CN115785691B - 一种低voc特种纤维材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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- Dry Formation Of Fiberboard And The Like (AREA)
Abstract
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种低VOC特种纤维材料及其制备方法和应用。本发明提供的低VOC特种纤维材料，包括以下原料及其质量份数：纤维材料120‑150份，填料32‑45份，表面改性剂0.3‑0.5份，胶粘剂9‑16份。本发明提供的特种纤维材料具有挥发性有机化合物释放量低，且具有优异的物理强度，低吸水厚度膨胀率，静曲强度高、弹性模数高、内结合强度高等优点，应用范围广，具有良好的应用前景和环保价值。
Description
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种低VOC特种纤维材料及其制备方法和应用。
背景技术
特种纤维板主要指为获得某些特殊的物理力学性能或外观性能而压制成的板材。随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，这类纤维板产品无论是品种还是数量都有逐渐增长的趋势，因此国内纤维板行业受到越来越多的关注。特种纤维板主要分为：阻燃板(或称防火板)、防腐纤维板、消声板、复合纤维板、模压纤维板、薄型纤维板、其它类型特种纤维板。其中，阻燃型纤维板的研究始于20世纪60年代，美国首次对硬质纤维板的阻燃处理进行了探索性研究，他们在湿法硬质板制造过程中加入水溶性盐类阻燃剂。木材和木质人造板主要都是由纤维素、半纤维素和木素构成的，它们都很易受微生物(细菌、真菌、昆虫和海生钻木动物)的侵害而变质。虽然纤维板(硬质板和中密度板)目前大多用作家俱制造和室内装饰材料，不会受长期高湿度或液态水直接作用，因而一般不易受到真菌侵蚀。但随着纤维在建筑上，尤其是室外的应用，防腐纤维板应运而生。消声板是指吸声板和隔音板的总称。前者作为空气传播声的消声材料，如用作天棚与墙壁的贴面材料；后者则作为冲击声的消声材料，如用于制作围护结构的隔板和楼间板。复合纤维板可以是不同类型板材的任意组合形式，也可以是一种纤维板同另一类型纤维板的复合，可以单独分开层压、也可以同时加压制成。压制这种产品的目是为了改善纤维板的某些物理性能，如软质板与硬质板复合可以改善声学性能，同时又可以保证一定的强度性能；玻璃纤维与木质纤维压制的纤维板可以提高强度、耐水和阻然性能，将两块硬质纤维板背面相对胶压，可以抑制应力变形，对弯曲加工有利。纤维板湿贴微薄木或其它饰面材料可以提高装饰效果等等。模压纤维板可以是生产过程中模压成型，也可以在对成品软化后进行模压。薄型纤维板可以用来代替三合板作为基材的贴面。由于其成本低廉，因而用于中、高档家具制作、室内装修及车辆船舶装修。
特种纤维材料的生产离不开胶粘剂，例如中国专利申请CN101716793A公开了一种氢氧化铝复合阻燃密度纤维板及其制备方法，依据该发明所制备的阻燃密度纤维板，其所需要的特征物质及其质量份数如下：木纤维100份、氢氧化铝20-30份、阻燃协效剂0-10份、偶联剂1-3份、胶黏剂12-18份、固化剂1-3份、防水剂1-3份；其中防水剂为质量百分比浓度20％-30％的石蜡乳液，胶黏剂为固含量40％-50％的脲醛树脂。中国专利申请CN101642925A公开了一种利用蓖麻秆为原料的脲醛树脂胶中密度纤维板，其是以含水率为8％的蓖麻秆纤维或蓖麻秆与脲醛树脂胶固体添加量的重量比为(86-90)∶(14-10)；制备工艺：原料处理；纤维拌胶和干燥；铺装和预压；热压；后期处理。然而上述发明均是以脲醛树脂为胶粘剂，脲醛树脂的使用会产生VOC，VOC是挥发性有机化合物(volatile organiccom－pounds)的英文缩写。VOC主要包括烷烃、烯烃、芳烃、醛类或酮类等物质，具有特殊的气味刺激性，而且部分已被列为致癌物，如氯乙烯、苯、多环芳烃等，部分VOC对臭氧层也有破坏作用，如氯氟烃和氢氯氟烃。其中20多种为致癌物或致突变物。由于它们单独的浓度低，但种类多，故总称为VOCs，以TVOC表示其总量(即总挥发性有机物)。TVOC浓度过高时，很容易引起急性中毒，轻者会出现头痛、头晕、咳嗽、恶心、呕吐；重者会出现肝中毒，甚至很快昏迷，有的还可能有生命危险。经国外医学研究证明，生活在VOC环境影响中的孕妇，造成胎儿畸形的概率远远高于常人，并且有可能对孩子今后的智力发育造成影响。因此，迫切需要研制出一种低VOC的特种纤维材料。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种低VOC特种纤维材料及其制备方法和应用。本发明提供的特种纤维材料具有挥发性有机化合物释放量低，且具有优异的物理强度，低吸水厚度膨胀率，静曲强度高、弹性模数高、内结合强度高等优点，应用范围广，具有良好的应用前景和环保价值。
本发明的技术方案是：
一种低VOC特种纤维材料，包括以下原料及其质量份数：纤维材料120-150份，填料32-45份，表面改性剂0.3-0.5份，胶粘剂9-16份。
进一步地，所述的低VOC特种纤维材料，包括以下原料及其质量份数：纤维材料138份，填料40份，表面改性剂0.4份，胶粘剂11份。
进一步地，所述填料包括高岭土、碳酸钙和沸石粉。
进一步地，所述填料中高岭土、碳酸钙和沸石粉的质量比为12-15:7-10:1-3。
进一步地，所述填料中高岭土、碳酸钙和沸石粉的质量比为13:8:2。
进一步地，所述表面改性剂为双(二辛氧基焦磷酸酯基)乙撑钛酸酯、四异丙基二(二辛基亚磷酸酰氧基)钛酸酯和异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯中的两种。
进一步地，所述胶粘剂为改性小麦淀粉。
进一步地，所述改性小麦淀粉的制备方法为：
(1)取十二烷基硫酸钠，加水，水的加入量为十二烷基硫酸钠质量的28-35倍，搅拌至完全溶解，加入巴豆酸，巴豆酸的加入量为十二烷基硫酸钠质量的4-6倍，搅拌至完全溶解，得混合液；
(2)取小麦淀粉，干燥至恒重，小麦淀粉与步骤(1)中十二烷基硫酸钠的质量比为40-50:1，将干燥后的小麦淀粉加入反应器中，加入摩尔浓度为0.5-1.5mol/L的盐酸溶液，搅拌下加热至50-60℃，恒温1-2h，调节pH至3.5-4.5，加热至70-80℃，加入过硫酸铵，滴加步骤(1)所得混合液，加入硅溶胶，硅溶胶的加入量为小麦淀粉质量的5-10％，加入质量浓度为10-20％的聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇溶液的量为小麦淀粉质量的50-60％，加热至75-85℃，恒温1-2h，降至室温，即得。
本发明还提供了所述的低VOC特种纤维材料的制备方法，步骤如下：
S1取纤维材料，进行蒸煮处理，蒸煮时间为10-20min，得软化后纤维材料；
S2向步骤S1所得软化后纤维材料中加入填料，将上述物料送入热磨机中，在150-160℃下热磨，热磨机转速为1000-1100r/min，热磨时间为3-5min，得热磨后物料；
S3向步骤S2所得热磨后物料中加入胶粘剂和表面改性剂，搅拌混合均匀后进行铺装成型、预压和热压处理，热压成型，即得。
本发明的另一目的在于提供所述的低VOC特种纤维材料在制鞋材料、箱包材料、工业垫片、绝缘材料中的应用。
采用本发明的方法制得的改性小麦淀粉安全、环保，将其应用于特种纤维材料的制备中，能够降低挥发性有机化合物的释放量。而且，采用本发明的方法制得的改性小麦淀粉具有良好的胶接强度以及耐水性，将采用本发明的方法制得的改性小麦淀粉作为胶粘剂应用于特种纤维材料的制备中，能够显著提高特种纤维材料的力学性能。本发明中特定组成的表面改性剂能够提高填料在特种纤维材料中的分散性，提高特种纤维材料的力学性能；同时，本发明中的填料由高岭土、碳酸钙和沸石粉组成，填料中的高岭土、碳酸钙和沸石粉三者相互配合也能起到提高特种纤维材料的力学性能的作用。
与现有技术相比，本发明具有如下优势：
(1)本发明在保证特种纤维材料的力学性能的同时，能够降低挥发性有机化合物的释放量。
(2)本发明制得的特种纤维材料具有优异的物理强度，静曲强度高、弹性模数高、内结合强度高，吸水厚度膨胀率低。
(3)本发明制得的特种纤维材料能够应用于制鞋材料、箱包材料、工业垫片、绝缘材料等领域，应用范围广，具有良好的应用前景和环保价值。
具体实施方式
以下通过具体实施方式的描述对本发明作进一步说明，但这并非是对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种修改或改进，但是只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的范围之内。
如无特殊说明，本发明中所用原料均为市售。
实施例1、一种低VOC特种纤维材料
所述低VOC特种纤维材料，包括以下原料及其质量份数：纤维材料120份，填料32份，表面改性剂0.3份，胶粘剂9份；所述填料包括高岭土、碳酸钙和沸石粉；所述填料中高岭土、碳酸钙和沸石粉的质量比为12:10:3；所述表面改性剂由双(二辛氧基焦磷酸酯基)乙撑钛酸酯和四异丙基二(二辛基亚磷酸酰氧基)钛酸酯按质量比4：7组成；所述胶粘剂为改性小麦淀粉。
所述改性小麦淀粉的制备方法为：
(1)取十二烷基硫酸钠，加水，水的加入量为十二烷基硫酸钠质量的28倍，搅拌至完全溶解，加入巴豆酸，巴豆酸的加入量为十二烷基硫酸钠质量的4倍，搅拌至完全溶解，得混合液；
(2)取小麦淀粉，干燥至恒重，小麦淀粉与步骤(1)中十二烷基硫酸钠的质量比为40:1，将干燥后的小麦淀粉加入反应器中，加入摩尔浓度为0.5mol/L的盐酸溶液，搅拌下加热至50℃，恒温1h，调节pH至3.5，加热至70℃，加入过硫酸铵，滴加步骤(1)所得混合液，加入硅溶胶，硅溶胶的加入量为小麦淀粉质量的5％，加入质量浓度为10％的聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇溶液的量为小麦淀粉质量的50％，加热至75℃，恒温1h，降至室温，即得。
所述纤维材料的制备方法为：取杨木，进行烘干处理，烘至含水量为15％，将烘干处理后的杨木进行切片处理，切成平均长度为5cm的杨木片，经过筛选机筛选，将杨木片中的碎片、碎屑和杂质清除，得纤维材料。
所述的低VOC特种纤维材料的制备方法，步骤如下：
S1取纤维材料，进行蒸煮处理，蒸煮时间为10min，得软化后纤维材料；
S2向步骤S1所得软化后纤维材料中加入填料，将上述物料送入热磨机中，在150℃下热磨，热磨机转速为1000r/min，热磨时间为3min，得热磨后物料；
S3向步骤S2所得热磨后物料中加入胶粘剂和表面改性剂，搅拌混合均匀后进行铺装成型、预压和热压处理，热压成型，即得。
实施例2、一种低VOC特种纤维材料
所述低VOC特种纤维材料，包括以下原料及其质量份数：纤维材料150份，填料45份，表面改性剂0.5份，胶粘剂16份；所述填料包括高岭土、碳酸钙和沸石粉；所述填料中高岭土、碳酸钙和沸石粉的质量比为15:7:1；所述表面改性剂由四异丙基二(二辛基亚磷酸酰氧基)钛酸酯和异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯按质量比2：5组成；所述胶粘剂为改性小麦淀粉。
所述改性小麦淀粉的制备方法为：
(1)取十二烷基硫酸钠，加水，水的加入量为十二烷基硫酸钠质量的35倍，搅拌至完全溶解，加入巴豆酸，巴豆酸的加入量为十二烷基硫酸钠质量的6倍，搅拌至完全溶解，得混合液；
(2)取小麦淀粉，干燥至恒重，小麦淀粉与步骤(1)中十二烷基硫酸钠的质量比为50:1，将干燥后的小麦淀粉加入反应器中，加入摩尔浓度为1.5mol/L的盐酸溶液，搅拌下加热至60℃，恒温2h，调节pH至4.5，加热至80℃，加入过硫酸铵，滴加步骤(1)所得混合液，加入硅溶胶，硅溶胶的加入量为小麦淀粉质量的10％，加入质量浓度为20％的聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇溶液的量为小麦淀粉质量的60％，加热至85℃，恒温2h，降至室温，即得
所述纤维材料的制备方法与实施例1类似。
所述的低VOC特种纤维材料的制备方法，步骤如下：
S1取纤维材料，进行蒸煮处理，蒸煮时间为20min，得软化后纤维材料；
S2向步骤S1所得软化后纤维材料中加入填料，将上述物料送入热磨机中，在160℃下热磨，热磨机转速为1100r/min，热磨时间为5min，得热磨后物料；
S3向步骤S2所得热磨后物料中加入胶粘剂和表面改性剂，搅拌混合均匀后进行铺装成型、预压和热压处理，热压成型，即得。
实施例3、一种低VOC特种纤维材料
所述低VOC特种纤维材料，包括以下原料及其质量份数：纤维材料138份，填料40份，表面改性剂0.4份，胶粘剂11份；所述填料包括高岭土、碳酸钙和沸石粉；所述填料中高岭土、碳酸钙和沸石粉的质量比为13:8:2；所述表面改性剂由双(二辛氧基焦磷酸酯基)乙撑钛酸酯和异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯按质量比1：3组成；所述胶粘剂为改性小麦淀粉。
所述改性小麦淀粉的制备方法为：
(1)取十二烷基硫酸钠，加水，水的加入量为十二烷基硫酸钠质量的32倍，搅拌至完全溶解，加入巴豆酸，巴豆酸的加入量为十二烷基硫酸钠质量的5倍，搅拌至完全溶解，得混合液；
(2)取小麦淀粉，干燥至恒重，小麦淀粉与步骤(1)中十二烷基硫酸钠的质量比为46:1，将干燥后的小麦淀粉加入反应器中，加入摩尔浓度为1mol/L的盐酸溶液，搅拌下加热至55℃，恒温1.5h，调节pH至4.2，加热至75℃，加入过硫酸铵，滴加步骤(1)所得混合液，加入硅溶胶，硅溶胶的加入量为小麦淀粉质量的8％，加入质量浓度为15％的聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇溶液的量为小麦淀粉质量的55％，加热至80℃，恒温1.5h，降至室温，即得。
所述纤维材料的制备方法与实施例1类似。
所述的低VOC特种纤维材料的制备方法，步骤如下：
S1取纤维材料，进行蒸煮处理，蒸煮时间为15min，得软化后纤维材料；
S2向步骤S1所得软化后纤维材料中加入填料，将上述物料送入热磨机中，在155℃下热磨，热磨机转速为1000r/min，热磨时间为4min，得热磨后物料；
S3向步骤S2所得热磨后物料中加入胶粘剂和表面改性剂，搅拌混合均匀后进行铺装成型、预压和热压处理，热压成型，即得。
对比例1、一种特种纤维材料
所述低VOC特种纤维材料，包括以下原料及其质量份数：纤维材料138份，填料40份，表面改性剂0.4份，胶粘剂11份；所述填料包括高岭土、碳酸钙和沸石粉；所述填料中高岭土、碳酸钙和沸石粉的质量比为13:8:2；所述表面改性剂由硅烷偶联剂KH-450和异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯按质量比1：3组成；所述胶粘剂为改性小麦淀粉。
所述改性小麦淀粉、纤维材料、特种纤维材料的制备方法与实施例3类似。
与实施例3的不同在于，所述表面改性剂由硅烷偶联剂KH-450和异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯按质量比1：3组成。
对比例2、一种特种纤维材料
所述低VOC特种纤维材料，包括以下原料及其质量份数：纤维材料138份，填料40份，表面改性剂0.4份，胶粘剂11份；所述填料包括高岭土、碳酸钙和沸石粉；所述填料中高岭土、碳酸钙和沸石粉的质量比为13:8:2；所述表面改性剂为异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯；所述胶粘剂为改性小麦淀粉。
所述改性小麦淀粉、纤维材料、特种纤维材料的制备方法与实施例3类似。
与实施例3的不同在于，所述表面改性剂为异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯。
对比例3、一种特种纤维材料
所述低VOC特种纤维材料，包括以下原料及其质量份数：纤维材料138份，填料40份，表面改性剂0.4份，胶粘剂11份；所述填料包括高岭土和碳酸钙；所述填料中高岭土和碳酸钙的质量比为13:8；所述表面改性剂由双(二辛氧基焦磷酸酯基)乙撑钛酸酯和异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯按质量比1：3组成；所述胶粘剂为改性小麦淀粉。
所述改性小麦淀粉、纤维材料、特种纤维材料的制备方法与实施例3类似。
与实施例3的不同在于，所述填料包括高岭土和碳酸钙；所述填料中高岭土和碳酸钙的质量比为13:8。
试验例一、TVOC释放量检测
1、试验材料：实施例1-3制得的特种纤维材料。
2、试验方法：
将实施例1-3制得的特种纤维材料切割成厚度：3.0mm，尺寸规格：1524mm×914mm作为试验样品，参照《室内空气质量标准》(GB/T18883-2002)对特种纤维材料的TVOC释放量进行检测。
3、试验结果：
试验结果如表1所示。
表1：特种纤维材料的TVOC释放量检测结果
| 检测项目 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 |
| TVOC(mg/100g) | 1.5 | 1.6 | 1.4 |
由表1可以看出，本发明实施例1-3制得的特种纤维材料的TVOC释放量分别为1.5mg/100g、1.6mg/100g、1.4mg/100g，由此可见，本发明实施例1-3制得的特种纤维材料的TVOC释放量较低。
试验例二、性能测试
1、试验材料：实施例1-3，对比例1-3制得的特种纤维材料。
2、试验方法：
将实施例1-3，对比例1-3制得的特种纤维材料切割成厚度：3.0mm，尺寸规格：1524mm×914mm作为试验样品，参照相关标准对特种纤维材料的静曲强度、弹性模数、内结合强度、吸水厚度膨胀率进行测定。
3、试验结果：
试验结果如表2所示。
表2：特种纤维材料的性能测试结果
由表2可以看出，本发明实施例1-3制得的特种纤维材料具有较高的静曲强度、弹性模量和内结合强度，这说明，本发明制得的特种纤维材料力学性能优异。而且，本发明实施例1-3制得的特种纤维材料的吸水厚度膨胀率低至2.2％、2.3％、2.0％，这说明本发明制得的特种纤维材料具有低吸水厚度膨胀率。与实施例3相比，对比例1-3制得的特种纤维材料的静曲强度、弹性模量和内结合强度均有下降，说明本发明制得的特种纤维材料具有更优的力学性能。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (4)
1.一种低VOC特种纤维材料，其特征在于，包括以下原料及其质量份数：纤维材料120-150份，填料32-45份，表面改性剂0.3-0.5份，胶粘剂9-16份；
所述填料为高岭土、碳酸钙和沸石粉；所述填料中高岭土、碳酸钙和沸石粉的质量比为12-15:7-10:1-3；
所述表面改性剂为双(二辛氧基焦磷酸酯基)乙撑钛酸酯、四异丙基二(二辛基亚磷酸酰氧基)钛酸酯和异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯中的两种；
所述纤维材料为杨木纤维材料；
所述胶粘剂为改性小麦淀粉，所述改性小麦淀粉的制备方法为：
（1）取十二烷基硫酸钠，加水，水的加入量为十二烷基硫酸钠质量的28-35倍，搅拌至完全溶解，加入巴豆酸，巴豆酸的加入量为十二烷基硫酸钠质量的4-6倍，搅拌至完全溶解，得混合液；
（2）取小麦淀粉，干燥至恒重，小麦淀粉与步骤（1）中十二烷基硫酸钠的质量比为40-50:1，将干燥后的小麦淀粉加入反应器中，加入摩尔浓度为0.5-1.5mol/L的盐酸溶液，搅拌下加热至50-60℃，恒温1-2h，调节pH至3.5-4.5，加热至70-80℃，加入过硫酸铵，滴加步骤（1）所得混合液，加入硅溶胶，硅溶胶的加入量为小麦淀粉质量的5-10%，加入质量浓度为10-20%的聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇溶液的量为小麦淀粉质量的50-60%，加热至75-85℃，恒温1-2h，降至室温，即得；
所述的低VOC特种纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
S1取纤维材料，进行蒸煮处理，蒸煮时间为10-20min，得软化后纤维材料；
S2向步骤S1所得软化后纤维材料中加入填料，将上述物料送入热磨机中，在150-160℃下热磨，热磨机转速为1000-1100r/min，热磨时间为3-5min，得热磨后物料；
S3向步骤S2所得热磨后物料中加入胶粘剂和表面改性剂，搅拌混合均匀后进行铺装成型、预压和热压处理，热压成型，即得。
2.如权利要求1所述的低VOC特种纤维材料，其特征在于，包括以下原料及其质量份数：纤维材料138份，填料40份，表面改性剂0.4份，胶粘剂11份。
3.如权利要求1所述的低VOC特种纤维材料，其特征在于，所述填料中高岭土、碳酸钙和沸石粉的质量比为13:8:2。
4.如权利要求1-3任一项所述的低VOC特种纤维材料在制鞋材料、箱包材料、工业垫片、绝缘材料中的应用。
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