CN108724382A - 一种结构用木基石膏复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结构用木基石膏复合材料及其制备方法，属于建筑领域。它包括刨花浸渍、含水率控制、混合、铺装、热压和养护。本发明能通过对木材单元添加酚醛树脂以提高其抗火性能和力学性能，添加硅烷偶联剂以提高木材单元和石膏的界面粘结性能，采用先热压预成型再冷压加湿养护的工艺，有利于高力学性能的针状石膏结晶形态的生成，进一步提高了木基石膏复合材料的力学性能，具有流程简单、设计合理、易于制造的优点。
Description
技术领域
本发明属于建筑领域，具体地说，涉及一种结构用木基石膏复合材料及其制备方法。
背景技术
在我国，石膏资源十分丰富，但开发利用率较低、尽管能用于建筑业，但比例过小。我国速生木材资源丰富，自2001年2月我国实施重点地区以速生丰产用材林为主的林业重点工程以来，我国的林业可持续管理日益完善，我国木材资源短缺的局面有所缓解。
现有石膏刨花板的生产采用半干法工艺，它是由德国弗劳霍夫(Fraunhofer)木材研究所科萨茨(Kossatz)教授发明并获得专利，该工艺一直沿用至今。现有技术文献《Mechanics of Composite Materials》2014年第50卷第4期501-508页“Study on thepossibility of using vine stalk waste(Vitis Vinifera)for producing gypsumparticleboards”记载通过在石膏中复合不同比例的葡萄藤和硅酸盐水泥，制备了石膏复合材料，其静曲强度达到8.8MPa，弹性模量达到2200MPa；《林产工业》2010年第37卷第3期26-30页“麦秸/石膏复合材的工艺研究”文章报道了在石膏中复合麦秸制备复合材料的工艺，其静曲强度达到6.7MPa，弹性模量达到2435MPa；《Journal of Wood Science》2001年第47卷第6期445-450页“Gypsum particleboard reinforced with polypropylene fibers”文章采用聚丙烯纤维增强石膏，板材的静曲强度达到3.1MPa-8.5MPa，弹性模量达到1800MPa-3500MPa但上述石膏板的力学性能仍然不能满足建筑业用材的需求，力学性能较低，只能用作装饰材料，导致石膏开发利用的效率较低。因此提高建筑用石膏板的力学性能，变得亟待要解决的问题。
石膏刨花板所用原材料大多是农业或工业副产品，量大面广，且其生产过程能源消耗少，材料成本较低，生产和使用过程中均不会释放出有毒气体，是一种绿色的建筑材料。同时，石膏刨花板中的木材单元相互搭接以获得较高的物理力学性能，以及石膏单元包覆在刨花表面以保证良好的抗火性能，因此具有良好的应用前景。目前，对石膏刨花板的研究已经取得一定的成果，但总的来说，常规的石膏刨花板制造中，由于石膏刨花板制备过程中石膏和刨花两相组份需充分混合，而石膏遇水即快速结晶，为解决这一矛盾，常采用缓凝剂以延迟石膏的结晶速度，但却带来石膏晶体形态的短粗化，最终导致板材力学性能的降低，比如：中国专利申请号200610038316.5，石膏刨花板生产新工艺，材料组份包括石膏，刨花，水和缓凝剂，其工艺步骤包括：材料的搅拌、铺装成型、单张板坯加压固化、干燥，所述的加压固化温度范围为30℃-60℃。因此，现有技术中，不使用缓凝剂，无法解决石膏遇水即快速结晶的问题，导致无法制备传统意义上的是石膏刨花板。另外常规工艺条件下，石膏刨花板的力学性能虽较原石膏板有大幅提升，但力学性能仍旧较低，只能用作装饰材料，仍无法满足结构领域的需要。
发明内容
1、要解决的问题
针对现有的石膏复合板材力学性能无法满足结构使用，以及刨花石膏板在生产工艺存在添加缓凝剂，由此带来结构力学性能降低等的问题，本发明提供一种结构用木基石膏复合材料及其制备方法，将刨花预先用酚醛树脂浸渍，烘干后再在其表面喷涂硅烷偶联剂，再与石膏复合制备，保留了石膏抗火和木材强度兼而有之的性能，克服了石膏本身脆性大和木质复合材料耐火性能差的不足，提高了木基石膏复合材料的力学性能，符合建筑行业的结构性能需求。
2、技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种结构用木基石膏复合材料的制备方法，木膏比为0.30～0.55，将木刨花预先用固含量为15％～45％酚醛树脂浸渍，烘干后再在其表面喷涂硅烷偶联剂，所述硅烷偶联剂的表面喷涂量为干刨花质量的2％～6％，再与石膏复合压制成型，其中压制成型采用先热压，热压温度为135℃-145℃，以保证固化的酚醛树脂将石膏和刨花粘结，热压后进行加湿养护。
所述浸渍为常温常压下浸渍，浸渍时间为至少24h；或压力浸渍，压力为0.4MPa-1.6MPa，浸渍时间为20min-40min。
所述烘干，即将将预先用固含量为15％～45％酚醛树脂浸后木刨花进行烘干，烘干后的木刨花含水率不高于4％-8％。
硅烷偶联剂溶液以无水乙醇为溶剂，其浓度为5％-8％，以保证硅烷偶联剂水解完全，且均匀的分散在刨花表面。
先热压，热压温度为135℃-145℃，热压时间为15min-25min，以保证酚醛树脂充分固化，板材初步成型。
所述热压后进行加湿养护，采用喷水加湿，水分施加量根据水膏比确定，以保证石膏水化的同时，对板材的尺寸稳定性影响最小。
水膏比为0.30～0.35，以保证石膏充分水化，使初成型的板材强度进一步增长。
所述喷水加湿后，板材置于压板之间，压力为0.5MPa，保压时间为8h，之后转移至室温条件下养护至质量恒定，养护1个月即可。
一种结构用木基石膏复合材料，通过上述的结构用木基石膏复合材料的制备方法制备得到。
作为优选，所述酚醛树脂浸渍液的固含量为15％～20％，以达到最佳浸渍效果。
作为优选，为降低设备投资，并提高周转速度，浸渍为常温常压下浸渍，浸渍时间为24h。
作为优选，烘干后的刨花含水率为8％，干燥温度为80℃，以避免板材在热压过程中出现水蒸气过多导致的爆裂现象。
作为优选，硅烷偶联剂的浓度为5％，以保证硅烷偶联剂水解完全，且均匀的分散在刨花表面。
作为优选，热压温度为140℃，热压时间为15min，以保证酚醛树脂充分固化，板材初步成型。
作为优选，水膏比为0.35，以保证石膏充分水化，使初成型的板材强度进一步增长。
作为优选，喷水后的板材放到压机上保压，压力为0.5MPa，保压时间为8h，之后转移至室温条件下养护1个月。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明在整体上相对于常规石膏刨花板优点，保留了石膏抗火和木材强度兼而有之的性能，克服了石膏本身脆性大和木质复合材料耐火性能差的不足，同时对木材单元采取的酚醛树脂浸渍改性处理，进一步提高了木材组份的力学性能，改善了其抗火性能，重点在于采用偶联剂喷涂，先热压后冷压养护的成型工艺，通过改善石膏和木材单元的界面结合性能，以及无采用缓凝剂添加不仅有助于石膏生成针状晶体等措施，而且使材料具有更高的力学性能；其既承担荷载，又可用作抗火层，用作建筑墙板或楼板，还可简化构造，提高装配效率。在具体的技术方案中：
(1)采用木膏比为0.30～0.55，以保证木基石膏复合板材拥有较好的物理力学性能和抗火性能，如果比例过大，木材过多，将导致板材吸水厚度膨胀率会增大，抗火性能也会降低；比例过小，则石膏相对过多，板材会更脆，力学性能有所下降，不利于建筑行业结构材的使用。
(2)选择酚醛树脂浸渍液的固含量为15％～45％，以达到最佳浸渍效果，选择上述固含量的酚醛树脂，可以保证较好的浸渍效果，试验中发现如果固含量太大，酚醛树脂溶液较难浸渍到木材中，固含量太小，有效成分太少，粘结等效果不理想。
(3)烘干后的木刨花含水率不高于4％-8％，以避免板材在热压温度为135℃-145℃下热压过程中出现水蒸气过多导致的爆裂现象，影响成品率。
(4)选择硅烷偶联剂的添加量为干刨花质量的2％～6％，在其表面喷涂，以保证刨花表面覆盖均匀，达到有效的偶联作用，改善石膏和木材之间的粘结性能。其中除酚醛树脂的胶结，硅烷偶联剂对胶结强度产生影响，当偶联剂量过少时，木材表面覆盖不完全，难以形成良好的增容及分子层，不能形成均匀的桥，起不到理想的偶联作用；当偶联剂量过多时，而产生偶联剂本身间的自聚交联，形成多分子层，获得不到理想的偶联作用。
(5)选择无水乙醇作为硅烷偶联剂溶液的溶剂，硅烷偶联剂溶液浓度为5％-8％，以保证硅烷偶联剂水解完全，且均匀的分散在刨花表面。采用无水乙醇作为溶剂的好处是，无水乙醇易挥发，对板材的胶合强度及初成型影响很小；硅烷偶联剂溶液浓度为5％-8％，一方面可以使硅烷偶联剂均匀的分散到刨花表面，另一方面，硅烷偶联剂在无水乙醇中可以充分水解，浓度过高，会导致偶联剂分散不均匀，且偶联剂会随乙醇进入到木材内部，表面偶联剂会更少；浓度太低，会增加乙醇用量，增加成本。
(6)本发明的流程结构简单，采用先热压后冷压养护，设计合理，易于低成本制造，且获得更高的力学性能。
附图说明
图1为结构用木基石膏复合材料制备流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
如图1所示一种结构用木基石膏复合材料及其制备方法，将木材单元即木刨花，预先用酚醛树脂浸渍，对浸渍后的木刨花进行烘干控制含水率，烘干后再在其表面喷涂硅烷偶联剂，并与石膏混合搅拌，进行板坯铺装，之后采用先热压，以保证固化的酚醛树脂将石膏和刨花粘结成型，进行卸压脱模，后加湿养护，制备得到结构用木基石膏复合材料。
其中木膏比为0.35，为降低设备投资，并提高周转速度，将木刨花预先用固含量为45％酚醛树脂常温常压下浸渍，浸渍时间为至少24h，浸渍后在80℃环境下干燥至含水率为8％，烘干后再在其表面喷涂硅烷偶联剂，所述硅烷偶联剂的表面喷涂量为干刨花质量的2％，硅烷偶联剂溶液以无水乙醇为溶剂，其浓度为8％，以保证硅烷偶联剂水解完全，且均匀的分散在刨花表面，再与石膏复合压制成型，其中压制成型采用先热压，热压温度为135℃，热压时间为25min，以保证酚醛树脂充分固化，板材初步成型。热压后进行加湿养护，采用喷水加湿，在板坯上施加0.30倍石膏的水分，并养护至质量恒定。
所得板材的静曲强度为10.5MPa，弹性模量为7020MPa，与“gypsum particleboardreinforced with polypropylene fibers”中采用聚丙烯纤维增强工艺的板材相比，静曲强度提高24％，弹性模量提高101％。
实施例2
具体方法与实施例1相同，不同在于，木刨花预先用固含量为35％酚醛树脂浸渍，所述浸渍压力浸渍，压力为0.4MPa，浸渍时间为40min。烘干后的木刨花含水率不高于6％。所述硅烷偶联剂的添加量为干刨花质量的4％。硅烷偶联剂溶液以无水乙醇为溶剂，其浓度为6％，以保证硅烷偶联剂水解完全，且均匀的分散在刨花表面。热压温度为140℃，热压时间为20min，以保证酚醛树脂充分固化，板材初步成型。热压后进行加湿养护，采用喷水加湿，在板坯上施加0.30倍石膏的水分，以保证石膏水化的同时，对板材的尺寸稳定性影响最小。所述喷水加湿后，板材置于压板之间，压力为0.5MPa，保压时间为8h，之后转移至室温条件下养护至质量恒定，养护1个月即可。
所得板材的静曲强度为11.5MPa，弹性模量为6020MPa，与“gypsum particleboardreinforced with polypropylene fibers”中采用聚丙烯纤维增强工艺的板材相比，静曲强度提高36％，弹性模量提高72％。
实施例3
具体方法与实施例1相同，不同在于，木刨花预先用固含量为30％酚醛树脂浸渍，所述浸渍压力浸渍，压力为0.8MPa，浸渍时间为30min。烘干后的木刨花含水率不高于4％。所述硅烷偶联剂的添加量为干刨花质量的6％。硅烷偶联剂溶液以无水乙醇为溶剂，其浓度为5％，以保证硅烷偶联剂水解完全，且均匀的分散在刨花表面。热压温度为135℃，热压时间为25min，以保证酚醛树脂充分固化，板材初步成型。热压后进行加湿养护，采用喷水加湿，在板坯上施加0.30倍石膏的水分，以保证石膏水化的同时，对板材的尺寸稳定性影响最小。所述喷水加湿后，板材置于压板之间，压力为0.5MPa，保压时间为8h，之后转移至室温条件下养护至质量恒定，养护1个月即可。
所得板材的静曲强度为13.5MPa，弹性模量为5660MPa，与“gypsum particleboardreinforced with polypropylene fibers”中采用聚丙烯纤维增强工艺的板材相比，静曲强度提高59％，弹性模量提高62％。
实施例4
具体方法与实施例1相同，不同在于，其中，木膏比为0.45，酚醛树脂浸渍液的固含量为15％，0.4MPa压力下浸渍酚醛树脂40min后，在60℃环境下干燥至含水率为4％，硅烷偶联剂的添加量为干刨花质量的6％。在145℃热压温度下保持15min后，在板坯上施加0.35倍石膏的水分，并养护至质量恒定。
所得板材的静曲强度为11.6MPa，弹性模量为5960MPa，与“gypsum particleboardreinforced with polypropylene fibers”中采用聚丙烯纤维增强工艺的板材相比，静曲强度提高36％，弹性模量提高70％。
实施例5
具体方法与实施例1相同，不同在于，木膏比为0.55，酚醛树脂浸渍液的固含量为20％，1.6MPa压力下浸渍酚醛树脂20min后，在70℃环境下干燥至含水率为4％，硅烷偶联剂的添加量为干刨花质量的4％。在140℃热压温度下保持20min后，在板坯上施加0.33倍石膏的水分，并养护至质量恒定。
所得板材的静曲强度为13.1MPa，弹性模量为5070MPa，与“gypsum particleboardreinforced with polypropylene fibers”中采用聚丙烯纤维增强工艺的板材相比，静曲强度提高54％，弹性模量提高45％。
实施例6
具体方法与实施例1相同，不同在于，所述酚醛树脂浸渍液的固含量为16％，为降低设备投资，并提高周转速度，浸渍为常温常压下浸渍，浸渍时间为24h，烘干后的刨花含水率为8％，干燥温度为80℃，硅烷偶联剂的浓度为5％，以保证硅烷偶联剂水解完全，且均匀的分散在刨花表面。热压温度为140℃，热压时间为15min，以保证酚醛树脂充分固化，板材初步成型。其中在板坯上施加水膏比为0.35进行养护，以保证石膏充分水化，使初成型的板材强度进一步增长。喷水后的板材放到压机上保压，压力为0.5MPa，保压时间为8h，之后转移至室温条件下养护1个月。
所得板材的静曲强度为13.1MPa，弹性模量为7070MPa，与“gypsum particleboardreinforced with polypropylene fibers”中采用聚丙烯纤维增强工艺的板材相比，静曲强度提高54％，弹性模量提高102％。
实施例7
具体方法与实施例1相同，不同在于，木刨花预先用固含量为32％酚醛树脂浸渍，所述浸渍压力浸渍，压力为1.6MPa，浸渍时间为20min。烘干后的木刨花含水率4％。所述硅烷偶联剂的添加量为干刨花质量的6％。硅烷偶联剂溶液以无水乙醇为溶剂，其浓度为5％，以保证硅烷偶联剂水解完全，且均匀的分散在刨花表面。热压温度为135℃，热压时间为25min，以保证酚醛树脂充分固化，板材初步成型。热压后进行加湿养护，采用喷水加湿，在板坯上施加0.30倍石膏的水分，以保证石膏水化的同时，对板材的尺寸稳定性影响最小。所述喷水加湿后，板材置于压板之间，压力为0.5MPa，保压时间为8h，之后转移至室温条件下养护至质量恒定，养护1个月即可。
所得板材的静曲强度为12.5MPa，弹性模量为6260MPa，与“gypsum particleboardreinforced with polypropylene fibers”中采用聚丙烯纤维增强工艺的板材相比，静曲强度提高47％，弹性模量提高79％。
Claims (9)
1.一种结构用木基石膏复合材料的制备方法，其特征在于：木膏比为0.30～0.55，将木刨花预先用固含量为15％～45％酚醛树脂浸渍，烘干后再在其表面喷涂硅烷偶联剂，所述硅烷偶联剂的表面喷涂量为干刨花质量的2％～6％，再与石膏复合压制成型，其中压制成型采用先热压，热压温度为135℃-145℃，以保证固化的酚醛树脂将石膏和刨花粘结，热压后进行加湿养护。
2.根据权利要求1所述的结构用木基石膏复合材料的制备方法，其特征在于：所述浸渍为常温常压下浸渍，浸渍时间为至少24h；或压力浸渍，压力为0.4MPa-1.6MPa，浸渍时间为20min-40min。
3.根据权利要求1所述的结构用木基石膏复合材料的制备方法，其特征在于：所述烘干，即将刨花预先用固含量为15％～45％酚醛树脂浸后木刨花进行烘干，烘干后的木刨花含水率不高于4％-8％。
4.根据权利要求1所述的结构用木基石膏复合材料的制备方法，其特征在于：硅烷偶联剂溶液以无水乙醇为溶剂，其浓度为5％-8％，以保证硅烷偶联剂水解完全，且均匀的分散在刨花表面。
5.根据权利要求1所述的结构用木基石膏复合材料的制备方法，其特征在于：所述压制成型采用先热压，热压温度为135℃-145℃，热压时间为15min-25min，以保证酚醛树脂充分固化，板材初步成型。
6.根据权利要求1所述的结构用木基石膏复合材料的制备方法，其特征在于：所述热压后进行加湿养护，采用喷水加湿，水分施加量根据水膏比确定，以保证石膏水化的同时，对板材的尺寸稳定性影响最小。
7.根据权利要求1所述的结构用木基石膏复合材料的制备方法，其特征在于：水膏比为0.30～0.35，以保证石膏充分水化，使初成型的板材强度进一步增长。
8.根据权利要求6所述的结构用木基石膏复合材料的制备方法，其特征在于：所述喷水加湿后，板材置于压板之间，压力为0.5MPa，保压时间为8h，之后转移至室温条件下养护至质量恒定。
9.一种结构用木基石膏复合材料，通过如权利要求1-8所述的结构用木基石膏复合材料的制备方法制备得到。
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