CN114953078A

CN114953078A - 一种竹材复合材料的制备方法及其产品和应用

Info

Publication number: CN114953078A
Application number: CN202210781275.8A
Authority: CN
Inventors: 葛省波; 郑桂洋; 夏常磊; 叶浩然; 石洋; 康雪莲
Original assignee: Nanjing Forestry University
Current assignee: Nanjing Forestry University
Priority date: 2022-07-04
Filing date: 2022-07-04
Publication date: 2022-08-30
Anticipated expiration: 2042-07-04
Also published as: CN114953078B

Abstract

本发明公开了一种竹材复合材料的制备方法及其产品和应用，包括醋酸球磨复合处理：在醋酸水溶液中加入竹材粉碎后的粉末，进行球磨，静置冷却，过滤，得到复合处理后的竹材，用水喷淋至中性；干燥处理：将醋酸球磨复合处理得到的竹材气干；热处理。本发明有效优化了竹材的加工工艺，本发明的整个制备过程不需要施加任何胶黏剂，不产生污染，工艺简单易成规模，对设备材料的要求低。

Description

一种竹材复合材料的制备方法及其产品和应用

技术领域

本发明属于竹材加工技术领域，具体涉及一种竹材复合材料的制备方法及其产品和应用。

背景技术

传统的生物复合材料以生物质为原料，通过加工分离成不同形状或单元材料，并与添加剂结合。当今用于建筑材料或家具材料的生物复合材料主要是人造板，但在主流人造板的生产过程中不可避免地会用到合成粘合剂。虽然粘合剂的使用使人造板获得了更高的机械性能和耐水性，但粘合剂的使用不仅会加速石油资源的消耗，而且在制造过程中还会污染环境，危害人体健康。这与我们所期望的绿色环保的初衷背道而驰。绿色生物复合材料从绿色环保和可持续发展的要求出发，以可再生生物质资源为原料，具有绿色生产工艺的高性能复合材料，既降低了生产成本，又降低了生产成本，石油资源的消耗。这促进了资源的可持续利用和人类的可持续发展。

目前，竹材的生物复合材料有两种类型。一种是通过化学方法从排列整齐的天然竹纤维束中去除木质素和半纤维素来制备纤维素骨架。通过填充粘合剂或其他物质制备高性能生物复合材料。这种方法可以最大程度地避免天然竹子的结构缺陷。然而，化学试剂的处理和灌装不可避免地带来了工艺繁琐和污染的问题。相关研究集中在改进化学试剂的使用和简化工艺，力求提取相对完整的竹松散纤维。另一种方法是一种简单、快速且可扩展的方法，即通过加热和压缩，将天然竹细胞压缩成致密的材料。这种方法不需要使用粘合剂，是一种绿色方法。但这种方法对竹子的品质要求较高，不能利用竹子生产范围广、产量高的优势。因此，迫切需要开发一种原料来源广泛、生产工艺简单易行、性能优良的生物复合材料。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

作为本发明其中一个方面，本发明提供一种竹材复合材料的制备方法，其特征在于：由以下步骤组成，

醋酸球磨复合处理：在醋酸水溶液中加入竹材粉碎后的粉末，在125~135℃下进行球磨，静置冷却，过滤，得到复合处理后的竹材，用水喷淋至中性；

干燥处理：将醋酸球磨复合处理得到的竹材气干；

热处理：将干燥处理后的竹材放入压机中热压，冷却，得到竹材复合材料。

作为本发明所述的竹材复合材料的制备方法的一种优选方案：所述在醋酸水溶液中加入竹材粉碎后的粉末，其中，所述醋酸水溶液，浓度为6~12 wt%。

作为本发明所述的竹材复合材料的制备方法的一种优选方案：所述在醋酸水溶液中加入竹材粉碎后的粉末，其中，竹材粉和醋酸水溶液的料液比为1：1。

作为本发明所述的竹材复合材料的制备方法的一种优选方案：所述在125~135℃下进行球磨，其中，所述球磨，使用的研磨球平均直径5~7mm，用量为每升溶液中加入80~120颗研磨球。

作为本发明所述的竹材复合材料的制备方法的一种优选方案：所述在125~135℃下进行球磨，其为在130℃，200~250rpm的转速下球磨，球磨时间为4~4.5 h。

作为本发明所述的竹材复合材料的制备方法的一种优选方案：所述气干，为在恒温恒湿箱内或铺放在自然环境下气干。

作为本发明所述的竹材复合材料的制备方法的一种优选方案：所述在醋酸水溶液中加入竹材粉碎后的粉末，其中，所述粉末，所述粉末的目数为60-80目。

作为本发明所述的竹材复合材料的制备方法的一种优选方案：所述热压，为在160~165 ℃的温度下以20MPa的压力热压1h。

本发明的有益效果：本发明有效优化了竹材的加工工艺，本发明的整个制备过程不需要施加任何胶黏剂，不产生污染，工艺简单易成规模，对设备材料的要求低。本发明意外的发现，在热压前采用醋酸球磨复合处理的方式，并调整合适的醋酸浓度、球磨温度、球磨时间和热压条件，能够显著提高竹材的力学性能和耐水性。本发明制备得到的竹复合材料，耐水性能好，加工性能好，且具有优良的机械性能，由于不施加胶黏剂等化学物质，回收率可达到100%，绿色环保，原料来源也可通过回收废弃竹材得到，造价低廉，并且加工成型的板材纹理清晰，手感舒适。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为实施例得到的竹板材照片。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例1：

竹材复合材料的制备方法：

1）醋酸球磨复合处理：在10wt%的醋酸溶液中放入废弃回收竹材粉（料液比1：1（kg/L）），和研磨球（研磨球平均直径6mm，用量100颗/L溶液），其中，废弃回收竹材粉目数为60-80目，将上述溶液放在球磨机中，130℃的温度下，250rpm的转速下处理4h，静置冷却后，使用150目的滤网过滤弃掉液体，得到复合处理后的竹材，用水喷淋至中性；

2）干燥处理：将步骤1）得到的竹材铺放在自然环境下气干；

3）热处理：将步骤2）得到的竹材铺装在成型模具中，铺装厚度为15mm，然后放入压机中，在160℃的温度下以20MPa的压力热压1h得到板材；随后压机通入冷却水，将板材冷却至室温，放在自然环境下使其含水率达到平衡（含水量9-12%）。

对本发明采用拉伸力学强度测试，使用万能力学试验机进行测试，夹具夹持8mm宽的标准样品两端，对试样施加拉伸力，测定样品的应力-应变曲线。制备出的竹板材力学强度达到286MPa，内外颜色一致，表面为棕红色，具有美观效果，并且相比于天然竹材，本发明制得的竹复合材料的耐水性非常优秀，对样品进行耐水性测试，将烘至绝干的样品完全泡入水中，一段时间后取出称重，计算样品的吸水率。在浸泡时间为12h时，吸水率仅为3.02%，在浸泡时间为48h时达到6.98%的吸水率顶点，并且长时间保持不变。而天然竹材在20h的时间吸水率已经达到50%，并且在随后的时间长期增加，最后达到90%。说明制得的竹复合材料具有良好的耐水性。步骤1所用的醋酸溶液可以循环使用。

对照例1：

竹材复合材料的制备方法：

1）醋酸球磨复合处理：在20wt%或5wt%的醋酸溶液中放入废弃回收竹材粉（料液比1：1（kg/L））和研磨球（研磨球直径6mm，用量100颗/L溶液），将上述溶液放在球磨机中，130℃的温度下，250rpm的转速下处理4h，静置冷却后，弃掉液体，得到复合处理后的竹材，用水喷淋至中性；

3）热处理：将步骤2）得到的竹材铺装在成型模具中，铺装厚度为15mm，然后放入压机中，在160℃的温度下以20MPa的压力热压1h得到板材；随后压机通入冷却水，将板材冷却至室温，放在自然环境下使其含水率达到9-12%。

采用20wt%浓度的醋酸溶液时，制得的竹复合材料的抗拉强度为242Mpa，采用5wt%浓度的醋酸溶液时，制得的竹复合材料的抗拉强度为204MPa。

耐水性测试：对样品进行耐水性测试，将烘至绝干的样品完全泡入水中，一段时间后取出称重，计算样品的吸水率。采用20wt%的醋酸溶液时，在浸泡时间为12h时，样品的吸水率达到30%，说明过量的醋酸会影响样品的耐水性。而采用5wt%的醋酸溶液时，12h吸水率与实例1基本一致，但在随后的时间继续上升，在最后保持到15%，说明耐水性依然不如实例1。

对照例2：

竹材复合材料的制备方法：

1）醋酸处理：在10wt%的醋酸溶液中放入废弃回收竹材粉（料液比1：1（kg/L）），浸泡12h，过滤弃掉液体，得到复合处理后的竹材，用水喷淋至中性；

制得的竹复合材料的拉伸强度为180MPa，说明没有球磨处理，单使用醋酸作为预处理，机械强度差于复合处理。耐水性测试：对样品进行耐水性测试，将烘至绝干的样品完全泡入水中，一段时间后取出称重，计算样品的吸水率。采用对照例2所展示的方法制备的样品，在浸泡时间达到12h后，样品的吸水率达到25%，推测可能是由于未经球磨处理导致竹材细胞中的木质素与半纤维素的联结没有被完全打断，半纤维素是亲水的，在半纤维素没有被完全去除的情况，样品的吸水率就会有所升高。

对照例3：

1）干燥处理：将废弃回收竹材粉铺放在自然环境下气干；

2）热处理：将步骤1）得到的竹材铺装在成型模具中，铺装厚度为15mm，然后放入压机中，在160℃的温度下以20MPa的压力热压1h得到板材；随后压机通入冷却水，将板材冷却至室温，放在自然环境下使其含水率达到平衡.

制得的竹复合材料的拉伸强度为130Mpa。耐水性测试：对样品进行耐水性测试，将烘至绝干的样品完全泡入水中，一段时间后取出称重，计算样品的吸水率。对照例3所制备的样品，在浸泡时间达到12h后，吸水率达到9.12%，在浸泡时间为48h达到吸水率的峰值12.39%。

对照例4：

1）球磨处理：在水溶液中放入废弃回收竹材粉（料液比1：1（kg/L））和研磨球（研磨球直径6mm，用量100颗/L溶液），将上述溶液放在球磨机中，130℃的温度下，250rpm的转速下处理4h，静置冷却后，弃掉液体，得到复合处理后的竹材，用水喷淋至中性；

3）热处理：将步骤2）得到的竹材铺装在成型模具中，铺装厚度为15mm，然后放入压机中，在160℃的温度下以20MPa的压力热压1h得到板材；随后压机通入冷却水，将板材冷却至室温，放在自然环境下使其含水率达到平衡

制得的竹复合材料的拉伸强度为195Mpa。单纯用球磨处理后竹材的机械性能较低，可能是由于在仅采用球磨处理时，竹材细胞中的化学键强度较大，没有化学试剂的辅助处理时，仅靠机械作用打断化学键的效率是较低的。

对照例5：

竹材复合材料的制备方法：

1）醋酸球磨复合处理：在10wt%的醋酸溶液中放入废弃回收竹材粉（料液比1：1（kg/L））和研磨球（研磨球直径6mm，用量100颗/L溶液），将上述溶液放在球磨机中，130℃的温度下，250rpm的转速下处理4h，静置冷却后，采用150目以上的滤网过滤弃掉液体，得到复合处理后的竹材，用水喷淋至中性；

3）热处理：将步骤2）得到的竹材铺装在成型模具中，铺装厚度为15mm，然后放入压机中，在180℃的温度下以20MPa的压力热压1h得到板材；随后压机通入冷却水，将板材冷却至室温，放在自然环境下使其含水率达到平衡。

制得的竹复合材料的拉伸强度为263MPa，且表面呈炭黑色，不美观。说明热模压的温度的过高会导致材料表面碳化，机械性能下降。

对照例6：

竹材复合材料的制备方法：

3）热处理：将步骤2）得到的竹材铺装在成型模具中，铺装厚度为15mm，然后放入压机中，在160℃的温度下以10MPa的压力热压1h得到板材；随后压机通入冷却水，将板材冷却至室温，放在自然环境下使其含水率达到平衡。

复合材料的拉伸强度为100MPa，表面为竹黄色。说明木质素没有完全析出在纤维素表面，所以力学强度较差，说明模压的压力较低无法得到力学强度较高的复合材料。

对照例7：

竹材复合材料的制备方法：

1）醋酸球磨复合处理：在10wt%的醋酸溶液中放入废弃回收的目数为20-40目或100-120目的竹材粉（料液比1：1（kg/L））和研磨球（研磨球直径6mm，用量100颗/L溶液），将上述溶液放在球磨机中，130℃的温度下，250rpm的转速下处理4h，静置冷却后，使用滤网过滤弃掉液体，为避免粉末被滤过，使用超过150目的滤网进行过滤，得到复合处理后的竹材，用水喷淋至中性；

对本发明采用拉伸力学强度测试，使用万能力学试验机进行测试，夹具夹持8mm宽的标准样品两端，对试样施加拉伸力，测定样品的应力-应变曲线。采用80-100目的竹材所制备的板材力学强度为273MPa，20-40目的竹材所制备的板材力学强度为140MPa，过大过小的粒径都会给热模压中板材的结合造成影响。对样品进行耐水性测试，将烘至绝干的样品完全泡入水中，一段时间后取出称重，计算样品的吸水率。在浸泡时间为12h时，20-40目的板材吸水率为10.23%，80-100目的板材吸水率为7.64%，在浸泡时间为48h时，20-40目的板材吸水率达到17.41%的顶点，80-100目的板材吸水率达到12.98%的顶点。

对照例8：

竹材复合材料的制备方法：

2）醋酸处理：醋酸处理：在10wt%的醋酸溶液中放入废弃回收竹材粉（料液比1：1（kg/L）），浸泡12h，过滤弃掉液体，得到复合处理后的竹材，用水喷淋至中性；

3）干燥处理：将步骤2）得到的竹材铺放在自然环境下气干；

4）热处理：将步骤3）得到的竹材铺装在成型模具中，铺装厚度为15mm，然后放入压机中，在160℃的温度下以20MPa的压力热压1h得到板材；随后压机通入冷却水，将板材冷却至室温，放在自然环境下使其含水率达到9-12%。

制得的竹复合材料的拉伸强度为196Mpa，表明分开使用球磨和醋酸的处理，得到的板材力学性能下降，可能是由于单独的酸环境或机械切磨的条件不能有效的解构竹材细胞，从而最终影响到板材的力学性能。

实施例2：

竹材复合材料的制备方法：

1）醋酸球磨复合处理：在12wt%的醋酸溶液中放入天然竹材粉（料液比1：1（kg/L））和研磨球（研磨球直径6mm，用量100颗/L溶液），将上述溶液放在球磨机中，130℃的温度下，250rpm的转速下处理4h，静置冷却后，过滤弃掉液体，得到复合处理后的竹材，用水喷淋至中性；

3）热处理：将步骤2）得到的竹材铺装在成型模具中，铺装厚度为15mm，然后放入压机中，在160℃的温度下以20MPa的压力热压1h得到板材；随后压机通入冷却水，将板材冷却至室温，放在自然环境下使其含水率达到平衡。

制备出的板材力学强度达到290MPa。

实施例3：

竹材复合材料的制备方法：

1）醋酸球磨复合处理：在12wt%的醋酸溶液中放入从实施例1得到板材回收的竹复合材料粉末（料液比1：1（kg/L））和研磨球（研磨球直径6mm，用量100颗/L溶液），将上述溶液放在球磨机中，130℃的温度下，250rpm的转速下处理4h，静置冷却后，过滤弃掉液体，得到复合处理后的竹材，用水喷淋至中性；

制备出的板材力学强度280Mpa。制得的竹复合材料的耐水性非常优秀，在20h达到12%的吸水率顶点，并且长时间保持不变。说明实施例1制备的竹复合材料的工艺是可以循环使用的，由于没有增加额外的添加剂，使得这种竹复合材料的回收率达到100%。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种竹材复合材料的制备方法，其特征在于：由以下步骤组成，

干燥处理：将醋酸球磨复合处理得到的竹材气干；

2.根据权利要求1所述的竹材复合材料的制备方法，其特征在于：所述在醋酸水溶液中加入竹材粉碎后的粉末，其中，所述醋酸水溶液，浓度为6~12 wt%。

3.根据权利要求1或2所述的竹材复合材料的制备方法，其特征在于：所述在醋酸水溶液中加入竹材粉碎后的粉末，其中，竹材粉和醋酸水溶液的料液比为1：1。

4.根据权利要求1或2所述的竹材复合材料的制备方法，其特征在于：所述在125~135℃下进行球磨，其中，所述球磨，使用的研磨球平均直径5~7mm，用量为每升溶液中加入80~120颗研磨球。

5.根据权利要求1或2所述的竹材复合材料的制备方法，其特征在于：所述在125~135℃下进行球磨，其为在130℃，200~250rpm的转速下球磨，球磨时间为4~4.5 h。

6.根据权利要求1或2所述的竹材复合材料的制备方法，其特征在于：所述气干，为在恒温恒湿箱内或铺放在自然环境下气干。

7.根据权利要求1或2所述的竹材复合材料的制备方法，其特征在于：所述在醋酸水溶液中加入竹材粉碎后的粉末，其中，所述粉末的目数为60-80目。

8.根据权利要求1或2所述的竹材复合材料的制备方法，其特征在于：所述热压，为在160~165 ℃的温度下以20MPa的压力热压1h。

9.权利要求1所述制备方法制备得到的竹材复合材料。

10.权利要求1所述制备方法制备得到的竹材复合材料在建筑、家具竹板材中的应用。