CN111546455A - 一种玉米秸秆纤维阻燃重组集成材及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种玉米秸秆纤维阻燃重组集成材及制备方法，属于人造板加工技术领域。将玉米秸秆进行疏解得到纵向不断裂、横向不松散交错相连的玉米秸秆外皮纤维，使用有机阻燃剂对玉米秸秆皮进行处理，使其具备阻燃性能。阻燃处理的同时能够对秸秆表面进行化学预处理，使其有利于胶接；使用专用间苯二酚改性酚醛树脂胶黏剂对阻燃玉米秸秆纤维进行粘接，在施胶过程中加入无机阻燃剂；将玉米秸秆外皮纤维进行集成材的平行定向铺装；热压处理得到玉米秸秆纤维阻燃重组集成材；发明的玉米秸秆纤维阻燃重组集成材具有良好的力学性能和阻燃性能，能够达到建筑B1级标准。
Description
技术领域
本发明涉及一种玉米秸秆纤维阻燃重组集成材及制备方法，属于人造板加工技术领域。
背景技术
我国的秸秆每年都有大量的剩余，常有集中焚烧秸秆现象发生，既造成了环境的严重污染， 又导致了资源的巨大浪费。如何做好秸秆就地转化和深加工，成为亟待解决的问题，提高秸 秆的利用，对可持续农村经济的发展，必定产生深远的影响。但是我国农作物秸秆综合利用 率较低，秸秆过剩引发了秸秆焚烧，道路安全等一系列的社会问题，通过科技创新，研发农 作物秸秆高价值综合利用技术，促进我国农业生产的可持续发展，已成为全社会高度关注和 亟待解决的热点问题。农作物秸秆用于刨花板、纤维板以及复合制板的研究已经非常多见， 但是，借鉴重组木的工艺制造农作物秸秆重组材的研究，国外还未见到相关文献报道，国内 文献也非常少。从理论上分析玉米秸秆可用于生产重组材人造板，鉴于秸秆本身的特点，应 进一步研究与开发适合秸秆原料的工艺技术、设备和胶粘剂，使玉米秸秆重组材能够在我国 得到推广发展，但是，目前还缺乏制备玉米秸秆来制造阻燃重组材的经验。玉米秸秆主要由 皮、穰、叶三大部分组成，组织结构有很大不同。从动物饲料的应用、新能源的利用和直接 还田效应上看玉米秸秆皮的综合利用最差。玉米秸秆具备质量轻、成本低、纤维性强等特点， 可以变废为宝，降低建材的成本。由于玉米秆是一年生植物，纤维强度远远低于木材，以农 作物秸秆为原料制备的板材强度低、易变形。因此秸秆不粉碎进行外皮的整体利用，压制集 成材对改善板材性能意义重大。同时秸秆相对木材更易燃烧，并且秸秆燃烧过程释放大量的 热，蔓延速度快，还能释放有毒烟气，因此造成的火灾危害大。采取有效的技术措施将玉米 秸秆制成燃烧性能满足B级要求的阻燃板材，将对实现农作物秸秆资源化利用起到重要的作 用。在阻燃剂的应用方面添加型阻燃剂因其工艺简单、易复合使用、阻燃效果好等优点而被 广泛使用，并且能够降低浓烟密度，提高炭化。反应型阻燃剂具有特定的反应官能团，通过 化学反应将阻燃基团引入到材料当中，不迁移，能够达到永久阻燃的目的，用于处理玉米秸 秆纤维阻燃效果更好。虽然玉米秸秆的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，但其结构疏 松、纤维细胞含量(60％)低于木材(75％-98％)，溶液抽提物含量较高，灰分含量大(>4％)。 因此选用合理的阻燃剂以及胶黏剂，配合一定的加工工艺才能制备阻燃性能和强度都较好的 板材。本项发明能够带动农作物秸秆产业经济的发展，能够为促进农民增收、发展生态农业、 保护自然环境起到巨大作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种设计合理，工艺简单的玉 米秸秆纤维阻燃重组集成材及制备方法。
本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的，本发明是一种玉米秸秆纤 维阻燃重组集成材的制备方法，其特点是使用反应型有机阻燃剂和添加型无机阻燃剂相结合 的方法制备玉米秸秆纤维阻燃重组集成材。
本发明是一种玉米秸秆纤维阻燃重组集成材的制备方法，其特点是使用可反应型有机磷 氮阻燃剂，羟甲基磷酸脒基脲盐对玉米秸秆外皮纤维进行浸渍阻燃处理，pH值为7-8，要求 浸渍温度为40-60℃,浸渍时间2-6h,阻燃剂质量百分浓度为5％-25％。阻燃剂处理玉米秸秆后 不影响对酚醛树脂类胶黏剂的固化反应和胶合强度。同时阻燃剂在浸渍处理秸秆纤维的同时 其弱碱性能够去除玉米秸秆外皮的硅脂、蜡质以及油状薄膜物，提高表面极性，增加纤维的 暴露，有利于胶合。改善因阻燃剂引起的板材吸潮的现象以及阻燃剂迁移的缺点。
本发明是一种玉米秸秆纤维阻燃重组集成材的制备方法，其特点是可反应型有机阻燃剂 浸渍处理后需要再在干燥窑中进行干燥，干燥的过程进一步促进阻燃剂与秸秆表面的学反应 的进行，干燥温度为60-80℃，干燥至玉米秸秆外皮纤维的含水率为6-8％。
本发明是一种玉米秸秆纤维阻燃重组集成材的制备方法，其特点是使用添加型无机阻燃 剂，为纳米滑石粉，纳米水滑石，纳米凹土、纳米蒙脱土，纳米云母中的一种。无机阻燃剂 的加入具有抑烟的作用，减少玉米秸秆燃烧时产生的烟气等有害物质，降低烟密度，提高秸 秆炭化。添加型无机阻燃剂的加入量为秸秆外皮纤维绝干质量的20％-30％。
本发明是一种玉米秸秆纤维阻燃重组集成材的制备方法，其特点是使用专用间苯二酚改 性酚醛树脂进行玉米秸秆重组集成材的粘接，在施胶的过程中添加无机阻燃剂。前期处理过 程中有机阻燃剂的弱碱性不影响间苯二酚改性酚醛树脂的固化反应。添加的无机阻燃剂可以 充当树脂的填料。
本发明的目的是提供一种玉米秸秆纤维阻燃重组集成材的制备方法，其具体步骤如下，
(1)玉米秸秆的疏解：利用专用机械设备梳理，去掉玉米秸秆的叶和穰，得到玉米秸秆的外 皮纤维，自然干燥至含水率为8％-12％，将玉米秸秆外皮纤维剪切成15-30cm长度。
(2)玉米秸秆全外皮纤维阻燃处理：将玉米秸秆的外皮纤维浸渍到阻燃剂质量百分浓度为 5％-25％的水溶液中，浸渍2-6h后取出，干燥窑中于60-80℃的干燥温度条件下干燥至含水率 达到6％-8％。
(3)阻燃玉米秸秆外皮纤维施胶：使用玉米秸秆集成材的专用间苯二酚酚醛树脂胶黏剂或液 化落叶松书皮粉改性酚醛树脂胶黏剂，以喷胶或浸胶的方式进行施胶。施胶量为秸秆外皮纤 维的绝干质量的15％-25％。施胶前加入添加型无机阻燃剂，加入量为秸秆外皮纤维绝干质量 的10％-20％，与胶黏剂混合后施胶。
(4)玉米秸秆纤维阻燃重组集成材铺装热压：将玉米秸秆外皮纤维进行定向平行铺装重组， 上层、中心层和下层密度一致，定向平行铺装重组后集成材的目标密度为0.6-0.8g/cm3。玉 米秸秆纤维阻燃重组集成材热压：压力3.0-5.0MPa,温度110-130℃，热压时间5-7min。
本发明的阻燃处理方法结合反应型有机阻燃剂和添加型无机阻燃剂，克服阻燃剂性能单 一的缺点。反应型阻燃剂能够同时起到对玉米秸秆表面预处理的作用，通过化学反应将阻燃 剂以秸秆纤维结合，阻燃效果好，能够防止阻燃剂迁移和实效，稳定性好。同时该阻燃剂能 够促进胶合，增加胶合强度。添加型无机阻燃剂能够有效地减低烟密度，减少有毒燃烧气体 的产生，促进秸秆纤维成炭，增加阻燃性。与现有技术相比，本发明通过利用反应型有机阻 燃剂和添加型无机阻燃剂复合的方法提高秸秆集成材的阻燃性，降低烟密度，抑制烟气的生 成；专用设备疏解玉米秸秆得到玉米秸秆全外皮纤维，工艺简单效率高。通过阻燃处理使玉 米秸秆集成材具备阻燃性能，用于防火建筑材料。本发明极大地促进该玉米秸秆纤维阻燃重 组集成材的生产和应用，环保，生产成本低，生产方法简单，可实现机械化生产。
具体实施方式
下面给出实例对本发明作进一步说明。以下所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本 发明的专利范围，凡是利用本发明说明书所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运 用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
实施例1
原料：东北玉米秸秆
阻燃剂：羟甲基磷酸脒基脲盐有机磷氮阻燃剂；纳米水滑石，加入量为玉米秸秆纤维绝干质 量的10％。
胶黏剂：液化落叶松书皮粉改性酚醛树脂胶黏剂
重组集成材板材尺寸：310×310×15mm的玉米秸秆板，密度为0.8g/cm3
一种利用完整玉米秸秆皮制备复合板的方法，包括以下步骤：
步骤一：玉米秸秆疏解，
取经过自然晾晒的农用玉米秸秆，含水率约20％，疏解，去叶去除秸秆穰。疏解压平秸 秆外皮，经过压平后秸秆外皮纤维部分分离但是整个外皮能够保持一个整体，裁剪成25-30CM 长度玉米秸秆段，晾干至含水率达到8-12％。
步骤二：玉米秸秆阻燃处理:
采用浓度为10wt％的阻燃剂，将玉米秸秆皮室温下常压浸渍，将秸秆完全沉入到阻燃剂 水溶液中，浸渍时间为6h。浸渍处理后将玉米秸秆自然晾干至无水滴滴落后，置于干燥窑 中60℃干燥至含水率为8％。
步骤三：施胶与拌胶
使用液化落叶松树皮粉改性酚醛树脂胶黏剂，固含量47％-50％，粘度50mpa·s，施胶量 为20％，与无机阻燃剂纳米滑石粉(加入量为玉米秸秆外皮纤维绝干质量的10％)参混后进 行喷胶施胶。
步骤四：铺装
施胶后的玉米秸秆纤维，进行平行定向铺装重组，密度为0.8g/cm3，密度上中下层一致， 尺寸为310×310×15mm。
步骤五：热压处理
在模具中铺装好，放15mm的厚度规，再放入热压机中进行热压，温度为120℃，压力5MPa，热压时间为5min。卸压时缓慢卸压防止玉米秸秆板分层和鼓泡，得到玉米秸秆纤维阻燃重组集成材。
步骤七：板材性能检测
根据GB/T17657-2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》进行检测，结果为：密 度为0.623-0.654g/cm3、静曲强度为37.22-40.59MPa、弹性模量为2816.6-3244.5MPa、内结 合强度为0.84-0.92MPa，2h吸水厚度膨胀率为6.5％-8.8％。有机阻燃处理后能够促进酚醛树 脂的胶合，力学性能指标合格。材料燃烧性能按照GB8624—2012《建筑材料及制品燃烧性能 分级》进行测试，阻燃性能达到建筑B1级阻燃剂阻燃性能达到建筑B1级。氧指数按照GB/T 2406.2—2009《塑料用氧指数法测定燃烧行为第2部分：室温试验》进行测试，氧指数为37。
实施例2
原料：东北玉米秸秆
阻燃剂：羟甲基磷酸脒基脲盐有机磷氮阻燃剂，纳米水滑石。
胶黏剂：专用间苯二酚改性酚醛树脂胶黏剂
重组集成材板材尺寸：310×310×10mm的玉米秸秆板，密度为0.8g/cm3
一种利用完整玉米秸秆皮制备复合板的方法，包括以下步骤：
步骤一：玉米秸秆进行疏解，
取经过自然晾晒的农用玉米秸秆，含水率约20％，进行疏解，进料去叶去除秸秆穰，疏 解压平秸秆外皮，经过压平后秸秆外皮纤维部分分离但是整个外皮能够保持一个整体，裁剪 成25-30CM长度玉米秸秆段，晾晒至含水率达到8-12％。
步骤二：玉米秸秆阻燃处理:
阻燃剂与水稀释，溶液浓度为15％，玉米秸秆皮室温下常压浸渍，浸渍时间为6h。浸渍 处理后将玉米秸秆干燥窑中80℃烘干至含水率为8％，计算阻燃剂载药量为40g/m3。
步骤三：施胶与拌胶
使用专用间苯二酚改性酚醛树脂胶黏剂，固含量47％-50％，粘度100mpa·s，阻燃处理 后含水率为8％的秸秆，施胶量为秸秆绝干质量的25％。无机阻燃剂改性纳米滑石粉加入量为 秸秆绝干质量的12％，与胶黏剂参混后进行喷胶施胶。
步骤四：铺装热压制备板材
施胶后的玉米秸秆纤维，进行平行定向铺装重组，密度为0.8g/cm3,密度上中下层一致， 尺寸为310×310×10mm，压力3MPa，热压温度120℃，热压时间为7min，得到玉米秸秆纤维 阻燃重组集成材。
步骤七：板材性能检测
根据GB/T17657-2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》进行检测，结果为：密 度为0.87-0.897g/cm3、静曲强度为37.22-40.59MPa、弹性模量为2816.6-3244.5MPa、内结 合强度为0.84-0.92MPa，2h吸水厚度膨胀率为7.1％-8.8％。材料燃烧性能按照GB8624—2012 《建筑材料及制品燃烧性能分级》进行测试，阻燃性能达到建筑B1级。氧指数按照GB/T 2406.2 —2009《塑料用氧指数法测定燃烧行为第2部分：室温试验》进行测试，氧指数为38。
通过纵向不断裂、横向不松散交错相连的结构，纤维平行重组最大限度的保留了玉米秸 秆本身固有的强度，不需要粉碎加工，简化工艺。该制备技术用机无机阻燃方法改善了玉米 秸秆自身易燃的属性，制成品具有良好的阻燃性能，阻燃抑烟性能优异，燃烧性能达到B1级， 能符合国家建筑设计防火规范对材料燃烧性能要求。通过该方法处理制备的玉米秸秆纤维重 组集成材，解决了目前玉米秸秆纤维材料易燃问题，提高了阻燃作用，减少了阻燃剂的用量， 二者很好兼顾了经济性与阻燃效果。本发明提供的方法简单，用于替代木材可以节约木材资 源，促进农作物剩余物高值化利用，减少秸秆焚烧带来的环境污染。该玉米秸秆纤维阻燃重 组集成材综合应用性能好，可在防火建筑材料方面推广应用。
Claims (6)
1.一种玉米秸秆纤维阻燃重组集成材的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)玉米秸秆的疏解：利用专用机械设备梳理，去掉玉米秸秆的叶和穰，得到纵向不断裂、横向不松散交错相连的玉米秸秆的外皮纤维，采用自然干燥方式降低含水率，将玉米秸秆外皮纤维剪切成段；
(2)玉米秸秆外皮纤维阻燃处理：将玉米秸秆的外皮纤维浸渍到阻燃剂水溶液中，浸渍后干燥，进一步降低含水率；
(3)阻燃玉米秸秆外皮纤维施胶：采用胶黏剂，以喷胶或浸胶的方式进行施胶；施胶前加入添加型无机阻燃剂，与胶黏剂混合后施胶；
(4)玉米秸秆外皮纤维阻燃重组集成材铺装热压：将玉米秸秆外皮纤维进行定向平行铺装重组，上层、中心层和下层密度一致，再对玉米秸秆纤维阻燃重组集成材实施热压得到成品。
2.如权利要求1所述的一种玉米秸秆纤维阻燃重组集成材的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，降低含水率至8％-12％；将玉米秸秆外皮纤维剪切成段的长度为15-30cm。
3.如权利要求1所述的一种玉米秸秆纤维阻燃重组集成材的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，阻燃剂水溶液的质量百分浓度为5％-25wt.％，pH值为7-8，阻燃浸渍时间为2-6h；干燥方式为：干燥窑中在60-80℃的干燥温度条件下干燥至含水率达到6％-8％。
4.如权利要求1所述的一种玉米秸秆纤维阻燃重组集成材的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，胶黏剂的施胶量为秸秆外皮纤维的绝干质量的15％-25％；添加型无机阻燃剂的加入量为秸秆外皮纤维绝干质量的10％-20％。
5.如权利要求1所述的一种玉米秸秆纤维阻燃重组集成材的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，定向平行铺装重组后集成材的目标密度为0.6-0.8g/cm3；热压压力为3.0-5.0MPa,温度为110-130℃，热压时间为5-7min。
6.如权利要求1所述的一种玉米秸秆纤维阻燃重组集成材的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述专用胶黏剂为间苯二酚改性酚醛树脂胶黏剂或液化落叶松书皮粉改性酚醛树脂胶黏剂；所述添加型无机阻燃剂为纳米滑石粉，纳米水滑石，纳米凹土、纳米蒙脱土，纳米云母中的一种。
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