶液；

（2）向所得盐溶液中加入406份的轻烧氧化镁、5份的聚羧酸盐高效减水剂和12份硅酸盐、EVA乳液、硅丙乳液的混合物，恒速搅拌（搅拌速率为350r/min ）10分钟，得到无机胶料；

（3）将30份木材纤维、竹材纤维和农作物秸秆纤维的混合纤维加入到无机胶料中充分搅拌10min，再缓慢（在3min内加完）加入1份的三乙醇胺、碳酸锂的混合物、19份的硬脂酸钙和12份的二氧化锰粉末；最后在3s内迅速加入75份的双氧水，高速搅拌（搅拌速率为550r/min ）10s后得到发泡的无机胶料；

（4）将所得的发泡的无机胶料倒入模具中，放在温度为25℃，湿度大于95%的养护箱中进行静停发泡，24h后脱模再养护7天，即得到植物纤维增强无机轻质复合材料。

将本实施例制备得到的植物纤维增强无机轻质复合材料按照GBT 11971-1997《加气混凝土力学性能试验方法》和GBT 5486-2008 《无机硬质绝热制品试验方法》检测，表观密度为385 kg/m³，压缩强度为4.6MPa，抗折强度为17.4MPa，导热系数为0.0552W/(m.k)，浸水24h软化系数为0.94，阻燃性能达防火等级A2级。

实施例2：

六水氯化镁（氯化镁质量分数为45%） 100份；

七水硫酸镁 53份；

轻烧氧化镁（氧化镁的质量分数为85%，反应活性为65%） 335份；

水 185份；

减水剂（氨基磺酸盐高效减水剂、磺化三聚氰胺减水剂的混合物） 7份；

增强剂（82.5R高强快硬白色硫铝酸盐、42.5R普通硅酸盐、硅丙乳液的混合物） 16份；

竹材纤维和农作物秸秆纤维的混合纤维 21份；

发泡剂铝粉 55份；

激发剂0.1mol/L氢氧化钠溶液 9份；

稳定剂（聚丙烯酰胺和羟甲基纤维素的混合物） 14份；

调凝剂（碳酸锂、甲酸钙的混合物） 1.5份。

（1）将100份的六水氯化镁、53份的七水硫酸镁和185份的水置于容器中，恒速搅拌（搅拌速率为300r/min）15min，配成盐溶液；

（2）向所得盐溶液中加入335份的轻烧氧化镁、7份的减水剂（氨基磺酸盐高效减水剂、磺化三聚氰胺减水剂的混合物）和16份增强剂（硫铝酸盐、硅酸盐、硅丙乳液的混合物），恒速搅拌（搅拌速率为300r/min ）8分钟，得到无机胶料；

（3）将21份竹材纤维和农作物秸秆纤维的混合纤维加入到无机胶料中充分搅拌8min，再缓慢（4min内加完）加入1.5份的调凝剂（碳酸锂、甲酸钙的混合物）、14份的稳定剂（聚丙烯酰胺和羟甲基纤维素的混合物）和9份的0.1mol/L氢氧化钠溶液；最后在4s内迅速加完55份发泡铝粉，高速搅拌（搅拌速率为480r/min ）10s后得到发泡的无机胶料；

（4）将所得的发泡的无机胶料倒入模具中，放在温度为25℃，湿度大于95%的养护箱中进行静停发泡，24h后脱模再养护5天，即得到植物纤维增强无机轻质复合材料。

本实施例制备得到的植物纤维增强无机轻质复合材料按照GBT 11971-1997《加气混凝土力学性能试验方法》和GBT 5486-2008 《无机硬质绝热制品试验方法》检测，表观密度为415kg/m³，压缩强度为4.1MPa，抗折强度为16.8MPa，导热系数为0.0814W/(m.k)，浸水24h软化系数为0.85，阻燃性能达防火等级A2级。

实施例3：

六水氯化镁（氯化镁质量分数为44%） 100份；

七水硫酸镁 61份；

轻烧氧化镁（氧化镁的质量分数为95%，反应活性为68%） 274份；

水 167份；

减水剂（聚羧酸盐高效减水剂、氨基磺酸盐高效减水剂、磺化三聚氰胺减水剂的混合物） 7份；

增强剂（52.5R快硬普通硫铝酸盐） 16份；

木材纤维 11份；

发泡剂（双氧水） 35份；

激发剂（二氧化锰粉末） 6份；

稳定剂（硬脂酸钙、聚丙烯酰胺和羟甲基纤维素的混合物） 9份；

调凝剂（三乙醇胺） 1.5份。

（1）将100份的六水氯化镁、61份的七水硫酸镁和167份的水置于容器中，恒速搅拌（搅拌速率为250r/min）10min，配成盐溶液；

（2）向所得盐溶液中加入份274份的轻烧氧化镁、7份的减水剂（聚羧酸盐高效减水剂、氨基磺酸盐高效减水剂、磺化三聚氰胺减水剂的混合物）和16份增强剂（硫铝酸盐），恒速搅拌（搅拌速率为250r/min ）5分钟，得到无机胶料；

（3）将11份木材纤维加入到无机胶料中充分搅拌5min，再缓慢加入（5min内加完）1.5份的调凝剂（三乙醇胺）、9份的稳定剂（硬脂酸钙、聚丙烯酰胺和羟甲基纤维素的混合物）和6份的二氧化锰粉末；最后在5s内迅速加入35份的双氧水，高速搅拌（搅拌速率为400r/min ）10s后得到发泡的无机胶料；

（4）将所得的发泡的无机胶料倒入模具中，放在温度为25℃，湿度大于95%的养护箱中进行静停发泡，24h后脱模再养护3天，即得到植物纤维增强无机轻质复合材料。

本实施例制备得到的植物纤维增强无机轻质复合材料按照GBT 11971-1997《加气混凝土力学性能试验方法》和GBT 5486-2008 《无机硬质绝热制品试验方法》检测，表观密度为503kg/m³，压缩强度为5.2MPa，抗折强度为19.6MPa，导热系数为0.1107W/(m.k)，浸水24h软化系数为0.91，阻燃性能达防火等级A2级。

Claims

1.一种植物纤维增强无机轻质复合材料，其特征在于，主要由以下重量份的原料制备而成：

六水氯化镁 100份；

七水硫酸镁 44~61份；

轻烧氧化镁 274~406份；

水 167~202份；

减水剂 5~9份；

增强剂 12~21份；

增强纤维 11~30份；

发泡剂 35~75份；

激发剂 6~12份；

稳定剂 9~19份和调凝剂 1~2份。

2.如权利要求1所述的植物纤维增强无机轻质复合材料，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸盐高效减水剂、氨基磺酸盐高效减水剂、磺化三聚氰胺减水剂中的一种或几种；

所述稳定剂为硬脂酸钙、聚丙烯酰胺、羟甲基纤维素或羟甲基纤维素盐的一种或几种。

3.如权利要求1所述的植物纤维增强无机轻质复合材料，其特征在于，所述发泡剂选自双氧水或铝粉中的一种；所述激发剂为二氧化锰粉末或0.1mol/L氢氧化钠溶液中的一种。

4.如权利要求1所述的植物纤维增强无机轻质复合材料，其特征在于，所述增强纤维为木材纤维、竹材纤维、农作物秸秆纤维中的一种或几种；

所述增强剂为硫铝酸盐、硅酸盐、EVA乳液、硅丙乳液中的一种或几种。

5.如权利要求1所述的植物纤维增强无机轻质复合材料，其特征在于，所述调凝剂为碳酸锂、三乙醇胺、甲酸钙中的一种或几种。

6.如权利要求1所述的植物纤维增强无机轻质复合材料，其特征在于，所述六水氯化镁中氯化镁的质量分数为44%~46%；

所述轻烧氧化镁中氧化镁的质量分数为75%~90%，反应活性≥60%。

7.一种如权利要求1~6中任一项所述的植物纤维增强无机轻质复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（3）将11~30重量份的增强纤维加入到步骤（2）得到的无机胶料中恒速搅拌，再缓慢滴加1~2重量份的调凝剂、9~19重量份的稳定剂和6~12重量份的激发剂，最后迅速加入35~75重量份的发泡剂，高速搅拌得到发泡的无机胶料；

8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，恒速搅拌的时间为10~20分钟，搅拌速率为250r/min~350r/min。

9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）和（3）中，恒速搅拌的时间为5~10min，搅拌速率为250r/min~350r/min；所述步骤（3）中，高速搅拌速率为400r/min~550r/min，搅拌的时间为10s。

10.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中，养护箱中的温度为25℃，湿度大于95%；锁模时间为24h，养护时间为3~7天。