CN113858374B - 一种生物质基环保阻燃纤维板制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物质基环保阻燃纤维板制备方法，属于木质材料阻燃技术领域。配置分别带正电荷和负电荷的生物质溶液或悬浮液；对木质纤维进行层层自组装包覆改性，组装结束后干燥至含水率10％‑100％；对改性木质纤维铺装、常温下冷压，制备得到预成型的纤维板；将冷压预成型的纤维板放入金属离子盐溶液中浸泡，取出后热压压制，得到环保阻燃纤维板。利用含有丰富的碳、氮或磷元素的天然生物质材料包覆纤维，冷压预成型；再利用金属离子对包覆纤维的阴阳生物质电解质进行离子交联，结合热压工艺，增强了胶接强度，且在金属离子催化作用下更有利于复合材料中的聚电解质和纤维在燃烧过程中碳层的形成，制备得到的纤维板环保、阻燃、强度高。

Description

一种生物质基环保阻燃纤维板制备方法
技术领域
本发明涉及木质材料阻燃技术领域，具体涉及一种生物质基环保阻燃纤维板及其制备方法。
背景技术
纤维板又称密度板，是将木材或植物纤维经机械分离和化学处理手段，掺入胶粘剂和防水剂等，再经高温、高压成型，制成的一种人造板材。具有材质均匀、幅面大、不易开裂、表面平整、易加工等优点，被广泛应用于家具、室内装饰、包装以及建筑等行业。然而由于纤维板生产过程中往往使用脲醛树脂或者改性脲醛树脂作为胶黏剂，所制备的纤维板存在甲醛释放问题，不仅污染环境，还会影响人民身体健康。此外，同其它木质材料一样，纤维板还易燃烧，一旦发生火灾，燃烧速度极快，很易造成人员和财产损失。因此，开发一种环保且具良好阻燃效果的纤维板材具有重要的现实意义。
为了减少或者消除人造板甲醛释放问题，通常会将天然生物质材料(大豆分离蛋白、木质素、单宁等)引入到胶黏剂体系中，部分或者全部替代甲醛制备低醛或者无醛纤维板材。尽管这种方法在一定程度上能解决甲醛带来的环境污染问题，但是此种方法制备的胶黏剂粘度往往较大，在纤维板制备过程中操作较困难，且存在胶合强度低，耐水性不足的问题；为了赋予纤维板阻燃性能，氮、磷、硼系阻燃剂常被使用，且能赋予板材料良好的阻燃效果，但氮、磷、硼系阻燃剂通常易流失或者迁移到板材表面，影响其耐久性以及后期的装饰。无机氧化物或者氢氧化物粒子也经常被用于纤维板的阻燃，但往往需要较大的添加量才能获得满意的阻燃效果，且大量无机粒子的引入有损板材力学性能。因此，非常有必要开发一种环保、阻燃且强度较高的纤维板及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于生物质基环保阻燃纤维板制备方法，首先利用含有丰富的碳、氮或磷元素的天然无毒、无醛、无害生物质材料作为胶粘剂层层包覆纤维，冷压预成型；再利用金属离子对包覆纤维的阴阳生物质电解质进行离子交联，一方面，通过交联作用，形成三维网状结构，结合热压工艺，增强胶接强度；另一方面金属离子具有良好的催化成碳作用，更有利于纤维复合材料在燃烧过程中碳层的形成，能进一步提高纤维板的阻燃效果。本发明聚电解质和离子既充当着胶粘剂的作用，又作为阻燃剂的作用，一剂二用，制备得到的纤维板具备环保、阻燃、强度高的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种生物质基环保阻燃纤维板制备方法，包括以下步骤：
(1)配置分别带正电荷和负电荷的生物质溶液或悬浮液；
(2)木质纤维的层层自组装改性：
将木质纤维依次浸入带正电荷的生物质溶液或悬浮液、以及带负电荷的生物质溶液或悬浮液中进行交替层层自组装包覆；组装结束后干燥至含水率 10％-100％；
(3)对改性木质纤维铺装、常温下冷压，制备得到预成型的纤维板；
(4)将冷压预成型的纤维板放入0.5-5mol/L的金属离子盐溶液中浸泡，取出后热压压制，得到环保阻燃纤维板。
优选的，溶液或悬浮液带有正电荷的生物质选自壳聚糖、阳离子淀粉、明胶中的一种或多种。
优选的，溶液或悬浮液带有负电荷的生物质选自海藻酸钠、卡拉胶、植酸、阿拉伯胶中的一种或多种。
优选的，所述的生物质溶液或悬浮液的浓度为0.5％-2％。
优选的，步骤(2)进行层层自组装包覆时，浸渍时间为5-30min，每一次浸渍后需洗净、干燥。优选为先将木质纤维放入带正电荷的生物质电解质溶液中浸泡5-30min，取出挤压出溶液，并用去离子水洗涤干净，放入103℃烘箱，干燥10min；然后将干燥后的纤维放入带负电荷的电解质溶液中浸泡5-30min，取出挤压出溶液，用去离子水洗涤干净，放入103℃烘箱，干燥10min，此过程为一个循环，重复上述过程，最后干燥至一定含水率，优选含水率为10％-100％，优选层层自组装循环次数为1-20次，更优选为1-8次。
优选的，步骤(3)中的冷压压力为0-1Mpa，冷压时间为10-30min；更优选为1Mpa下冷压10min。
优选的，所述的金属离子盐选自氯化钙、氯化镁、氯化钡、硫酸铜、氯化铝、氯化铁、醋酸锰、醋酸钴中的一种或多种，更优选为氯化钙、氯化钡、硫酸铜、醋酸锰、醋酸钴中的任一种。
优选的，所述的冷压预成型的纤维板在金属离子盐溶液中浸泡的时间为 10-60min，更优选为30-60min。
优选的，步骤(4)中的热压温度160-220℃，热压压力1MPa-5 Mpa，热压时间5-30mim。
本发明的有益效果：
1.本发明采用天然生物质高分子材料作为胶黏剂对木质纤维膜进行包覆改性和初步胶接，然后利用金属离子交联和热压相结合的方法，对包覆纤维的阴阳生物质电解质进行离子交联，进一步增强胶接强度，从而实现高强、环保纤维板的制备。与传统的纤维板的制备原理完全不同，克服了传统纤维板制备过程中需要使用甲醛类树脂胶粘剂，存在甲醛污染的不足。
2.本发明所采用的生物质材料均含有丰富的碳、氮或磷元素，具有良好的成碳作用和阻燃效果，且在金属离子催化作用下更有利于碳层的形成，因而所制备的纤维板具有良好的阻燃效果，且不需额外添加阻燃剂。
3.本发明所用原材料均为天然生物质材料，无毒、无醛、无害，制备过程中不涉及任何有机溶剂；本发明通过层层组装包覆、冷压和热压工艺相结合，工艺成熟易操作，因而本发明具有制备工艺简单、安全、操作性强等优点，本发明所制备的纤维板可应用于有阻燃需求的室内装饰以及建筑材料。
具体实施方式
下面对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例1
本实施例提供一种壳聚糖-海藻酸钠生物质基环保阻燃纤维板的制备方法，包括以下步骤：
(1)生物质溶液或悬浮液的制备
将10g壳聚糖加入到990g去离子水中，加入1％的醋酸溶液，搅拌，使壳聚糖完全溶解分散均匀，配置成浓度为1％的壳聚糖溶液；将10g海藻酸钠加入到990g去离子水中，搅拌，使海藻酸钠完全溶解分散均匀，配置成浓度为1％的海藻酸钠溶液，待用。
(2)木质纤维的层层组装包覆改性
先将木纤维放入带正电荷的壳聚糖溶液中浸泡30min，取出挤压出溶液，并用去离子水洗涤干净，放入103℃烘箱，干燥10min；然后将干燥后的纤维放入带负电荷的海藻酸钠溶液中浸泡30min，取出挤压出溶液，用去离子水洗涤干净，放入103℃烘箱，干燥10min，此过程为一个循环，重复上述过程1个循环，最后干燥至一定含水率50％。
(3)纤维板的预压成型
将改性纤维进行手动铺装，在常温下以1MPa压力压制10min，初步压制出尺寸为20*20*3mm的纤维板。
(4)氯化钙溶液的配制
称取一定量的氯化钙，加入到去离子水中，搅拌均匀，配置出浓度为1mol/L 的氯化钙溶液。
(5)钙离子交联改性及热压成型
将步骤(3)中冷压制备的纤维板放入步骤(4)中的氯化钙溶液中，浸泡 30min，然后在180℃，2.5MPa压力条件下，热压10min，制备出环保阻燃纤维板。
(6)性能检测
参照GBT 17657-2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》对所制备纤维板的物理力学性能进行检测。实施例1中所得的纤维板的密度为0.78g/cm3，静曲强度和模量值较大，分别为36.2MPa、3600MPa，内结合强度为0.8MPa，吸水厚度膨胀率为28％，满足国家标准《GBT 11718-2009中密度纤维板》的要求；参照GB/T 2406-2008《塑料用氧指数法测定燃烧行为》标准，对纤维板氧指数进行测定，LOI为29。
实施例2
本实施例提供一种壳聚糖-海藻酸钠生物质基环保阻燃纤维板的制备方法，包括以下步骤：
(1)生物质溶液或悬浮液的制备
将5g壳聚糖加入到995g去离子水中，加入1％的醋酸溶液，搅拌，使壳聚糖完全溶解分散均匀，配置成浓度为0.5％的壳聚糖溶液；将5g海藻酸钠加入到 995g去离子水中，搅拌，使海藻酸钠完全溶解分散均匀，配置成浓度为0.5％的海藻酸钠溶液，待用。
(2)木质纤维的层层组装包覆改性
先将木纤维放入带正电荷的壳聚糖溶液中浸泡60min，取出挤压出溶液，并用去离子水洗涤干净，放入103℃烘箱，干燥10min；然后将干燥后的纤维放入带负电荷的海藻酸钠溶液中浸泡60min，取出挤压出溶液，用去离子水洗涤干净，放入103℃烘箱，干燥10min，此过程为一个循环，重复上述过程2个循环，最后干燥至一定含水率100％。
(3)纤维板的预压成型
将改性纤维进行手动铺装，在常温下以1MPa压力压制30min，初步压制出尺寸为20*20*3mm的纤维板。
(4)醋酸锰溶液的配制
称取一定量的醋酸锰，加入到去离子水中，搅拌均匀，配置出浓度为1mol/L 的醋酸锰溶液。
(5)锰离子交联改性及热压成型
将(3)中冷压制备的纤维板放入(4)中醋酸锰溶液中，浸泡60min，然后在180℃，2.5MPa压力条件下，热压8min,制备出环保阻燃纤维板。
(6)性能检测
参照GBT 17657-2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》对所制备纤维板的物理力学性能进行检测。实施例2中所得的纤维板的密度为0.75g/cm3，静曲强度和模量值较大，分别为29.50MPa、2900MPa，内结合强度为0.64MPa，吸水厚度膨胀率为37％，满足国家标准《GBT 11718-2009中密度纤维板》的要求；参照GB/T 2406-2008《塑料用氧指数法测定燃烧行为》标准，对纤维板氧指数进行测定，LOI为34。
实施例3
本实施例提供一种壳聚糖-植酸生物质基环保阻燃纤维板的制备方法，包括以下步骤：
(1)生物质溶液或悬浮液的制备
将10g壳聚糖加入到990g去离子水中，加入1％的醋酸溶液，搅拌，使壳聚糖完全溶解分散均匀，配置成浓度为1％的壳聚糖溶液；将10g植酸加入到990g 去离子水中，搅拌，使植酸完全溶解分散均匀，配置成浓度为1％的植酸溶液，待用。
(2)木质纤维的层层组装包覆改性
先将木纤维放入带正电荷的壳聚糖溶液中浸泡30min，取出挤压出溶液，并用去离子水洗涤干净，放入103℃烘箱，干燥10min；然后将干燥后的纤维放入带负电荷的植酸溶液中浸泡30min，取出挤压出溶液，用去离子水洗涤干净，放入103℃烘箱，干燥10min，此过程为一个循环，重复上述过程4个循环，最后干燥至一定含水率25％。
(3)纤维板的预压成型
将改性纤维进行手动铺装，在常温下以0.5MPa压力压制10min，初步压制出尺寸为20*20*3mm的纤维板。
(4)氯化钡溶液的配制
称取一定量的氯化钡，加入到去离子水中，搅拌均匀，配置出浓度为0.5mol/L 的氯化钡溶液。
(5)钡离子交联改性及热压成型
将(3)中冷压制备的纤维板放入(4)中氯化钡溶液中，浸泡60min，然后在200℃，1MPa压力条件下，热压30min,制备出环保阻燃纤维板。
(6)性能检测
参照GBT 17657-2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》对所制备纤维板的物理力学性能进行检测。实施例3中所得的纤维板的密度为0.80g/cm3，静曲强度和模量值较大，分别为33MPa、3469MPa，内结合强度为0.70MPa，吸水厚度膨胀率为30％，满足国家标准《GBT 11718-2009中密度纤维板》的要求；参照GB/T 2406-2008《塑料用氧指数法测定燃烧行为》标准，对纤维板氧指数进行测定，LOI为39。
实施例4
本实施例提供一种阳离子淀粉-植酸生物质基环保阻燃纤维板的制备方法，包括以下步骤：
(1)生物质溶液或悬浮液的制备
将10g阳离子淀粉加入到990g去离子水中，加热，搅拌，使淀粉全部溶解，配置成浓度为1％的阳离子淀粉溶液；将10g植酸加入到990g去离子水中，搅拌，使植酸完全溶解分散均匀，配置成浓度为1％的植酸溶液，待用。
(2)木质纤维的层层组装包覆改性
先将木纤维放入带正电荷的阳离子淀粉悬浮液中浸泡60min，取出挤压出溶液，并用去离子水洗涤干净，放入103℃烘箱，干燥10min；然后将干燥后的纤维放入带负电荷的植酸溶液中浸泡60min，取出挤压出溶液，用去离子水洗涤干净，放入103℃烘箱，干燥10min，此过程为一个循环，重复上述过程8个循环，最后干燥至一定含水率50％。
(3)纤维板的预压成型
将改性纤维进行手动铺装，在常温下以1MPa压力压制10min，初步压制出尺寸为20*20*3mm的纤维板。
(4)醋酸钴溶液的配制
称取一定量的醋酸钴，加入到去离子水中，搅拌均匀，配置出浓度为5mol/L 的醋酸钴溶液。
(5)钴离子交联改性及热压成型
将(3)中冷压制备的纤维板放入(4)中醋酸钴溶液中，浸泡60min，然后在160℃，2.5MPa压力条件下，热压10min，制备出环保阻燃纤维板。
(6)性能检测
参照GBT 17657-2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》对所制备纤维板的物理力学性能进行检测。实施例4中所得的纤维板的密度为0.78g/cm3，静曲强度和模量值较大，分别为34.60MPa、3465MPa，内结合强度为0.73MPa，吸水厚度膨胀率为29％，满足国家标准《GBT 11718-2009中密度纤维板》的要求；参照GB/T 2406-2008《塑料用氧指数法测定燃烧行为》标准，对纤维板氧指数进行测定，LOI为35。
实施例5
本实施例提供一种壳聚糖-卡拉胶生物质基环保阻燃纤维板的制备方法，包括以下步骤：
(1)生物质溶液或悬浮液的制备
将20g壳聚糖加入到980g去离子水中，加热，搅拌，使淀粉全部溶解，配置成浓度为2％的壳聚糖溶液；将20g卡拉胶加入到980g去离子水中，搅拌，使卡拉胶完全溶解分散均匀，配置成浓度为2％的卡拉胶溶液，待用。
(2)木质纤维的层层组装包覆改性
先将木纤维放入带正电荷的壳聚糖溶液中浸泡10min，取出挤压出溶液，并用去离子水洗涤干净，放入103℃烘箱，干燥10min；然后将干燥后的纤维放入带负电荷的卡拉胶溶液中浸泡10min，取出挤压出溶液，用去离子水洗涤干净，放入103℃烘箱，干燥10min，此过程为一个循环，重复上述过程2个循环，最后干燥至一定含水率100％。
(3)纤维板的预压成型
将改性纤维进行手动铺装，在常温下以1MPa压力压制10min，初步压制出尺寸为20*20*3mm的纤维板。
(4)硫酸铜溶液的配制
称取一定量的硫酸铜，加入到去离子水中，搅拌均匀，配置出浓度为2mol/L 的硫酸铜溶液。
(5)铜离子交联改性及热压成型
将(3)中冷压制备的纤维板放入(4)中硫酸铜溶液中，浸泡60min，然后在180℃，2.0MPa压力条件下，热压20min，制备出环保阻燃纤维板。
(6)性能检测
参照GBT 17657-2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》对所制备纤维板的物理力学性能进行检测。实施例5中所得的纤维板的密度为0.78g/cm3，静曲强度和模量值较大，分别为30.16MPa、3233MPa，内结合强度为1.15MPa，吸水厚度膨胀率为35％，满足国家标准《GBT 11718-2009中密度纤维板》的要求；参照GB/T 2406-2008《塑料用氧指数法测定燃烧行为》标准，对纤维板氧指数进行测定，LOI为42。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的数值并不限制本发明的范围。在这里示出和描述的所有示例中，除非另有规定，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (7)

1.一种生物质基环保阻燃纤维板制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）配置分别带正电荷和负电荷的生物质溶液或悬浮液；
（2）木质纤维的层层自组装改性：
将木质纤维依次浸入带正电荷的生物质溶液或悬浮液、以及带负电荷的生物质溶液或悬浮液中进行交替层层自组装包覆；组装结束后干燥至含水率10%-100%；
（3）对改性木质纤维铺装、常温下冷压，制备得到预成型的纤维板；（4）将冷压预成型的纤维板放入0.5-5mol/L的金属离子盐溶液中浸泡，浸泡的时间为10-60min，取出后热压压制，热压温度160-220 ℃，热压压力1 MPa-5 Mpa，热压时间5-30 mim，得到环保阻燃纤维板；所述的金属离子盐选自氯化钙、氯化镁、氯化钡、硫酸铜、氯化铝、氯化铁、醋酸锰、醋酸钴中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的生物质基环保阻燃纤维板制备方法，其特征在于，溶液或悬浮液带有正电荷的生物质选自壳聚糖、阳离子淀粉、明胶中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的生物质基环保阻燃纤维板制备方法，其特征在于，溶液或悬浮液带有负电荷的生物质选自海藻酸钠、卡拉胶、植酸、阿拉伯胶中的一种或多种。
4.根据权利要求1、2或3所述的生物质基环保阻燃纤维板制备方法，其特征在于，所述的生物质溶液或悬浮液的浓度为0.5%-2%。
5.根据权利要求1所述的生物质基环保阻燃纤维板制备方法，其特征在于，步骤（2）进行层层自组装时，浸渍时间为5-30min，每一次浸渍后需洗净、干燥。
6.根据权利要求1所述的生物质基环保阻燃纤维板制备方法，其特征在于，层层自组装循环次数为1-20次。
7.根据权利要求1所述的生物质基环保阻燃纤维板制备方法，其特征在于，步骤（3）中的冷压压力为0-1Mpa，冷压时间为10-30min。
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