一种仿木材料生产用耐水性结合剂及其制备方法、应用
阅读说明：本技术 一种仿木材料生产用耐水性结合剂及其制备方法、应用 (Water-resistant bonding agent for wood-like material production and preparation method and application thereof ) 是由 严云 谢晓丽 李天鹏 杨旭 尹怀刚 张松涛 于 2020-05-11 设计创作，主要内容包括：本发明属于仿木材料生产技术领域,具体涉及一种仿木材料生产用耐水性结合剂及其制备方法、应用。其中,仿木材料生产用耐水性结合剂,包括以质量份计的如下组分：氧化镁420～570份,氯化镁210～290份,磷石膏50～690份,磷酸0.5～15份,矿粉20～210份,水200～310份。本发明通过添加磷酸进入氯氧镁水泥体系当中,在氯氧镁水泥提供强度的晶相表面生成薄膜,阻止内部晶相的溶解从而增加耐水性,磷石膏是湿法生产磷酸所产生的工业副产物,含有可溶性磷酸根,试验发现通过添加含有可溶性磷酸根的磷石膏进入氯氧镁水泥中,在减少磷酸加入的同时提高体系的耐水性,既消耗大量堆积的工业副产物,又减少环境污染。(The invention belongs to the technical field of wood-like material production, and particularly relates to a water-resistant bonding agent for wood-like material production, and a preparation method and application thereof. The waterproof bonding agent for producing the wood-like material comprises the following components in parts by mass: 420-570 parts of magnesium oxide, 210-290 parts of magnesium chloride, 50-690 parts of phosphogypsum, 0.5-15 parts of phosphoric acid, 20-210 parts of mineral powder and 200-310 parts of water. According to the invention, phosphoric acid is added into a magnesium oxychloride cement system, a film is generated on the surface of a crystal phase with strength provided by the magnesium oxychloride cement, and the dissolution of an internal crystal phase is prevented, so that the water resistance is improved.)
技术领域
本发明属于仿木材料生产技术领域，具体涉及一种仿木材料生产用耐水性结合剂及其制备方法、应用。
背景技术
木材是一种重要的建筑和民用材料，它易加工，具有高强度、隔热、绝缘和良好的声学性等优点，但它同时具有易燃、易腐朽、干缩湿胀等缺点。由于木材的成长周期较长，而现在的生产发展需要大量的木材，但是大量的木材砍伐必然会导致水土流失和环境污染等问题，所以为了保护环境进行有节制采伐的时候必然会导致木材的紧缺。由于木材的紧缺，各种仿木材料应运而生，在各行各业中大量地取代原木的使用。
仿木材料主要是以各种农林废弃物，如木屑、锯末、木粉、竹粉、稻壳、秸秆等，与粘结材料复合而成；其外观与真正的原木具有相同的视觉效果，同时还具备原木的相关特性，比如可锯、可刨、可钉、密度相近等特点。现如今国内外的仿木材料制备技术已经趋于成熟，所生产的材料不仅具有原木本身的特性，而且能够克服其存在的一些缺点，能够有效对抗风吹日晒，产品使用寿命明显增加，既解决了环境保护对木材的供应短缺问题，又可以满足用户对产品使用功能的需求。仿木材料的研发与生产主要与所选用的结合剂有关。
仿木材料用结合剂可以分为有机类、生物质类和无机类，目前对有机类结合剂使用最多，如聚苯乙烯、改性聚氨酯等，与竹、木材废料制备的仿木材料，市场使用最多，以生物质类和无机材料为结合剂的仿木材料的应用比较少。
氯氧镁水泥(MOC)主要是由轻烧氧化镁和氯化镁溶液反应生成的一种气硬性无机胶凝材料，MOC具有快硬早强、抗压强度高、耐磨性好和各种材料的粘结性好、易加工等优势，在建材领域得到了广泛的应用，主要在仿木材料、建筑工程、耐火材料工业、交通运输工程、环保工程等方面使用。氯氧镁水泥的水化产物主要有2相(2MgO·MgCl2·4H2O)、3相(3MgO·MgCl2·8H2O)、5相(5MgO·MgCl2·8H2O)、9相 (9MgO·MgCl2·5H2O)，研究表明5相是MOC最主要的强度提供相。而且，氧化镁这种原料可以通过煅烧氯氧镁水泥的废料重新得到，可以对资源进行有效的可持续应用，即保护了环境，又节约了生产成本。
磷石膏是湿法生产磷酸产生的工业副产物，据统计每生产1t磷酸会产生 4-5t的磷石膏(CaSO4·2H2O)。现如今，全球的磷石膏储量达到了60亿t，年增长速率为1.5亿t；我国磷石膏储量已达4亿t，年增长速率为5000万t。磷石膏属于单斜晶系，微观结构呈层状，是一种附着10-30％水的湿粉，磷石膏的pH值约为1.9-5.3，颗粒直径一般为40-200μm，颗粒颜色呈灰白色，有的呈黄色和灰黄色，但是这种副产物化学成分复杂，含有可溶磷、可溶氟和有机物等杂质，使得它在很多领域不能够被直接利用。其中，可溶磷杂质(H3PO4、 H2PO4 -1、HPO4 -2)对磷石膏的二次利用影响最大，使得磷石膏的堆放占用了大量土地资源。其中，可溶成分在露天堆放时随雨水渗入土壤当中，对土地资源和地下水资源造成了巨大的污染，严重地制约了相关企业的发展。
现有技术中，虽然氯氧镁水泥是一种具有优异性能的材料，但由于它是一种气硬性的胶凝材料，不耐水严重地限制了它在建筑材料领域的应用，为了使氯氧镁水泥能够更加广泛的应用，提高它的耐水性是一个有效的方法，现在常用的方法是加入磷酸、磷酸盐等外加剂提高耐水性。磷石膏的综合处理当中，把磷石膏应用在建材领域，利用磷石膏制备硫酸及联产水泥、制备水泥缓凝剂等都可以有效地利用磷石膏。但是，还未见到关于把未经煅烧处理的磷石膏加入到氯氧镁水泥当中，利用磷石膏中含有的可溶性磷酸根来增加氯氧镁水泥耐水性，制备耐水性结合剂的研究。
发明内容
基于现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种仿木材料生产用耐水性结合剂及其制备方法、应用。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种仿木材料生产用耐水性结合剂，包括以质量份计的如下组分：
氧化镁420～570份，氯化镁210～290份，磷石膏50～690份，磷酸0.5～ 15份，矿粉20～210份，水200～310份。
作为优选方案，所述氧化镁与氯化镁的质量份之比为1.9～2.7。
作为优选方案，所述磷石膏与矿粉的质量份之比2～15。
为作为优选方案，所述氧化镁为轻烧氧化镁，氧化镁的含量为82～88％。
作为优选方案，所述氧化镁由菱镁矿石在750～850℃低温煅烧而成，其中的活性氧化镁的含量在50～70％。
作为优选方案，所述氯化镁为MgCl2·6H2O。
作为优选方案，所述磷石膏为未经煅烧处理的原状磷石膏，其成分为 CaSO4·2H2O，粒径小于0.15mm。
作为优选方案，所述耐水性结合剂的28天耐水系数大于0.85。
本发明还提供如上任一方案所述的耐水性结合剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将氧化镁、磷石膏、矿粉干混，得到干混料；将氯化镁、磷酸、水混合均匀，得到混合溶液；
将混合溶液加入干混料中，搅拌均匀，制得耐水性结合剂。
本发明还提供如上任一方案所述的耐水性结合剂的应用，即一种仿木材料，由如上任一方案所述的耐水性结合剂与基材混合后置于模具中加压成型而成。其中，基材可以为木屑、竹屑、竹粉、竹纤维等常用作仿木材料的基材。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
(1)本发明增加氯氧镁耐水性的机理是：通过添加磷酸进入氯氧镁水泥体系当中，可以在氯氧镁水泥提供强度的晶相表面生成薄膜，阻止内部晶相的溶解从而增加耐水性，磷石膏是湿法生产磷酸所产生的工业副产物，含有可溶性磷酸根，试验发现通过添加含有可溶性磷酸根的磷石膏进入氯氧镁水泥中，可以在减少磷酸加入的同时提高体系的耐水性，这样可以消耗大量堆积的工业副产物，减少环境污染，符合现在绿色发展的理念。
(2)本发明的矿粉会被磷石膏中的硫酸根激发，生成水硬性的胶凝材料，可以填充氯氧镁水泥体系的内部孔隙增加体系的耐水性。
(3)本发明使用的磷石膏是未经煅烧处理过的原状磷石膏，在使用时无需粉磨，直接使用，减少了能源消耗，降低了使用成本。
(4)本发明的耐水性结合剂的制备工艺简单，工序简便，容易操作，变废为宝。
(5)本发明的仿木材料，性能优良。
具体实施方式
以下将通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步解释说明。
实施例1：
本实施例的仿木材料生产用耐水性结合剂，包括以下组分：
氧化镁510g，氯化镁240g，磷石膏396g，矿粉144g，磷酸7.92g，水220g。
其中，氧化镁为轻烧氧化镁，氧化镁的含量为82～88％，氧化镁由菱镁矿石在750～850℃低温煅烧而成，其中的活性氧化镁的含量在50～70％。
氯化镁为MgCl2·6H2O，在使用时需要先溶解在水中制成溶液。
另外，磷石膏是湿法生产磷酸所产生的工业副产物，未经煅烧处理的原状磷石膏，其主要成分为CaSO4·2H2O，粒径小于0.15mm。
矿粉优选为S95级矿粉。
本实施例的仿木材料生产用耐水性结合剂的制备方法，包括以下步骤：
a、配料：
按氧化镁510g，氯化镁240g，磷石膏396g，矿粉144g，磷酸7.92g，水 220g称取各组分原料。
b、混料搅拌：
将氧化镁、磷石膏、矿粉加入搅拌机中干混1～3分钟；
将氯化镁晶体、磷酸和水混合搅拌10分钟制备得到混合溶液；
将混合溶液加入到干混料中，搅拌6～10分钟即可，即制得耐水性结合剂。
对本实施例的耐水性结合剂进行耐水性测试：
养护：将制得的改性氯氧镁试块放入湿度为65％，温度为20℃的环境中进行养护，在试块养护至28天时进行强度测试；同时把在湿度为65％，温度为20℃的环境中养护28天的改性氯氧镁试块放入水中再养护28天，水温为 20℃，然后测试在20℃水中养护28天的试块强度。
耐水性测试：根据氯氧镁水泥测试耐水性的一般方法，耐水性(R)用试块在水温为20℃下养护28天强度和在湿度为65％、温度为20℃下养护28天强度的比值表示。
结果：试块在湿度为65％，温度为20℃的环境中养护28天的强度为 81.5MPa，试块在湿度为65％，温度为20℃的环境中养护28天后，再在20℃水中养护28天的强度为79.1MPa，得到耐水系数R28＝79.1/81.5＝0.97。
对比例1：
本对比例与实施例1的不同之处在于：
使用相同质量的氧化镁、氯化镁、水，区别为不使用磷石膏和矿粉，单独使用磷酸作为改性剂，改善氯氧镁试块的耐水性。
对比例2：
本对比例与实施例1的不同之处在于：
使用相同质量的氧化镁、氯化镁、水、磷石膏、磷酸，区别为不使用矿粉。
对比例3：
本对比例与实施例1的不同之处在于：
使用相同质量的氧化镁、氯化镁、水，区别为不使用磷石膏、矿粉和磷酸，单独使用柠檬酸作为改性剂，改善氯氧镁试块的耐水性。
对比例4：
本对比例与实施例1的不同之处在于：
使用相同质量的氧化镁、氯化镁、水，区别为不使用磷石膏、矿粉和磷酸，使用脲醛树脂作为改性剂，改善氯氧镁试块的耐水性。
对比例5：
本对比例与实施例1的不同之处在于：
使用相同质量的氧化镁、氯化镁、水，区别为不使用磷石膏和矿粉，使用磷酸和苯丙乳液作为改性剂，改善氯氧镁试块的耐水性。
对比例6：
本对比例与实施例1的不同之处在于：
使用相同质量的氧化镁、氯化镁、水，区别为不使用磷石膏、矿粉和磷酸，使用生石灰作为改性剂，改善氯氧镁试块的耐水性。
对比例7：
本对比例与实施例1的不同之处在于：
使用相同质量的氧化镁、氯化镁、水，区别为不使用磷石膏、矿粉和磷酸，在试块外部涂抹环氧树脂，改善氯氧镁试块的耐水性。
对上述实施例1及对比例1-7的结合剂进行耐水性测试，其结果如表1所示。
表1实施例1及对比例1-7的结合剂的耐水性测试结果
实施例2：
本实施例与实施例1的不同之处在于：耐水性结合剂的配方不同。
具体地，本实施例的仿木材料生产用耐水性结合剂，包括以下组分：
氧化镁525g，氯化镁246g，磷石膏650g，矿粉120g，磷酸5.93g，水275g。
具体的成分及制备方法、耐水性测试方法可以参考实施例1，在此不赘述。
结果：试块在湿度为65％，温度为20℃的环境中养护28天的强度为 80.9MPa，试块在湿度为65％，温度为20℃的环境中养护28天后，再在20℃水中养护28天的强度为76.1MPa，得到耐水系数R28＝0.94。
实施例3：
本实施例与实施例1的不同之处在于：耐水性结合剂的配方不同。
具体地，本实施例的仿木材料生产用耐水性结合剂，包括以下组分：
氧化镁540g，氯化镁230g，磷石膏510g，矿粉140g，磷酸9.88g，水250g。
具体的成分及制备方法、耐水性测试方法可以参考实施例1，在此不赘述。
结果：试块在湿度为65％，温度为20℃的环境中养护28天的强度为 76.3MPa，试块在湿度为65％，温度为20℃的环境中养护28天后，再在20℃水中养护28天的强度为75.5MPa，得到耐水系数R28＝0.99。
实施例4：
本实施例与实施例1的不同之处在于：耐水性结合剂的配方不同。
具体地，本实施例的仿木材料生产用耐水性结合剂，包括以下组分：
氧化镁550g，氯化镁210g，磷石膏520g，矿粉170g，磷酸11.85，水260g。
具体的成分及制备方法、耐水性测试方法可以参考实施例1，在此不赘述。
结果：试块在湿度为65％，温度为20℃的环境中养护28天的强度为 91.3MPa，试块在湿度为65％，温度为20℃的环境中养护28天后，再在20℃水中养护28天的强度为82.2MPa，得到耐水系数R28＝0.90。
实施例5：
本实施例与实施例1的不同之处在于：耐水性结合剂的配方不同。
具体地，本实施例的仿木材料生产用耐水性结合剂，包括以下组分：
氧化镁510g，氯化镁240g，磷石膏490g，矿粉59g，磷酸5.92g，水220g。
具体的成分及制备方法、耐水性测试方法可以参考实施例1，在此不赘述。
结果：试块在湿度为65％，温度为20℃的环境中养护28天的强度为 71.5MPa，试块在湿度为65％，温度为20℃的环境中养护28天后，再在20℃水中养护28天的强度为72.2MPa，得到耐水系数R28＝1.01。
实施例6：
本实施例与实施例1的不同之处在于：耐水性结合剂的配方不同。
具体地，本实施例的仿木材料生产用耐水性结合剂，包括以下组分：
氧化镁530g，氯化镁260g，磷石膏390g，矿粉65g，磷酸7.52g，水237g。
具体的成分及制备方法、耐水性测试方法可以参考实施例1，在此不赘述。
结果：试块在湿度为65％，温度为20℃的环境中养护28天的强度为 87.3MPa，试块在20℃水中养护28天的强度为78.6MPa，得到耐水系数 R28＝0.90。
以下基于实施例1的配方为基准，对氧化镁与氯化镁的不同质量比对耐水性的影响进行研究，具体如表2所示。
表2不同的氧化镁与氯化镁的质量比对耐水性的影响
以下基于实施例1的配方为基准，对磷石膏与矿粉的不同质量比对耐水性的影响进行研究，具体如表3所示。
表3不同的磷石膏与矿粉的质量比对耐水性的影响
另外，本发明实施例还提供一种仿木材料，由上述任一实施例的耐水性结合剂与基材混合后置于模具中加压成型而成。本发明生产的仿木材料性能优良。
在上述实施例及其替换方案中，氧化镁的质量还可以为420g、450g、480g、 500g、560g、570g等。
在上述实施例及其替换方案中，氯化镁的质量还可以为210g、250g、270g、280g、290g等。
在上述实施例及其替换方案中，磷石膏的质量还可以为50g、150g、250g、 380g、590g、650g、690g等。
在上述实施例及其替换方案中，矿粉的质量还可以为20g、50g、150g、 180g、200g、210g等。
在上述实施例及其替换方案中，磷酸的质量还可以为0.5g、1.5g、3g、5g、 9g、12g、13.5g、15g等。
在上述实施例及其替换方案中，水的质量还可以为200g、210g、250g、275g、290g、300g、310g等。
鉴于本发明方案实施例众多，各实施例实验数据庞大众多，不适合于此处逐一列举说明，但是各实施例所需要验证的内容和得到的最终结论均接近。故而此处不对各个实施例的验证内容进行逐一说明，仅以实施例1-6作为代表说明本发明申请优异之处。
本发明中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。
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