WO2024007359A1 - 人造板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种人造板及其制备方法，制备方法包括如下步骤：用非衍生化溶剂对植物纤维进行活化处理，得到植物纤维溶液，植物纤维为破壁或非破壁的植物细胞。之后，将植物纤维溶液与植物颗粒混匀塑型，之后依次进行干燥处理、浸泡清洗处理和静置处理，得到人造板。该方法中，植物颗粒与经活化处理的植物纤维通过氢键交联制得人造板，无需使用树脂胶合剂，生产和使用过程中无毒无害。且由于植物纤维溶液中的植物纤维经过活化处理暴露出大量羟基，可以更容易地与植物颗粒产生更强的交联，从而赋予人造板具有优异的力学性能。
Description
本发明涉及木材加工领域，特别是涉及一种人造板及其制备方法。
木材的需求量一直在逐年增长，发展人造板工业是提高木材利用率、节约木材资源的主要途径。目前人造板制造工艺中，首先将木材或其他草本植物破碎制成碎料颗粒，然后施加化工胶粘剂在温度和压力作用下胶合成人造板，根据植物原料不同又可分为胶合板、碎料板、纤维板等。
据统计，我国具有巨大的人造板市场规模，年产量超过千万。然而，目前人造板加工技术中，为使木材或其他植物原料制成的碎料颗粒能够胶合成型，必须使用大量胶合剂。据调查我国木材胶合剂用量已过万吨，胶合剂主要包括天然胶合剂和包括树脂胶合剂在内的合成类胶合剂。由于天然胶合剂粘剂强度低，制得的人造板力学性能较差，大部分人造板加工时都使用合成类胶合剂，最常用的就是树脂胶合剂。这些树脂胶合剂在生产过程中会造成环境污染，且在使用过程中，会持续释放甲醛等有毒挥发性物质，造成环境污染和严重的健康风险。
因此，制造一种不含树脂胶合剂且力学性能优异的人造板，对建筑行业和家装行业有巨大意义和商业前景。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种人造板，在生产过程中不使用树脂胶合剂且具有较优的力学性能。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种人造板的制备方法，包括如下步骤：
用非衍生化溶剂对植物纤维进行活化处理，得到植物纤维溶液，植物纤维为破壁或非破壁的植物细胞。
将植物纤维溶液与植物颗粒混匀塑型，之后依次进行干燥处理、浸泡清洗处理和静置处理，得到人造板。
在一种可能的实现方式中，植物颗粒为含有植物纤维的木材颗粒和/或草本颗粒，且植物颗粒的粒径为2目-1000目。
在一种可能的实现方式中，植物颗粒与植物纤维溶液的质量比为(50.1-99.9):(0.1-49.9)。
在一种可能的实现方式中，植物纤维溶液中植物纤维的含量为0.1％wt-20％wt。
在一种可能的实现方式中，植物纤维溶液中植物纤维的含量为1％wt-10％wt。
在一种可能的实现方式中，非衍生溶剂选自氯化锂和二甲基乙酰胺的混合溶液、离子液体、碱和尿素的混合溶液和N-甲基吗啉-N-氧化物溶液中的至少一种。
在一种可能的实现方式中，活化处理的温度为-20℃-150℃，活化处理的时间为5min-72h。
在一种可能的实现方式中，在进行静置处理前，将依次进行干燥处理、浸泡清洗处理的操作进行至少两次。
本方法中，植物颗粒与经活化处理的植物纤维通过氢键相连制得人造板，无需使用树脂胶合剂。且由于植物纤维溶液中的植物纤维经过活化处理暴露出大量羟基，可以更容易地与植物颗粒产生更强的交联，从而赋予人造板具有优异的力学性能。
相应地，本发明还提供了一种人造板，由上述人造板的制备方法制得。
在一种可能的实现方式中，人造板的密度为0.05g/cm
3-1.6g/cm
3，人造板的弯曲强度为1Mpa-200Mpa，人造板的D型肖氏硬度为5HSD-85HSD。
本发明所提供的人造板中不含树脂胶合剂且具有优异的力学性能。
图1是实施例1制得的人造板的照片；
图2是实施例2制得的人造板的照片；
图3是实施例3制得的人造板的照片；
图4是实施例1制得的植物纤维溶液的流变性能；
图5是实施例4制得的人造板的弯曲强度；
图6是实施例5制得的人造板的截面的扫描电镜图。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图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。但是本发明能够以很多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改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
一种人造板的制备方法，包括如下步骤：
用非衍生化溶剂对植物纤维进行活化处理，得到植物纤维溶液，植物纤维为破壁或非破壁的植物细胞。
将植物纤维溶液与植物颗粒混匀塑型，之后依次进行干燥处理、浸泡清洗处理和静置处理，得到人造板。
本发明通过调节微米级植物纤维的微结构，破坏植物纤维天然存在的氢键，制得植物纤维溶液，溶解后的植物纤维暴露出更多的羟基，因此可以更容易地与植物颗粒产生交联。植物纤维和植物颗粒相互交联组成三维结构体，在不使用任何树脂胶合剂的情况下，得到具有高强度、高模量、高硬度和高耐水性的人造板。
在上述各原料中，植物纤维至少包括纤维素，在一种可能的实现方式中，植物纤维还可能含有半纤维素和/或木质素。优选地，当植物纤维为纤维素时，制得的人造板具有更高的硬度。
在一种可能的实现方式中，在进行静置处理前，将依次进行干燥处理、浸泡清洗处理的操作进行至少两次。植物纤维在干燥处理中会主动收缩，形成致密的结构。通过反复的干燥处理和浸泡清洗处理，使塑型后的植物纤维和植物颗粒进行更充分的交联和勾连，使人造板更加致密。
在一种可能的实现方式中，植物颗粒为含有植物纤维的木材颗粒和/或草本颗粒，且植物颗粒的粒径为2目-1000目。
在一种可能的实现方式中，植物颗粒与植物纤维溶液的质量比为(30-90):(10-70)。在该质量比下制得的人造板具有较优的力学性能。
在一种可能的实现方式中，植物纤维溶液中植物纤维的含量为0.1％wt-20％wt。
在一种可能的实现方式中，植物纤维溶液中植物纤维的含量为1％wt-10％wt。当植物纤维溶液中的植物纤维含量处于此范围内，能够使植物颗粒和植物纤维之间具有较优的交联强度。
在一种可能的实现方式中，非衍生溶剂选自氯化锂和二甲基乙酰胺的混合溶液、离子液体、碱和尿素的混合溶液和N-甲基吗啉-N-氧化物溶液中的至少一种。
上述各原料中，离子液体是指由有机阳离子和有机或无机阴离子组成的液态的盐；低共熔溶剂是指由两种或多种固体或液体物质通过氢键相互作用形成的液体溶剂。
在上述各原料中，氯化锂和二甲基乙酰胺的混合溶液中锂离子和二甲基乙酰胺形成复合阳离子结构，此时体系中的氯离子与植物纤维中的羟基形成氢键，从而破坏纤维素分子间和内的氢键。
在一种可能的实现方式中，活化处理的温度为-20℃-150℃，活化处理的时间为5min-72h。
本方法中，植物颗粒与经活化处理的植物纤维通过氢键相连制得人造板，无需使用树脂胶合剂，全生命使用周期不产生任何有毒有害气体，可自然降解。且由于植物纤维经过活化处理暴露出大量羟基，可以更容易地与植物颗粒产生更强的交联，从而赋予人造板具有优异的力学性能。
本方法使用植物纤维溶液与植物颗粒交联，植物纤维来源丰富，价格低廉，使本方法的可操作性强、应用价值高、操作简单且可大规模生产。另一方面，在本方法中，植物纤维和植物颗粒的塑型不需要机械外力辅助，成本低且耗时耗能少。
相应地，本发明还提供了一种人造板，由上述人造板的制备方法制得。
在一种可能的实现方式中，人造板的密度为0.05g/cm
3-1.6g/cm
3，人造板的弯曲强度为1Mpa-200Mpa，人造板的D型肖氏硬度为5HSD-85HSD。
本发明所提供的人造板中不含树脂胶合剂且具有优异的力学性能。
参照上述实施内容，为了使得本发明的技术方案更加具体清楚、易于理解，现对本发明技术方案进行举例，但是需要说明的是，本发明所要保护的内容不限于以下实施例1-实施例8。
实施例1
实施例1以滤纸浆为植物纤维来源，使用氯化锂的二甲基乙酰胺溶液 对植物纤维进行活化处理，具体步骤如下：
将17g滤纸浆与412g浓度为8％wt的氯化锂的二甲基乙酰胺溶液混合，在100℃下搅拌5小时后取出，恢复至室温，得到植物纤维溶液。
将17g植物纤维溶液与68g粒径为40目的木粉混合均匀，之后置于玻璃皿中塑型，得到粗制人造板。
将粗制人造板在40℃下进行干燥处理48h，之后用水进行浸泡清洗处理，重复干燥处理和浸泡清洗处理的步骤3次，之后在0.1Mpa，50℃的条件下静置处理24h，得到人造板，人造板的结构如图1所示。
实施例2
实施例2以滤微晶纤维素为植物纤维来源，使用氢氧化钠和尿素的混合溶液对植物纤维进行活化处理，具体步骤如下：
将51g微晶纤维素与624g浓度为7％wt的氢氧化钠和12％wt的尿素的混合溶液混合均匀，-20℃下搅拌3小时后取出，恢复至室温，得到植物纤维溶液。
将10g植物纤维溶液与78g粒径为80目的木屑混合均匀，之后置于玻璃皿中塑型，得到粗制人造板。
将粗制人造板在25℃下进行干燥处理48h，之后用水进行浸泡清洗处理，重复干燥处理和浸泡清洗处理的步骤3次，之后在0.5Mpa，50℃的条件下静置处理24h，得到人造板，人造板的结构如图2所示。
实施例3
实施例3以溶解浆为植物纤维来源，使用N-甲基吗啉-N-氧化物溶液对植物纤维进行活化处理，具体步骤如下：
将11g溶解浆与351g浓度为50％wt的N-甲基吗啉-N-氧化物溶液混合均匀，80℃下搅拌3小时后取出，恢复至室温，得到植物纤维溶液。
将448g植物纤维溶液与15g粒径为20目的秸秆粉混合均匀，之后置于玻璃皿中塑型，得到粗制人造板。
将粗制人造板在60℃下进行干燥处理48h，之后用水进行浸泡清洗处理，重复干燥处理和浸泡清洗处理的步骤3次，之后在212Mpa，50℃的条件下静置处理24h，得到人造板，人造板的结构如图3所示。
实施例4
实施例4以溶解浆为植物纤维来源，使用氢氧化钠和尿素的混合溶液对植物纤维进行活化处理，具体步骤如下：
将21g溶解浆与651g浓度为7％wt的氢氧化钠和12％wt的尿素的混合溶液混合均匀，80℃下搅拌3小时后取出，恢复至室温，得到植物纤维溶液。
将35g植物纤维溶液与78g粒径为40目的秸秆粉混合均匀，之后置于玻璃皿中塑型，得到粗制人造板。
将粗制人造板在40℃下进行干燥处理48h，之后用水进行浸泡清洗处理，重复干燥处理和浸泡清洗处理的步骤3次，之后在0.6Mpa，50℃的条件下静置处理24h，得到人造板。
实施例5
实施例5以阔叶木浆为植物纤维来源，使用N-甲基吗啉-N-氧化物溶液对植物纤维进行活化处理，具体步骤如下：
将21g阔叶木浆与651g浓度为50％wt的N-甲基吗啉-N-氧化物溶液混合均匀，80℃下搅拌3小时后取出，恢复至室温，得到植物纤维溶液。
将60g植物纤维溶液与78g粒径为40目的木屑混合均匀，之后置于玻璃皿中塑型，得到粗制人造板。
将粗制人造板在40℃下进行干燥处理48h，之后用水进行浸泡清洗处理，重复干燥处理和浸泡清洗处理的步骤3次，之后在0Mpa，50℃的条件下静置处理24h，得到人造板。
实施例6
实施例6以阔叶木浆为植物纤维来源，使用N-甲基吗啉-N-氧化物溶液 对植物纤维进行活化处理，具体步骤如下：
将31g阔叶木浆与731g浓度为50％wt的N-甲基吗啉-N-氧化物溶液混合均匀，80℃下搅拌3小时后取出，恢复至室温，得到植物纤维溶液。
将748g植物纤维溶液与42g粒径为40目的竹粉混合均匀，之后置于玻璃皿中塑型，得到粗制人造板。
将粗制人造板在40℃下进行干燥处理48h，之后用水进行浸泡清洗处理，重复干燥处理和浸泡清洗处理的步骤3次，之后在300Mpa，50℃的条件下静置处理24h，得到人造板。
实施例7
实施例7以阔叶木浆为植物纤维来源，使用氯化1-丁基-3-甲基咪唑溶液对植物纤维进行活化处理，具体步骤如下：
将60g阔叶木浆与650g氯化1-丁基-3-甲基咪唑溶液混合均匀，100℃下搅拌3小时后取出，恢复至室温，得到植物纤维溶液。
将552g植物纤维溶液与20g粒径为10目的竹粉混合均匀，之后置于玻璃皿中塑型，得到粗制人造板。
将粗制人造板在40℃下进行干燥处理48h，之后用水进行浸泡清洗处理，重复干燥处理和浸泡清洗处理的步骤3次，之后在100Mpa，50℃的条件下静置处理24h，得到人造板。
实施例8
实施例8以溶解浆为植物纤维来源，使用氯化锂的二甲基乙酰胺溶液对植物纤维进行活化处理，具体步骤如下：
将21g溶解浆与651g浓度为8％wt的氯化锂的二甲基乙酰胺溶液混合均匀，100℃下搅拌3小时后取出，恢复至室温，得到植物纤维溶液。
将277g植物纤维溶液与78g解构干燥后的木屑混合均匀，之后置于玻璃皿中塑型，得到粗制人造板。
将粗制人造板在40℃下进行干燥处理48h，之后用水进行浸泡清洗处 理，重复干燥处理和浸泡清洗处理的步骤3次，之后在2Mpa，50℃的条件下静置处理24h，得到人造板。
性能测试：
分别对实施例1制得的植物纤维溶液的流变性能、实施例5制得的人造板的微观形貌、实施例1-8制得的人造板的密度、弯曲强度和D型肖氏硬度进行测试或表征，测试方法和测试数据如下：
流变性能：采用HAAKE MARS60流变仪进行流变性能测试，测试模式为动力学粘度测试(旋转模式)，测试的剪切速率范围为0.1s
-1-1000s
-1，温度为恒定25℃。
实施例1制得的植物纤维溶液的流变性能如图4所示。由图4可以看出，实施例1制得的植物纤维溶液粘度得到了大幅提高。
微观形貌：对实施例5制得的人造板的截面进行镀金处理，之后采用德国蔡司生产的扫描电子显微镜对全植物人造板进行了形貌表征，加速电压为5kV。
实施例5制得的人造板的微观形貌如图6所示。由图6可以看出，人造板中的植物纤维弯曲变形并紧密缠绕，形成了致密的结构。
密度：采用分析天平测得材料的质量，采用排液法测得材料得体积，通过其质量与体积之比得到人造板的密度。
D型肖氏硬度：将D型肖氏硬度仪平压在样品表面，待数值稳定后读数记录。
弯曲强度：采用山东万辰微型电子万能实验机(CMT4104)进行测试。在弯曲性能试验中，样品尺寸为70mm*6mm*3mm，弯曲夹具两个下辊之间的距离为34mm，上辊在中间以2mm/min的速度向下压，直至标准样品断裂或材料力学性能出现骤降。
实施例4制得的人造板的弯曲强度和弯曲应变如图5所示。由图5可以看出，实施例4制得的人造板的最大弯曲强度为24Mpa，对应的弯曲强 度约为3.0％，说明实施例4制得的人造板具有较高的弯曲强度和弯曲模量。
实施例1-8制得的人造板的密度、弯曲强度和D型肖氏硬度如表1所示。
表1实施例1-8制得的人造板的密度、弯曲强度和D型肖氏硬度
由表1可以看出，实施例1-8制得的人造板的密度为0.05g/cm
3-1.6g/cm
3，人造板的弯曲强度为1Mpa-200Mpa，人造板的D型肖氏硬度为5HSD-85HSD，表明本发明技术方案的人造板具有优异的力学性能。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
- 一种人造板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：用非衍生化溶剂对植物纤维进行活化处理，得到所述植物纤维溶液，所述植物纤维为破壁或非破壁的植物细胞；将所述植物纤维溶液与植物颗粒混匀塑型，之后依次进行干燥处理、浸泡清洗处理和静置处理，得到人造板。
- 根据权利要求1所述的人造板的制备方法，其特征在于，在进行所述静置处理前，将所述依次进行干燥处理、浸泡清洗处理的操作进行至少两次。
- 根据权利要求1所述的人造板的制备方法，其特征在于，所述植物颗粒与所述植物纤维溶液的质量比为(30-90):(10-70)。
- 根据权利要求1所述的人造板的制备方法，其特征在于，所述植物纤维溶液中植物纤维的含量为0.1％wt-20％wt。
- 根据权利要求1或4所述的人造板的制备方法，其特征在于，所述植物纤维溶液中植物纤维的含量为1％wt-10％wt。
- 根据权利要求1所述的人造板的制备方法，其特征在于，所述活化处理的温度为-20℃-150℃，所述活化处理的时间为5min-72h。
- 根据权利要求1所述的人造板的制备方法，其特征在于，所述非衍生溶剂选自氯化锂的二甲基乙酰胺溶液、离子液体、碱和尿素的混合溶液和N-甲基吗啉-N-氧化物溶液中的至少一种。
- 根据权利要求1所述的人造板的制备方法，其特征在于，所述植物颗粒为含有植物纤维的木材颗粒和/或草本颗粒，且所述植物颗粒的粒径为2目-1000目。
- 一种人造板，其特征在于，由权利要求1-8中任意一项所述的人造板的制备方法制得。
- 根据权利要求9所述的人造板，其特征在于，所述人造板的密度为0.05g/cm 3-1.6g/cm 3，所述人造板的弯曲强度为1Mpa-200Mpa，所述人造板的D型肖氏硬度为5HSD-85HSD。
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