CN108587215B - 一种碳纤维复合木材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碳纤维复合木材及其制备方法，解决了现有技术人造木材不环保、抗变形性能差，抗压强度低、易抗弯曲的的技术问题。本发明提供一种碳纤维复合木材，按重量份数计，其原料组分组成为：农林废弃物粉100～150份、硅酸钙粉5～10份、短切碳纤维20～33份、石蜡油4～10份、氧化石墨烯5～10份、聚乙烯吡咯烷酮2～4份、异氰酸酯8～16份、钛白粉12～18份、胶黏剂有机硅树脂16～22份、减水剂0.3～1.5份、水35～50份；同时提供其制备方法。本发明广泛应用于建筑材料领域。

Description

一种碳纤维复合木材及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，具体涉及一种碳纤维复合木材及其制备方法。
背景技术
木材是很重要的再生性资源，它具有重量轻、弹性好、强度高、纹理美观、绝缘隔热等优良应用性能，有些木材还有保健功能，同时具有加工能耗少、环境污染轻等特点，所以木材是建筑材料的首选材料。近年来，我国人造板行业发展迅速，生产规模不断扩大，产品档次和产品质量逐步提高。但是我国是一个森林资源贫乏的国家，森林资源的短缺已经严重影响了木材原料的供应，成为木材产业发展的瓶颈。要保证人造板工业的持续健康发展，必须改变传统的单方向木材消耗模式，走循环发展的道路。目前市面上的人造木板抗变形性能很差，强度低，很容易出现中间弯曲的情况。同时用人造木板装饰室内环境时，经常会带来甲醛、苯等致癌物质的含量超标，造成严重的室内环境污染。
目前，我国大部分农作物秸秆被焚烧或废弃，其价值没有得到应有体现，还污染了环境，因此将农林废弃物粉用作人造木材原料是一种极其环保的方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术的不足，提供一种原料组成简单合理、成分科学配伍、环保的、抗变形性能高，抗压强度高、抗弯曲强度高的、可有效替代天然木材的碳纤维复合木材及其制备方法。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种碳纤维复合木材，按重量份数计，其原料组分组成为：农林废弃物粉100～150份、硅酸钙粉5～10份、短切碳纤维20～33份、石蜡油4～10份、氧化石墨烯5～10份、聚乙烯吡咯烷酮2～4份、异氰酸酯8～16份、钛白粉12～18份、胶黏剂有机硅树脂16～22份、减水剂0.3～1.5份、水35～50份。
优选的，原料组分组成为：农林废弃物粉125份、硅酸钙粉7份、短切碳纤维27份、石蜡油7份、氧化石墨烯7份、聚乙烯吡咯烷酮3份、异氰酸酯12份、钛白粉15份、胶黏剂有机硅树脂19份、减水剂0.9份、水42份。
优选的，农林废弃物为秸秆、稻壳、边角料、树皮、花生壳、枝桠柴、木头刨花其中任何一种或者多种；农林废弃物粉的粒径为140～200目。
优选的，短切碳纤维的直径为8～10μm，长度为1～5mm；硅酸钙粉粒径为≤5μm；钛白粉粒径为0.1～5.0μm；减水剂为萘系高效减水剂；有机硅树脂为聚甲基硅树脂、聚芳基有机硅树脂、聚烷基芳基有机硅树脂其中任何一种。
上述任何一项的一种碳纤维复合木材的制备方法，包括以下步骤：
(1)按所需重量份数称取原料组分：农林废弃物粉、硅酸钙粉、短切碳纤维、石蜡油、氧化石墨烯、聚乙烯吡咯烷酮、异氰酸酯、钛白粉、胶黏剂有机硅树脂、减水剂、水；
(2)将步骤(1)称取的氧化石墨烯加入步骤(1)称取的水中，超声分散均匀后，得氧化石墨烯分散液；再向其冲入氮气饱和后，再边通氮气边向其中加入步骤(1)称取的异氰酸酯，在氮气存在情况下升温至45～65℃反应8～12h后，得混合液；
(3)将步骤(1)称取的农林废弃物粉加入0.5％次氯酸钠溶液中，进行浸泡软化消毒，浸泡时间为3～6h后；将软化后的混合物烘干后，注入热磨机，同时加入步骤(1)称取的硅酸钙粉、钛白粉和短切碳纤维进行热磨搅拌后，过筛除去大颗粒物质；注入密炼机同时依次加入步骤(2)制得的混合液和步骤(1)称取的减水剂、聚乙烯吡咯烷酮、石蜡油后，进行混合反应；注入搅拌机进行搅拌自然冷却，同时加入胶黏剂有机硅树脂，搅拌时间为45～60min后，得冷却物；
(4)将步骤(3)制得的冷却物注入成型模具中，于热压机中热压成型，冷却后，得碳纤维复合木材。
优选的，步骤(3)中，烘干条件为：80～120℃干燥60～80min。
优选的，步骤(3)中，热磨搅拌条件：热磨机加热温度为200～450℃，搅拌转速为700～1000r/min，热磨时间为45～65min。
优选的，步骤(3)中，混合反应温度为450～500℃，反应时间90min。
优选的，步骤(3)中，搅拌自然冷却条件为：搅拌速度为80～100r/min。
优选的，步骤(4)中，热压固化的温度为220～280℃。
本发明的有益效果：本发明配伍科学，协同增效，成分科学配伍、环保的、抗变形性能高，抗压强度高、抗弯曲强度高的、可有效替代天然木材的碳纤维复合木材。
(1)本发明的碳纤维复合木材原料组分短切碳纤维、氧化石墨烯、聚乙烯吡咯烷酮和异氰酸酯之间以及与其他原料组分之间发生协同增效的作用，显著提高本发明碳纤维复合木材的抗压强度、抗弯曲能力和耐水耐磨性能。
氧化石墨烯分散液与异氰酸酯在氮气存在下反应时，异氰酸酯与氧化石墨烯片层的边缘羟基或者羧基发生反应，生成酰胺或者氨基甲酸酯。短切碳纤维是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性。将短切碳纤维添加在本发明的碳纤维复合木材中，与边缘带有酰胺或者氨基甲酸酯的氧化石墨烯片层协同增效，交织成横向纵向的“外柔内刚”的骨架，不仅可以提高其抗变形能力，增强其抗压强度和静曲强度，密度的提高同时还使木材的耐水性能显著提高。在此协同增效的基础之上，聚乙烯吡咯烷酮模板剂的加入，更进一步增强本发明碳纤维复合木材整体三维立体结构整齐致密性，显著提高其密度。本发明加入的胶黏剂有机硅树脂，具有黏结强度高、化学稳定性好及耐水耐热耐磨的优点。
(2)硅酸钙粉和钛白粉的加入，既起到增加填充密度的作用，同时又具有有效的吸附其余成分带来的气味，起到减味的作用。其中钛白粉与氧化石墨烯之间发生协同增效，在光照情况下有效降解去除环境中的有机污染物的作用，进一步提高其环保性能。尤其是给予紫外光照射的情况下，钛白粉中二氧化钛的价态电子被激发后，传到石墨烯本体上，高能电子将有机污染物降解成二氧化碳和水，从而起到彻底清除有机污染物的作用。
(3)本发明的碳纤维复合木材质地均匀的、抗形变性能强，原料组分中为加入任何含有苯和甲醛的物质，且利用农林废弃物，环保节能减耗，具有抗变形能力强、毒性小、绿色环保、耐久性好。在墙体装饰、地板铺设以及家具制作中有较好的应用前景。
(4)本发明采用农林废弃物粉作为主要原料，减少了树木的使用，符合绿色环保的理念，能够缓解木材供需矛盾和保护森林资源，而且将新的理念、新的工艺、新的技术引入到人造木材生产中来，进一步推动人造木材板工业的发展。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以助于理解本发明的内容。本发明中所使用的方法如无特殊规定，均为常规的生产方法；所使用的原料，如无特殊规定，均为常规的市售产品。
实施例1
制备一种碳纤维复合木材，包括以下步骤：
(1)按所需重量份数称取原料组分：农林废弃物粉100份、粒径≤5μm的硅酸钙粉5份、直径为8～10μm、长度为1mm的短切碳纤维20份、石蜡油4份、氧化石墨烯5份、聚乙烯吡咯烷酮2份、异氰酸酯8份、粒径为0.1～5.0μm的钛白粉12份、胶黏剂有机硅树脂聚甲基硅树脂16份、萘系高效减水剂0.3份、水35份；农林废弃物为粒径为140目的小麦秸秆。
(2)将步骤(1)称取的氧化石墨烯加入步骤(1)称取的水中，超声分散均匀后，得氧化石墨烯分散液；再向其冲入氮气饱和后，再边通氮气边向其中加入步骤(1)称取的异氰酸酯，在氮气存在情况下升温至45℃反应8h后，得混合液。
(3)将步骤(1)称取的农林废弃物粉加入0.5％次氯酸钠溶液中，进行浸泡软化消毒，浸泡时间为3h后；将软化后的混合物以80℃烘干干燥60min后，注入热磨机，同时加入步骤(1)称取的硅酸钙粉、钛白粉和短切碳纤维后，以加热温度为200℃、搅拌转速为700r/min、热磨时间为45min进行热磨搅拌后，过筛除去大颗粒物质；注入密炼机同时依次加入步骤(2)制得的混合液和步骤(1)称取的减水剂、聚乙烯吡咯烷酮、石蜡油后，以混合反应温度为450℃、反应时间90min进行混合反应；注入搅拌机以搅拌速度为80r/min进行搅拌自然冷却，同时加入胶黏剂有机硅树脂，搅拌时间为45min后，得冷却物。
(4)将步骤(3)制得的冷却物注入成型模具中，于热压机中以热压固化温度为220℃进行热压成型，冷却后，得碳纤维复合木材。
(5)将步骤(4)制得的碳纤维复合木材经裁边机进行纵向、横向锯边后，再经宽带砂光机对碳纤维复合木材的板材表面进行磨削加工，得碳纤维复合木材板。
实施例2
制备一种碳纤维复合木材，包括以下步骤：
(1)按所需重量份数称取原料组分：农林废弃物粉150份、粒径为≤5μm硅酸钙粉10份、直径为8～10μm、长度为5mm的短切碳纤维33份、石蜡油10份、氧化石墨烯10份、聚乙烯吡咯烷酮4份、异氰酸酯16份、粒径为0.1～5.0μm钛白粉18份、胶黏剂有机硅树脂聚芳基有机硅树脂22份、萘系高效减水剂1.5份、水50份；农林废弃物为粒径为200目的花生壳和木头刨花的混合粉。
(2)将步骤(1)称取的氧化石墨烯加入步骤(1)称取的水中，超声分散均匀后，得氧化石墨烯分散液；再向其冲入氮气饱和后，再边通氮气边向其中加入步骤(1)称取的异氰酸酯，在氮气存在情况下升温至65℃反应12h后，得混合液。
(3)将步骤(1)称取的农林废弃物粉加入0.5％次氯酸钠溶液中，进行浸泡软化消毒，浸泡时间为6h后；将软化后的混合物以120℃烘干干燥80min后，注入热磨机，同时加入步骤(1)称取的硅酸钙粉、钛白粉和短切碳纤维后，以热磨机加热温度为450℃、搅拌转速为1000r/min、热磨时间为65min进行热磨搅拌后，过筛除去大颗粒物质；注入密炼机同时依次加入步骤(2)制得的混合液和步骤(1)称取的减水剂、聚乙烯吡咯烷酮、石蜡油后，以混合反应温度为500℃、反应时间90min进行混合反应；注入搅拌机以搅拌速度为100r/min进行搅拌自然冷却，同时加入胶黏剂有机硅树脂，搅拌时间为60min后，得冷却物。
(4)将步骤(3)制得的冷却物注入成型模具中，于热压机中以热压固化温度为280℃进行热压成型，冷却后，得碳纤维复合木材。
(5)将步骤(4)制得的碳纤维复合木材经裁边机进行纵向、横向锯边后，再经宽带砂光机对碳纤维复合木材的板材表面进行磨削加工，得碳纤维复合木材板。
实施例3
制备一种碳纤维复合木材，包括以下步骤：
(1)按所需重量份数称取原料组分：农林废弃物粉110份、粒径为≤5μm硅酸钙粉6份、直径为8～10μm、长度为3mm短切碳纤维22份、石蜡油6份、氧化石墨烯6份、聚乙烯吡咯烷酮3份、异氰酸酯10份、粒径为0.1～5.0μm钛白粉15份、胶黏剂有机硅树脂聚烷基芳基有机硅树脂18份、萘系高效减水剂0.5份、水40份；农林废弃物为粒径为160的稻壳枝、枝桠柴和木头刨花的混合粉。
(2)将步骤(1)称取的氧化石墨烯加入步骤(1)称取的水中，超声分散均匀后，得氧化石墨烯分散液；再向其冲入氮气饱和后，再边通氮气边向其中加入步骤(1)称取的异氰酸酯，在氮气存在情况下升温至50℃反应9h后，得混合液。
(3)将步骤(1)称取的农林废弃物粉加入0.5％次氯酸钠溶液中，进行浸泡软化消毒，浸泡时间为4h后；将软化后的混合物以90℃烘干干燥65min后，注入热磨机，同时加入步骤(1)称取的硅酸钙粉、钛白粉和短切碳纤维后，以热磨机加热温度为220℃、搅拌转速为800r/min、热磨时间为50min进行热磨搅拌后，过筛除去大颗粒物质；注入密炼机同时依次加入步骤(2)制得的混合液和步骤(1)称取的减水剂、聚乙烯吡咯烷酮、石蜡油后，以混合反应温度为460℃、反应时间90min进行混合反应；注入搅拌机以搅拌速度为85r/min进行搅拌自然冷却，同时加入胶黏剂有机硅树脂，搅拌时间为50min后，得冷却物。
(4)将步骤(3)制得的冷却物注入成型模具中，于热压机中以热压固化温度为240℃进行热压成型，冷却后，得碳纤维复合木材。
(5)将步骤(4)制得的碳纤维复合木材经裁边机进行纵向、横向锯边后，再经宽带砂光机对碳纤维复合木材的板材表面进行磨削加工，得碳纤维复合木材板。
实施例4
制备一种碳纤维复合木材，包括以下步骤：
(1)按所需重量份数称取原料组分：农林废弃物粉14份、粒径为≤5μm硅酸钙粉8份、直径为8～10μm、长度为4mm短切碳纤维30份、石蜡油8份、氧化石墨烯7份、聚乙烯吡咯烷酮3份、异氰酸酯14份、粒径为0.1～5.0μm钛白粉16份、胶黏剂有机硅树脂聚芳基有机硅树脂20份、萘系高效减水剂1.2份、水45份；农林废弃物为粒径为180的玉米秸秆、枝桠柴和边角料的混合粉。
(2)将步骤(1)称取的氧化石墨烯加入步骤(1)称取的水中，超声分散均匀后，得氧化石墨烯分散液；再向其冲入氮气饱和后，再边通氮气边向其中加入步骤(1)称取的异氰酸酯，在氮气存在情况下升温至60℃反应11h后，得混合液。
(3)将步骤(1)称取的农林废弃物粉加入0.5％次氯酸钠溶液中，进行浸泡软化消毒，浸泡时间为5h后；将软化后的混合物以110℃烘干干燥75min后，注入热磨机，同时加入步骤(1)称取的硅酸钙粉、钛白粉和短切碳纤维后，以热磨机加热温度为400℃、搅拌转速为900r/min、热磨时间为60min进行热磨搅拌后，过筛除去大颗粒物质；注入密炼机同时依次加入步骤(2)制得的混合液和步骤(1)称取的减水剂、聚乙烯吡咯烷酮、石蜡油后，以混合反应温度为480℃、反应时间90min进行混合反应；注入搅拌机以搅拌速度为95r/min进行搅拌自然冷却，同时加入胶黏剂有机硅树脂，搅拌时间为55min后，得冷却物。
(4)将步骤(3)制得的冷却物注入成型模具中，于热压机中以热压固化温度为260℃进行热压成型，冷却后，得碳纤维复合木材。
(5)将步骤(4)制得的碳纤维复合木材经裁边机进行纵向、横向锯边后，再经宽带砂光机对碳纤维复合木材的板材表面进行磨削加工，得碳纤维复合木材板。
实施例5
制备一种碳纤维复合木材，包括以下步骤：
(1)按所需重量份数称取原料组分：农林废弃物粉125份、粒径为≤5μm硅酸钙粉7份、直径为8～10μm、长度为2mm短切碳纤维27份、石蜡油7份、氧化石墨烯7份、聚乙烯吡咯烷酮3份、异氰酸酯12份、粒径为0.1～5.0μm钛白粉15份、胶黏剂有机硅树脂聚甲基硅树脂19份、萘系高效减水剂0.9份、水42份；农林废弃物为粒径为180目的稻壳、树皮、花生壳和枝桠柴的混合粉。
(2)将步骤(1)称取的氧化石墨烯加入步骤(1)称取的水中，超声分散均匀后，得氧化石墨烯分散液；再向其冲入氮气饱和后，再边通氮气边向其中加入步骤(1)称取的异氰酸酯，在氮气存在情况下升温至55℃反应10h后，得混合液。
(3)将步骤(1)称取的农林废弃物粉加入0.5％次氯酸钠溶液中，进行浸泡软化消毒，浸泡时间为4.5h后；将软化后的混合物以100℃烘干干燥70min后，注入热磨机，同时加入步骤(1)称取的硅酸钙粉、钛白粉和短切碳纤维后，以热磨机加热温度为320℃、搅拌转速为850r/min、热磨时间为55min进行热磨搅拌后，过筛除去大颗粒物质；注入密炼机同时依次加入步骤(2)制得的混合液和步骤(1)称取的减水剂、聚乙烯吡咯烷酮、石蜡油后，以混合反应温度为475℃、反应时间90min进行混合反应；注入搅拌机以搅拌速度为90r/min进行搅拌自然冷却，同时加入胶黏剂有机硅树脂，搅拌时间为50min后，得冷却物。
(4)将步骤(3)制得的冷却物注入成型模具中，于热压机中以热压固化温度为250℃进行热压成型，冷却后，得碳纤维复合木材。
(5)将步骤(4)制得的碳纤维复合木材经裁边机进行纵向、横向锯边后，再经宽带砂光机对碳纤维复合木材的板材表面进行磨削加工，得碳纤维复合木材板。
对照组1
制备一种复合木材，包括以下步骤：
(1)按所需重量份数称取原料组分：农林废弃物粉125份、粒径为≤5μm硅酸钙粉7份、直径为8～10μm、石蜡油7份、氧化石墨烯7份、聚乙烯吡咯烷酮3份、异氰酸酯12份、粒径为0.1～5.0μm钛白粉15份、胶黏剂有机硅树脂聚甲基硅树脂19份、萘系高效减水剂0.9份、水42份；农林废弃物为粒径为180目的稻壳、树皮、花生壳和枝桠柴的混合粉。
(2)将步骤(1)称取的氧化石墨烯加入步骤(1)称取的水中，超声分散均匀后，得氧化石墨烯分散液；再向其冲入氮气饱和后，再边通氮气边向其中加入步骤(1)称取的异氰酸酯，在氮气存在情况下升温至55℃反应10h后，得混合液。
(3)将步骤(1)称取的农林废弃物粉加入0.5％次氯酸钠溶液中，进行浸泡软化消毒，浸泡时间为4.5h后；将软化后的混合物以100℃烘干干燥70min后，注入热磨机，同时加入步骤(1)称取的硅酸钙粉、钛白粉后，以热磨机加热温度为320℃、搅拌转速为850r/min、热磨时间为55min进行热磨搅拌后，过筛除去大颗粒物质；注入密炼机同时依次加入步骤(2)制得的混合液和步骤(1)称取的减水剂、聚乙烯吡咯烷酮、石蜡油后，以混合反应温度为475℃、反应时间90min进行混合反应；注入搅拌机以搅拌速度为90r/min进行搅拌自然冷却，同时加入胶黏剂有机硅树脂，搅拌时间为50min后，得冷却物。
(4)将步骤(3)制得的冷却物注入成型模具中，于热压机中以热压固化温度为250℃进行热压成型，冷却后，得复合木材。
(5)将步骤(4)制得的复合木材经裁边机进行纵向、横向锯边后，再经宽带砂光机对复合木材的板材表面进行磨削加工，得复合木材板。
对照组2
制备一种复合木材，包括以下步骤：
(1)按所需重量份数称取原料组分：农林废弃物粉125份、粒径为≤5μm硅酸钙粉7份、直径为8～10μm、长度为2mm短切碳纤维27份、石蜡油7份、聚乙烯吡咯烷酮3份、异氰酸酯12份、粒径为0.1～5.0μm钛白粉15份、胶黏剂有机硅树脂聚甲基硅树脂19份、萘系高效减水剂0.9份、水42份；农林废弃物为粒径为180目的稻壳、树皮、花生壳和枝桠柴的混合粉。
(2)将步骤(1)称取的的水中，向其冲入氮气饱和后，再边通氮气边向其中加入步骤(1)称取的异氰酸酯，在氮气存在情况下升温至55℃反应10h后，得混合液。
(3)将步骤(1)称取的农林废弃物粉加入0.5％次氯酸钠溶液中，进行浸泡软化消毒，浸泡时间为4.5h后；将软化后的混合物以100℃烘干干燥70min后，注入热磨机，同时加入步骤(1)称取的硅酸钙粉、钛白粉和短切碳纤维后，以热磨机加热温度为320℃、搅拌转速为850r/min、热磨时间为55min进行热磨搅拌后，过筛除去大颗粒物质；注入密炼机同时依次加入步骤(2)制得的混合液和步骤(1)称取的减水剂、聚乙烯吡咯烷酮、石蜡油后，以混合反应温度为475℃、反应时间90min进行混合反应；注入搅拌机以搅拌速度为90r/min进行搅拌自然冷却，同时加入胶黏剂有机硅树脂，搅拌时间为50min后，得冷却物。
(4)将步骤(3)制得的冷却物注入成型模具中，于热压机中以热压固化温度为250℃进行热压成型，冷却后，得复合木材。
(5)将步骤(4)制得的复合木材经裁边机进行纵向、横向锯边后，再经宽带砂光机对复合木材的板材表面进行磨削加工，得复合木材板。
对照组3
制备一种复合木材，包括以下步骤：
(1)按所需重量份数称取原料组分：农林废弃物粉125份、粒径为≤5μm硅酸钙粉7份、直径为8～10μm、长度为2mm短切碳纤维27份、石蜡油7份、氧化石墨烯7份、异氰酸酯12份、粒径为0.1～5.0μm钛白粉15份、胶黏剂有机硅树脂聚甲基硅树脂19份、萘系高效减水剂0.9份、水42份；农林废弃物为粒径为180目的稻壳、树皮、花生壳和枝桠柴的混合粉。
(2)将步骤(1)称取的氧化石墨烯加入步骤(1)称取的水中，超声分散均匀后，得氧化石墨烯分散液；再向其冲入氮气饱和后，再边通氮气边向其中加入步骤(1)称取的异氰酸酯，在氮气存在情况下升温至55℃反应10h后，得混合液。
(3)将步骤(1)称取的农林废弃物粉加入0.5％次氯酸钠溶液中，进行浸泡软化消毒，浸泡时间为4.5h后；将软化后的混合物以100℃烘干干燥70min后，注入热磨机，同时加入步骤(1)称取的硅酸钙粉、钛白粉和短切碳纤维后，以热磨机加热温度为320℃、搅拌转速为850r/min、热磨时间为55min进行热磨搅拌后，过筛除去大颗粒物质；注入密炼机同时依次加入步骤(2)制得的混合液和步骤(1)称取的减水剂、石蜡油后，以混合反应温度为475℃、反应时间90min进行混合反应；注入搅拌机以搅拌速度为90r/min进行搅拌自然冷却，同时加入胶黏剂有机硅树脂，搅拌时间为50min后，得冷却物。
(4)将步骤(3)制得的冷却物注入成型模具中，于热压机中以热压固化温度为250℃进行热压成型，冷却后，得复合木材。
(5)将步骤(4)制得的复合木材经裁边机进行纵向、横向锯边后，再经宽带砂光机对复合木材的板材表面进行磨削加工，得复合木材板。
对照组4
制备一种碳纤维复合木材，包括以下步骤：
(1)按所需重量份数称取原料组分：农林废弃物粉125份、粒径为≤5μm硅酸钙粉7份、直径为8～10μm、长度为2mm短切碳纤维27份、石蜡油7份、氧化石墨烯7份、聚乙烯吡咯烷酮3份、粒径为0.1～5.0μm钛白粉15份、胶黏剂有机硅树脂聚甲基硅树脂19份、萘系高效减水剂0.9份、水42份；农林废弃物为粒径为180目的稻壳、树皮、花生壳和枝桠柴的混合粉。
(2)将步骤(1)称取的氧化石墨烯加入步骤(1)称取的水中，超声分散均匀后，得氧化石墨烯分散液；再向其冲入氮气饱和后，在氮气存在情况下升温至55℃反应10h后，得混合液。
(3)将步骤(1)称取的农林废弃物粉加入0.5％次氯酸钠溶液中，进行浸泡软化消毒，浸泡时间为4.5h后；将软化后的混合物以100℃烘干干燥70min后，注入热磨机，同时加入步骤(1)称取的硅酸钙粉、钛白粉和短切碳纤维后，以热磨机加热温度为320℃、搅拌转速为850r/min、热磨时间为55min进行热磨搅拌后，过筛除去大颗粒物质；注入密炼机同时依次加入步骤(2)制得的混合液和步骤(1)称取的减水剂、聚乙烯吡咯烷酮、石蜡油后，以混合反应温度为475℃、反应时间90min进行混合反应；注入搅拌机以搅拌速度为90r/min进行搅拌自然冷却，同时加入胶黏剂有机硅树脂，搅拌时间为50min后，得冷却物。
(4)将步骤(3)制得的冷却物注入成型模具中，于热压机中以热压固化温度为250℃进行热压成型，冷却后，得复合木材。
(5)将步骤(4)制得的复合木材经裁边机进行纵向、横向锯边后，再经宽带砂光机对复合木材的板材表面进行磨削加工，得复合木材板。
下面通过试验报告来进一步说明本发明的碳纤维复合木材的性能。
1.受试物：按本发明实施例1～实施例5所给制备方法生产出的碳纤维复合木材作为试验样品；对照组1～对照组4所给制备方法生产出的复合木材作为对照样品，其中对照组1～对照组4的制备方法参数与实施例5相同，与实施例5不同之处为原料组分不同，与实施例5不同之处为原料组分相比，对照组1未加短切碳纤维，对照组2未加氧化石墨烯，对照组3未加聚乙烯吡咯烷酮，对照组4未加异氰酸酯。
2.试验项目结果与结论
经检测本发明的碳纤维复合木材的各项性能结果见表1。
表1复合木材的各项性能结果
Figure BDA0001677709560000131
由表1复合木材的各项性能结果可知，经检测本发明实施例1～实施例5的碳纤维复合木材的各项性能结果如下：密度为0.75～0.81g/cm3，静曲强度为85.2～88.2MPa，抗压强度为57.3～59.7MPa，表面耐磨性(100r)为0.06～0.12g，含水率为3.9～5.3％，36h吸水厚度膨胀率为1.0～1.6％，整体具有较高的密度，较高的静曲强度和抗压强度，且本发明的碳纤维复合木材板的具有较高的表面耐磨性能和抗水性能。实施例5制备的碳纤维复合木材的配方组分组成以及工艺参数最优，各项性能最好，其密度达到0.81g/cm3，静曲强度达到88.2MPa，抗压强度达到59.7MPa，表面耐磨性(100r)达到0.12g，含水率为3.9％，36h吸水厚度膨胀率为1.0％。
对照组1～对照组4制备的复合木材板的各项性能：密度、静曲强度、抗压强度、表面耐磨性(100r)均显著低于实施例1～实施例5制得的碳纤维复合木材板的各项性能，且均36h吸水厚度膨胀率均≥2％(标准复合板要求36h吸水厚度膨胀率均＜2％)，均不符合要求。
对照组1～对照组4制备的复合木材的制备方法参数与实施例5相同，只是原料组分与实施例5的原料组分有所不同，与实施例5不同之处为原料组分相比，对照组1未加短切碳纤维，对照组2未加氧化石墨烯，对照组3未加聚乙烯吡咯烷酮，对照组4未加异氰酸酯，充分证明本发明的碳纤维复合木材原料组分短切碳纤维、氧化石墨烯、聚乙烯吡咯烷酮和异氰酸酯之间以及与其他原料组分之间发生协同增效的作用，显著提高本发明碳纤维复合木材的抗压强度、抗弯曲能力和耐水耐磨性能。
3.小结
本发明的碳纤维复合木材原料组分短切碳纤维、氧化石墨烯、聚乙烯吡咯烷酮和异氰酸酯之间以及与其他原料组分之间发生协同增效的作用，显著提高本发明碳纤维复合木材的抗压强度、抗弯曲能力和耐水耐磨性能。
氧化石墨烯分散液与异氰酸酯在氮气存在下反应时，异氰酸酯与氧化石墨烯片层的边缘羟基或者羧基发生反应，生成酰胺或者氨基甲酸酯。短切碳纤维是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性。将短切碳纤维添加在本发明的碳纤维复合木材中，与边缘带有酰胺或者氨基甲酸酯的氧化石墨烯片层协同增效，交织成横向纵向的“外柔内刚”的骨架，不仅可以提高其抗变形能力，增强其抗压强度和静曲强度，密度的提高同时还使木材的耐水性能显著提高。在此协同增效的基础之上，聚乙烯吡咯烷酮模板剂的加入，更进一步增强本发明碳纤维复合木材整体三维立体结构整齐致密性，显著提高其密度。本发明加入的胶黏剂有机硅树脂，具有黏结强度高、化学稳定性好及耐水耐热耐磨的优点。
硅酸钙粉和钛白粉的加入，既起到增加填充密度的作用，同时又具有有效的吸附其余成分带来的气味，起到减味的作用。其中钛白粉与氧化石墨烯之间发生协同增效，在光照情况下有效降解去除环境中的有机污染物的作用，进一步提高其环保性能。尤其是给予紫外光照射的情况下，钛白粉中二氧化钛的价态电子被激发后，传到石墨烯本体上，高能电子将有机污染物降解成二氧化碳和水，从而起到彻底清除有机污染物的作用。
本发明的碳纤维复合木材质地均匀的、抗形变性能强，原料组分中为加入任何含有苯和甲醛的物质，且利用农林废弃物，环保节能减耗，具有抗变形能力强、毒性小、绿色环保、耐久性好。在墙体装饰、地板铺设以及家具制作中有较好的应用前景。
本发明采用农林废弃物粉作为主要原料，减少了树木的使用，符合绿色环保的理念，能够缓解木材供需矛盾和保护森林资源，而且将新的理念、新的工艺、新的技术引入到人造木材生产中来，进一步推动人造木材板工业的发展。
惟以上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，例如农林废弃物还可以为秸秆、稻壳、边角料、树皮、花生壳、枝桠柴、木头刨花、向日葵杆其中任何一种或者多种，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种碳纤维复合木材，其特征在于，按重量份数计，其原料组分组成为：农林废弃物粉100～150份、硅酸钙粉5～10份、短切碳纤维20～33份、石蜡油4～10份、氧化石墨烯5～10份、聚乙烯吡咯烷酮2～4份、异氰酸酯8～16份、钛白粉12～18份、胶黏剂有机硅树脂16～22份、减水剂0.3～1.5份、水35～50份；
所述农林废弃物为秸秆、稻壳、边角料、树皮、花生壳、枝桠柴、木头刨花其中任何一种或者多种；所述农林废弃物粉的粒径为140～200目；
所述短切碳纤维的直径为8～10μm，长度为1～5mm；所述硅酸钙粉粒径为≤5μm；所述钛白粉粒径为0.1～5.0μm；所述减水剂为萘系高效减水剂；所述胶黏剂有机硅树脂为聚甲基硅树脂、聚芳基有机硅树脂、聚烷基芳基有机硅树脂其中任何一种。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合木材，其特征在于，按重量份数计，所述原料组分组成为：农林废弃物粉125份、硅酸钙粉7份、短切碳纤维27份、石蜡油7份、氧化石墨烯7份、聚乙烯吡咯烷酮3份、异氰酸酯12份、钛白粉15份、胶黏剂有机硅树脂19份、减水剂0.9份、水42份。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合木材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按所需重量份数称取原料组分：农林废弃物粉、硅酸钙粉、短切碳纤维、石蜡油、氧化石墨烯、聚乙烯吡咯烷酮、异氰酸酯、钛白粉、胶黏剂有机硅树脂、减水剂、水；
（2）将步骤（1）称取的氧化石墨烯加入步骤（1）称取的水中，超声分散均匀后，得氧化石墨烯分散液；再向其冲入氮气饱和后，再边通氮气边向其中加入步骤（1）称取的异氰酸酯，在氮气存在情况下升温至45～65℃反应8～12h后，得混合液；
（3）将步骤（1）称取的农林废弃物粉加入0.5%次氯酸钠溶液中，进行浸泡软化消毒，浸泡时间为3～6h后；将软化后的混合物烘干后，注入热磨机，热磨机加热温度为200～450℃，同时加入步骤（1）称取的硅酸钙粉、钛白粉和短切碳纤维进行热磨搅拌后，过筛除去大颗粒物质；注入密炼机同时依次加入步骤（2）制得的混合液和步骤（1）称取的减水剂、聚乙烯吡咯烷酮、石蜡油后，进行混合反应，所述混合反应温度为450～500℃；注入搅拌机进行搅拌自然冷却，同时加入胶黏剂有机硅树脂，搅拌时间为45～60min后，得冷却物；
（4）将步骤（3）制得的冷却物注入成型模具中，于热压机中热压成型，热压固化的温度为220～280℃，冷却后，得碳纤维复合木材。
4.根据权利要求3所述的一种碳纤维复合木材的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述烘干条件为：80～120℃干燥60～80min。
5.根据权利要求3所述的一种碳纤维复合木材的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述热磨搅拌条件：热磨机搅拌转速为700～1000r/min，热磨时间为45～65min。
6.根据权利要求3所述的一种碳纤维复合木材的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述混合反应时间90min。
7.根据权利要求3所述的一种碳纤维复合木材的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述搅拌自然冷却条件为：搅拌速度为80～100r/min。
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