CN114804809A - 一种蔗渣复合板及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合板材技术领域，尤其公开了一种蔗渣复合板。该蔗渣复合板是以5～20质量份硫酸镁、15～30质量份氧化镁、0.05～1质量份调凝剂和30～40质量份水的混合体系为无机胶粘剂，均匀浸渍、拌合50～80质量份含水率不高于20％的蔗渣，且经预压成型、热压固型及养护而得。该蔗渣复合板基于上述特定组分的无机胶粘剂、搭配蔗渣在高温高压过程中的自胶合作用，并利用蔗渣的长短纤维共存的固有属性，且控制二者之间的施胶方式，保证获得的蔗渣复合板具有轻质、高强、加工性能优异和防霉防蛀等特点，且能够达到B1级阻燃，提高了蔗渣的附加值，有望减少人造板领域对木材的依赖度。本发明还公开了上述蔗渣复合板的制作方法。
Description
技术领域
本发明属于复合板材技术领域，具体来讲，涉及一种蔗渣复合板及其制作方法。
背景技术
我国人造板产量和消费量位居世界第一，是人造板生产大国，但林业资源相对短缺，人均森林面积仅为世界人均水平的1/4，木材对外依存度接近50％，森林可采资源少。
蔗渣为甘蔗制糖后的主要副产物之一，一般占甘蔗重量的25％～30％。我国2019年甘蔗种植面积约138.19万公顷，甘蔗产量为1.09亿吨，蔗渣产量高达3000万吨。蔗渣主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，与木材成分相似。
目前，蔗渣的主要利用途径是作为锅炉燃料，利用方式单一，经济效益低。若将蔗渣作为原料，用于人造板生产领域，既能解决我国木材短缺，进口依赖度高的问题，也能提高蔗渣的附加值，对建材行业的可持续发展具有重要意义。
虽然当前有利用蔗渣来制造板材的诸多报道，但这些工艺处理中存在许多问题。或者其中需要使用有机胶粘剂，污染环境，环保性能差；或者对蔗渣的前序处理复杂，如一种蔗渣基人造板的制备工艺，需要将蔗渣粉碎至100目以下，较大地增加了蔗渣制板的前处理工作量；又或者工艺复杂，增加能耗，如一种新型生态纤维板的湿法制备工艺，其中采用的100MPa的热压压力、及120℃的热压温度，能耗需求大，不便于实际的工业生产。
综上，有必要对蔗渣如何处理成复合板进行进一步研究，以使其克服当前技术中存在的环保性能差、工艺复杂、处理要求高等诸多问题。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种蔗渣复合板及其制作方法，该蔗渣复合板以MgO-MgSO4-H2O三元胶凝体系的无机胶粘剂和蔗渣自身的无胶胶粘剂进行胶粘，保证获得的蔗渣复合板具有轻质、强度高、加工性能优异和防霉防蛀等特点，且能够达到B1级阻燃，提高了蔗渣的附加值，有望减少人造板领域对木材的依赖度。
为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种蔗渣复合板，其以5～20质量份硫酸镁、15～30质量份氧化镁、0.05～1质量份调凝剂和30～40质量份水的混合体系为无机胶粘剂，均匀浸渍、拌合50～80质量份蔗渣，且经预压成型、热压固型及养护而得。
本发明采用的无机胶粘剂主要系MgO-MgSO4-H2O三元体系构成的硫氧镁胶凝材料，该胶凝材料不同于有机胶粘剂的凝结原理，也不同于硅酸盐水泥的水化机理，其主要水化产物为碱式硫酸镁晶体，即xMg(OH)2·yMgSO4·zH2O，晶相结构形态一般为细长针棒状。通过碱式硫酸镁晶体构成致密的网状结构，是硫氧镁胶凝材料力学性能的直接来源。采用硫氧镁胶凝剂作为蔗渣纤维的新型无机胶粘材料，取代传统的有机胶粘剂，从源头上避免了甲醛的引入(因人造板含甲醛主要是有机胶粘剂导致的)。其次，硫氧镁胶凝材料是一种气硬性胶凝材料，具有凝结硬化快和机械强度高的特点，且在燃烧过程中，胶凝材料中晶体受热分解，生成的MgO覆盖蔗渣纤维表面，起到隔热、抑烟的作用。同时，晶体中的结晶水挥发，吸收了燃烧的热量，稀释了局部可燃性气体浓度，发挥阻燃的作用。
本发明采用的蔗渣为制糖后的产物，是长纤维和短纤维共存的混合物。蔗渣中的长纤维相互搭接，形成纵横交织的网状结构，能抑制硫氧镁胶凝体系中微裂痕的产生及蔓延，提高板材的弹性模量，同时保留了蔗渣的自然形貌。蔗渣中的短纤维比表面积较大，易被硫酸镁溶液浸润，与无机胶粘剂混合均匀后，填充于板材内部，使板材内部结构密实，能有效地提高板材的力学性能。
此外，在硫氧镁体系的碱性环境中，蔗渣中的单糖、纤维素、木质素等有机质在高温高压过程中实现自胶合，提高板材内部胶合强度。但蔗渣中有机质固化形成的无胶胶凝体系亲水性好，易吸潮，因此，仅以一般无胶胶凝体系制备的复合板2h吸湿厚度膨胀率高，不满足GB/T 39032-2020《难燃刨花板》标准，且不具有阻燃特性。而搭配硫氧镁无机胶凝体系使用后，板材的耐水性和阻燃性能大幅度提高，同时吸收的少量水作为反应物，有利于xMg(OH)2·yMgSO4·zH2O晶相的形成。
控制上述蔗渣的含水率不高于20％，优选含水率不高于5％。一方面，上述蔗渣经过干燥后，更容易被硫酸镁溶液充分浸渍，有利于后续无机胶粘剂的均匀分布，提高了无机胶粘剂与蔗渣的结合能力；另一方面，控制蔗渣中初始含水率不可过高，以免板材中含水率过高，在水分蒸发的过程中将无机胶凝材料带出，造成泛霜、返卤等现象，影响板材的力学性能。
调凝剂的加入能促使硫氧镁胶凝体系中稳定结晶相的生成，提高板材的耐水性。
调凝剂可以为柠檬酸、柠檬酸钠、多磷酸钠中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，上述无机胶粘剂还包括0.5～10质量份改性剂。改性剂的加入能改善硫氧镁胶凝体系与蔗渣的结合能力，提高板材的力学性能。
改性剂可以为氢氧化钠、亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、乙二醛、聚乙烯醇、聚丙烯醇(PVA)、γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH560)中的任意一种或至少两种的组合。
本发明提供的上述蔗渣复合板，采用下述制作方法来制作：
步骤S1：将蔗渣烘干处理至含水率不高于20％后，用硫酸镁溶液充分浸渍，得到蔗渣湿料；将氧化镁与蔗渣湿料搅拌均匀，获得混合物料。
上述硫酸镁溶液为硫酸镁、调凝剂与水先行配制的水溶液；当使用改性剂时，将改性剂与氧化镁、及蔗渣湿料一并搅拌。
步骤S2：将上述混合物料铺装预压成型，再经热压固型，获得蔗渣板坯。
一般地，热压固型的操作条件控制为：温度为100℃～200℃，压力为3MPa～7MPa，压制时间为8min～120min、优选为10min～30min。
在热压过程中，蔗渣中的单糖、木质素、纤维素等有机质自生胶结，形成无胶胶凝体系，能提高板材的内部胶合性能，从而进一步提升板材的力学性能。
步骤S3：将蔗渣板坯养护至预期强度后，获得蔗渣复合板。
一般控制养护后的板材含水率不高于12％，优选再进行砂光、裁边，即得到成品的蔗渣复合板。
基于上述特定组分的无机胶粘剂、搭配蔗渣在高温高压过程中实现的自胶合作用，并利用蔗渣的长短纤维共存的固有属性，二者之间的施胶方式也对最终获得的蔗渣复合板的性能产生重要影响。以上通过硫酸镁溶液先将蔗渣充分浸渍的方式，使蔗渣充分润湿，浸润于蔗渣内部，从而使硫酸镁在蔗渣中均匀分散，再与氧化镁混合反应后，形成的胶粘剂晶体在蔗渣中分布均匀，其充分避免了无机胶粘剂先行配制因粘度较大而不易与蔗渣混合均匀的问题，有利于提高板材的胶合强度。
具体实施方式
本发明提供的蔗渣复合板，其以复配的无机胶粘剂为胶黏体系，利用蔗渣固有的长短纤维共存的属性，辅以硫酸镁溶液先行充分浸渍蔗渣的施胶方式，对于获得轻质、高强、阻燃、防霉防蛀，且加工性能优异的蔗渣复合板非常关键。
以下，将来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。
实施例1
本实施例提供的蔗渣复合板，其通过下述步骤来制作：
步骤一，蔗渣处理。
蔗渣经晾晒处理至含水率为22％，再置于鼓风烘箱中于70℃下烘至含水率为8％。
步骤二，浸渍蔗渣，混合干料。
称量蔗渣1400g、氧化镁441g、七水硫酸镁277.17g、柠檬酸作为调凝剂1.13g、聚乙烯醇作为改性剂22.51g、水741g。
将柠檬酸、硫酸镁和水配置成硫酸镁溶液。用配置好的硫酸镁溶液浸渍蔗渣，使之充分润湿，获得蔗渣湿料。向蔗渣湿料中依次加入氧化镁和聚乙烯醇，搅拌混合，使各组分分散均匀，获得混合物料。
步骤三，预压成型，热压固型。
将混合物料置于模具中铺装预压成型，在温度180℃、压力3MPa下，压制8min使之固化成型，获得蔗渣板坯。
步骤四，蔗渣板坯养护。
将蔗渣板坯置于室温条件下(25℃、60％RH)养护至预期强度，裁切四边，砂光，获得蔗渣复合板。
实施例2
本实施例提供的蔗渣复合板，其通过下述步骤来制作：
步骤一，蔗渣处理。
蔗渣经晾晒处理至含水率为20％，再置于鼓风烘箱中于70℃下烘至含水率为5％。
步骤二，浸渍蔗渣，混合干料。
称量蔗渣1400g、氧化镁441g、七水硫酸镁277.17g、柠檬酸作为调凝剂1.13g、聚乙烯醇作为改性剂22.51g、水741g。
将柠檬酸、硫酸镁和水配置成硫酸镁溶液。用配置好的硫酸镁溶液浸渍蔗渣，使之充分润湿，获得蔗渣湿料。向蔗渣湿料中依次加入氧化镁和聚乙烯醇，搅拌混合，使各组分分散均匀，获得混合物料。
步骤三，预压成型，热压固型。
将混合物料置于模具中铺装预压成型，在温度120℃、压力4MPa下，压制10min使之固化成型，获得蔗渣板坯。
步骤四，蔗渣板坯养护。
将蔗渣板坯置于室温条件下养护至预期强度，裁切四边，砂光，获得蔗渣复合板。
实施例3
本实施例提供的蔗渣复合板，其通过下述步骤来制作：
步骤一，蔗渣处理。
蔗渣经晾晒处理至含水率为20％，再置于鼓风烘箱中于70℃下烘至含水率为8％。
步骤二，浸渍蔗渣，混合干料。
称量蔗渣1300g、氧化镁520g、七水硫酸镁320g、柠檬酸钠作为调凝剂1.3g、聚乙烯醇作为改性剂26g、水700g。
将柠檬酸钠、硫酸镁和水配置成硫酸镁溶液。用配置好的硫酸镁溶液浸渍蔗渣，使之充分润湿，获得蔗渣湿料。向蔗渣湿料中依次加入氧化镁和聚乙烯醇，搅拌混合，使各组分分散均匀，获得混合物料。
步骤三，预压成型，热压固型。
将混合物料置于模具中铺装预压成型，在温度120℃、压力4MPa下，压制20min使之固化成型，获得蔗渣板坯。
步骤四，蔗渣板坯养护。
将蔗渣板坯置于室温条件下养护至预期强度，裁切四边，砂光，获得蔗渣复合板。
实施例4
本实施例提供的蔗渣复合板，其通过下述步骤来制作：
步骤一，蔗渣处理。
蔗渣经晾晒处理至含水率为22％，再置于鼓风烘箱中于70℃下烘至含水率为8％。
步骤二，浸渍蔗渣，混合干料。
称量蔗渣1400g、氧化镁441g、七水硫酸镁277.17g、柠檬酸作为调凝剂1.13g、水741g。
将柠檬酸、硫酸镁和水配置成硫酸镁溶液。用配置好的硫酸镁溶液浸渍蔗渣，使之充分润湿，获得蔗渣湿料。向蔗渣湿料中加入氧化镁，搅拌混合，使各组分分散均匀，获得混合物料。
步骤三，预压成型，热压固型。
将混合物料置于模具中铺装预压成型，在温度180℃、压力3MPa下，压制8min使之固化成型，获得蔗渣板坯。
步骤四，蔗渣板坯养护。
将蔗渣板坯置于室温条件下养护至预期强度，裁切四边，砂光，获得蔗渣复合板。
实施例5
本实施例提供的蔗渣复合板，其通过下述步骤来制作：
步骤一，蔗渣处理。
蔗渣经晾晒处理至含水率为22％，再置于鼓风烘箱中于70℃下烘至含水率为8％。
步骤二，浸渍蔗渣，混合干料。
称量蔗渣1200g、氧化镁590g、七水硫酸镁370g、柠檬酸作为调凝剂1.5g、KH550作为改性剂30g、和水800g。
将柠檬酸、硫酸镁、和水配置成硫酸镁溶液。用配置好的硫酸镁溶液浸渍蔗渣，使之充分润湿，获得蔗渣湿料。向蔗渣湿料中依次加入氧化镁和KH550，搅拌混合，使各组分分散均匀，获得混合物料。
步骤三，预压成型，热压固型。
将混合物料置于模具中铺装预压成型，在温度100℃、压力5MPa下，压制30min使之固化成型，获得蔗渣板坯。
步骤四，蔗渣板坯养护。
将蔗渣板坯置于室温条件下养护至预期强度，裁切四边，砂光，获得蔗渣复合板。
在该蔗渣复合板中，虽然蔗渣中的木质素、纤维素等有机质在热压过程中可以固化胶结，形成无胶胶凝体系，但其主要的胶凝体系为上述MgO-MgSO4-H2O三元体系构成的硫氧镁胶凝材料。并且，改性剂的使用，对于改善硫氧镁胶凝体系与蔗渣的结合能力、提高板材的力学性能，也是非常关键的。为此，进行了下述对比实验。
对比例1
本对比例未采用上述硫氧镁胶凝材料。
本对比例与实施例1的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例1的不同之处。本对比例与实施例1的不同之处在于：其中未使用氧化镁和硫酸镁，仅用柠檬酸溶液浸渍蔗渣，使之充分润湿，再加入聚乙烯醇，来制备混合物料；其余均参照实施例1中操作，获得第一对比蔗渣板。
对比例2
本对比例未采用调凝剂。
本对比例与实施例1的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例1的不同之处。本对比例与实施例1的不同之处在于：其中未使用调凝剂柠檬酸；其余均参照实施例1中操作，获得第二对比蔗渣板。
对比例3
本对比例采用先配制胶粘剂体系、再去黏结的施胶方式。
本对比例与实施例的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例1的不同之处。本对比例与实施例1的不同之处在于：将七水硫酸镁、氧化镁、柠檬酸、聚乙烯醇和水先搅拌均匀，配置成无机胶粘剂，再与蔗渣混合；其余均参照实施例1中操作，获得第三对比蔗渣板。
对上述各实施例及对比例中的蔗渣板的力学性能、物理性能、及阻燃性能进行测试，性能测试结果如下表1所示。
表1实施例1～5中蔗渣复合板、及对比例1～3中对比蔗渣板的性能测试结果
从表1中各实施例提供的蔗渣复合板的性能可以看出，其力学性能均达到了良好的水平；氧指数也表明其具有良好的阻燃性能，满足应用需求；并且，2h吸水厚度膨胀率均较低，克服了蔗渣无胶胶合板易吸水属性继而易导致板材吸潮的不利后果。相较之下，对比例1中未采用硫氧镁胶凝材料、仅利用蔗渣自身在热压下形成无胶胶凝体系的方式，可以看出，其内胶合强度大打折扣，极易吸潮，且阻燃效果较差。对比例2中未使用调凝剂时，其静曲强度、弹性模量、内胶合强度均大幅下降，获得的板材力学强度较差，较易吸潮且阻燃效果也明显降低。对比例3先配制无机胶粘剂，再与蔗渣混合的施胶方式，由于蔗渣原料与胶体混合不均匀，从而导致板材力学性能较差，且其也表现出易于吸潮性以及较差的阻燃性能。
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。
Claims (7)
1.一种蔗渣复合板，其特征在于，以5～20质量份硫酸镁、15～30质量份氧化镁、0.05～1质量份调凝剂和30～40质量份水的混合体系为无机胶粘剂，均匀浸渍、拌合50～80质量份蔗渣，且经热压固型而得；其中，所述蔗渣的含水率不高于20％。
2.根据权利要求1所述的蔗渣复合板，其特征在于，所述蔗渣的含水率不高于5％。
3.根据权利要求1所述的蔗渣复合板，其特征在于，所述调凝剂选自柠檬酸、柠檬酸钠、多磷酸钠中的任意一种或至少两种的组合。
4.根据权利要求1～3任一所述的蔗渣复合板，其特征在于，所述无机胶粘剂还包括0.5～10质量份改性剂。
5.根据权利要求4所述的蔗渣复合板，其特征在于，所述改性剂选自氢氧化钠、亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、乙二醛、聚乙烯醇、聚丙烯醇、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷中的任意一种或至少两种的组合。
6.如权利要求1～5任一所述的蔗渣复合板的制作方法，其特征在于，包括步骤：
S1、将蔗渣烘干处理至含水率不高于20％后，用硫酸镁溶液充分浸渍，得到蔗渣湿料；将氧化镁、改性剂与所述蔗渣湿料搅拌均匀，获得混合物料；
S2、将所述混合物料依次进行预压成型和热压固型，获得蔗渣板坯；
S3、对所述蔗渣板坯养护至预期强度后，获得所述蔗渣复合板。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，在所述步骤S2中，热压固型的温度为100℃～200℃，压力为3MPa～7MPa，压制时间为8min～120min。
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