CN114891278B - 一种全生物质基建筑材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种全生物质基建筑材料，其采用双醛淀粉、缩合单宁和秸秆制备得到，实质上是以全生物质有机砖块来替代无机砖块。与普通淀粉相比，双醛淀粉具有更好的反应活性，并能够与缩合单宁发生化学反应，从而提高淀粉的疏水性。缩合单宁具有稳定的酚环结构，本发明还采用干秸秆纤维作为填充剂对其进行增强填充。上述原材料均来源于生物质材料，天然可再生，制备得到的建筑材料具有良好的硬度、抗压强度和耐水性。本发明还提供了该全生物质基建筑材料的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及淀粉基材料技术领域，具体涉及一种全生物质基建筑材料以及该建筑材料的制备方法。
背景技术
混凝土是世界上使用最广泛的建筑材料，每年生产约60亿吨。但是原料的开采以及生产水泥的过程中大量二氧化碳的排放，对经济和环境都造成了许多影响，包括生态安全、对环境负面影响较大、不符合可持续发展理念。受到温室气体排放和资源紧张现状的影响，世界各国各地纷纷号召积极利用生物质资源，提高生物质资源的实用和利用率。
建筑行业是广泛应用各种材料的领域，于是探索和研究更多更好的建筑环保材料逐步成为主流。温室气体的过度排放极大地限制了混凝土建筑材料的未来发展，在当前这种形势下，研究并发展新型环保生物质材料用于建筑领域是十分重要的。目前以淀粉和生物秸秆制备生物质材料的技术已经存在，需要进一步提高这类材料的力学和机械性能。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
为了克服如上所述的技术问题，需要对现有的建筑材料进行改进，用生物质材料取代传统混凝土，并最大程度地降低制造成本，同时使其具有一定的机械强度。
本发明的第一目的在于提供一种全生物质基建筑材料，其以缩合单宁、双醛淀粉和秸秆作为原料制备得到，可应用于建筑行业。
本发明的第二目的在于提供上述全生物质基建筑材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明涉及一种全生物质基建筑材料，由包括以下重量份数的原料制备得到：缩合单宁10～50份，双醛淀粉50～60份，秸秆5～10份。
优选地，所述全生物质基建筑材料的原料还包括水50～70份。
本发明还涉及所述全生物质基建筑材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将秸秆制成粉末；
优选地，所述秸秆选自小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆或甘蔗秸秆中的至少一种。
(2)将所述缩合单宁、双醛淀粉、秸秆粉末和水混合后，将pH值调至2～3，搅拌，得到糊状物；
优选地，所述缩合单宁、双醛淀粉、秸秆粉末与水的质量比为(10～50):(50～60):(5～10):(50～70)。
优选地，用对甲苯磺酸水溶液调pH值，所述对甲苯磺酸水溶液的质量浓度为20％～40％。
优选地，所述搅拌条件为55～65℃水浴加热。
(3)将所述糊状物进行固化，得到所述全生物质基建筑材料。
优选地，所述固化在模具中进行，固化的温度为70～100℃，时间为20～30h。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种全生物质基建筑材料，其采用双醛淀粉、缩合单宁和秸秆制备得到，实质上是以全生物质有机砖块来替代无机砖块。与普通淀粉相比，双醛淀粉具有更好的反应活性，并能够与缩合单宁发生化学反应，从而提高淀粉的疏水性。缩合单宁具有稳定的酚环结构，本发明还采用干秸秆纤维作为填充剂对其进行增强填充。上述原材料均来源于生物质材料，天然可再生，制备得到的建筑材料具有良好的硬度、抗压强度和耐水性。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
本发明实施例涉及一种全生物质基建筑材料，由包括以下重量份数的原料制备得到：缩合单宁10～50份，双醛淀粉50～60份，秸秆5～10份，优选原料中还包括水50～70份。
其中，淀粉是植物体中贮存的养分，贮存在种子和块茎中，各类植物中的淀粉含量都较高。淀粉是高分子碳水化合物，是由葡萄糖分子聚合而成的，淀粉具有大量的羟基，具有较好的黏结特性，是天然生物质胶黏剂，采用淀粉制备可降解生物基砖块来降低二氧化碳排放和环境污染具有较好的发展前景。但是由于淀粉的热稳定性和耐水性较差，且反应活性差，因此本发明采用改性淀粉，即双醛淀粉和缩合单宁通过共混的形式进行物理共混和化学反应来提高淀粉的疏水性。
缩合单宁主要从树皮中提取，是栲胶的主要成分，同时也是最丰富的天然芳香族生物质材料之一，其稳定的酚环结构赋予了它较好的稳定性。与水解单宁相比，缩合单宁中具有杂环氧原子和共轭双键，使得缩合单宁具有较高的反应活性。
同时为了提高淀粉-单宁共混材料的力学性能，本发明采用干秸秆纤维作为填充剂对其进行增强填充。植物秸秆是农业种植产生的废料，属于可利用的生物质资源。上述原材料均来源于生物质材料，天然可再生，制备得到的建筑材料可作为砖块使用，其具有良好的硬度、抗压强度和耐水性。
本发明还涉及上述全生物质基建筑材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将秸秆制成粉末；
在本发明的一个实施例中，秸秆选自小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆或甘蔗秸秆中的至少一种。上述秸秆为干秸秆，采用粉碎机将其粉碎，得到粒径为0.1-0.15mm的秸秆粉末。
(2)将缩合单宁、双醛淀粉、秸秆粉末和水混合后，加入对甲苯磺酸将pH值调至2～3，搅拌，得到糊状物；
在本发明的一个实施例中，对甲苯磺酸以水溶液的形式加入，对甲苯磺酸溶液的质量浓度为20％～40％。对甲苯磺酸为非氧化性强酸，用于调节反应体系的pH值。之所以使用非氧化性强酸，目的是减少聚合物分子的降解以及淀粉开环，氧化性强度增加会促进聚合物的降解。
上述缩合单宁、双醛淀粉、秸秆粉末与水的质量比为(10～50):(50～60):(5～10):(50～70)。缩合单宁的加入量不能过大，因为其成本高于淀粉，且过大的加入量容易使所制备的建筑材料脆性增大，导致力学性能下降；如缩合单宁加入量过小，则起不到反应效果。
双醛淀粉作为多醛聚合物，与普通淀粉相比含有反应活性高的醛基，可以和缩合单宁在物理共混的同时发生化学反应，增大分子量，进一步提高淀粉基材料的疏水性以及粘接性能。单宁和双醛淀粉在酸性条件下主要发生亲核反应，其反应主要在单宁单体A环中C6和C8位置进行，其与双醛淀粉上的醛基主要通过碳键连接形成大分子化合物，主要化学反应式如下所示：
在本发明的一个实施例中，搅拌条件为55～65℃水浴加热。
(3)将糊状物置于模具中进行固化，得到所述全生物质基建筑材料。
在本发明的一个实施例中，固化的温度为70～100℃，时间为20～30h。
实施例中，杨梅单宁从杨梅树皮中提取得到，为缩合单宁，购自郑州金水区盛轩化工产品有限公司，工业级。
双醛淀粉购自山东泰安京山淀粉公司，工业级。
实施例1
(1)将干秸秆置于粉碎机中，得到秸秆粉末；
(2)按照表1中的用量，向500ml塑料烧杯中加入杨梅单宁、双醛淀粉、秸秆粉末和蒸馏水，搅拌均匀后，再加入质量浓度为30％的对甲苯磺酸(p-TSA)溶液调节pH为3。将烧杯置于60℃的水浴锅中搅拌，直至混合物呈现为糊状；
(3)将步骤(2)得到的糊状物取出，置于砖块模具中(200×100×50mm3)，表面压实，压实后放入90℃的恒温干燥箱干燥24h，得到单宁-淀粉-秸秆(TSSP)砖块。
标记杨梅单宁为T，双醛淀粉为S，干秸秆粉末为SP，更改变量并重复上诉流程获得不同类型的砖块样品作为对照组实验。因此所制备的对照组砖块分别有双醛淀粉(S)、杨梅单宁(T)、杨梅单宁-双醛淀粉(TS)、杨梅单宁-秸秆(TSP)、双醛淀粉-秸秆(SSP)几种类型，各原料具体用量也见表1。
表1不同类型砖块的原料及用量
*p-TSA用于将pH值调节为3，按照表1中的原料用量，加入量可以统一为1g。
在杨梅单宁-双醛淀粉-秸秆(TSSP)砖块的基础上，改变原料用量，其它制备步骤不变，得到TSSP1和TSSP2砖块，各原料具体用量见表2。
表2不同类型砖块的原料及用量
对比例1
在杨梅单宁-双醛淀粉-秸秆(TSSP)砖块的基础上，将双醛淀粉替换为普通玉米淀粉(S’)，其它制备步骤不变，得到TS’SP砖块。
对比例2
在杨梅单宁-双醛淀粉-秸秆(TSSP)砖块的基础上，将杨梅单宁替换为常用的黑荆树单宁(T’)，(其为缩合单宁，购自郑州金水区盛轩化工产品有限公司，工业级)，其它制备步骤不变，得到T’SSP砖块。
对上述实施例和对比例制备得到的砖块进行布氏硬度、抗压强度和弯曲强度测试，结果见表3。
测试标准如下：
(1)布氏硬度测试
使用HB-3000B布氏硬度计对砖块进行硬度测试，参照国家标准GB/T231.1-2009。试样尺寸为(50±0.5)mm×(50±0.5)mm×(25±0.5)mm。布氏硬度(HBW)计算如公式1所示：
式中，0.102为常数，
F为压力，N；D为硬合金球直径，mm；d为压痕平均直径，mm。
(2)吸水率测试
将砖块样品尺寸为(50±0.5)mm×(50±0.5)mm×(25±0.5)mm称取初始质量后将其完全浸泡在恒温水槽内24h，前五个小时每小时记录一次，24小时后，将浸泡的样品从水中取出，确保样品表面没有残留的多余水分后再进行称重，并记录重量。砖块吸水率的计算如式(2)所示。
式中，W为泡沫的吸水率，％；mn为泡沫在经过规定时间浸泡后的重量，g；m0为泡沫的初始重量，g。
(3)抗压强度测试
参照国家标准GB/T 1041-92。在保证样品表面光滑平整的情况下，将砖块制成尺寸为(25±0.5)mm×(20±0.5)mm×(15±0.5)mm的长方体。力学试验机的工作面积应大于被测试样的受力面积。力学试验机工作的机械压头的压缩速率为2.0mm/min。
(4)抗弯强度测试
三点弯曲强度测试参照国家标准GB/T 14452-93，机械压头的下降速率为3mm/min。调节力学试验机的压缩速率，并调整好试样摆放的跨距。将试样对称地安放于弯曲试验装置上，对试样连续施加弯曲力，直至试样断裂。从记录的弯曲力-挠度曲线上读取最大弯曲力Fbb,按照式(3)进行计算。试样尺寸为100mm×50mm×20mm，
式中，σbb为弯曲强度，MPa；Fbb为最大弯曲力，N；L代表跨距，mm；W代表试样截面系数，m3。
表3实施例和对比例的测试结果
从上述测试结果可知，S砖块中仅含有双醛淀粉，其硬度和强度均较低，在水中浸泡4小时便发生塌陷。
用杨梅单宁制备的T砖块的各项强度均较低，其原因在于杨梅单宁的大分子结构杂乱无序，无结晶区，且其含有较多酚环结构导致固化后的单宁树脂具有较大的脆性，韧性较差，因此导致各项性能较差。
在S砖块的基础上加入杨梅单宁共混后，杨梅单宁与双醛淀粉发生了一定程度的化学反应，使TS砖块相比S和T砖块具有更高的硬度和强度。将TS砖块在水中浸泡了20小时也没有塌陷，其吸水率为72％。说明与S砖块相比，加入杨梅单宁后的TS砖块的耐水性能提高了。
在TS砖块的基础上添加了秸秆，尽管吸水率相比TS砖块有所上升，但是其各项力学性能与TS、S、TSP、SSP砖块相比显著提高，说明将秸秆与双醛淀粉和缩合单宁共混提高了砖块的力学性能，且其吸水率接近于TS砖块。同时由三者在不同配比条件下制备砖块TSSP、TSSP1和TSSP2的测试结果结合所测试的各项性能，综合考虑得出TSSP所采用的双醛淀粉、杨梅单宁和秸秆的比例最优。
同时TSSP与TS’SP砖块相比，前者具有更高的力学性能和更低的吸水率，说明双醛淀粉相比于普通淀粉，由于其醛基与杨梅单宁的反应导致TS体系的分子量更大，进一步提高了砖块的力学性能和疏水性。
如果将杨梅单宁换成常见的黑荆树单宁，制备的T’SSP与TSSP砖块相比，采用杨梅单宁制备的砖块的力学性能略高一点，这主要取决于杨梅单宁和黑荆树单宁在结构上微弱的差异。总体来说，将杨梅单宁与双醛淀粉混合后与秸秆制备的砖块相比双醛淀粉或杨梅单宁与秸秆混合制备的砖块具有更高的力学性能和更好的疏水性能，尽管加入秸秆后的TSSP相比TS砖块，其吸水率略有提高，但是前者的力学性能较后者好。
本发明的原材料全部来自于农林废弃物生物质材料，属于可再生资源，可减少石化资源的浪费和二氧化碳的排放，提高秸秆的利用率。得到的生物基建筑材料的制备工艺简单，可降解。
淀粉具有较好的黏结性能，但其耐水性较差，采用改性双醛淀粉，可以提高淀粉的反应活性，其次加入单宁共混后有效降低了其吸水率，提高了淀粉的疏水性。另外，加入干秸秆提高了砖块的硬度、抗压强度和弯曲强度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种全生物质基建筑材料，其特征在于，由包括以下重量份数的原料制备得到：缩合单宁10~50份，双醛淀粉50~60份，秸秆5~10份。
2.根据权利要求1所述的建筑材料，其特征在于，所述原料还包括水50~70份。
3.根据权利要求1或2所述的全生物质基建筑材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将秸秆制成粉末；
（2）将所述缩合单宁、双醛淀粉、秸秆粉末和水混合后，将pH值调至2~3，搅拌，得到糊状物；
（3）将所述糊状物进行固化，得到所述全生物质基建筑材料；
步骤（2）中用对甲苯磺酸水溶液调pH值。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述秸秆选自小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆或甘蔗秸秆中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述对甲苯磺酸水溶液的质量浓度为20%~40%。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述缩合单宁、双醛淀粉、秸秆粉末与水的质量比为(10~50):(50~60):(5~10):(50~70)。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述搅拌条件为55~65℃水浴加热。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述固化在模具中进行，固化的温度为70~100℃，时间为20~30h。
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