CN107366196A - 一种无胶纤维板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无胶纤维板的制备方法，属于人造板材技术领域。本发明通过蒸汽爆破使木材中的纤维素和半纤维素发生部分降解，并经爆破形成棉絮状的单体纤维，增加了纤维的可塑性，并且爆破后的纤维长径比增加，有利于提高纤维板产品的耐水性和尺寸稳定性，另外半纤维素部分降解为低分子糖类，这些糖类在爆破过程中在压力和温度的作用下发生化学变化，生成糠醛类化合物，具有一定的胶合作用，另外有机硅凝胶的憎水特性可以提高纤维板的耐水性，同时有机硅凝胶可以和纤维表面丰富的羟基发生化学键合，减少了强极性羟基数量，降低了纤维板的极性，减弱了纤维板的亲水性，达到提高纤维板耐水性的目的，具有广阔的应用前景。

Description

一种无胶纤维板的制备方法
技术领域
本发明涉及一种无胶纤维板的制备方法，属于人造板材技术领域。
背景技术
纤维板（也称密度板）是以木质纤维或其他植物纤维为原料，利用纤维固有的胶黏剂性能且施加脲醛树脂或其他合成树脂，经过纤维分离、成型、热压（干燥）等工序制成的具有良好的物理力学性能和机械加工性能的人造板材。由于制胶和制板工艺以及板材使用环境条件的原因，用脲醛胶制造的纤维板存在着游离甲醛释放问题，且具有长期性、顽固性和反复性，使用过程中会对人体产生极大危害。
而主要以植物纤维为原材料的人造板在微观结构上具有多孔隙的特点，容易由于吸水吸湿造成人造板材的膨胀、收缩、尺寸稳定性降低以及内结合强度下降等情况，很大程度上影响了人造板的使用寿命和应用效果。因此在人造板（主要指刨花板和中/高密度纤维板）生产过程中，为了降低板材的吸水率和厚度膨胀率，增强板材的尺寸稳定性，提高板材整体的强度和质量，需要加入一定比例的疏水性物质等防水材料，并且要求所用的防水材料具备用量少但抗水性强等特性。但这些防水材料的加入又会影响纤维与纤维之间的结合能力，进而降低纤维板的力学性能。
因此，发明一种不含胶黏剂，且可以防水并具有优异机械性能的纤维板对人造板材制备技术领域具有积极的意义。
发明内容
本发明主要解决的技术问题，针对目前常见的人造纤维板中含有释放甲醛的脲醛胶，影响人体健康，并且纤维板耐水性差，机械性能不理想的缺陷，提供了一种无胶纤维板的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种无胶纤维板的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）称取凤尾莲茎杆用水冲洗，将冲洗后的凤尾莲茎杆粉碎，得到凤尾莲碎块，再将凤尾莲碎块蒸汽爆破处理，得到爆破产物；
（2）将上述爆破产物和氢氧化钠溶液混合后得到混合液，将混合液加热煮沸处理1～2h，得到预处理混合液；
（3）将上述预处理混合液装入反应釜中，再向反应釜中加入硅烷偶联剂KH550，保温搅拌反应，反应结束后将反应产物旋蒸浓缩至反应产物体积的1/5，得到粘稠的改性纤维浆，备用；
（4将脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、氢氧化钠和四甲基四氢环四硅氧烷混合后剪切乳化处理，再均质处理，得到预乳液；
（5）将上述预乳液和甲基丙烯酰氧基硅烷混合后装入反应釜中，加热升温至45～55℃，保温搅拌反应2～4h，得到有机硅凝胶乳液；
（6）将备用的改性纤维浆和上述有机硅凝胶乳液混合后超声振荡处理，得到纤维板浆料；
（7）将上述纤维板浆料注入不锈钢模具中，热压处理，得到板坯，再将板坯放入干燥箱中，在105～110℃下干燥至恒重，即可得到无胶纤维板。
步骤（1）中所述的蒸汽爆破处理的步骤为：将凤尾莲碎块装入蒸汽爆破机中，向蒸汽爆破机中通入预热至200～210℃的蒸汽，直至蒸汽爆破机中压力达到1.7～1.9MPa，蒸汽爆破处理7～9min。
步骤（2）中所述的爆破产物和氢氧化钠溶液的质量比为1:10，氢氧化钠溶液的质量分数为10%。
步骤（3）中所述的硅烷偶联剂KH550的加入量为预处理混合液质量的5～8%，保温搅拌反应温度为40～50℃，保温搅拌反应时间为40～50min，旋蒸浓缩的温度为60～70℃。
步骤（4）中所述的脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、氢氧化钠和四甲基四氢环四硅氧烷的质量比为4:1:30，剪切乳化处理转速为1000～1200r/min，剪切乳化处理时间为8～10min，均质处理的压力为20～30MPa，均质处理的时间为20～30min。
步骤（5）中所述的预乳液和甲基丙烯酰氧基硅烷的质量比为35:1。
步骤（6）中所述的改性纤维浆和有机硅凝胶乳液的质量比为30:1，超声振荡处理温度为40～50℃，超声振荡处理的功率为400～500W，超声振荡处理的频率为30～40kHz，超声振荡处理时间为20～30min。
步骤（7）中所述的不锈钢模具的尺寸为250mm×250mm×4mm，热压处理温度为120～130℃，热压处理压力为4～5MPa，热压处理时间为20～30min。
本发明的有益效果是：
本发明利用高纤维含量的凤尾莲茎杆作为原料，首先采用蒸汽爆破处理，在一定的蒸汽压力和温度条件下，木材中的纤维素和半纤维素发生部分降解，并经爆破形成棉絮状的单体纤维，增加了纤维的可塑性，并且爆破后的纤维长径比增加，有利于提高纤维板产品的耐水性和尺寸稳定性，另外半纤维素部分降解为低分子糖类，这些糖类在爆破过程中在压力和温度的作用下发生化学变化，生成糠醛类化合物，具有一定的胶合作用，接着向爆破后的纤维中加碱煮制，使得碱溶性的木质素降解，而木质素的降解有利于纤维的胶粘反应，并可以与糠醛类化合物生成树脂聚合物，进一步提高纤维的自胶合效果，接着向碱煮纤维中加入硅烷偶联剂，利用硅烷偶联剂水解在纤维表面形成硅羟基，最后将硅烷偶联剂处理后的纤维浆和富含硅羟基的有机硅凝胶乳液混合，在一定温度范围下，使两者表面的硅羟基发生脱水缩合反应，形成键能极大的Si-O-Si键，再次提高了纤维板的胶合强度，最终达到免胶黏剂的目的，解决了常见纤维板多使用会释放甲醛的脲醛树脂作为胶黏剂，进而影响人体健康的缺陷，同时纤维板胶合强度的增大以及极大键能Si-O-Si键的产生，使得纤维板中纤维之间的结合力变得更强，也提高了纤维板的机械性能；
（2）本发明制得的无胶纤维板中引入了有机硅凝胶，其中有机硅凝胶的憎水特性可以提高纤维板的耐水性，同时有机硅凝胶可以和纤维表面丰富的羟基发生化学键合，减少了强极性羟基数量，降低了纤维板的极性，从而消弱了纤维板吸附水分子的能力，减弱了纤维板的亲水性，达到提高纤维板耐水性的目的，另外有机硅凝胶还会浸入纤维板纤维间的孔隙中，减少纤维板的孔隙率，从根本上封堵水分子的入渗空间，进一步提高了纤维板的耐水性，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
称取凤尾莲茎杆用水冲洗10～15min，将冲洗后的凤尾莲茎杆放入气流粉碎机中粉碎15～20min，得到凤尾莲碎块，再将凤尾莲碎块装入蒸汽爆破机中，向蒸汽爆破机中通入预热至200～210℃的蒸汽，直至蒸汽爆破机中压力达到1.7～1.9MPa，蒸汽爆破处理7～9min，得到爆破产物；将爆破产物和质量分数为10%氢氧化钠溶液按质量比为1:10混合后得到混合液，将混合液加热煮沸处理1～2h，得到预处理混合液；将预处理混合液装入反应釜中，再向反应釜中加入预处理混合液质量5～8%的硅烷偶联剂KH550，加热升温至40～50℃，保温搅拌反应40～50min，反应结束后将反应产物移入旋转蒸发仪中，在60～70℃下旋蒸浓缩至反应产物体积的1/5，得到粘稠的改性纤维浆；按质量比为4:1:30将脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、氢氧化钠和四甲基四氢环四硅氧烷装入高速剪切乳化机中以1000～1200r/min转速剪切乳化处理8～10min，再转入高压均质机中在20～30MPa的压力下均质处理20～30min，得到预乳液；按质量比为35:1将预乳液和甲基丙烯酰氧基硅烷混合后装入反应釜中，加热升温至45～55℃，保温搅拌反应2～4h，得到有机硅凝胶乳液；按质量比为30:1将改性纤维浆和有机硅凝胶乳液混合后在40～50℃下以400～500W的功率和30～40kHz的频率超声振荡处理20～30min，得到纤维板浆料；将纤维板浆料注入尺寸为250mm×250mm×4mm的不锈钢模具中，用热压机在120～130℃下以4～5MPa的压力热压处理20～30min，得到板坯，再将板坯放入干燥箱中，在105～110℃下干燥至恒重，即可得到无胶纤维板。
实例1
称取凤尾莲茎杆用水冲洗10min，将冲洗后的凤尾莲茎杆放入气流粉碎机中粉碎15min，得到凤尾莲碎块，再将凤尾莲碎块装入蒸汽爆破机中，向蒸汽爆破机中通入预热至200℃的蒸汽，直至蒸汽爆破机中压力达到1.7MPa，蒸汽爆破处理7min，得到爆破产物；将爆破产物和质量分数为10%氢氧化钠溶液按质量比为1:10混合后得到混合液，将混合液加热煮沸处理1h，得到预处理混合液；将预处理混合液装入反应釜中，再向反应釜中加入预处理混合液质量5%的硅烷偶联剂KH550，加热升温至40℃，保温搅拌反应40min，反应结束后将反应产物移入旋转蒸发仪中，在60℃下旋蒸浓缩至反应产物体积的1/5，得到粘稠的改性纤维浆；按质量比为4:1:30将脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、氢氧化钠和四甲基四氢环四硅氧烷装入高速剪切乳化机中以1000r/min转速剪切乳化处理8min，再转入高压均质机中在20MPa的压力下均质处理20min，得到预乳液；按质量比为35:1将预乳液和甲基丙烯酰氧基硅烷混合后装入反应釜中，加热升温至45℃，保温搅拌反应2h，得到有机硅凝胶乳液；按质量比为30:1将改性纤维浆和有机硅凝胶乳液混合后在40℃下以400W的功率和30kHz的频率超声振荡处理20min，得到纤维板浆料；将纤维板浆料注入尺寸为250mm×250mm×4mm的不锈钢模具中，用热压机在120℃下以4MPa的压力热压处理20min，得到板坯，再将板坯放入干燥箱中，在105℃下干燥至恒重，即可得到无胶纤维板。
实例2
称取凤尾莲茎杆用水冲洗13min，将冲洗后的凤尾莲茎杆放入气流粉碎机中粉碎18min，得到凤尾莲碎块，再将凤尾莲碎块装入蒸汽爆破机中，向蒸汽爆破机中通入预热至205℃的蒸汽，直至蒸汽爆破机中压力达到1.8MPa，蒸汽爆破处理8min，得到爆破产物；将爆破产物和质量分数为10%氢氧化钠溶液按质量比为1:10混合后得到混合液，将混合液加热煮沸处理1h，得到预处理混合液；将预处理混合液装入反应釜中，再向反应釜中加入预处理混合液质量7%的硅烷偶联剂KH550，加热升温至45℃，保温搅拌反应45min，反应结束后将反应产物移入旋转蒸发仪中，在65℃下旋蒸浓缩至反应产物体积的1/5，得到粘稠的改性纤维浆；按质量比为4:1:30将脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、氢氧化钠和四甲基四氢环四硅氧烷装入高速剪切乳化机中以1100r/min转速剪切乳化处理9min，再转入高压均质机中在25MPa的压力下均质处理25min，得到预乳液；按质量比为35:1将预乳液和甲基丙烯酰氧基硅烷混合后装入反应釜中，加热升温至50℃，保温搅拌反应3h，得到有机硅凝胶乳液；按质量比为30:1将改性纤维浆和有机硅凝胶乳液混合后在45℃下以450W的功率和35kHz的频率超声振荡处理25min，得到纤维板浆料；将纤维板浆料注入尺寸为250mm×250mm×4mm的不锈钢模具中，用热压机在125℃下以4MPa的压力热压处理25min，得到板坯，再将板坯放入干燥箱中，在108℃下干燥至恒重，即可得到无胶纤维板。
实例3
称取凤尾莲茎杆用水冲洗15min，将冲洗后的凤尾莲茎杆放入气流粉碎机中粉碎20min，得到凤尾莲碎块，再将凤尾莲碎块装入蒸汽爆破机中，向蒸汽爆破机中通入预热至210℃的蒸汽，直至蒸汽爆破机中压力达到1.9MPa，蒸汽爆破处理9min，得到爆破产物；将爆破产物和质量分数为10%氢氧化钠溶液按质量比为1:10混合后得到混合液，将混合液加热煮沸处理2h，得到预处理混合液；将预处理混合液装入反应釜中，再向反应釜中加入预处理混合液质量8%的硅烷偶联剂KH550，加热升温至50℃，保温搅拌反应50min，反应结束后将反应产物移入旋转蒸发仪中，在70℃下旋蒸浓缩至反应产物体积的1/5，得到粘稠的改性纤维浆；按质量比为4:1:30将脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、氢氧化钠和四甲基四氢环四硅氧烷装入高速剪切乳化机中以1200r/min转速剪切乳化处理10min，再转入高压均质机中在30MPa的压力下均质处理30min，得到预乳液；按质量比为35:1将预乳液和甲基丙烯酰氧基硅烷混合后装入反应釜中，加热升温至55℃，保温搅拌反应4h，得到有机硅凝胶乳液；按质量比为30:1将改性纤维浆和有机硅凝胶乳液混合后在50℃下以500W的功率和40kHz的频率超声振荡处理30min，得到纤维板浆料；将纤维板浆料注入尺寸为250mm×250mm×4mm的不锈钢模具中，用热压机在130℃下以5MPa的压力热压处理30min，得到板坯，再将板坯放入干燥箱中，在110℃下干燥至恒重，即可得到无胶纤维板。
对照例
以安徽省某公司生产的无胶纤维板作为对照例
对本发明制得的无胶纤维板和对照例中的无胶纤维板进行力学性能和耐水性检测，检测结果如下：
1、静曲强度：参照GB/T 17657标准在万能力学试验机上进行检测。
2、内结合强度：利用万能材料力学试验机依据EN 319-11995制做测试纤维板内结合强度。
3、弹性模量：利用弹性模量测试仪进行弹性模量测试。
4、耐水性：将相同尺寸的本发明制得的纤维板和对照例中的纤维板浸入50℃的温水中浸泡2h，检测浸泡前后纤维板的质量提高百分比，提高的质量即为纤维板吸收的水分，质量提高百分比越低，耐水性越好。
质量提高百分比=（浸泡后纤维板质量-浸泡前纤维板质量）/浸泡前纤维板质量
检测项目 实例1 实例2 实例3 对照例
静曲强度（MPa） 19.25 19.56 20.12 15.95
内结合强度（MPa） 0.73 0.84 0.87 0.52
弹性模量（MPa） 2986.5 3021.6 3112.2 2321.0
质量提高百分比（%） 1.2% 1.1% 0.8% 5.3%
本发明制得的无胶纤维板没有采用外加胶黏剂，并且机械性能优异，耐水性极佳，具有广阔的应用前景。

Claims (8)

1.一种无胶纤维板的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）称取凤尾莲茎杆用水冲洗，将冲洗后的凤尾莲茎杆粉碎，得到凤尾莲碎块，再将凤尾莲碎块蒸汽爆破处理，得到爆破产物；
（2）将上述爆破产物和氢氧化钠溶液混合后得到混合液，将混合液加热煮沸处理1～2h，得到预处理混合液；
（3）将上述预处理混合液装入反应釜中，再向反应釜中加入硅烷偶联剂KH550，保温搅拌反应，反应结束后将反应产物旋蒸浓缩至反应产物体积的1/5，得到粘稠的改性纤维浆，备用；
（4将脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、氢氧化钠和四甲基四氢环四硅氧烷混合后剪切乳化处理，再均质处理，得到预乳液；
（5）将上述预乳液和甲基丙烯酰氧基硅烷混合后装入反应釜中，加热升温至45～55℃，保温搅拌反应2～4h，得到有机硅凝胶乳液；
（6）将备用的改性纤维浆和上述有机硅凝胶乳液混合后超声振荡处理，得到纤维板浆料；
（7）将上述纤维板浆料注入不锈钢模具中，热压处理，得到板坯，再将板坯放入干燥箱中，在105～110℃下干燥至恒重，即可得到无胶纤维板。
2.根据权利要求1所述的一种无胶纤维板的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的蒸汽爆破处理的步骤为：将凤尾莲碎块装入蒸汽爆破机中，向蒸汽爆破机中通入预热至200～210℃的蒸汽，直至蒸汽爆破机中压力达到1.7～1.9MPa，蒸汽爆破处理7～9min。
3.根据权利要求1所述的一种无胶纤维板的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述的爆破产物和氢氧化钠溶液的质量比为1:10，氢氧化钠溶液的质量分数为10%。
4.根据权利要求1所述的一种无胶纤维板的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述的硅烷偶联剂KH550的加入量为预处理混合液质量的5～8%，保温搅拌反应温度为40～50℃，保温搅拌反应时间为40～50min，旋蒸浓缩的温度为60～70℃。
5.根据权利要求1所述的一种无胶纤维板的制备方法，其特征在于：步骤（4）中所述的脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、氢氧化钠和四甲基四氢环四硅氧烷的质量比为4:1:30，剪切乳化处理转速为1000～1200r/min，剪切乳化处理时间为8～10min，均质处理的压力为20～30MPa，均质处理的时间为20～30min。
6.根据权利要求1所述的一种无胶纤维板的制备方法，其特征在于：步骤（5）中所述的预乳液和甲基丙烯酰氧基硅烷的质量比为35:1。
7.根据权利要求1所述的一种无胶纤维板的制备方法，其特征在于：步骤（6）中所述的改性纤维浆和有机硅凝胶乳液的质量比为30:1，超声振荡处理温度为40～50℃，超声振荡处理的功率为400～500W，超声振荡处理的频率为30～40kHz，超声振荡处理时间为20～30min。
8.根据权利要求1所述的一种无胶纤维板的制备方法，其特征在于：步骤（7）中所述的不锈钢模具的尺寸为250mm×250mm×4mm，热压处理温度为120～130℃，热压处理压力为4～5MPa，热压处理时间为20～30min。
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