CN113368817B - 一种生物质炭基轻质环保复合材料 - Google Patents

一种生物质炭基轻质环保复合材料 Download PDF

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Abstract

一种生物质炭基轻质环保复合材料，其制备工艺包括以下步骤：生物炭预处理：将生物炭浸入水中，得到水饱和生物炭；材料混合：将所述水饱和生物炭与水玻璃、耐水剂、以及偶联剂混合搅拌，得到混合料；固化：将所述混合料升温固化，得到固化料；冷却：等待所述固化料冷却，得到所述生物质炭基轻质环保复合材料。本发明通过将生物炭、水玻璃、耐水剂、偶联剂混合然后固化的工艺，得到耐火耐水、强度高且轻质环保的复合材料，不仅可以替代普通家具板材还可以吸附环境中的甲醛、苯等有害气体，具有良好的应用前景。

Description

一种生物质炭基轻质环保复合材料
技术领域
本发明属于生物质炭复合材料技术领域，具体涉及一种生物质炭基轻质环保复合材料。
背景技术
生物炭是一种在高温、缺氧的条件下，将生物质热解而产生的固体产物。由于其丰富的孔隙结构和高的比表面积，生物炭具有水净化，电磁屏蔽，空气过滤和吸附等功能，因此经常用作基体材料进行改性以得到光催化和甲醛降解的复合材料。
在日常生活中，将生物炭制成具有各种形状的小颗粒用于空气或水净化是很普遍的，但是存在诸如使用量小，易引起粉尘污染等缺点。为了克服这些缺点，制备大尺寸的生物炭复合材料能够扩大其使用范围。炭塑复合材料的发展，一方面可以实现废旧塑料等有机物的再利用，减少白色污染；另一方面可以部分代替木质人造板建筑材料，减少森林资源的大量消耗。然而，聚乳酸、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等塑料存在易燃，易老化，成本高等缺点，这阻碍了生物炭/塑料复合材料的广泛应用。同时，复合材料中生物炭的微孔容易被塑料堵塞，影响其吸附性能。而且，塑料是高污染材料，被认为是难以自然降解的材料之一。
因此，需要制备具有优异机械性能的更环保的生物炭基复合材料。生物炭/塑料复合材料一般密度在0.9-1.2 g/cm3，为了制得轻质的生物炭/塑复合材料往往需要添加发泡剂，如偶氮二甲酰胺、超临界CO2等。如申请公布号为CN109734180的申请文件公开的一种生物炭/聚乙烯醇缩甲醛多孔复合填料及其制备方法与应用，通过聚乙烯醇水溶液中加入发泡剂、表面活性剂、生物炭粉末、甲醛溶液和硫酸溶液，在持续搅拌下得到发泡后的混合液，经过加热发生缩醛反应原位合成得到生物炭-聚乙烯醇缩甲醛多孔复合填料。
但是，上述方案中存在以下缺点：第一，发泡工艺对设备密封性、发泡剂的含量、发泡剂加入时间点等要求较高，工艺技术相对复杂，而且发泡效果不可控；第二，上述工艺中采用了多种化学试剂，后续的回收或排放处理难度较大。
无机粘合剂具有良好的耐高温性，耐久性并且对环境无危害。水玻璃是硅酸钠的水溶液，具有环保无毒、制备简便、成本低廉和粘接性能好的特点，常用在胶粘剂、耐火涂料、保温材料和铸造等方面。目前已经有文献公开了通过水玻璃与生物炭复合制备复合材料的方法。但限于水玻璃的耐水性差的缺陷，生物炭水玻璃复合材料在家具装饰装修中的应用较少。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明目的在于提供一种生物质炭基轻质环保复合材料，通过将生物炭、水玻璃、耐水剂、偶联剂混合然后固化的工艺，得到耐火耐水、强度高且轻质环保的复合材料，不仅可以替代普通家具板材还可以吸附环境中的甲醛、苯等有害气体，具有良好的应用前景。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种生物质炭基轻质环保复合材料，其制备工艺包括以下步骤：生物炭预处理：将生物炭浸入水中，得到水饱和生物炭；材料混合：将所述水饱和生物炭与水玻璃、耐水剂、以及偶联剂混合搅拌，得到混合料；固化：将所述混合料升温固化，得到固化料；冷却：等待所述固化料冷却，得到所述生物质炭基轻质环保复合材料。
在本方案设计中，区别于现有技术中采用的发泡剂形成复合材料中的空隙结构的原理，本发明利用生物炭内具有丰富的孔隙结构的这一特性，通过简单的浸渍即可使水进入生物炭内的孔隙结构内，使得生物炭达到水饱和，这样的优势在于：第一，生物炭内的孔隙结构被水分子填充，这样后来加入与生物炭混合的水玻璃或者耐水剂、偶联剂等试剂很难或者几乎不会进入到生物炭的空隙结构内，这样只要后续将填充在孔隙结构内的水分蒸发掉，即可保证生物炭的孔隙结构不会被堵塞；第二，水饱和的生物炭不会产生粉尘，加工、运输、转移更加方便，损耗率低。本发明采用的水玻璃不再作为粘结剂，而是作为复合材料的主材料，优势在于：第一，现有技术中公开了生物炭含水率太高无法成块的缺陷，因此在一般情况下本发明中水饱和的生物炭是无法成块的，但是水玻璃本身具有良好的粘接效果，可以将生物炭微粒分散于水玻璃间形成块状材料；第二，水玻璃具有良好的耐高温性，因此在本发明水分蒸发的处理工艺中性能不会发生改变，因此只需使用高温烘烤技术即可使得复合材料固化成型，降低了工艺处理的难度，而且对环境无危害、绿色环保。最后，本发明采用水玻璃作为复合材料原料之一，其耐水性差的缺陷也通过加入有效的耐水剂解决了，因此，水玻璃与水饱和生物炭的混合效果好，形成的复合材料结构稳定，具有丰富的孔隙结构。
作为本发明的进一步优选，所述复合材料按重量份计包括：生物炭60-75份、水玻璃15-35份、耐水剂1-5份、偶联剂1-5份。
作为本发明的进一步优选，所述生物炭包括竹炭、木炭、秸秆炭、稻壳炭。本发明的生物炭来源广泛，还可采用气化炭、发电炭等。
作为本发明的进一步优选，所述生物炭的粒径为250-300μm。
作为本发明的进一步优选，所述水玻璃的模数为2.2-2.6。
作为本发明的进一步优选，所述耐水剂包括聚乙烯醇、粉末磷酸、甲基硅酸钠、甲基硅酸钾。
在本发明中，耐水剂聚乙烯醇、磷酸在一定的搅拌速度和一定的固化温度下可与水玻璃发生交联反应，提高生物炭/水玻璃复合材料的耐水性；而耐水剂甲基硅酸钠、甲基硅酸钾还可提高水玻璃与竹炭的粘结强度从而增强复合材料的耐水性。
作为本发明的进一步优选，所述固化步骤中温度包括三阶段：初始阶段温度为50-60℃，中间阶段为75-85℃，保温阶段为105-120℃。
在本发明中，固化阶段分为三个阶段，使得复合材料可以稳定均匀地“蒸出”水分，温度过低孔隙内水分残留过多影响复合材料吸附效果，温度过高孔隙内水快速沸腾导致孔隙结构被破坏，复合材料吸附效果同样不佳。此外，缓慢“蒸出”的水分在复合材料上即生物炭与水玻璃之间也可形成气泡核，在复合材料冷却后气泡被定型，这样就形成了复合材料的第二种孔隙结构，进一步丰富了复合材料的孔隙结构。
作为本发明的进一步优选，所述固化步骤中所述混合料倒入表面设置有PTFE膜的模具中，然后进行升温固化；所述PTFE膜耐温≥250℃。
在本发明中，通过在不锈钢模具中铺装耐高温的PTFE膜的方式提高脱模效率以及板材脱模时的完整性。
作为本发明的进一步优选，所述生物炭为竹炭，炭化温度为600-800℃。
现有技术中，制备竹炭炭化温度需要至千度以上，而本发明只需控制在600-800℃内，此时得到的竹炭仍具有18-25%的含水量，更加容易破碎加工得到粒径在250-300μm范围内的微粒，并且后续处理工艺过程需要水饱和，含水量高的微粒能更快达到水饱和状态。因此，本发明不仅降低了炭化温度从而降低了能耗，而且更易加工制得粒径在250-300μm范围内的微粒，同时缩短了生物炭水饱和处理时间。
作为本发明的进一步优选，所述偶联剂为KH-550。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
本发明中生物炭与水玻璃制备复合材料的技术克服了传统生物炭/塑料复合材料存在的缺陷，并且得到的复合材料具有耐火耐水、强度高等优点。
本发明复合材料中同时具有生物炭的多孔结构及水玻璃/生物炭的复合结构，得到的复合材料空隙率高。
本发明得到的复合材料板材完整性高、重量轻且绿色环保，具有较好的应用前景。
本发明制得复合材料可以应用在家庭装饰装修中，其不仅可以替代普通家具板材还可以吸附环境中的甲醛、苯等气体。
具体实施方式
实施例1
原料组成：一种生物质炭基轻质环保复合材料，按重量比取生物炭65份、水玻璃30份、偶联剂2份、耐水剂3份。其中，生物炭为土窑700℃烧制的竹炭，粒径为270μm左右；水玻璃为工业制水玻璃，模数为2.25；偶联剂为硅烷偶联剂KH-550；所取的3份耐水剂组成为聚乙烯醇1份、粉末磷酸2份。
制备工艺：（1）材料预备：生物炭浸渍在水中，待生物炭吸饱水后取出备用；水玻璃超声处理0.5h；（2）物料混合：将生物炭与水玻璃、耐水剂、硅烷偶联剂按配比混合，以50 r/min的搅拌速度搅拌20 min，得到混合料；（3）注入模具：将混合料倒入预先用PTFE膜处理过的不锈钢模具，并铺装平整，不锈钢模具长2.44m，宽1.22m，厚度20mm；（4）发泡固化：将模具置于50℃的烤箱中预热0.5h，然后以10℃/min升温至80℃保温0.5h，最后以10℃/min升温至105℃，保温至完全固化；（5）脱模冷却：将固化的生物炭/水玻璃复合材料脱模并冷却至室温，即可得到生物炭水玻璃复合材料。
实施例2
原料组成：按重量比取生物炭65份、水玻璃30份、偶联剂2份、耐水剂3份。生物炭为木炭，粒径为270μm左右；水玻璃为工业制水玻璃，模数为2.25；偶联剂为硅烷偶联剂KH-550；所取的3份耐水剂组成为甲基硅酸钠2份、粉末磷酸1份。
制备工艺：（1）材料预备：生物炭浸渍在水中，待生物炭吸饱水后取出备用；水玻璃超声处理1h；（2）物料混合：将生物炭与水玻璃、耐水剂、硅烷偶联剂按配比混合，以50 r/min的搅拌速度搅拌20 min，得到混合料；（3）注入模具：将混合料倒入预先用PTFE膜处理过的不锈钢模具，并铺装平整，不锈钢模具长2.44m，宽1.22m，厚度20mm；（4）发泡固化：将模具置于60℃的烤箱中预热0.5h，然后以5℃/min升温至85℃保温0.5h，最后以10℃/min升温至120℃，保温至完全固化；（5）脱模冷却：将固化的生物炭/水玻璃复合材料脱模并冷却至室温，即可得到生物炭水玻璃复合材料。
实施例3
原料组成：按重量比取生物炭65份、水玻璃29份、偶联剂1份、耐水剂5份。生物炭中45份为土窑700℃烧制的竹炭，20份为气化炭，生物炭粒径均为270μm左右；水玻璃为工业制水玻璃，模数为2.25；偶联剂为硅烷偶联剂KH-550；所取的5份耐水剂组成为聚乙烯醇2份、甲基硅酸钠3份。
制备工艺：（1）材料预备：生物炭浸渍在水中，待生物炭吸饱水后取出备用；水玻璃超声处理1h；（2）物料混合：将生物炭与水玻璃、耐水剂、硅烷偶联剂按配比混合，以50 r/min的搅拌速度搅拌20 min，得到混合料；（3）注入模具：将混合料倒入预先用PTFE膜处理过的不锈钢模具，并铺装平整，不锈钢模具长2.44m，宽1.22m，厚度20mm；（4）发泡固化：将模具置于60℃的烤箱中预热0.5h，然后以10℃/min升温至75℃保温0.5h，最后以10℃/min升温至110℃，保温至完全固化；（5）脱模冷却：将固化的生物炭/水玻璃复合材料脱模并冷却至室温，即可得到生物炭水玻璃复合材料。
对比例1
一种生物质炭基轻质环保复合材料，按重量比取生物炭65份、水玻璃35份。生物炭为普通竹炭,生物炭粒径为1700μm左右；水玻璃为工业制水玻璃，模数为2.25。
复合材料制备工艺如下：（1）物料混合：将生物炭与水玻璃混合，以50 r/min的搅拌速度搅拌20 min，得到混合料；（2）注入模具：将混合料倒入的不锈钢模具，并铺装平整，不锈钢模具长2.44m，宽1.22m，厚度20mm；（3）发泡固化：将模具置于50℃的烤箱中预热0.5h，然后以10℃/min升温至80℃保温0.5h，最后以10℃/min升温至105℃，保温至完全固化；（4）脱模冷却：将S4固化的生物炭/水玻璃复合材料脱模并冷却至室温，即可得到生物炭水玻璃复合材料。
对比例2
一种生物质炭基轻质环保复合材料，按重量比取生物炭65份、水玻璃35份。生物炭为普通竹炭,生物炭粒径为270μm左右；水玻璃为工业制水玻璃，模数为2.25。
复合材料制备工艺如下：（1）物料混合：将生物炭与水玻璃混合，以50 r/min的搅拌速度搅拌20 min，得到混合料；（2）注入模具：将混合料倒入的不锈钢模具，并铺装平整，不锈钢模具长2.44m，宽1.22m，厚度20mm；（3）发泡固化：将模具置于50℃的烤箱中预热0.5h，然后以10℃/min升温至80℃保温0.5h，最后以10℃/min升温至105℃，保温至完全固化；（4）脱模冷却：将S4固化的生物炭/水玻璃复合材料脱模并冷却至室温，即可得到生物炭水玻璃复合材料。
对实施例1~3以及对比例1、对比例2得到的复合材料进行测试，同时购买了市面上的聚丙烯/生物炭板以及聚氯乙烯/生物炭板进行对比，测试结果如下：
Figure SMS_1
实施例1-3和对比例1-2的测试数据对比，可知耐水剂使用的份数对复合材料抗弯强度、泡水后抗弯强度影响较大，聚乙烯醇和粉末磷酸与水玻璃发生交联反应以及甲基硅酸盐增强粘结强度均提高了复合材料的强度，并且在两种类型的耐水剂协效作用下复合材料的耐水性显著增强。生物炭/水玻璃复合材料的甲醛吸附率显著高于市面上的聚丙烯生物炭板、聚氯乙烯生物炭板，这主要得益于生物炭的多孔结构及水玻璃/生物炭的复合结构。生物炭与水玻璃复合后，并不会堵塞生物炭的孔隙；而聚丙烯/生物炭板中塑料几乎完全包覆了生物炭，使得生物炭难以发挥其应有的吸附功能。
此外，对比例1-2在脱模时，有部分生物炭水玻璃复合材料粘结在不锈钢板材上，板材完整性相对实施例1-3较差。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种生物质炭基轻质环保复合材料，其特征在于，制备工艺包括以下步骤：
生物炭预处理：将生物炭浸入水中，得到水饱和生物炭；
材料混合：将所述水饱和生物炭与水玻璃、耐水剂、以及偶联剂混合搅拌，得到混合料；
固化：将所述混合料升温固化，得到固化料；
冷却：等待所述固化料冷却，得到所述生物质炭基轻质环保复合材料；
所述固化步骤中温度包括三阶段：初始阶段温度为50-60℃，中间阶段为75-85℃，保温阶段为105-120℃。
2.根据权利要求1所述的一种生物质炭基轻质环保复合材料，其特征在于，按重量份计包括：生物炭60-75份、水玻璃15-35份、耐水剂1-5份、偶联剂1-5份。
3.根据权利要求2所述的一种生物质炭基轻质环保复合材料，其特征在于，所述生物炭包括竹炭、木炭、秸秆炭、稻壳炭。
4.根据权利要求3所述的一种生物质炭基轻质环保复合材料，其特征在于，所述生物炭的粒径为250-300μm。
5.根据权利要求2所述的一种生物质炭基轻质环保复合材料，其特征在于，所述水玻璃的模数为2.2-2.6。
6.根据权利要求2所述的一种生物质炭基轻质环保复合材料，其特征在于，所述耐水剂包括聚乙烯醇、粉末磷酸、甲基硅酸钠、甲基硅酸钾。
7.根据权利要求1所述的一种生物质炭基轻质环保复合材料，其特征在于，所述固化步骤中所述混合料倒入表面设置有PTFE膜的模具中，然后进行升温固化；所述PTFE膜耐温≥250℃。
8.根据权利要求3所述的一种生物质炭基轻质环保复合材料，其特征在于，所述生物炭为竹炭，炭化温度为600-800℃。
9.根据权利要求2所述的一种生物质炭基轻质环保复合材料，其特征在于，所述偶联剂为KH-550。
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