CN111360953A - 一种碳纤维增强玉米秸秆人造板及其制作方法 - Google Patents

一种碳纤维增强玉米秸秆人造板及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于室内外建筑材料，属于非木质人造板加工领域。特指一种碳纤维增强玉米秸秆人造板及其制作方法。采用玉米秸秆为主要材料，玉米秸秆经去叶，剖开，除穰，机械疏解成网状结构，同时使玉米秸秆外表层的硅质层、蜡质层得到破坏，机械疏解后的玉米秸秆皮经浸胶、干燥处理，完成浸胶、干燥处理的玉米秸秆皮与涂胶的碳纤维布经组坯、预压、热压胶合在一起，制得一种碳纤维增强玉米秸秆人造板，其具有环保、冲击韧性高、尺寸稳定性好等特点，其制品可作为建筑材料、室内外用墙体板、地热基材等使用，为玉米秸秆的高值化环保利用创造条件。

Description

一种碳纤维增强玉米秸秆人造板及其制作方法
技术领域
本发明属于室内外建筑材料，属于非木质人造板加工领域。特指一种碳纤维增强玉米秸秆人造板及其制作方法。
背景技术
玉米秸秆焚烧污染空气往往成为众矢之的。但就目前，玉米秸秆焚烧是玉米秸秆处理最为廉价的处理方法。为了解决玉米秸秆焚烧带来的环境污染问题，玉米秸秆的高值化利用是人们研究的热点问题。目前，玉米秸秆除作为饲料、还田外，主要是作为生物质发电厂的燃料、制备生物质燃料颗粒、生产非木质人造板、裂解制备生物质燃油等，但因生产成本高，产品质量不易控制等客观因素的影响，玉米秸秆的处理量还很少。玉米秸秆主要由皮、穰、叶三大部分组成，组织结构有很大不同。作为动物饲料的应用或直接还田效果上看，玉米秸秆皮的效果最差。玉米秸秆皮是玉米秸秆的主要组成部分，其干物质占玉米秸秆干物质总质量的60％以上，拉伸和剪切强度高，其含有丰富的木质素和与木材性能相近的纤维素，纤维形态特征与杨木相当。采用异氰酸酯胶黏剂，利用玉米秸秆生产的玉米秸秆人造板，其板材性能优于利用木材生产的碎料板，各项指标都到了国家标准和行业标准，但因生产成本高限制了其发展。玉米秸秆皮是一种非均质材料，存在显著的各向异性和变异性，将其材料化利用需进一步探索其生理特性与力学性能，以及二者之间的相关性。与其他农作物秸秆类似，玉米秸秆皮表皮层含有SiO2复合材料，这种材料有利于改善板材的弯曲强度、热稳定性和疏水性，但同时其也严重影响玉米秸秆皮的胶合性能，为此，国内外主要利用粉碎的玉米秸秆皮或混合木质纤维为原料生产板材，原料需要进一步除杂，材料处理工序复杂且成本较高。
发明内容
本发明的目的是针对以上问题，提供一种碳纤维增强玉米秸秆人造板及其制作方法。以玉米秸秆、碳纤维为主要原料，玉米秸秆经自然干燥，去叶，剖开、除穰，机械疏解成网状，在机械疏解过程中，在疏解辊压力的作用下，使玉米秸秆皮呈网状结构，同时在压力作用下，玉米秸秆外表皮的硅质层、蜡质层在齿状疏解辊的碾压下被破坏，外表层润湿性能增加，胶合性能得到有效改善，有利于常规人造板生产用胶黏剂的胶合。玉米秸秆经机械疏解后，浸渍一定量的胶黏剂后，经干燥处理至一定的含水率，按结构型玉米秸秆重组材要求组坯，在组坯过程中，在板坯中加入1～3层涂刷过异氰酸酯的碳纤维布，板坯经预压、热压制备具有特殊性能的碳纤维增强非木质人造板。用玉米秸秆为主要原料，碳纤维布为增强材料，生产的碳纤维增强非木质人造板，适于工业化制造，具有环保、冲击韧性高、尺寸稳定性好等特点，其制品可作为建筑材料、室内外用墙体板、地热基材等使用，为玉米秸秆的高值化环保利用创造条件。
本发明的目的是由以下技术方案来实现的：玉米秸秆干燥，玉米秸秆机械疏解，玉米秸秆皮浸胶，浸胶玉米秸秆皮干燥，碳纤维布涂胶，组坯，预压、热压胶合，后续加工，其特征是，按工艺要求采用玉米秸秆为主要材料，碳纤维布为增强材料，玉米秸秆经去叶，剖开，除穰，机械疏解，机械疏解后的玉米秸秆皮经浸胶、干燥处理，完成浸胶、干燥处理的玉米秸秆皮经与涂胶的碳纤维布复合组坯、预压、热压胶合在一起，制得一种碳纤维增强玉米秸秆人造板。具体制造步骤如下：
1)玉米秸秆干燥：将玉米秸秆通过自然干燥到一定含水率。
2)玉米秸秆机械疏解：将步骤1)干燥好的玉米秸秆去叶，将去叶的玉米秸秆剖开展平，去除玉米秸秆内部的穰，通过机械碾压将玉米秸秆皮疏解为网状结构。
3)玉米秸秆皮浸胶、干燥：将步骤2)机械疏解得到的网状结构的玉米秸秆皮浸渍胶黏剂，将浸渍胶黏剂后的玉米秸秆皮干燥。
4)碳纤维布涂胶：将碳纤维布表面均匀涂刷一定质量的胶黏剂。
5)碳纤维增强玉米秸秆人造板组坯及热压：按结构型重组材工艺要求，将步骤3)的玉米秸秆皮按纤维方向一致的方式完成组坯，在组坯过程中，将步骤4)的碳纤维布按强度较高的碳纤维编织方向与玉米秸秆皮纤维方向一致的方式，铺装到板坯中，完成组坯后经预压后进行热压或直接进行热压，使胶黏剂固化，制得成品板。
6)碳纤维增强玉米秸秆人造板后续加工：将步骤5)得到的成品板碳纤维增强经冷却、平衡调质处理、裁边、砂光后，即得到满足使用要求的碳纤维增强玉米秸秆人造板。
步骤1)中，所述的一定含水率指15％～20％。
步骤2)中，通过机械碾压将玉米秸秆皮疏解为网状结构的步骤为：采用三道疏解辊对玉米秸秆皮依次疏解，机械疏解过程中，三道疏解辊的疏解压力均为1～4MPa，使得疏解后组成网状结构的玉米秸秆皮的宽度不大于3mm，含水率不高于10％。
步骤3)中，所述胶黏剂为改性酚醛树脂胶黏剂或改性间苯二酚胶黏剂，胶黏剂的粘度不大于100mPa·S(20℃)，胶黏剂浸渍量为15％～25％。所述干燥温度不高于80℃，使得干燥后的玉米秸秆皮含水率降低至6％～8％。
步骤4)中，胶黏剂为异氰酸酯胶黏剂，涂胶方式为双面涂胶，涂胶量为150～310g/m2。
步骤5)中，所述经预压后进行热压，预压压力1.5～2.0MPa，预压时间2.0-6.0min，热压的温度135～185℃、热压压力2.5～5.0MPa，热压时间每毫米板厚30～60S。
利用玉米秸秆皮穰叶分离机能够获得完整的玉米秸秆皮，通过机械疏解，可有效破坏玉米秸秆外皮的硅质层、蜡质层，改善玉米秸秆皮的胶合性能，玉米秸秆皮疏解成网状结构，保证了其纵向力学强度基本不降低，玉米秸秆皮经疏解后，作为主要材料与碳纤维复合制备结构型高强度玉米秸秆重组材人造板。本项发明能够带动农作物秸秆产业经济的发展，提高产品附加值，能够为促进农民增收、发展生态农业、保护自然环境起到巨大作用。
具体实施方式
1)玉米秸秆干燥：按工艺要求将玉米秸秆通过自然干燥到含水率为15％～20％。
2)玉米秸秆机械疏解：将步骤1)干燥好的玉米秸秆去除叶，将去叶的玉米秸秆剖开展平，去除玉米秸秆内部的穰，通过机械碾压将玉米秸秆皮疏解为网状结构，机械疏解过程中，三道疏解辊的疏解压力为1～4MPa，疏解后组成网状结构的玉米秸秆皮的宽度不大于3mm，含水率不高于10％。
3)玉米秸秆皮浸胶、干燥：将步骤2)玉米秸秆皮浸入粘度不大于100mPa·S(20℃)胶黏剂中，完成胶黏剂浸渍，胶黏剂浸渍量为15％～25％，浸渍胶黏剂的玉米秸秆皮在不高于80℃的条件下，干燥至含水率为6％～8％。
4)碳纤维布涂胶：将碳纤维布表面均匀涂刷一层异氰酸酯胶黏剂，涂胶量为双面150～310g/m2。
5)碳纤维增强玉米秸秆人造板组坯及热压：按结构型重组材工艺要求，将步骤3)的玉米秸秆皮按纤维方向一致的方式完成组坯，在组坯过程中，将步骤4)的碳纤维布按强度较高的碳纤维编织方向与玉米秸秆皮纤维方向一致的方式，铺装到板坯中，对于加一层碳纤维布的铺装方式为，均匀铺装完1/2板坯厚度后，加入碳纤维布，之后完成后续铺装；对于加二层碳纤维布的铺装方式为，均匀铺装完1/3板坯厚度后，加入第一层碳纤维布，之后在碳纤维布上再完成1/3板坯厚度的铺装，此时加入第二层碳纤维布后，完成后续铺装；对于加三层碳纤维布的铺装方式为，均匀铺装完1/4板坯厚度后，加入第一层碳纤维布，之后在碳纤维布上再完成1/4板坯厚度的铺装，此时加入第二层碳纤维布后，在碳纤维布上继续完成1/4板坯厚度的铺装，之后加入第三层碳纤维布后，完成后续铺装，板坯组坯过程中应做到厚度均匀，进而保证板面密度均匀，完成组坯后经预压后进行热压或直接进行热压，使胶黏剂固化，预压压力1.5～2.0MPa，预压时间2.0-6.0min，热压的温度135～185℃、热压压力2.5～5.0MPa，热压时间每毫米板厚30～60S。
6)碳纤维增强玉米秸秆人造板后续加工：将步骤5)制得的成品板经冷却、平衡调质处理、裁边、砂光后，即得到满足使用要求的碳纤维增强玉米秸秆人造板。
7)所述碳纤维增强玉米秸秆人造板的主要性能指标：密度0.7～1.0g/cm3；甲醛释放量E0级；静曲强度≥85MPa；弹性模量≥11000MPa；顺纹抗压≥40MPa；握螺钉力≥1000N；冲击韧性≥140KJ/m2。
具体实施例1～3
实施例1：
1)玉米秸秆干燥：按工艺要求将玉米秸秆通过自然干燥到含水率为15％～18％。
2)玉米秸秆机械疏解：将步骤1)干燥好的玉米秸秆去除叶，将去叶的玉米秸秆剖开展平，去除玉米秸秆内部的穰，通过机械碾压将玉米秸秆皮疏解为网状结构，机械疏解过程中，三道疏解辊的疏解压力为3MPa，疏解后组成网状结构的玉米秸秆皮的宽度不大于3mm，含水率7.5％～8.5％。
3)玉米秸秆皮浸胶、干燥：将步骤2)玉米秸秆皮浸入粘度为82.3mPa·S(20℃)的改性间苯二酚甲醛树脂胶黏剂中，完成胶黏剂浸渍，胶黏剂浸渍量为20.5％，浸渍胶黏剂的玉米秸秆皮在75℃的条件下，干燥至含水率为6％～7％。
4)碳纤维布涂胶：将抗张强度不低于3400MPa的碳纤维布表面均匀涂刷一层异氰酸酯胶黏剂，涂胶量为双面300g/m2。
5)碳纤维增强玉米秸秆人造板组坯及热压：按结构型重组材工艺要求，压制20mm厚板材，将步骤3)的玉米秸秆皮按纤维方向一致的方式完成组坯，在组坯过程中，将步骤4)的碳纤维布按强度较高的碳纤维编织方向与玉米秸秆皮纤维方向一致的方式，铺装到板坯中，铺装方式为，均匀铺装完1/2板坯厚度后，加入碳纤维布，之后完成后续铺装，板坯组坯过程中应做到厚度均匀，进而保证板面密度均匀，完成组坯后经预压后进行热压使胶黏剂固化，预压压力2.0MPa，预压时间5min，热压压力4.0MPa，热压温度150℃，热压时间18min，成品板厚度由厚度规控制，制得成品板。
6)一种碳纤维增强玉米秸秆人造板后续加工：将步骤5)制得的成品板经冷却、平衡调质处理、裁边、砂光后，即得到满足使用要求的碳纤维增强玉米秸秆人造板。
7)所述碳纤维增强玉米秸秆人造板的主要性能指标：密度1.0g/cm3；甲醛释放量E0级；静曲强度≥85MPa；弹性模量≥11000MPa；顺纹抗压≥40MPa；握螺钉力≥1000N；冲击韧性≥140KJ/m2。
实施例2：
1)玉米秸秆干燥：按工艺要求将玉米秸秆通过自然干燥到含水率为15％～18％。
2)玉米秸秆机械疏解：将步骤1)干燥好的玉米秸秆去除叶，将去叶的玉米秸秆剖开展平，去除玉米秸秆内部的穰，通过机械碾压将玉米秸秆皮疏解为网状结构，机械疏解过程中，三道疏解辊的疏解压力为4MPa，疏解后组成网状结构的玉米秸秆皮的宽度不大于3mm，含水率7.9％～8.3％。
3)玉米秸秆皮浸胶、干燥：将步骤2)玉米秸秆皮浸入粘度为89.3mPa·S(20℃)改性酚醛树脂胶黏剂中，完成胶黏剂浸渍，胶黏剂浸渍量为25％，浸渍胶黏剂的玉米秸秆皮在75℃的条件下，干燥至含水率为6％～8％。
4)碳纤维布涂胶：将碳纤维布表面均匀涂刷一层异氰酸酯胶黏剂，涂胶量为双面210g/m2。
5)碳纤维增强玉米秸秆人造板组坯及热压：按结构型重组材工艺要求，压制20mm厚板材，将步骤3)的玉米秸秆皮按纤维方向一致的方式完成组坯，在组坯过程中，将步骤4)的碳纤维布按强度较高的碳纤维编织方向与玉米秸秆皮纤维方向一致的方式，铺装到板坯中，铺装方式为，均匀铺装完1/3板坯厚度后，加入第一层碳纤维布，之后在碳纤维布上再完成1/3板坯厚度的铺装，此时加入第二层碳纤维布后，完成后续铺装，板坯组坯过程中应做到厚度均匀，进而保证板面密度均匀，完成组坯后经预压后进行热压预压压力1.8MPa，预压时间5min，使胶黏剂固化，热压压力3.0MPa，热压温度150℃，热压时间20min，成品板厚度由厚度规控制，制得成品板。
6)碳纤维增强玉米秸秆人造板后续加工：将步骤5)制得的成品板经冷却、平衡调质处理、裁边、砂光后，即得到满足使用要求的碳纤维增强玉米秸秆人造板。
7)所述碳纤维增强玉米秸秆人造板的主要性能指标：密度0.82g/cm3；甲醛释放量E0级；静曲强度≥85MPa；弹性模量≥11000MPa；顺纹抗压≥40MPa；握螺钉力≥1000N；冲击韧性≥140KJ/m2。
实施例3：
1)玉米秸秆干燥：按工艺要求将玉米秸秆通过自然干燥到含水率为15％～18％。
2)玉米秸秆机械疏解：将步骤1)干燥好的玉米秸秆去除叶，将去叶的玉米秸秆剖开展平，去除玉米秸秆内部的穰，通过机械碾压将玉米秸秆皮疏解为网状结构，机械疏解过程中，三道疏解辊的疏解压力为3.8MPa，疏解后组成网状结构的玉米秸秆皮的宽度不大于3mm，含水率7.7％～8.5％。
3)玉米秸秆皮浸胶、干燥：将步骤2)玉米秸秆皮浸入粘度不大于95.2mPa·S(20℃)改性间苯二酚树脂胶黏剂中，完成胶黏剂浸渍，胶黏剂浸渍量为17％，浸渍胶黏剂的玉米秸秆皮在80℃的条件下，干燥至含水率为6％～7％。
4)碳纤维布涂胶：将碳纤维布表面均匀涂刷一层异氰酸酯胶黏剂，涂胶量为双面，170g/m2。
5)碳纤维增强玉米秸秆人造板组坯及热压：按结构型重组材工艺要求，压制20mm厚板材，将步骤3)的玉米秸秆皮按纤维方向一致的方式完成组坯，在组坯过程中，将步骤4)的碳纤维布按强度较高的碳纤维编织方向与玉米秸秆皮纤维方向一致的方式，铺装到板坯中，铺装方式为，均匀铺装完1/4板坯厚度后，加入第一层碳纤维布，之后在碳纤维布上再完成1/4板坯厚度的铺装，此时加入第二层碳纤维布后，在碳纤维布上继续完成1/4板坯厚度的铺装，之后加入第三层碳纤维布后，完成后续铺装，板坯组坯过程中应做到厚度均匀，进而保证板面密度均匀，完成组坯后直接进行热压，使胶黏剂固化，热压压力3.0MPa，热压温度150℃，热压时间15min，成品板厚度由厚度规控制，制得成品板。
6)碳纤维增强玉米秸秆人造板后续加工：将步骤5)制得的成品板经冷却、平衡调质处理、裁边、砂光后，即得到满足使用要求的碳纤维增强玉米秸秆人造板。
7)所述碳纤维增强玉米秸秆人造板的主要性能指标：密度0.75g/cm3；甲醛释放量E0级；静曲强度≥85MPa；弹性模量≥11000MPa；顺纹抗压≥40MPa；握螺钉力≥1000N；冲击韧性≥140KJ/m2。
本发明一种碳纤维增强玉米秸秆人造板及其制作方法原料易得，为市售产品。
本发明所述的胶黏剂为满足玉米秸秆胶合性能要求的改性酚醛树脂胶黏剂、改性间苯二酚胶黏剂及异氰酸酯胶黏剂。
本发明主要通过机械疏解，去除玉米秸秆外表层的硅质层、蜡质层，改善玉米秸秆的胶合性能，同时将玉米秸秆皮疏解成网状结构，有利于胶黏剂浸渍，又最大限度的保留了玉米秸秆的纵向自身强度。
本发明的主要特征是一种碳纤维增强玉米秸秆人造板的冲击韧性得到较大幅度的提高。
本发明一种碳纤维增强玉米秸秆人造板及其制作方法的具体实施方式并非穷举，本领域技术人员根据本发明所获得的启示，不经过创造性劳动的任何复制和改进均属于本发明权利保护的范围。

Claims (8)

1.一种碳纤维增强玉米秸秆人造板的制作方法，其特征在于，采用玉米秸秆为主要材料，碳纤维布为增强材料，玉米秸秆经去叶，剖开，除穰，机械疏解，机械疏解后的玉米秸秆皮经浸胶、干燥处理，完成浸胶、干燥处理的玉米秸秆皮经与涂胶的碳纤维布复合组坯、预压、热压胶合在一起，制得一种碳纤维增强玉米秸秆人造板，具体制作步骤如下：
1)玉米秸秆干燥：将玉米秸秆通过自然干燥到一定含水率；
2)玉米秸秆机械疏解：将步骤1)干燥好的玉米秸秆去叶，将去叶的玉米秸秆剖开展平，去除玉米秸秆内部的穰，通过机械碾压将玉米秸秆皮疏解为网状结构；
3)玉米秸秆皮浸胶、干燥：将步骤2)机械疏解得到的网状结构的玉米秸秆皮浸渍胶黏剂，将浸渍胶黏剂后的玉米秸秆皮干燥；
4)碳纤维布涂胶：将碳纤维布表面均匀涂刷一定质量的胶黏剂；
5)碳纤维增强玉米秸秆人造板组坯及热压：按结构型重组材工艺要求，将步骤3)的玉米秸秆皮按纤维方向一致的方式完成组坯，在组坯过程中，将步骤4)的碳纤维布按强度较高的碳纤维编织方向与玉米秸秆皮纤维方向一致的方式，铺装到板坯中，完成组坯后经预压后进行热压或直接进行热压，使胶黏剂固化，得到成品板；
6)碳纤维增强玉米秸秆人造板后续加工：将步骤5)得到的成品板经冷却、平衡调质处理、裁边、砂光后，即得到满足使用要求的碳纤维增强玉米秸秆人造板。
2.如权利要求1所述的一种碳纤维增强玉米秸秆人造板的制作方法，其特征在于，所述的步骤1)中，所述的一定含水率指15％～20％。
3.如权利要求1所述的一种碳纤维增强玉米秸秆人造板的制作方法，其特征在于，步骤2)中，通过机械碾压将玉米秸秆皮疏解为网状结构的步骤为：采用三道疏解辊对玉米秸秆皮依次疏解，机械疏解过程中，三道疏解辊的疏解压力均为1～4MPa，使得疏解后组成网状结构的玉米秸秆皮的宽度不大于3mm，含水率不高于10％。
4.如权利要求1所述的一种碳纤维增强玉米秸秆人造板的制作方法，其特征在于，步骤3)中，所述胶黏剂为改性酚醛树脂胶黏剂或改性间苯二酚胶黏剂，胶黏剂的粘度不大于100mPa·S(20℃)，胶黏剂浸渍量为15％～25％；所述干燥温度不高于80℃，使得干燥后的玉米秸秆皮含水率降低至6％～8％。
5.如权利要求1所述的一种碳纤维增强玉米秸秆人造板的制作方法，其特征在于，步骤4)中，胶黏剂为异氰酸酯胶黏剂，涂胶方式为双面涂胶，涂胶量为150～310g/m2。
6.如权利要求1所述的一种碳纤维增强玉米秸秆人造板的制作方法，其特征在于，步骤5)中，所述经预压后进行热压，预压压力1.5～2.0MPa，预压时间2.0-6.0min，热压的温度135～185℃、热压压力2.5～5.0MPa，热压时间每毫米板厚30～60S。
7.如权利要求1所述的一种碳纤维增强玉米秸秆人造板的制作方法，其特征在于，所述碳纤维增强玉米秸秆人造板密度0.7～1.0g/cm3；甲醛释放量E0级；静曲强度≥85MPa；弹性模量≥11000MPa；顺纹抗压≥40MPa；握螺钉力≥1000N；冲击韧性≥140KJ/m2。
8.如权利要求1所述的一种碳纤维增强玉米秸秆人造板的制作方法，其特征在于，步骤5)中，对于加一层碳纤维布的铺装方式为，均匀铺装完1/2板坯厚度后，加入碳纤维布，之后完成后续铺装；对于加二层碳纤维布的铺装方式为，均匀铺装完1/3板坯厚度后，加入第一层碳纤维布，之后在碳纤维布上再完成1/3板坯厚度的铺装，此时加入第二层碳纤维布后，完成后续铺装；对于加三层碳纤维布的铺装方式为，均匀铺装完1/4板坯厚度后，加入第一层碳纤维布，之后在碳纤维布上再完成1/4板坯厚度的铺装，此时加入第二层碳纤维布后，在碳纤维布上继续完成1/4板坯厚度的铺装，之后加入第三层碳纤维布后，完成后续铺装，板坯组坯过程中应做到厚度均匀，进而保证板面密度均匀。
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