CN116619515A - 竹材定向刨花板及其制备方法和在制作户外地板中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种竹材定向刨花板及其制备方法和在制作户外地板中的应用。该制备方法包括以下步骤：(1)将竹材置于碱液中浸泡并蒸煮软化；(2)对软化后的竹材作碳化处理；(3)对碳化后的竹材作极性增强处理；(4)将极性增强后的竹材刨切，获得竹刨花；(5)将竹刨花烘干、施胶、定向铺装后获得板坯，该板坯经喷蒸、热压成型和冷压定型后，获得所述的竹材定向刨花板。该制备方法不仅能够连续、自动化实施，而且制得的竹材定向刨花板强度高、防腐防霉性能优异，适用于制作户外地板。
Description
技术领域
本发明属于户外地板技术领域，具体涉及一种竹材定向刨花板及其制备方法和在制作户外地板中的应用。
背景技术
竹材具有资源丰富、强度高、韧性好、硬度大、可塑性佳、固碳能力强等优点，因此在建筑结构材料、地板材料、家具等产品中的应用非常广泛，竹材作为一种环保、耐磨、防潮、防虫的材料，特别适合用于制作户外地板。
目前，采用竹材制作的户外地板通常是重组竹地板和共挤竹塑地板两种。其中，重组竹地板是通过将竹材软化、疏解、碾压、竹束干燥、浸胶、再干燥、组坯、热压、冷却、刨铣等一系列工艺制成的。虽然重组竹地板密度大、强度高，但重组竹地板的生产仍存在以下问题：(1)生产装备的连续化和自动化水平偏低，人工成本高，生产效率低；(2)生产质量不稳定，产品开裂、跳丝等质量事故频发；(3)用胶量大，用胶成本高；(4)在竹材加工碾压、运输过程，材料损耗严重；(4)生产过程中需要经历2-3次烘干，能耗大。
而共挤竹塑地板则是以高密度聚乙烯(HDPE)和竹粉为主要原料，辅以偶联剂、润滑剂、抗氧化、紫外线稳定剂等辅料，经混匀、造粒、挤出及冷却成型等步骤制成的。将共挤竹塑地板用于户外，存在以下不足：(1)如果使用环境的昼夜温差很大，会导致共挤竹塑地板的表面和芯层温度变化不均匀，容易产生膨胀、变形现象，进而影响共挤竹塑地板的使用寿命；(2)为了节省配方和生产工艺成本，一些小型塑木材料厂会减少甚至不使用抗氧化剂、偶联剂等相关增强助剂，在这种情况下，共挤竹塑地板会出现严重褪色、材料变脆、开裂、膨胀和发霉等问题；(3)地板中所含的塑料成分对紫外线的抵抗能力弱，易出现老化、跳丝等问题。
因此，需要开发一种综合性能优异(包括力学强度高、防腐防霉等)且便于连续化、自动化生产的竹材地板以满足户外使用。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种竹材定向刨花板及其制备方法和在制作户外地板中的应用，该制备方法不仅能够连续、自动化实施，而且制得的竹材定向刨花板强度高、防腐防霉性能优异，适用于制作户外地板。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案为：
一种竹材定向刨花板的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
(1)将竹材置于碱液中浸泡并蒸煮软化；
(2)对软化后的竹材作碳化处理；
(3)对碳化后的竹材作极性增强处理；
(4)将极性增强后的竹材刨切，获得竹刨花；
(5)将竹刨花烘干、施胶、定向铺装后获得板坯，该板坯经喷蒸、热压成型和冷压定型后，获得所述的竹材定向刨花板。
本发明的制备方法中，碱液浸泡能够增加竹材表面粗糙度，使竹材表面能够暴露更多活性反应位点，而碱液浸泡后辅以蒸煮强化，则碱液能够更多地进入竹材内部，一方面能够进一步促进竹材内部活性反应位点的暴露，另一方面能够促使竹材软化，两个方面均能够有效增强后续竹刨花与胶粘剂的界面结合强度，同时软化后的竹材易被加工成刨花，减少刀具的磨损；而碳化处理则是将竹材置于高温缺氧的情况下进行处理，使竹材中的水分和挥发性有机物质被移除，并将木质素转化为炭素，这个过程会使竹材的密度增加，硬度增强，抗弯强度、稳定性、抗菌性提高，同时也会降低竹材的吸水性和燃烧性，以赋予竹材定向刨花板防霉防腐的性能，极性增强处理使得后续竹刨花与胶粘剂的界面结合强度进一步提高，从而赋予竹材定向刨花板更优异的力学强度。通过以上手段改性后获得的竹刨花具有尺寸一致性、热稳定性和抗菌性等特点，且竹刨花表面具有大量的羟基活性基团，这使得竹刨花的接触角变小，润湿性提高，不仅能够达到减少用胶量及用胶成本的目的，还能使制得的竹材定向刨花板具有优良的力学强度和防霉抗菌性能，适用于户外地板的使用环境。
本发明在制备竹刨花前就对竹材进行了碱液改性、碳化处理和极性增强处理，而不是直接对竹刨花实施上述操作，这是因为竹刨花的厚度通常都在1毫米或以下，过多操作会破坏其结构，一方面导致竹刨花损耗较大，另一方面则会影响刨花板强度。
作为优选，上述的竹材定向刨花板的制备方法包括以下步骤：
(1)将竹材置于碱液中浸泡并蒸煮软化；
作为进一步优选，先将去青去黄的竹材制成宽度为1-5cm的竹条，而后置于浓度为1-5％的碱液中浸泡并在85-95℃下蒸煮1-3h。
宽度较窄的竹条便于碱液渗透至纤维缝隙中，提高碱液改性效果。
(2)对软化后的竹材作碳化处理；
作为进一步优选，将软化后的竹材置于碳化设备中在180-200℃下碳化60-180min以去除水分和有机挥发物。
(3)对碳化后的竹材作极性增强处理；
作为进一步优选，将碳化后的竹条切割至长度约为20cm，而后进行极性增强处理；而该极性增强处理是将碳化后的竹材浸渍于极性物质溶液中；此时，已软化和碳化的竹材中布满空隙，这使得极性物质能够快速浸润竹材与竹材成为一个整体，而极性较强的竹材使得竹刨花在后续工艺中能够更为有效地与胶粘剂粘合。极性物质溶液的浸渍也使得碳化后的竹材具有一定的含水率，便于后续刨切出完整的竹刨花，减小碎屑率。
极性物质的选择是多样的，作为具体实施方式的举例，本发明中采用的极性物质溶液为分子量为200-10000Da、质量百分比为0.5-2％的聚乙二醇溶液，浸渍温度为40-60℃，浸渍时间为30-60min；浸渍过程中使聚乙二醇溶液保持流动状态，以促进极性物质进入竹材内部所含的空隙中及吸附于竹材表面。
作为优选，所采用的聚乙二醇的分子量为600Da。
(4)将极性增强后的竹材刨切，获得竹刨花；
作为进一步优选，所述的竹刨花的尺寸为：厚度0.7-1mm，长度19.5-21cm，宽度10-50mm。
本发明中，竹刨花的长度达到了19.5-21cm，一方面是由于前期的碱液蒸煮操作使得竹材材质较软，便于刨切出较长且完整的竹刨花，另一方面较长的竹刨花也能够进一步提高竹材定向刨花板的强度。
(5)将竹刨花烘干、施胶、定向铺装后获得板坯，该板坯经喷蒸、热压成型和冷压定型后，获得所述的竹材定向刨花板；
作为进一步优选，所述的施胶步骤包括：依次采用MDI胶和酚醛树脂对竹刨花实施雾化喷胶操作，其中，MDI胶的施胶量为1-10％，酚醛树脂的施胶量为1-15％，并搅拌均匀以确保着胶量达到85％以上；
本发明中的竹刨花中由于充分浸渍了极性物质，因此只需采用雾化喷胶的方式向竹刨花施胶即可，施胶量可大大减少。
作为进一步优选，所述的定向铺装步骤包括：将竹刨花沿板坯纵向铺装，铺装定向率≥90％，刨花方向与板坯横向的夹角θ为80°≤θ≤100°，设定竹刨花搭接长度a为1/3≤a≤1/2。
作为进一步优选，所述的喷蒸步骤采用的蒸汽压力为0.8-1.2MPa，蒸汽温度为160-180℃，喷蒸时间为2-5min；具体参数则依据板坯厚度和湿度具体设置。
作为进一步优选，所述的热压成型步骤采用的热压压力为4-8MPa，热压温度为160-200℃，热压时间为60-75s/mm。
本发明还提供了采用上述的制备方法制得的竹材定向刨花板。本发明的刨花板的静曲强度可达142MPa以上，弹性模量可达15320Mpa以上，抗弯强度可达136Mpa以上，吸水厚度膨胀率可达4.5％以下，吸水宽度膨胀率可达0.5％以下，霉菌感染值可达2以下，综合性能优异。
本发明还提供了一种竹刨花，该竹刨花即采用以下方法制得：
(1)将竹材置于碱液中浸泡并蒸煮软化；
(2)对软化后的竹材作碳化干燥处理；
(3)对碳化后的竹材作极性增强处理；
(4)将极性增强后的竹材刨切，获得所述的竹刨花。
各步骤的具体实施方式与上述相同。
本发明还提供了上述的竹材定向刨花板在制备户外地板中的应用。本发明的竹材定向刨花板力学强度高、防潮和防霉性能均优异，制作的户外地板不会出现开裂、霉变、腐烂等情况。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)本发明的制备方法中，在制备竹刨花前，对竹材依次进行碱液浸泡及蒸煮、碳化处理和极性增强处理等步骤以对竹材性能进行改性，在制备竹刨花前，对竹材依次进行碱液浸泡及蒸煮、碳化处理和极性增强处理等步骤以对竹材性能进行改性，碱液浸泡能够增加竹材表面粗糙度，使竹材表面能够暴露更多活性反应位点，而碱液浸泡后辅以蒸煮强化，则碱液能够更多地进入竹材内部，一方面能够进一步促进竹材内部活性反应位点的暴露，另一方面能够促使竹材软化，两个方面均能够有效增强后续竹刨花与胶粘剂的界面结合强度，同时软化后的竹材易被加工成刨花，减少刀具的磨损；而碳化处理则是将竹材置于高温缺氧的情况下进行处理，使竹材中的水分和挥发性有机物质被移除，并将木质素转化为炭素，这个过程会使竹材的密度增加，硬度增强，抗弯强度、稳定性、抗菌性提高，同时也会降低竹材的吸水性和燃烧性，以赋予竹材定向刨花板防霉防腐的性能，极性增强处理使得后续竹刨花与胶粘剂的界面结合强度进一步提高，从而赋予竹材定向刨花板更优异的力学强度。通过以上手段改性后获得的竹刨花具有尺寸一致性、热稳定性和抗菌性等特点，且竹刨花表面具有大量的羟基活性基团，这使得竹刨花的接触角变小，润湿性提高，不仅能够达到减少用胶量及用胶成本的目的，还能使制得的竹材定向刨花板具有优良的力学强度和防霉抗菌性能，适用于户外地板的使用环境。
(2)本发明在制备竹刨花前就对竹材进行了碱液改性、碳化处理和极性增强处理，而不是直接对竹刨花实施上述操作，这是因为竹刨花的厚度通常都在1毫米或以下，过多操作会破坏其结构，一方面导致竹刨花损耗较大，另一方面则会影响刨花板强度。
(3)本发明制备的竹材定向刨花板的静曲强度可达142MPa以上，弹性模量可达15320Mpa以上，抗弯强度可达136Mpa以上，吸水厚度膨胀率可达4.5％以下，吸水宽度膨胀率可达0.5％以下，霉菌感染值可达2以下，综合性能优异，制作的户外地板不会出现开裂、霉变、腐烂等情况。
附图说明
图1为本发明竹材定向刨花板的截面图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细说明。
实施例1
本实施例一种竹材定向刨花板，其制备方法包括以下步骤：
(1)将竹材置于碱液中浸泡并蒸煮软化；
具体地，先将原竹切段，取竹中段部份，去青去黄后加工成宽度为5cm竹条；而后将竹条置于质量浓度为2％的氢氧化钾溶液中浸泡30min，并将碱液升温至90℃，蒸煮1小时使竹条软化；
(2)对软化后的竹材作碳化处理；
具体地，将软化后的竹材置于180-200℃的碳化炉中碳化180min以去除水分和有机挥发物；
(3)对碳化后的竹材作极性增强处理；
具体地，先将碳化后的竹条切割至长度为20cm，而后将竹条浸渍于1wt％的聚乙二醇(平均分子量为600)溶液中，浸渍温度为40℃，浸渍时间30min；浸渍期间利用鼓气装置使聚乙二醇溶液处于流动状态，鼓气流量设置为0.5L/min；
(4)将极性增强后的竹材刨切，获得竹刨花；
具体地，将极性增强后的竹条置入12cm*21cm料仓的旋转刨切机进行刨花，获得厚度约0.7mm～1mm、长度约19.5-21cm、宽度约10mm～50mm的竹刨花；
(5)将竹刨花烘干、施胶、定向铺装后获得板坯，该板坯经喷蒸、热压成型和冷压定型后，获得所述的竹材定向刨花板；
具体地，包括以下步骤：
①竹刨花烘干：将竹刨花置于旋转烘干设备里缓慢烘干，烘干温度为200℃，时间为1-2小时，具体时间以将竹刨花的含水率控制在5-10％以下为准；
②竹刨花施胶：依次采用浓度为5％的MDI和浓度为10％的酚醛树脂对竹刨花进行雾化喷胶，并在旋转雾化拌胶机中搅拌均匀，使竹刨花的着胶量达到85％以上；
③定向铺装：将完成施胶的竹刨花置于定向铺装机中，使刨花沿板坯纵向方向进行铺装，铺装定向率≥90％，竹刨花方向与板坯横向的夹角θ为80°≤θ≤100°，设定竹刨花搭接长度a为1/3，获得厚度为15cm、含水率8％的板坯；
④板坯喷蒸：蒸汽压力控制在1.2MPa，蒸汽温度在160℃，蒸汽时间2分钟；
⑤热压定型：将板坯放入热压机中进行热压，设定工艺参数为：热压压力7MPa，热压温度200℃，热压时间75s/mm；
⑥冷压定型：将热压成型后的板坯置入冷压系统中，冷压压力1Mpa，待板坯温度降至室温后开模取出，获得本实施例的竹材定向刨花板。
从图1的板材截面图可以看出，竹刨花均是纵向铺装的。
实施例2
本实施例一种竹材定向刨花板，其制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤(1)中，蒸煮时间为2小时。
实施例3
本实施例一种竹材定向刨花板，其制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤(1)中，蒸煮时间为3小时。
对比例1
本对比例一种竹材定向刨花板，其制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤(1)中，仅进行碱液浸泡，不进行蒸煮。
取上述实施例1-3和对比例1制备的竹材定向刨花板，对各刨花板的物理进行测试，测试结果见表1。
表1
由表1可见，在实施例1、2、3中，随着蒸煮时间的延长，竹材定向刨花板的密度、静曲强度、弹性模量、抗弯强度等各项物理性能均有所提升，且在实施例3中性能提升最为明显，相比实施例1，实施例3的静曲强度提高了9MPa，弹性模量提高了770MPa，抗弯强度提高了9MPa，吸水厚度膨胀率和吸水宽度膨胀率均有所降低，霉菌感染值降至0。
而对比例1中，由于未进行蒸煮处理，其物理性能均低于实施例1-3，尤其在抗弯强度方面仅为100MPa，比实施例1低了36MPa。
因此，蒸煮处理是竹材定向刨花板制备过程中关键的步骤之一，可以明显提高其物理性能及抗菌性。
实施例4
本实施例一种竹材定向刨花板，其制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤(3)中聚乙二醇溶液的分子量为200Da。
实施例5
本实施例一种竹材定向刨花板，其制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤(3)中聚乙二醇溶液的分子量为1000Da。
实施例6
本实施例一种竹材定向刨花板，其制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤(3)中聚乙二醇溶液的分子量为10000Da。
对比例2
本实施例一种竹材定向刨花板，其制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：不设置步骤(3)。
取上述实施例4-6和对比例2制备的竹材定向刨花板，对各刨花板的物理进行测试，测试结果见表2。
表2
由表2可见，在实施例1、4、5、6中，聚乙二醇处理可以提升板材的静曲强度、弹性模量、等各项物理性能，且在实施例1(聚乙二醇分子量为600Da)的性能提升较为明显，其次为实施例4(聚乙二醇分子量为200Da)；对比例2中不设置步骤(3)，即没有聚乙二醇溶液的浸渍处理，与其他实施例相比表现较差，各项物理性能均略低于其他实施例。
实施例7
本实施例一种竹材定向刨花板，其制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤(5)中，定向铺装时，竹刨花相互搭接长度为1/2。
对比例3
本对比例一种竹材定向刨花板，其制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤(5)中，定向铺装时，竹刨花相互搭接长度为1/4。
对比例4
本对比例一种竹材定向刨花板，其制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤(5)中，定向铺装时，竹刨花相互搭接长度为2/3。
取上述实施例7和对比例3-4制备的竹材定向刨花板，对各刨花板的物理进行测试，测试结果见表3。
表3
由表3可见，与实施例1相比，实施例7的竹刨花板在静曲强度、弹性模量、抗弯强度和吸水厚度膨胀率等方面都有轻微的下降。这表明在定向铺装时，竹刨花相互搭接长度为1/2的制备方法相对于1/3搭接长度可能会导致一些物理性能的略微降低。
而与对比例3相比，实施例7在弹性模量、抗弯强度和吸水厚度膨胀率等方面表现相似，但静曲强度略低。这表明将竹刨花相互搭接长度从1/4增加到1/2可能会对静曲强度产生一定的负面影响。
而与对比例4相比，实施例7的各项力学性能均交由较为优异，表明将竹刨花相互搭接长度从2/3减少到1/2，有利于提高板材的各项力学性能。
以上结果表明，在定向铺装时，优选将竹刨花相互搭接长度设置在竹刨花长度的1/3和1/2之间。
Claims (10)
1.一种竹材定向刨花板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将竹材置于碱液中浸泡并蒸煮软化；
(2)对软化后的竹材作碳化处理；
(3)对碳化后的竹材作极性增强处理；
(4)将极性增强后的竹材刨切，获得竹刨花；
(5)将竹刨花烘干、施胶、定向铺装后获得板坯，该板坯经喷蒸、热压成型和冷压定型后，获得所述的竹材定向刨花板。
2.如权利要求1所述的竹材定向刨花板的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，先将去青去黄的竹材制成宽度为1-5cm的竹条，而后置于浓度为1-5％的碱液中浸泡并在85-95℃下蒸煮1-3h。
3.如权利要求1所述的竹材定向刨花板的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，将软化后的竹材置于180-200℃下碳化处理60-180min，进一步去除水分和有机挥发物。
4.如权利要求1所述的竹材定向刨花板的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的极性增强处理是将碳化后的竹材浸渍于极性物质溶液中。
5.如权利要求4所述的竹材定向刨花板的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的极性物质溶液为分子量为200-10000Da，质量浓度为0.5-2％的聚乙二醇溶液，浸渍温度为40-60℃，浸渍时间为30-60min；浸渍过程中使聚乙二醇溶液保持流动状态。
6.如权利要求1所述的竹材定向刨花板的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的竹刨花的尺寸为：厚度0.7-1mm，长度19.5-21cm，宽度10-50mm。
7.如权利要求1所述的竹材定向刨花板的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述的施胶步骤包括：依次采用MDI胶和酚醛树脂对竹刨花实施雾化喷胶操作，其中，MDI胶的施胶量为1-10％，酚醛树脂的施胶量为1-15％，并搅拌均匀以确保着胶量达到85％以上；
所述的定向铺装步骤包括：将竹刨花沿板坯纵向铺装，铺装定向率≥90％，竹刨花方向与板坯横向的夹角θ为80°≤θ≤100°，设定竹刨花搭接长度a为1/3≤a≤1/2；
所述的喷蒸步骤采用的蒸汽压力为0.8-1.2MPa，蒸汽温度为160-180℃，喷蒸时间为2-5min；
所述的热压成型步骤采用的热压压力为4-8MPa，热压温度为160-200℃，热压时间为60-75s/mm。
8.采用如权利要求1-7所述的制备方法制得的竹材定向刨花板。
9.一种竹刨花，其特征在于，采用以下方法制得：
(1)将竹材置于碱液中浸泡并蒸煮软化；
(2)对软化后的竹材作碳化干燥处理；
(3)对碳化后的竹材作极性增强处理；
(4)将极性增强后的竹材刨切，获得所述的竹刨花。
10.如权利要求8所述的竹材定向刨花板在制作户外地板中的应用。
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