CN115816587A - 一种增强型生物质固体粉料及其生产方法和增强型板材 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物质新材料技术领域，本发明公开了一种增强型生物质固体粉料及其生产方法和增强型板材。本发明将生物质经粉碎得到长度≤30mm的纤维后与纸浆纤维、矿物纤维、合成纤维混合，经酸碱混合液的浸渍处理，得到增强型生物质固体粉料，本发明制备的固体粉料具有高黏合强度。然后利用添加纤维的结构强度，经过热塑成型，嵌入本发明所述增强型生物质固体粉料，获得了高强度和高韧性的增强型板材。本发明所得板材的强度和柔韧性均优异，适宜大范围的推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及生物质新材料技术领域，尤其涉及一种增强型生物质固体粉料及其生产方法和增强型板材。
背景技术
木质板材和胶合板是基于林木资源的一类产品，林木资源是木质纤维素类生物质的一种。木质纤维素类生物质还包括农业秸秆废弃物，林竹业废弃物，水草芦苇等。木质纤维素生物质作为材料的利用以原生态的完整结构为主，较高结构强度的木、竹利用较多。但是，这些天然优质木质纤维素生物质在加工过程中，仍有大量废弃物产生。生物质废弃物受到天然结构的松散等弊端的影响在制备板材等成型材料时需要使用胶黏剂，现有的利用胶黏剂将生物质废弃物制备成的成型材料存在强度适用范围有限，不适合大范围的推广应用，且大量使用胶黏剂会造成环境污染等问题。因此，发展一种强度高的利用生物质废弃物制备而成的成型材料成为本领域亟需。
发明内容
本发明的目的为提供一种增强型生物质固体粉料及其生产方法和增强型板材，以解决现有的利用胶黏剂将生物质废弃物制备成的成型材料存在强度适用范围有限，不适合大范围的推广应用，且大量使用胶黏剂会造成环境污染等问题。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种增强型生物质固体粉料的生产方法，包括如下步骤：
a)将生物质和增强纤维混合后在含有机碱和酸的水溶液中浸渍，得混合料；
b)将混合料进行反应后过滤分离，得到增强型生物质固体粉料。
作为优选，步骤a)中，所述生物质为农作物秸秆及其加工废弃物、森林废弃物、木业废料、竹业废料、草本植物和水产植物中的一种或多种；所述生物质的长度为≤30mm。
作为优选，步骤a)中，所述增强纤维为纸浆纤维、矿物纤维和合成纤维中的一种或多种；所述矿物纤维为玄武岩纤维、氧化铝纤维、氧化硅纤维、硅酸铝纤维、玻璃纤维、石膏纤维和碳纤维中的一种或多种；所述合成纤维为涤纶、锦纶、腈纶、氯纶、维纶、氨纶和聚烯烃弹力丝中的一种或多种；所述增强纤维的质量为生物质和增强纤维混合所得混合物质量的1～20％。
作为优选，步骤a)中，所述有机碱为咪唑类化合物及其衍生物、吡啶类化合物及其衍生物、吡咯类化合物及其衍生物、尿素类化合物及其衍生物、烷基胺类化合物及其衍生物、三苯基膦及其衍生物和三烷基膦及其衍生物中的一种或多种。
作为优选，步骤a)中，所述酸为有机酸和/或无机酸，所述有机酸为烷基羧酸及其衍生物、芳香基羧酸及其衍生物和氨基酸及其衍生物中的一种或多种，所述无机酸为硫酸、盐酸、溴酸、碘酸、硝酸、三氟乙酸、磷酸、硅酸、钨酸、钼酸、铌酸、钒酸和含过渡金属的杂多酸及其衍生物中的一种或多种。
作为优选，步骤a)中，含有机碱和酸的水溶液的质量为生物质质量的0.5～20倍，所述含有机碱和酸的水溶液中，有机碱的质量浓度为0.001～8％，酸的质量浓度为0.01～20％；所述浸渍的时间为10～14h。
作为优选，步骤b)中，所述反应的温度≥120℃，反应的时间为10～240min，反应的压力为0.4～1MPa。
本发明还提供了所述增强型生物质固体粉料的生产方法制备得到的增强型生物质固体粉料。
本发明还提供了一种增强型板材，所述增强型板材由所述增强型生物质固体粉料经热塑处理得到。
作为优选，所述热塑处理的温度为80～180℃，热塑处理的时间为10～360min。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明有益效果如下：
本发明制备的固体粉料具有高黏合强度，利用添加纤维的结构强度，经过压塑，嵌入本发明处理的生物质可塑原料，增加强度和改变韧性等性能，获得高强度或高韧性的生物质基材料。本发明不仅提供了不使用粘合剂，由多种生物质原料，经本发明的处理，制备高强度生物质基型体塑造产品的方法，还通过改变添加纤维与生物质基纤维的比例，提供了柔韧性、密度可调因而预期可改变隔热性和隔音性的产品的生产方法。
具体实施方式
本发明提供了一种增强型生物质固体粉料的生产方法，包括如下步骤：
a)将生物质和增强纤维混合后在含有机碱和酸的水溶液中浸渍，得混合料；
b)将混合料进行反应后过滤分离，得到增强型生物质固体粉料。
在本发明中，步骤a)中，所述生物质优选为农作物秸秆及其加工废弃物、森林废弃物、木业废料、竹业废料、草本植物和水产植物中的一种或多种，进一步优选为农作物秸秆及其加工废弃物、森林废弃物和木业废料中的一种或多种；
所述生物质的长度优选为≤30mm，进一步优选为5～25mm；生物质的长度通过破碎进行控制。
在本发明的步骤a)中，所述增强纤维优选为纸浆纤维、矿物纤维和合成纤维中的一种或多种，进一步优选为纸浆纤维和/或矿物纤维；所述矿物纤维优选为玄武岩纤维、氧化铝纤维、氧化硅纤维、硅酸铝纤维、玻璃纤维、石膏纤维和碳纤维中的一种或多种，进一步优选为玄武岩纤维、氧化硅纤维、硅酸铝纤维和石膏纤维中的一种或多种；所述合成纤维优选为涤纶、锦纶、腈纶、氯纶、维纶、氨纶和聚烯烃弹力丝中的一种或多种，进一步优选为涤纶、腈纶、维纶和聚烯烃弹力丝中的一种或多种；所述增强纤维的质量优选为生物质和增强纤维混合所得混合物质量的1～20％，进一步优选为生物质和增强纤维混合所得混合物质量的5～15％。
在本发明的步骤a)中，所述有机碱优选为咪唑类化合物及其衍生物、吡啶类化合物及其衍生物、吡咯类化合物及其衍生物、尿素类化合物及其衍生物、烷基胺类化合物及其衍生物、三苯基膦及其衍生物和三烷基膦及其衍生物中的一种或多种，进一步优选为吡啶类化合物及其衍生物、吡咯类化合物及其衍生物、尿素类化合物及其衍生物、三苯基膦及其衍生物和三烷基膦及其衍生物中的一种或多种。
在本发明的步骤a)中，所述酸优选为有机酸和/或无机酸，进一步优选为无机酸；所述有机酸优选为烷基羧酸及其衍生物、芳香基羧酸及其衍生物和氨基酸及其衍生物中的一种或多种，进一步优选为烷基羧酸及其衍生物和/或芳香基羧酸及其衍生物；所述无机酸优选为硫酸、盐酸、溴酸、碘酸、硝酸、三氟乙酸、磷酸、硅酸、钨酸、钼酸、铌酸、钒酸和含过渡金属的杂多酸及其衍生物中的一种或多种，进一步优选为硫酸、盐酸、溴酸、碘酸、硝酸、三氟乙酸、磷酸、硅酸、钨酸、钼酸、铌酸和钒酸中的一种或多种。
在本发明中，通过浸渍可以使原料纤维软化且润胀，经过浸渍处理，所添加纤维与处理过的生物质纤维良好混合，使得制备得到的固体粉料具有高黏合强度，
在本发明的步骤a)中，含有机碱和酸的水溶液的质量优选为生物质质量的0.5～20倍，进一步优选为生物质质量的2～15倍；所述含有机碱和酸的水溶液中，有机碱的质量浓度优选为0.001～8％，进一步优选为0.005～5％，酸的质量浓度优选为0.01～20％，进一步优选为0.05～15％；所述浸渍的时间优选为10～14h，进一步优选为11～13h。
在本发明的步骤b)中，所述反应的温度优选≥120℃，进一步优选为140～200℃；反应的时间优选为10～240min，进一步优选为20～220min；反应的压力优选为0.4～1MPa，进一步优选为0.5～0.9MPa。
在本发明的步骤b)中，所述反应为汽爆反应，进行汽爆反应前，将混合料与水混合，水的用量优选为混合料的8～12倍，进一步优选为混合料的9～10倍。
本发明还提供了所述增强型生物质固体粉料的生产方法制备得到的增强型生物质固体粉料。
本发明还提供了一种增强型板材，所述增强型板材由所述增强型生物质固体粉料经热塑处理得到。
在本发明中，所述热塑处理的温度优选为80～180℃，进一步优选为100～150℃；热塑处理的时间优选为10～360min，进一步优选为50～300min。
在本发明中，所述热塑处理在模具中进行，模具为底面有排水孔的镂空模具；进行热塑处理过程中，将增强型生物质固体粉料进行加压排水，加压排水的压力优选为0.4～0.6MPa，进一步优选为0.45～0.55MPa。
在本发明中，利用添加纤维(纸浆纤维、矿物纤维和合成纤维)的结构强度，经过热塑处理，嵌入本发明所得高黏结性的固体粉料，获得了高强度高韧性的增强型板材。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将玉米秸秆破碎得到30mm以下的针状原料，取90g针状原料与10g纸浆纤维混合，浸泡在100g含三乙胺和盐酸的水溶液中12h，三乙胺的质量浓度为1％，盐酸的质量浓度为1％。将浸泡后的原料与水按照质量比1：10混合，混合物置于汽爆装置里，在170℃、0.4MPa的条件下反应30min，然后快速泄压完成汽爆，经过滤得到增韧型可塑性固体浆料。将浆料填入100mm×100mm镂空模具中，模具底面有排水小孔，然后在模具中浆料的上面加上100mm×100mm的不锈钢板，施加0.6MPa的压力挤压排水，通过不锈钢模具外套加热，升温至150℃，保持60min，停止加热。待温度冷却到室温时，从模具中取出成型的板材。
经过测量，板材的密度为1.05g/cm3，静曲强度为19MPa，弹性模量为3250MPa，该板材具有较大的韧性。
实施例2
将玉米秸秆破碎到30mm以下的针状原料，取80g针状原料与20g纸浆纤维混合，浸泡在100g含三乙胺和盐酸的水溶液中12h，三乙胺的质量浓度为1％，盐酸的质量浓度为1％。将浸泡后的原料与水按照质量比1：10混合，混合物置于汽爆装置里在170℃、0.5MPa的条件下反应30min，然后快速泄压完成汽爆，经过滤得到增韧型可塑性固体浆料。将浆料填入100mm×100mm镂空模具中，模具底面有排水小孔，然后在模具中浆料的上面加上100mm×100mm的不锈钢板，施加0.6MPa的液压挤压排水，通过不锈钢模具外套加热，升温至150℃，保持60min，停止加热。在温度冷却到室温时，从模具中取出成型的板材。
经过测量，板材的密度为1，静曲强度为23MPa，弹性模量为3060MPa。与实施例1相比，实施例2所得板材具有更大的韧性，保持了较好的强度。
实施例3
将玉米秸秆破碎到30mm以下的针状原料，取80g针状原料与20g纸浆纤维混合，浸泡在100g含三乙胺和盐酸的水溶液中12h，三乙胺的质量浓度为1％，盐酸的质量浓度为1％。将浸泡后的原料与1水按照质量比1：10混合，混合物置于汽爆装置里，在170℃、0.7MPa的条件下反应30min，然后快速泄压完成汽爆，经过滤得到增韧型可塑性固体浆料。将浆料填入100mm×100mm镂空模具中，模具底面有排水小孔，然后在模具中浆料的上面加上100mm×100mm的不锈钢板，施加0.4MPa的液压挤压排水，通过不锈钢模具外套加热，升温至150℃，保持60min，停止加热。在温度冷却到室温时，从模具中取出成型的板材。
经过测量，板材的密度为0.85g/cm3，静曲强度为26MPa，弹性模量为2980MPa。与实施例2相比，实施例3所得板材具有更小的密度，保持了较好的韧性和强度。
实施例4
将玉米秸秆破碎到30mm以下的针状原料，取95g针状原料与5g玄武岩纤维混合，浸泡在100g含三乙胺和盐酸的水溶液中12h，三乙胺的质量浓度为1％，盐酸的质量浓度为1％。将浸泡后的原料与水按照质量比1：10混合，混合物置于汽爆装置里，在170℃、0.8MPa的条件下反应30min，然后快速泄压完成汽爆，经过滤得到增强型可塑性固体浆料。将浆料填入100mm×100mm镂空模具中，模具底面有排水小孔，然后在模具中浆料的上面加上100mm×100mm的不锈钢板，施加0.6MPa的液压挤压排水，通过不锈钢模具外套加热，升温至150℃，保持60min，停止加热。在温度冷却到室温时，从模具中取出成型的板材。
经过测量，板材的密度为1g/cm3，静曲强度为28MPa，弹性模量为6100MPa。
对比例1
将玉米秸秆破碎到30mm以下的针状原料，取95g针状原料与5克玄武岩纤维混合。浸泡在100g水溶液中12h，将浸泡后的原料与水按照质量比1：10混合，混合物置于汽爆装置里，在170℃、0.8MPa的条件下反应30min，然后快速泄压完成汽爆，经过滤得到固体浆料。将浆料填入100mm×100mm镂空模具中，模具底面有排水小孔，然后在模具中浆料的上面加上100mm×100mm的不锈钢板，施加0.6MPa的液压挤压排水，通过不锈钢模具外套加热，升温至150℃，保持60min，停止加热。在温度冷却到室温时，从模具中取出成型的板材。
经过测量，板材的弹性模量为50MPa。
由实施例4和对比例1的对比可知，对于不经本发明所述含有机碱和酸的水溶液处理的生物质原料，与纸浆纤维、矿物纤维、合成纤维等混合，因生物质纤维原料和添加纤维都缺少粘合功能，导致所得固体粉料处于松散的物理混合状态，经压塑所得板材的强度低，无法满足高标准板材的使用。
由实施例1～4和对比例1可知，与现有的生物质废弃物制备所得板材相比，本发明所得板材无需采用胶黏剂，避免了因胶黏剂造成的板材质量差以及环境污染的问题。且本发明所得板材保持了较优异并可控的韧性和强度，静曲强度可达19～28MPa，弹性模量可达2980～6100MPa。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种增强型生物质固体粉料的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)将生物质和增强纤维混合后在含有机碱和酸的水溶液中浸渍，得混合料；
b)将混合料进行反应后过滤分离，得到增强型生物质固体粉料。
2.根据权利要求1所述增强型生物质固体粉料的生产方法，其特征在于，步骤a)中，所述生物质为农作物秸秆及其加工废弃物、森林废弃物、木业废料、竹业废料、草本植物和水产植物中的一种或多种；所述生物质的长度为≤30mm。
3.根据权利要求1或2所述增强型生物质固体粉料的生产方法，其特征在于，步骤a)中，所述增强纤维为纸浆纤维、矿物纤维和合成纤维中的一种或多种；所述矿物纤维为玄武岩纤维、氧化铝纤维、氧化硅纤维、硅酸铝纤维、玻璃纤维、石膏纤维和碳纤维中的一种或多种；所述合成纤维为涤纶、锦纶、腈纶、氯纶、维纶、氨纶和聚烯烃弹力丝中的一种或多种；所述增强纤维的质量为生物质和增强纤维混合所得混合物质量的1～20％。
4.根据权利要求3所述增强型生物质固体粉料的生产方法，其特征在于，步骤a)中，所述有机碱为咪唑类化合物及其衍生物、吡啶类化合物及其衍生物、吡咯类化合物及其衍生物、尿素类化合物及其衍生物、烷基胺类化合物及其衍生物、三苯基膦及其衍生物和三烷基膦及其衍生物中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述增强型生物质固体粉料的生产方法，其特征在于，步骤a)中，所述酸为有机酸和/或无机酸，所述有机酸为烷基羧酸及其衍生物、芳香基羧酸及其衍生物和氨基酸及其衍生物中的一种或多种，所述无机酸为硫酸、盐酸、溴酸、碘酸、硝酸、三氟乙酸、磷酸、硅酸、钨酸、钼酸、铌酸、钒酸和含过渡金属的杂多酸及其衍生物中的一种或多种。
6.根据权利要求1、4或5所述增强型生物质固体粉料的生产方法，其特征在于，步骤a)中，含有机碱和酸的水溶液的质量为生物质质量的0.5～20倍，所述含有机碱和酸的水溶液中，有机碱的质量浓度为0.001～8％，酸的质量浓度为0.01～20％；所述浸渍的时间为10～14h。
7.根据权利要求1所述增强型生物质固体粉料的生产方法，其特征在于，步骤b)中，所述反应的温度≥120℃，反应的时间为10～240min，反应的压力为0.4～1MPa。
8.权利要求1～7任一项所述增强型生物质固体粉料的生产方法制备得到的增强型生物质固体粉料。
9.一种增强型板材，其特征在于，所述增强型板材由权利要求8所述增强型生物质固体粉料经热塑处理得到。
10.根据权利要求9所述增强型板材，其特征在于，所述热塑处理的温度为80～180℃，热塑处理的时间为10～360min。
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