CN1263490A - 胶合板的制造 - Google Patents

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Abstract

处理一年生植物材料如稻草,以增加其对复合材料成型粘合树脂的粘结性,通过处理以一种含有足量的充分强的酸、碱或表面活性剂的液体介质,以除去大部分的蜡质或硅质层。

Description

胶合板的制造
本发明涉及一种制造胶合板，包括增加一年生植物纤维材料比如稻草的粘结性的方法。
文献已经描述了许多的处理方法，以增加粒子和纤维形式的木素纤维素物质对合成树脂的粘结性。(SIMON AND L.PAZNER)：(Activatedself-bonding of wood and agricultural residues-Holzforschung48：82-90，1994)研究了不同原料包括一年生植物的半纤维素含量对其自粘结行为的影响，并得出结论，原料中半纤维素的含量与由其制备的复合物的粘结强度之间有着强的直接联系。根据此文，半纤维素的确有粘结性，但是，利用半纤维素粘合剂产生的粘结几乎不具有湿强度。
近期公开文献中，LIAN ZHENGTIAN和HAO BINGYE：(以异氰酸酯改性脲醛树脂粘结的稻草碎料板技术-于the Symposium Pacific RimBio-Based Composites，Rotorua，New Zealand 9-13 November 1992Symposium Proceedings，pp.295-301，1992提交的论文)指出，通过破坏包围住稻草茎杆的蜡质层可以实现稻草粘结性的轻微改进，但是，粘结性仍旧非常差而且制造的板材仍不能达到日常标准的要求。
WO 93/25358，WO 91/12367或DE 4211888提出在复合物成型之前，将木素纤维素物质以碱性或酸性试剂处理，但是讨论并没有涉及木质结构材料的结构。酸或碱对材料，如带有蜡质/硅质层的稻草，的结构的影响没有予以考虑。
申请人的申请号GB 9607566.8公开了稻草或其它一年生植物纤维以水或蒸汽在温度40～120℃，优选在60～120℃进行热处理，并同时或随后利用高剪切力对稻草进行脱纤维，打开了稻草的形态结构并增加其对粘结的亲和力。
在多种用途的应用之前，纤维素材料比如稻草以中等酸性或碱性物质处理。在英国专利GB 709569A中，造纸漂白步骤中将稻草以次氯酸和苏打溶液处理。对树脂胶合板的制造没有文献可供参考。在英国专利GB 2084212A中公开了以双组分粘合剂从稻壳制造低密度板材的方法，采用氯化钙以起到一定的脱蜡作用但是强调此工艺必须避免除去硅质。没有公开以氨基树脂粘结的中密度或高密度板材的制造。
脱纤维指的是一年生植物纤维，稻草的形态结构的破坏，导致了单个纤维的产生。在如稻草的初始形态结构中，蜡质和硅质层包围住稻草，阻止了稻草纤维和粘合剂之间有效的直接接触。较早的申请公开出配以高剪切力的热处理方法，破坏了稻草的初始形态结构，导致单个纤维对粘合剂接触机率的增大，并相应增加了稻草对粘结的亲和力。打开稻草形态结构的方法类似于造纸上的木材打浆。
在较早申请的发明的一个优选实施方案中，公开了如果以含有0.01～2％NaOH的氢氧化钠稀溶液，基于稻草料计，处理或预处理稻草，稻草制板材的性能更能得到改进。
进一步公开了除氢氧化钠以外的其它碱性物质也可选用以达到同样的效果。公开了这些化学品可以是甲醛捕捉剂比如脲，以及现有技术中已知的其它捕捉剂。
较早申请的工艺的一个问题是，为提供所需的高剪切力，需要将高并因而昂贵的能量投入到工艺中。熟练的操作者可能会认识到，力的这些形式可从比如双螺杆挤出机、盘式精研机或其它适宜的磨碎机设备象Ultra Turrax得到。
本发明提供了一种制造胶合板的工艺，其中将一年生植物和/或农业废料进行处理以增加对合成或天然粘合剂的粘结性，是通过将物料以一种含有能够从物料上除去蜡质或硅质层的试剂的水性介质处理，此试剂是一种强酸、强碱或表面活性剂，或者是酸或碱与表面活性剂的混合物，而且处理持续进行直到将蜡质或硅质层充分除去以便不对粘合剂的粘结产生干扰。
优选的试剂是强酸或碱与表面活性剂的混合物。
本发明的工艺可适用于未脱纤维的植物料，即只将茎杆切割的植物料，或者是经脱纤维的植物料，其中原始物料已经粉碎成单个纤维。
本发明工艺的改进之处是，在实施高剪切处理的过程中将此类试剂加入到物料中，前提是此试剂是表面活性剂与酸或碱的混合物，以降低能量消耗或改进板材的性能。
本发明另一方面提供了一种处理一年生植物料的工艺，以改进其对合成或天然粘合剂的粘结性，包含在物料磨碎处理的至少部分阶段之前或之中，将物料以含于液态酸性或碱性分散体或溶液中的表面活性剂进行处理，以降低能量消耗或改进板材的性能。
在本发明的一个特定的实施方案中提供了一种工艺，其中植物料以含有酸或非碱性表面活性剂的水性体系处理。在此工艺中，处理可在物料高剪切处理之前或同时进行，以影响脱纤维而降低能量消耗或改进板材的性能。
在本发明的一个实施方案中，给出了强碱(比如NaOH)和表面活性剂的混合物，以处理植物料。
在另一个实施方案中，给出了一种高浓度强酸(比如盐酸的36wt％的水溶液)的用途。高浓度指的是水中有可能对稻草有害(比如太高浓度的硫酸或硝酸会破坏稻草的基本结构)的最高浓度的溶液。
本领域的熟练人员不难选择适宜的酸浓度，以实现脱蜡/脱硅而不损害纤维。
本发明的另一方面采用了强酸和表面活性剂的混合物。
在本发明的另一方面选用了一种表面活性剂，其强度足以除去稻草料上的蜡质层。
脱蜡或脱硅剂的效率可通过达到至少200％的吸水度(浸水时的wt％增加)，或者通过成型为板材并评估此板材是否具有某个IB(内粘结)强度来判定。IB强度是垂直于板面的拉伸强度，比如根据EN 312-2，对19mm厚碎料板来讲，至少0.24N/mm2的IB强度认为是必要的。
可采用的酸包括强无机酸比如硫酸或盐酸以及强有机酸比如甲酸、乙酸或磺酸。可为本发明所采用的表面活性剂是强度足以起到从稻草表面除去蜡质或硅质层作用的表面活性物质。尤其有些表面活性剂是不易分散或溶解于水或其它溶剂中的，并应该与一种碱性或酸性试剂一起添加到水或溶剂中，以形成适当的分散体或溶液。一个典型的表面活性剂是o，p-十二烷基磺酸，但这只是已知试剂的一个代表例。此表面活性剂当配以作为碱的氢氧化钠使用时是非常有效的。其它的表面活性剂是烷基苯磺酸，比如配以氢氧化钠；十六烷基三甲基氯化铵，比如配以盐酸。可单独应用的表面活性剂比如是脂肪醇表面活性剂，可选择自本领域熟练人员偏好的阳离子、阴离子或中性表面活性剂，本发明所给前提是很可能影响蜡质/硅质物。可采用的碱包括氢氧化钠或其它的强无机碱、氨或有机强碱物质。
活性试剂可在预处理步骤中或作为脱纤维处理步骤的一个阶段与稻草接触。如果纤维料以预处理步骤的方式实现与活性试剂的接触，那么采用罐是方便的。罐可以适当的化学品填充，随后纤维料在罐中的停留时间可根据实际采用的化学品、化学品浓度以及酸或碱溶液温度或者润湿剂水溶液温度来相应调整。必须提醒的是，处理的目的是从植物纤维表面溶解或除去蜡质和/或硅质层。
本发明的一个重要的特点是，对酸固化粘合剂的情况，将处理过的植物料调整(如果必要的话)到pH值为3～8。这可通过根据需要的碱或酸的添加，或者借助彻底清洗来实现。
也为重要的是，植物料尤其是稻草切剁成长度小于10cm，优选0.5cm～5cm。也可从中间(长度方向)剥开稻草的茎杆以使纤维内体接触到后续的处理。
本发明工艺采用的物料是一年生植物料和/或农业废料，比如稻谷、稻草、稻壳、小麦秸、稻秸、大麦秸、玉米秸、miscanthus、高粱秸、向日葵秸等。但是，本发明工艺最优选采用稻草。
必要时可采用的高剪切设备包括较早申请UK 9607566.8中讨论的高剪切磨碎系统。但是，也可采用比高剪切系统消耗更少能量的磨碎机。此类磨碎机在现有技术中是已知的。
如所述，如果本发明工艺采用磨碎的方法，那么以酸或碱和/或润湿剂预处理的纤维可以通过磨碎机进行加工，或者可选地，酸/碱/润湿剂处理化学品在其进入到磨碎机的过程中与纤维接触。
在可选利用磨碎法的酸或碱润湿剂处理和/或脱纤维步骤之后，纤维可利用碎料板工厂采用的普通干燥机进行干燥，比如鼓式干燥机或管式干燥机，例如为中密度纤维板工厂中所采用。由此，干纤维遵照惯用步骤用以制造碎料板、中或高密度纤维板。
按本发明处理的物料特别是稻草，具有对合成和天然粘合剂以及异氰酸酯粘合剂改进的粘结性。
可用于粘结处理过的稻草的粘合剂是甲醛基树脂，比如脲醛树脂(UF-树脂)、密胺脲醛树脂(MUF-树脂)、密胺甲醛树脂(MF-树脂)、酚醛树脂(PF-树脂)、密胺脲酚醛树脂(MUPF-树脂)、鞣酸甲醛树脂(TF-树脂)和异氰酸酯粘合剂。粘合剂可以添加的量是5～25wt％，基于干的稻草料。本发明特别适用于氨基树脂。
当稻草处于高剪切设备，若采用的话，或另外的混合机中时，将稻草与粘合剂混合。
上浆剂不一定非得添加但必要时可在脱纤维处理过程中或另外添加。
如前述，评价处理剂效率的一种方法是测定处理过物料的吸水度。
处理过的稻草的样品在65℃干燥48小时。这通常会达到5％(干基)的潮气含量。
将约3.0g物料的示例小样加入到蒸馏水水浴中(23℃)，并浸泡30分钟。然后从水浴中取出物料。以真空系统除去过量的水，并称量纤维样品以判定吸水度(以wt％增加)。脱蜡度越高吸水度就越高。
如所述，对19mm碎料板达到了0.24N/mm2的最小IB强度(见测定此值的实施例)也是蜡质和/硅质脱除效率的量度。
本发明会就以下的实施例进行说明，但这只是说明性的而并不对本发明构成限制。实施例
在锤磨机中将小麦秸切剁成具有均一的尺寸，其中没有尺寸大于10cm(优选界于0.5～5cm)的纤维。物料在65℃的炉中干燥48小时。物料的潮气含量是约5％。每批2kg的干燥物料在鼓中与40kg的水混合而且每批都随后以如下的一种化学品(混合物)处理(表1)。表1：化学处理条件
No 化学处理 具体量
1 氢氧化钙，Ca(OH)2 5g/l或总量200g
2 氯化钙，CaCl2 5g/l或总量200g
3 碳酸钠，Na2CO3 5g/l或总量200g
4 磺酸+NaOH 两个化学品分别5g/l或各自200g
5 纯盐酸(36％) 5g/l或总量200g
6 盐酸配以表面活性剂(十六烷基三甲基氯化铵为主) 两个化学品分别5g/l或各自200g
7 非离子表面活性剂(脂肪醇为主) 5g/l或总量200g
处理1、2和3是为跟GB 709569A和GB 2084212A的方法进行比较。
处理持续24小时。物料在处理后以水清洗。然后，每批中添加40kg水，并通过碱或酸的添加将混合物的pH值调整到约5。将得到的混合物过滤并在炉中干燥。脱蜡度按上述方法判定。干燥后所有测试样品的潮气含量是5wt％(干基)。表2：以测定脱蜡度用的不同脱蜡剂处理的稻草的吸水度(wt％增加)：
No 化学处理 wt％增加
1 氢氧化钙，Ca(OH)2 110
2 氯化钙，CaCl2 100
3 碳酸钠，Na2CO3 130
4 磺酸+NaOH 360
5 纯盐酸(36％) 270
6 盐酸配以表面活性剂(十六烷基三甲基氯化铵为主) 340
7 非离子表面活性剂(脂肪醇为主) 280
8 未处理(空白) 90
这些结果清楚地证明本发明的处理除去了大部分的蜡质，而两个英国专利给出的化学品却不能除去显著量的蜡质。作为脱蜡剂，磺酸与氢氧化钠的结合显示出最高的脱蜡活性。
以上述每种处理法处理过的稻草，按如下制备成16mm厚的试验板材：
在稻草干燥至约4％的潮气含量后，将其放到Loedige混合机中并以一种喷洒系统施用脲醛树脂。树脂以铵盐催化以加速固化。胶结的物料随后成型为板材，而各个板材在热压机压制。压机的初始温度是200℃。
压制后，让板材冷却并随后切割成50×50mm的示例样品，并以Zwick仪测试强度。结果汇总于下表中(表3)。表3：不同方法处理的稻草制备的板材数据
No 化学处理 IB强度N/mm2
1 氢氧化钙，Ca(OH)2 0.12
2 氯化钙，CaCl2 0.11
3 碳酸钠，Na2CO3 0.13
4 磺酸+NaOH 0.45
5 纯盐酸(36％) 0.33
6 盐酸配以表面活性剂(十六烷基三甲基氯化铵为主) 0.40
7 非离子表面活性剂(脂肪醇为主) 0.36
8 未处理(空白) 0.10
只有采用按本发明处理的稻草制备的板材达到了必要的强度。

Claims (8)

1.一种制造胶合板的工艺，其中处理一年生植物和/或农产品废料以增加对合成或天然粘合剂的粘结性，是通过将物料以一种含有能够从物料上除去蜡质或硅质层的试剂的水性介质处理，其试剂是一种强酸、强碱或表面活性剂，或者是酸或碱与表面活性剂的混合物，而且此处理持续进行直到将蜡质或硅质层充分除去以使其不干扰对粘合剂的粘结。
2.权利要求1的工艺，其中试剂是一种强酸或碱与表面活性剂的混合物。
3.权利要求1或2的工艺，其中试剂在水性介质中施用。
4.权利要求1的工艺，其中试剂是一种碱而工艺在没有同时的高剪切磨碎系统处理的存在下进行，或者，试剂是一种配以表面活性剂的碱而工艺在同时有高剪切磨碎系统处理的存在下进行。
5.权利要求1的工艺，其中试剂是一种酸或非碱的表面活性剂，在有或没有高剪切磨碎系统的存在下进行。
6.一种一年生植物料的处理工艺，以增加其对合成或天然粘合剂的粘结性，包括在纤维磨碎处理的至少部分阶段之前或之中，将物料以处于液态酸性或碱性分散体中的表面活性剂进行处理。
7.权利要求5的工艺，其中磨碎处理是一种高剪切处理。
8.权利要求1～7任意一项的方法，其中除去蜡质或硅质层以提供至少200％增重的吸水度。
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