CN113277814A - 一种碳酸镁改性镁水泥胶结秸秆板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种碳酸镁改性镁水泥胶结秸秆板及其制备方法，属于人造板制备技术领域。该秸秆板制备方法包括将水合碳酸镁、碱式碳酸镁或它们的混合物作为活性氧化镁的改性剂，活性氧化镁与改性剂、水搅拌形成粘稠状浆体，然后再与秸秆碎末强力混合均匀，在模具中经铺料、预压、终压成型。锁模养护后，脱模、烘干、切边及板面修整，即得到改性镁水泥秸秆板。本发明通过活性氧化镁在改性剂的激发与引导下，形成致密的氢氧化镁与碱式碳酸镁矿物结合相，将秸秆纤维胶结在一起。本秸秆板不含卤化物、硫酸盐等成分，且具有高的强度，阻燃及耐水性好等特点外，还具有生产简便等优点。

Description

一种碳酸镁改性镁水泥胶结秸秆板及其制备方法
技术领域
本发明涉及人造板制备技术领域，特别是指一种碳酸镁改性镁水泥胶结秸秆板及其制备方法。
背景技术
中国是一个农业大国，每年生成的农作物秸秆类剩余物可达10亿多吨。秸秆的主要利用方式有：秸秆还田、作为饲料、燃烧发电、作为工业原料等，其中将其作为工业原料用于秸秆人造板生产，是秸秆利用中最有发展潜力和产业化前景的技术。它充分利用秸秆资源，且无废弃物排放，符合绿色低碳的建材行业发展。因此将秸秆用于建筑板材的生产是秸秆综合利用的有效途径。
以往的秸秆板是采用脲醛树脂、聚异氰酸酯等有机胶黏剂或氯氧镁类、硫氧镁类、硫酸盐类、磷酸盐类、硅酸盐类等无机胶黏剂进行胶结。采用有机胶黏剂结合的材料，具有质轻、韧性好等优点，缺点是材料燃烧等级低。无机胶黏剂结合的材料，燃烧等级提高，但材料的体积密度也相应变大。特别是这些无机胶黏剂多为气硬性胶凝材料，由其结合的秸秆板，耐水性相对较差，板材易变形，还存在结合相的晶形转变以及长期强度衰减等问题。
本发明是在氧化镁胶凝体系的基础上，引入碳酸镁类组分作为改性剂，将气硬性材料转变为水硬性材料。这些碳酸镁类组分为水合碳酸镁、碱式碳酸镁或它们的混合物，在湿热条件下，促进活性氧化镁的水化，形成致密、耐水的氢氧化镁与碱式碳酸镁矿物结合相，将秸秆纤维结合在一起。本秸秆板不含卤化物、硫酸盐等成分，且具有高的强度，阻燃及耐水性好等特点外，还具有生产简便等优点。
发明内容
本发明提供了一种碳酸镁改性镁水泥胶结秸秆板及其制备方法，通过耐水的氢氧化镁与碱式碳酸镁矿物作为胶结相，取代气硬性的镁水泥，与秸秆纤维复合，来提高秸秆板的耐水性能。
该秸秆板包括氢氧化镁与碱式碳酸镁结合相及秸秆，氢氧化镁与碱式碳酸镁结合相为活性氧化镁中加入改性剂和水，经水化硬化后形成的结晶物相，氢氧化镁与碱式碳酸镁结合相将秸秆纤维包裹、并有部分在秸秆细胞空腔中结晶，起到耐水、防火阻燃的作用，最终形成秸秆板。
氢氧化镁与碱式碳酸镁结合相中的碱式碳酸镁为纤水碳镁石、球碳镁石、水菱镁石、异水菱镁矿中一种或几种的复合；活性氧化镁为镁质原料，包括但不限于轻烧氧化镁、菱苦土；秸秆为农作物秸秆，包括但不限于麦秆、稻秆、玉米秆、油菜秆、棉花秆，农作物秸秆经切割打碎处理。
秸秆板中氢氧化镁与碱式碳酸镁胶结相质量分数为40-90％，优选为60-80％；秸秆质量分数为10-60％，优选为20％-40％。
改性剂为水合碳酸镁或碱式碳酸镁，包括但不限于五水菱镁矿、三水菱镁矿、二水菱镁矿、水菱镁石、球碳镁石或它们的混合物，改性剂添加量为活性氧化镁质量的10-90％，优选为15-30％。
具体包括步骤如下：
S1：活性氧化镁、改性剂与水搅拌均匀形成粘稠状混合浆体，水的加入量为氧化镁与改性剂总量的0.4倍至2.0倍，水量的控制既能使浆体完全润湿秸秆纤维，在板材成型过程中又无多余水份挤出；
S2：改性镁水泥浆体与秸秆碎末强力混合均匀，在模具中经铺料、预压、终压成型后，锁住模具；
S3：成型体带模一起在70℃～100℃锁模养护24h～10h后，脱模，在170℃以下温度干燥，经切边及板面修整，即得到改性镁水泥秸秆板。
其中，S2中秸秆碎末长度小于4mm；强力混合的转速不大于100rpm。
S2中预压的压力为0.3-0.8MPa，终压的压力为2.0-4.0MPa。
S3中干燥至含水率不大于10％。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，在氧化镁胶凝体系的基础上，引入碳酸镁类组分作为改性剂，将气硬性材料转变为水硬性材料。这些碳酸镁类组分为水合碳酸镁、碱式碳酸镁或它们的混合物，在湿热条件下，促进活性氧化镁的水化，形成致密、耐水的氢氧化镁与碱式碳酸镁矿物结合相，将秸秆纤维结合在一起。本秸秆板不含卤化物、硫酸盐等成分，且具有高的强度，阻燃及耐水性好等特点外，还具有生产简便等优点。
附图说明
图1为本发明制备方法的流程示意图；
图2为本发明结合相的XRD谱图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种碳酸镁改性镁水泥胶结秸秆板及其制备方法。
该秸秆板包括氢氧化镁与碱式碳酸镁结合相及秸秆，氢氧化镁与碱式碳酸镁结合相为活性氧化镁中加入改性剂和水，经水化硬化后形成的结晶物相，氢氧化镁与碱式碳酸镁结合相将秸秆纤维包裹、并有部分在秸秆细胞空腔中结晶，起到耐水、防火阻燃的作用。
氢氧化镁与碱式碳酸镁结合相中的碱式碳酸镁为纤水碳镁石、球碳镁石、水菱镁石、异水菱镁矿中一种或几种的复合；活性氧化镁为镁质原料，包括但不限于轻烧氧化镁、菱苦土；秸秆为农作物秸秆，包括但不限于麦秆、稻秆、玉米秆、油菜秆、棉花秆，经切割打碎得到。
氢氧化镁与碱式碳酸镁胶结相质量分数为40-90％，优选为60-80％；秸秆质量分数为10-60％，优选为20％-40％。
改性剂为水合碳酸镁或碱式碳酸镁，包括但不限于五水菱镁矿、三水菱镁矿、二水菱镁矿、水菱镁石、球碳镁石或它们的混合物，改性剂添加量为氧化镁质量的10-90％，优选为15-30％。
本发明的碳酸镁改性镁水泥秸秆板制备工艺流程如图1所示。先将收集、干燥后的秸秆，切段并粉碎成长度小于4mm的秸秆碎末，备用。活性氧化镁、改性剂与水搅拌均匀形成粘稠状混合浆体，即改性镁水泥浆体。其中的活性氧化镁为轻烧氧化镁、菱苦土等镁质原料，改性剂为五水菱镁矿、三水菱镁矿、二水菱镁矿等水合碳酸镁，水菱镁石、球碳镁石等碱式碳酸镁或它们的混合物。改性剂加入量为活性氧化镁质量的10-90％，水为普通自来水，加入量为活性氧化镁与改性剂总质量的0.4倍至2.0倍。水量的控制既能使浆体完全润湿秸秆纤维，在板材成型过程中又无多余水份挤出。
将改性镁水泥浆体与秸秆碎末在搅拌机内强力混合均匀，形成松散润湿的原材料拌合物。在原材料拌合物中，改性镁水泥浆体包裹在秸秆纤维表面，其中部分溶液渗透进秸秆细胞空腔中。
原材料拌合物在模具中经铺料、预压、终压成型，形成原材料坯体。预压成型压力控制在0.3-0.8MPa，终压成型压力在2.0-4.0MPa。由于秸秆纤维的反弹作用，原材料坯体强度很低，需要将坯体在模具内进行锁模养护。成型体带模一起在70℃～100℃温度环境下锁模养护24h～10h后，得到材料湿板。在锁模湿热养护过程中，活性氧化镁在改性剂作用下水化，形成了致密、耐水的氢氧化镁与碱式碳酸镁矿物结合相。进入秸秆细胞空腔中的溶液，也在养护过程中析出结合相矿物。材料湿板中的氢氧化镁与碱式碳酸镁结合相将秸秆纤维紧密结合在一起，形成坚硬的块体材料。
材料湿板经脱模，并在170℃以下温度干燥，经切边及板面修整，即得到改性镁水泥秸秆板。秸秆板中氢氧化镁和碱式碳酸镁结合相质量分数为40-90％，最优60-80％，秸秆质量比例为10-60％，最优20％-40％。
图2对比了湿热养护与常温养护下结合相的不同。本发明采用的湿热养护条件(100℃×3h)下，结合相的主要水化矿物为氢氧化镁(水镁石)，衍射峰强度大，另外可见水菱镁石(一种碱式碳酸镁)的峰。相对比的常温养护条件(20℃×28d)下，结合相中的主要水化产物也是氢氧化镁，但其衍射峰强度相对较小，发现有纤水碳酸镁和水菱镁石等碱式碳酸镁生成。图2中的方解石、白云石、菱镁矿、石英和滑石是活性氧化镁原料中残留的物相。
本发明的碳酸镁改性镁水泥秸秆板，是通过耐水的氢氧化镁与碱式碳酸镁矿物结合相将秸秆纤维包裹、结合在一起，并有部分进入秸秆细胞空腔中。氢氧化镁和碱式碳酸镁矿物具有很好的防火性能，由其结合的秸秆板，防火阻燃作用明显。
下面结合具体实施例予以说明。
实施例1
将干燥麦秆切段，粉碎成长度小于4mm的碎末，备用。在MgO含量大于85％的活性氧化镁粉末中，内掺质量分数为18％的三水菱镁矿粉末，预混合后加入总固体量0.8倍的水，搅拌均匀形成粘稠状混合浆体，即改性镁水泥浆体。
称取氧化镁质量0.79倍的麦秆碎末(麦秆在板材中的质量分数为33％)，将水泥浆体与麦秆碎末在搅拌机内强力混合均匀，形成松散润湿的原材料拌合物。原材料拌合物在模具内经铺料，0.6MPa预压，3.5MPa终压成型，形成原材料坯体。成型过程没有多余液体流出。成型体带模一起在100℃下锁模养护6h后，得到材料湿板。材料湿板经脱模，并在100℃干燥至含水率小于10％。经测定该秸秆板体积密度为1088kg/m3，抗折强度为16.14MPa，秸秆质量占比33％，如表1所示。采用甲烷喷枪对板面进行喷烧，板材不燃，秸秆纤维发生炭化。
实施例2
其它条件与实施例1相同，麦秆碎末占比提高为氧化镁质量0.93倍(麦秆在板材中的质量分数为40％)，终压成型压力为3.8MPa，湿热养护时间缩短为3h。经测定该秸秆板体积密度为996kg/m3，抗折强度为12.40MPa，秸秆质量占比40％，如表1所示。采用甲烷喷枪对板面进行喷烧，板材不燃，秸秆纤维发生炭化。
实施例3
其它条件与实施例1相同，所不同的是，湿热养护制度从100℃下锁模养护6h，改为70℃下锁模养护12h。经测定该秸秆板体积密度为1069kg/m3，抗折强度为10.38MPa，秸秆质量占比33％，如表1所示。采用甲烷喷枪对板面进行喷烧，板材不燃，秸秆纤维发生炭化。
实施例4
其它条件与实施例1相同，所不同的是，三水菱镁矿内掺质量分数提高到20％，湿热养护制度从100℃下锁模养护6h，延长至9h。经测定该秸秆板体积密度为1041kg/m3，抗折强度为13.13MPa，秸秆质量占比33％，如表1所示。采用甲烷喷枪对板面进行喷烧，板材不燃，秸秆纤维发生炭化。
实施例5
其它条件与实施例1相同，所不同的是，在活性氧化镁中又内掺了质量分数为16％的水菱镁石，从单一改性剂改成三水碳酸镁与水菱镁石的复合改性剂。水的加入量提高到总固体量的1.0倍。经测定该秸秆板体积密度为1048kg/m3，抗折强度为11.34MPa，秸秆质量占比33％，如表1所示。采用甲烷喷枪对板面进行喷烧，板材不燃，秸秆纤维发生炭化。
比较例1
其它条件与实施例1相同，所不同的是，养护条件改成常温养护，20℃下锁模养护7天后，脱模，100℃烘干。经测定该秸秆板体积密度为955kg/m3，抗折强度为7.33MPa，秸秆质量占比33％，如表1所示。采用甲烷喷枪对板面进行喷烧，板材不燃，秸秆纤维发生炭化。
比较例2
其它条件与比较例1相同，所不同的是，常温养护时间从7天改成28天。经测定该秸秆板体积密度为1065kg/m3，抗折强度为13.04MPa，秸秆质量占比33％，如表1所示。采用甲烷喷枪对板面进行喷烧，板材不燃，秸秆纤维发生炭化。
表1本发明实施例与比较例的对比
Figure BDA0003056067750000061
Figure BDA0003056067750000071
以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，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 (9)

1.一种碳酸镁改性镁水泥胶结秸秆板，其特征在于：包括氢氧化镁与碱式碳酸镁结合相及秸秆，氢氧化镁与碱式碳酸镁结合相为活性氧化镁中加入改性剂和水，经水化硬化后形成的结晶物相，氢氧化镁与碱式碳酸镁结合相将秸秆纤维包裹、并有部分在秸秆细胞空腔中结晶，形成秸秆板。
2.根据权利要求1所述的碳酸镁改性镁水泥胶结秸秆板，其特征在于：所述氢氧化镁与碱式碳酸镁结合相中的碱式碳酸镁为纤水碳镁石、球碳镁石、水菱镁石、异水菱镁矿中一种或几种的复合；活性氧化镁为镁质原料，包括轻烧氧化镁、菱苦土；秸秆为农作物秸秆，包括麦秆、稻秆、玉米秆、油菜秆、棉花秆，农作物秸秆经切割打碎处理。
3.根据权利要求1所述的碳酸镁改性镁水泥胶结秸秆板，其特征在于：秸秆板中氢氧化镁与碱式碳酸镁胶结相质量分数为40-90％，秸秆质量分数为10-60％。
4.根据权利要求1所述的碳酸镁改性镁水泥胶结秸秆板，其特征在于：所述改性剂为水合碳酸镁或碱式碳酸镁，改性剂添加量为活性氧化镁质量的10-90％。
5.根据权利要求1所述的碳酸镁改性镁水泥胶结秸秆板的制备方法，其特征在于：包括步骤如下：
S1：活性氧化镁、改性剂与水搅拌均匀形成粘稠状混合浆体，保证浆体完全润湿秸秆纤维，且在板材成型过程中无多余水份挤出；
S2：改性镁水泥浆体与秸秆碎末强力混合均匀，在模具中经铺料、预压、终压成型后，锁住模具；
S3：成型体带模一起在70℃～100℃锁模养护24h～10h后，脱模，在低于170℃温度下干燥，经切边及板面修整，即得到改性镁水泥秸秆板。
6.根据权利要求5所述的碳酸镁改性镁水泥胶结秸秆板的制备方法，其特征在于：所述S1中水的加入量为活性氧化镁与改性剂总质量的0.4倍至2.0倍。
7.根据权利要求5所述的碳酸镁改性镁水泥胶结秸秆板的制备方法，其特征在于：所述S2中秸秆碎末长度小于4mm；强力混合的转速不大于100rpm。
8.根据权利要求5所述的碳酸镁改性镁水泥胶结秸秆板的制备方法，其特征在于：所述S2中预压的压力为0.3-0.8MPa，终压的压力为2.0-4.0MPa。
9.根据权利要求5所述的碳酸镁改性镁水泥胶结秸秆板的制备方法，其特征在于：所述S3中干燥至含水率不大于10％。
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