CN110497484A - 一种高强耐候竹质复合材料及其制造方法 - Google Patents

一种高强耐候竹质复合材料及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强耐候竹质复合材料的制造方法，具体包括以下步骤：S1、将干燥后的疏解竹束置于醇基改性溶液中进行高压浸注处理后，再置于100～130℃温度下进行固化处理，得固化后的竹束；S2、将固化后的竹束于110～150℃的温度下进行干燥处理后，再经过平衡、浸胶、干燥、组坯和热压成型处理，得成型板坯；S3、将成型板坯进行养护和机加工处理，得到高强耐候竹质复合材料。本发明制备得到的高强耐候竹质复合材料完整保留了竹材的原有单元结构和力学强度。

Description

一种高强耐候竹质复合材料及其制造方法
技术领域
本发明属于木材工业中的竹质复合材料制造领域，涉及重组竹材的制造方法，具体涉及一种高强耐候竹质复合材料及其制造方法。
背景技术
竹材具有纵向强度大、生长迅速、采伐周期短等优点，是我国森林资源的重要组成部分，我国竹材资源种类和蓄积量均居世界首位，素有竹子王国之称。大力开发竹材资源是缓解我国木材资源不足，保护生态环境和满足人民生活需要的重要举措。但与木材相比，竹材具有糖分含量高，使用过程中易霉、易腐等缺点，严重制约竹材制品的应用领域和产品附加值的提高。目前，为解决竹材长霉和易腐朽的问题，在重组竹材的制造过程中，常用的技术方法是采用常压高温过热水蒸汽对竹束进行高温炭化处理，该方法具有无化学添加的优点，但其也存在高温条件下竹束降解严重，力学强度和质量损失大等缺陷。经过高温热处理后，竹材的质量损失率约为10～20%，强度损失甚至超过50%。且采用高温热处理竹束单元生产的重组竹脆性大、抗弯强度低，不能用于结构工程领域。因此，如何在保持竹材强度大固有特性和不造成质量损失的情况下，生产出高强度、高耐候，且能广泛用于结构工程、屋外装饰领域的新型竹质复合材料，对于拓展竹材应用领域，提高竹材产品附加值具有非常重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种完整保留了竹材原有单元结构和力学强度的高强耐候竹质复合材料及其制造方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种高强耐候竹质复合材料的制造方法，具体包括以下步骤：
S1、将干燥后的疏解竹束置于醇基改性溶液中进行高压浸注处理后，再置于100～130℃温度下进行固化处理，得固化后的竹束；
S2、将固化后的竹束于110～150℃的温度下进行干燥处理后，再经过平衡、浸胶、干燥、组坯和热压成型处理，得成型板坯；
S3、将成型板坯进行养护和机加工处理，得到高强耐候竹质复合材料。
作为对上述技术方案的进一步改进：
所述步骤S1中，所述醇基改性溶液包括糠醇、水、催化剂和稳定剂，其中糠醇的质量浓度为5～30%，催化剂的质量浓度为0.5～3%，稳定剂的质量浓度为0.5～5%，其余为水。
所述步骤S1中，所述高压浸注处理包括以下步骤：将干燥后的疏解竹束置于高压浸注处理罐内进行前真空处理，随后加入醇基改性溶液直至罐内溶液压力为0.2～1.4MPa，保压5～40min，保压后卸压进行后真空处理，再次卸压，取出竹束，得到浸注处理后的竹束。
所述步骤S1中，所述固化处理包括以下步骤：将浸注处理后的竹束置于微压过热蒸汽热处理窑中，加热至100～130℃温度下固化处理1～3h，得到固化后的竹束。
所述微压过热蒸汽热处理窑包括窑体、冷凝器、回收装置和连接管道，所述窑体内用于放置浸注处理后的竹束，所述窑体上方设有泄压口，冷凝器上部通过连接管道与泄压口相连通，冷凝器的下部与回收装置相连通，竹束中的醇基改性溶液蒸发后通过连接管道进入到冷凝器中冷凝成含有醇基树脂的冷凝水，冷凝水进入至回收装置中回收。
所述步骤S1中，所述固化处理包括以下步骤：将浸注处理后的竹束置于高压饱和水蒸气处理罐中，通入饱和水蒸气，当饱和水蒸汽温度达到100～130℃温度时，固化处理1～3h，得到固化后的竹束。
所述步骤S2中，所述浸胶前的干燥处理包括以下步骤：将固化后的竹束置于微压过热蒸汽热处理窑中，通入过热蒸汽，当过热蒸汽温度达到100～150℃温度时对竹束进行干燥处理，直至竹束的含水率达到10～25%，得干燥后的竹束。
所述步骤S2中，所述浸胶处理为常压浸胶处理或高压浸胶处理。
所述高压浸胶处理包括以下步骤：将平衡处理后的竹束置于高压浸注处理罐中进行前真空处理，再加入胶黏剂溶液直至罐内溶液压力为0.4～1.2MPa，保压10～20min，保压后卸压进行后真空处理，再次卸压，取出竹束，得到浸胶处理后的竹束。
所述步骤S1中，所述干燥后的疏解竹束含水率为20%～30%；所述醇基改性溶液中，所述催化剂为富马酸或者pH值大于3.0的弱酸，所述稳定剂为硼砂。
所述步骤S1中，所述高压浸注处理中，所述加入醇基改性溶液直至罐内溶液压力为0.4～0.8Mpa；加入醇基改性溶液后，所述干燥后的疏解竹束完全浸没于醇基改性溶液中；所述前真空处理的真空度为0.06～0.09MPa，时间为10～20min；所述后真空处理的真空度为0.06～0.09MPa，时间为5～15min。
所述步骤S1中，所述高压饱和水蒸汽处理罐与回收装置相连通。
所述步骤S1中，所述固化处理后的冷凝水进入至回收装置中回收处理，作为醇基改性溶液的溶剂使用。
所述步骤S1中，窑体还设有封闭门和循环风机，循环风机位于窑体内并设置于泄压口下方；封闭门相对设置于循环风机的另一侧并用于打开和关闭窑体；所述连接管道上设有阀门；所述冷凝器在靠近顶部和底部一侧分别设有热水出口和冷水入口。
所述步骤S2中，所述浸胶前干燥处理的冷凝水进入至回收装置中回收处理，作为醇基改性溶液的溶剂使用。
所述步骤S2中，所述平衡处理的时间为3～12天。
所述步骤S2中，所述常压浸胶处理包括以下步骤：将平衡处理后的竹束置于浸胶池中浸胶，浸胶时间为15～30min，浸胶处理后，再沥胶处理2～20h，得到浸胶处理后的竹束。
所述步骤S2中，所述高压浸胶处理中，加入胶黏剂溶液后，所述平衡处理后的竹束完全浸没于胶黏剂溶液中；所述前真空处理的真空度为0.06～0.09MPa，时间为5～10min；所述后真空处理的真空度为0.06～0.09MPa，时间为10～15min。
所述步骤S2中，所述浸胶处理时采用的胶黏剂溶液为固体含量为15～30%的酚醛树脂胶黏剂。
所述步骤S2中，所述浸胶后的干燥处理包括以下步骤：将浸胶处理后的竹束置于常规湿空气干燥窑或网带式热风干燥机中，在50～60℃的温度下干燥，直至竹束的含水率为8～12%，得浸胶干燥后的竹束。
所述步骤S2中，将浸胶干燥后的竹束置于垫板上进行组坯处理，得板坯。
所述步骤S2中，板坯的密度为0.8～1.3g/cm3，将组坯后的板坯连同垫板一同送入热压机中进行热压成型处理，热压温为120～150℃，热压时间为15～30min，热压压力为5～15MPa，得成型板坯；板坯通过厚度规控制。
所述步骤S3中，所述养护处理具体过程为：将多个成型板坯堆垛后，放置于平衡库中进行养护处理，养护处理时间为2～4周。
所述步骤S3中，所述堆垛时，上、下层成型板坯之间用隔条隔开，同层成型板坯之间相互靠拢，同层隔条之间的间隙为30～50cm。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种高强耐候竹质复合材料，由前述制造方法制备得到，密度为0.8g/cm3～1.3g/cm3，弯曲弹性模量为10000MPa～30000MPa，防霉性能为0级，耐腐性能为1级。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的高强耐候竹质复合材料及其制造方法，在生产过程中无需采用高温炭化处理，避免了竹束在高温热处理过程中的强度损失和质量损失，竹材利用率可以提高10～15%；本发明的高强耐候竹质复合材料完整保留了竹材的原有单元结构和力学强度，与现有深炭重组竹相比，其抗弯强度可提高30%以上，并具有优异的耐候性能，其防霉耐腐等级达到最高级（防霉性能0级、耐腐性能1级）。能广泛应用于建筑工程、室外装饰、室外家具和地板制造等领域。极大拓展了竹材应用领域和产品附加值。
附图说明
图1为本发明中微压过热蒸汽热处理窑的结构简图。
图中各标号表示：
1、窑体；2、封闭门；3、循环风机；4、阀门；5、冷凝器；6、回收装置；7、热水出口；8、冷水入口；9、连接管道；10、泄压口。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。
实施例1：
本实施例的一种高强耐候竹质复合材料的制造方法，具体包括以下步骤：
1）初期预干：采用常规的热水热源干燥方法将疏解竹束干燥到含水率约为22%。
2）高压浸注处理：采用醇基改性溶液对预干后的竹束进行高压浸注处理，得浸注处理后的竹束。
具体步骤如下：先将竹束放入高压浸注处理罐中，关闭高压浸注处理罐的封闭门，开启真空阀，进行前真空处理，真空度为0.07MPa，并保持12min；前真空处理结束后，向高压浸注处理罐中注入醇基改性溶液，使溶液完全浸没竹束，然后采用加压泵向高压浸注处理罐中再次注入醇基改性溶液，使高压浸注处理罐内部溶液压力达到0.6MPa，并保压15min；保压结束后，卸除高压浸注处理罐内的压力，再进行后真空处理，真空度为0.07MPa，保持时间为12min；后真空处理结束后，向高压浸注处理罐内通入空气，当高压浸注处理罐内的气压与外界压力达到平衡时，打开高压浸注处理罐的封闭门，取出竹束，得浸注处理后的竹束。
本实施例中，醇基改性溶液由糠醇、水、催化剂和稳定剂构成。其中糠醇的质量浓度为15%；催化剂为富马酸，质量浓度为2%；稳定剂为硼砂，质量浓度为2%，余量为水。
3）高温固化处理：将浸注处理后的竹束置于微压过热蒸汽热处理窑中进行高温固化处理，得到固化后的竹束。
本实施例中，微压过热蒸汽热处理窑包括窑体1、冷凝器5、回收装置6和连接管道9，窑体1内用于放置浸注处理后的竹束，窑体1上方设有泄压口10，冷凝器5上部通过连接管道9与泄压口10相连通，冷凝器5的下部与回收装置6相连通，竹束中的醇基改性溶液蒸发后通过连接管道9进入到冷凝器5中冷凝成含有醇基树脂的冷凝水，冷凝水进入至回收装置6中回收。
微压过热蒸汽热处理窑包括用于加热窑体1的加热器（图中未示出）。
窑体1还设有封闭门2和循环风机3，循环风机3位于窑体1内并设置于泄压口10下方；封闭门2相对设置于循环风机3的另一侧并用于打开和关闭窑体1；连接管道9上设有阀门4；冷凝器5在靠近顶部和底部一侧分别设有热水出口7和冷水入口8。
具体步骤如下：首先关闭微压过热蒸汽热处理窑的封闭门2，打开窑体1与冷凝回收装置5连接管道9上的阀门4，打开加热器，使窑体1内温度逐渐升温到120℃，并保持1.5h，在高温固化过程中，蒸发形成的水蒸气和糠醇蒸汽混合物经过冷凝后形成含有液态糠醇的冷凝水，冷凝水保存在密封的回收装置6中，作为配制醇基改性溶液的溶剂使用。
4）固化后的竹束干燥与平衡处理：将固化后的竹束放置在微压过热蒸汽热处理窑中，采用过热蒸汽对固化后的竹束进行干燥处理，干燥过程中无换气过程，过热蒸汽干燥介质温度控制在130℃，在此条件下将竹材干燥到含水率约为15%，干燥结束后将竹束置于室内进行平衡处理，平衡处理时间为5天，得平衡处理后的竹束。
干燥过程中产生的冷凝水不直接排放，也不进入到废水处理池中，而是收集到专用的配药处理罐中，作为配制醇基改性溶液的溶剂使用。
5）浸胶和干燥处理：将平衡处理后的竹束放置在浸胶池中进行常压浸胶处理，浸胶时间为20min，浸胶处理后进行8h的沥胶处理，待浸胶竹束表干后将其置于常规湿空气干燥窑中进行干燥处理，干燥温度控制在55℃，将其干燥到含水率约为10%，得浸胶干燥竹束。
常压浸胶处理过程中采用的胶黏剂为酚醛树脂胶黏剂，其固体含量为22%。
6）组坯与热压成型处理：将平衡处理后的浸胶干燥竹束在热压垫板上进行组坯处理，在组坯过程中，使竹束单元端部对齐，在板坯宽度方向和厚度方向上尽量分布均匀，板材目标密度控制在1.0g/cm3，将组坯后的板坯连同垫板一同送入热压机中进行热压处理，热压温度控制在135℃，热压时间控制在25min，热压压力控制在8MPa，材料厚度通过厚度规控制。
7）养护处理：将热压成型后的成型板坯进行堆垛处理，堆垛时上、下层成型板坯之间用厚度为25mm，宽度为35mm的隔条隔开，同层成型板坯之间相互靠拢，同层隔条之间的间隙为40cm；将成型板坯放置在平衡库中进行养护处理，养护时间为3周。
8）机加工处理：养护结束后，采用裁板锯、推台锯对养护处理后的高强耐候竹质复合材料进行机加工处理，将其加工成规格材，得到高强耐候竹质复合材料。
本实施例的高强耐候竹质复合材料，在生产过程中无需采用高温炭化处理，避免了竹束单元在高温热处理过程中的强度损失和质量损失，竹材利用率和强度显著提高；高强耐候竹质复合材料的实际密度为0.98 g/cm3，弯曲弹性模量为12963MPa，其防霉耐腐等级达到最高级（防霉性能0级、耐腐性能1级），能广泛应用于建筑工程、室外装饰、室外家具和地板制造等领域。
实施例2：
本实施例的一种高强耐候竹质复合材料的制造方法，具体包括以下步骤：
1）初期预干：采用常规的太阳能干燥方法将疏解竹束干燥到含水率为25%。
2）高压浸注处理：采用醇基改性溶液对经过预干后的竹束进行高压浸注处理，得浸注处理后的竹束。
具体步骤如下：
采用前真空处理-高压浸注处理-后真空处理三段式处理工艺，先将竹束放入高压浸注处理罐中，关闭高压浸注处理罐的封闭门，开启真空阀，进行前真空处理，真空度为0.08MPa，并保持15min；前真空处理结束后，向高压浸注处理罐中注入醇基改性溶液，使溶液完全浸没竹束，然后采用加压泵向高压浸注处理罐中再次注入醇基改性溶液，使高压浸注处理罐内部溶液压力达到0.8MPa，并保压20min；保压结束后，卸除高压浸注处理罐内的压力，再进行后真空处理，真空度为0.08MPa，保持时间为10min；后真空处理结束后，向高压浸注处理罐内通入空气，当高压浸注处理罐内的气压与外界压力达到平衡时，打开高压浸注处理罐的封闭门，取出竹束，得浸注处理后的竹束。
本实施例中，醇基改性溶液由糠醇、水、催化剂和稳定剂构成。其中糠醇的质量浓度为20%；催化剂为马来酸，质量浓度为1.5%；稳定剂为硼砂，质量浓度为1.5%，余量为水。
3）高温固化处理：将浸注处理后的竹束置于高压饱和水蒸气处理罐中进行高温固化处理，得到固化后的竹束。
具体步骤如下：首先关闭高压饱和水蒸气处理罐的封闭门，打开饱和蒸汽阀门，向高压饱和水蒸气处理罐中通入高温饱和水蒸气，使罐内饱和蒸汽温度达到115℃，并保持2h。在高压饱和水蒸气固化处理过程中产生的冷凝水不直接排放，也不进入到废水处理池中，而是收集到专用的配药处理罐中，作为配制醇基改性溶液的溶剂使用。
4）固化后的竹束干燥与平衡处理：将固化后的竹束放置在微压过热蒸汽热处理窑中，采用过热蒸汽对固化后的竹束进行干燥处理，干燥过程中无换气过程，过热蒸汽干燥介质温度控制在140℃，在此条件下将竹材干燥到含水率约为20%。
干燥过程中产生的冷凝水不直接排放，也不进入到废水处理池中，而是收集到专用的配药处理罐中，作为配制醇基改性溶液的溶剂使用。干燥结束后将竹材置于室内进行平衡处理，平衡处理时间为10天。
5）浸胶和干燥处理：将平衡处理后的竹束放置在高压浸注处理罐中进行高压浸胶处理，得浸胶干燥竹束。
具体步骤如下：
采用前真空处理-高压浸注处理-后真空处理三段式处理工艺，进行前真空处理时，真空度为0.07MPa，保持时间为8min，前真空处理结束后，向高压浸注处理罐中注入酚醛树脂，使酚醛树脂完全浸没竹束，然后采用加压泵向高压浸注处理罐中再次注入酚醛树脂，使高压浸注罐内部溶液压力达到0.8 MPa，并保压15min；保压结束后，卸除高压浸注处理罐内的压力，再进行后真空处理，高压浸注处理罐内的真空度控制在0.07MPa，保压12min；后真空结束后，向高压浸注处理罐内通入空气，当高压浸注处理罐内的气压与外界压力达到平衡时，打开高压浸注处理罐的封闭门，取出竹束。
待浸胶竹束表干后将其置于网带式热风干燥机中进行干燥处理，干燥温度控制在57℃，将其干燥到含水率约为11%。
高压浸注处理过程中采用的胶黏剂为酚醛树脂胶黏剂，其固体含量为25%。
6）组坯与热压成型：将平衡处理后的浸胶干燥竹束在热压垫板上进行组坯处理，在组坯过程中，使竹束单元端部对齐，在板坯宽度方向和厚度方向上尽量分布均匀，板材目标密度控制在1.2g/cm3，将组坯后的板坯连同垫板一同送入热压机中进行热压处理，热压温度控制在130℃，热压时间控制在20min，热压压力控制在10MPa，材料厚度通过厚度规控制。
7）养护处理：将热压成型后的成型板坯进行堆垛处理，堆垛时上、下层成型板坯之间用厚度为25mm，宽度为35mm的隔条隔开，同层成型板坯之间相互靠拢，同层隔条之间的间隙为40cm；将成型板坯放置在平衡库中进行养护处理，养护时间为4周。
8）机加工处理：养护结束后，采用裁板锯、推台锯对养护处理后的高强耐候竹质复合材料进行机加工处理，将其加工成规格材。
本实施例生产高强耐候竹质复合材料，在生产过程中无需采用高温炭化处理，避免了竹束单元在高温热处理过程中的强度损失和质量损失，竹材利用率和强度显著提高；高强耐候竹质复合材料的实测密度为1.17 g/cm3，弯曲弹性模量为21965MPa，其防霉耐腐等级达到最高级（防霉性能0级、耐腐性能1级），能广泛应用于建筑工程、室外装饰、室外家具和地板制造等领域。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种高强耐候竹质复合材料的制造方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1、将干燥后的疏解竹束置于醇基改性溶液中进行高压浸注处理后，再置于100～130℃温度下进行固化处理，得固化后的竹束；
S2、将固化后的竹束于110～150℃的温度下进行干燥处理后，再经过平衡、浸胶、干燥、组坯和热压成型处理，得成型板坯；
S3、将成型板坯进行养护和机加工处理，得到高强耐候竹质复合材料。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述醇基改性溶液包括糠醇、水、催化剂和稳定剂，其中糠醇的质量浓度为5～30%，催化剂的质量浓度为0.5～3%，稳定剂的质量浓度为0.5～5%，其余为水。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述高压浸注处理包括以下步骤：将干燥后的疏解竹束置于高压浸注处理罐内进行前真空处理，随后加入醇基改性溶液直至罐内溶液压力为0.2～1.4MPa，保压5～40min，保压后卸压进行后真空处理，再次卸压，取出竹束，得到浸注处理后的竹束。
4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述固化处理包括以下步骤：将浸注处理后的竹束置于微压过热蒸汽热处理窑中，加热至100～130℃温度下固化处理1～3h，得到固化后的竹束。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于：所述微压过热蒸汽热处理窑包括窑体（1）、冷凝器（5）、回收装置（6）和连接管道（9），所述窑体（1）内用于放置浸注处理后的竹束，所述窑体（1）上方设有泄压口（10），冷凝器（5）上部通过连接管道（9）与泄压口（10）相连通，冷凝器（5）的下部与回收装置（6）相连通，竹束中的醇基改性溶液蒸发后通过连接管道（9）进入到冷凝器（5）中冷凝成冷凝水，最后使冷凝水进入至回收装置（6）中回收。
6.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述固化处理包括以下步骤：将浸注处理后的竹束置于高压饱和水蒸气处理罐中，通入饱和水蒸气，当饱和水蒸汽温度达到100～130℃温度时，固化处理1～3h，得到固化后的竹束。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的制造方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述浸胶前的干燥处理包括以下步骤：将固化后的竹束置于微压过热蒸汽热处理窑中，通入过热蒸汽，当过热蒸汽温度达到100～150℃温度时对竹束进行干燥处理，直至竹束的含水率达到10～25%，得干燥后的竹束。
8.根据权利要求4至6中任一项所述的制造方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述浸胶处理为常压浸胶处理或高压浸胶处理。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于：所述高压浸胶处理包括以下步骤：将平衡处理后的竹束置于高压浸注处理罐中进行前真空处理，再加入胶黏剂溶液直至罐内溶液压力为0.4～1.2MPa，保压10～20min，保压后卸压进行后真空处理，再次卸压，取出竹束，得到浸胶处理后的竹束。
10.一种高强耐候竹质复合材料，其特征在于：由权利要求1至9中任一项所述的制造方法制备得到，密度为0.8g/cm3～1.3g/cm3，弯曲弹性模量介于10000MPa～30000MPa，防霉性能为0级，耐腐性能为1级。
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