一种轻质保温秸秆复合材料的制备方法
阅读说明：本技术 一种轻质保温秸秆复合材料的制备方法 (Preparation method of light heat-preservation straw composite material ) 是由 宋永明 庄鹏燕 凌彩珊 张聪聪 杨思雯 许泽生 曹磊 于 2021-05-07 设计创作，主要内容包括：一种轻质保温秸秆复合材料的制备方法,它涉及秸秆复合材料的制备方法。本发明要解决现有秸秆人造板在制板过程会产生有毒的废气,且热压时间长,成本高的问题。制备方法：一、称取；二、制备预混料；三、秸塑复合板的制备；四、粘接。本发明用于轻质保温秸秆复合材料的制备。(A preparation method of a light heat-preservation straw composite material relates to a preparation method of a straw composite material. The invention aims to solve the problems that the existing straw artificial board can generate toxic waste gas in the board making process, and the hot pressing time is long and the cost is high. The preparation method comprises the following steps: firstly, weighing; secondly, preparing a premix; thirdly, preparing the straw-plastic composite board; fourthly, bonding. The invention is used for preparing the light heat-preservation straw composite material.)
技术领域
本发明涉及秸秆复合材料的制备方法。
背景技术
我国是一个农业大国，秸秆资源十分丰富。随着现代农村经济和生产力的高速发展，如何有效利用农作物秸秆成为能源与环境领域争论的热点话题。因此，探讨农作物秸秆资源化及合理开发利用技术，具有重要的现实意义。目前，我国对于农作物秸秆的利用还处于初级阶段，主要可以归纳为以下4种：秸秆还田、秸秆能源化、秸秆饲料化和秸秆建材利用。
秸秆建材是指以农作物秸秆为主要原材料，添加辅助材料和强化材料，按照一定的配比，通过物理、化学或两者结合的方式，形成具有特殊功能和结构特点的建筑材料的统称。秸秆建材具有无辐射﹑无污染﹑无毒害的众多优点，经过人们的长时间使用发现与其他建筑材料的功能相比并没有差别，建筑物的结构十分稳定。大力发展秸秆建材，解决了秸秆综合利用问题，防止了秸秆燃烧产生的雾霾危害，具有显著的经济效益和社会效益。
秸秆砖是指用秸秆打包机器将秸秆整理打包，使原本松散的秸秆变密实，再切割成砖块，堆砌起来用秸秆砖建造住宅。秸秆砖具有很多优良的品质，例如硬度高，可以承受一定的载荷。用秸秆砖建造的房屋环境舒适，减少外界噪音，随着国家大力倡导应用节能型材料，提倡秸秆的再利用，越来越多的企业与高校致力于秸秆的再利用研究，因为秸秆砖的价格低廉，保温效果良好，深受人们的喜爱。
人造秸秆板材是指秸秆历经一系列的加工成型的板材。按照加工工艺可以将人造秸秆板材分为两种：使用胶粘剂胶合和无胶胶合。使用胶粘剂胶合的加工工艺：把秸秆粉碎，再添加异氰酸酯进行碾压成型，另一种是将秸秆利用机械加工成纤维，使用脲醛树脂为胶粘剂，经过热压，形成一种一定密度的人造秸秆板。无胶胶合工艺：利用秸秆自身性质，采用一定的加工工艺，如高温高压，使其自交结，再热压成板材。无胶胶合的热成型方法一共分成了三种形式：普通热压法、蒸汽爆破预处理法和喷蒸热压法。秸秆人造板材的出现，使秸秆的回收与处理又增加了一个途径，如何使使用的胶粘剂污染更小和无胶胶合工艺的优化，是我们需要研究的问题。
秸秆水泥基复合材料秸秆水泥基复合材料是指将经过一系列处理的秸秆纤维加入到水泥基体中，秸秆作为增强材料，增加了水泥的耐久性能和力学性能，同时也解决了秸秆利用的问题。不同工艺可得出不同特性的材料，如在指定的区间内，,增加粉煤灰和脲醛树脂的掺量，材料吸水率降低,耐水性增强；小麦秸秆与添加剂作用得到的材料保温性能极佳。
大力发展秸秆建材，可以解决秸秆综合利用问题，防止了秸秆燃烧产生的雾霾危害，具有显著的经济效益、社会效益和环境效益，秸秆建筑材料的工业化生产技术、制备工艺、配方优化、性能提升技术及配套设备是进一步急需解决的问题，秸秆建筑材料具有良好的发展前景。
聚氨酯硬质泡沫是以异氰酸酯和聚醚为主要原料，在发泡剂、催化剂、阻燃剂等多种助剂的作用下，通过专用设备混合，经高压喷涂现场发泡而成的高分子聚合物。聚氨酯泡有软泡和硬泡两种。软泡为开孔结构，硬泡为闭孔结构；软泡又分为结皮和不结皮两种。聚氨酯软泡的主要功能是缓冲，常用于沙发家具、枕头、坐垫、玩具、服装和隔音内衬。聚氨酯硬泡体是一种具有保温与防水功能的新型合成材料，其导热系数低，仅0.022～0.033W/(m·K)，相当于挤塑板的一半，是所有保温材料中导热系数最低的。硬质聚氨酯泡沫塑料主要应用在建筑物外墙保温，屋面防水保温一体化、冷库保温隔热、管道保温材料、建筑板材、冷藏车及冷库隔热材等。其业务领域主要包括门窗工程安装，家庭装修等。
但秸秆人造板的发展目前还存在一些制约因素，主要是在制板过程中胶黏剂的使用。截至目前，国内外已经建成的秸秆人造板生产线几乎都采用异氰酸酯作为胶粘剂，这种方法增加了生产过程和材料，提高了产品生产成本。其次是异氰酸酯的市场价格一直很高，采用异氰酸酯作为胶粘剂，胶的投入甚至占到产品成本的50％以上。另外生产过程中，在拌胶和铺装时会产生游离的异氰酸酯，这种有毒的废气会毒害人们的呼吸道和肺部，需要进行防护，对有害气体进行收集和无害化处理，当然这些必要的设备和措施会增加生产成本。
热压时间也会对生产产生制约。秸秆的结构疏松，主要成分为纤维素、半纤维和木质素，纤维细胞含量(60％)低于木材(75％～98％)，溶液抽提物含量较高、灰分大，与木材相比，秸秆的机械强度要低很多。由于农作物秸秆空隙多、密度小、传热效率低下，导致秸秆人造板的热压时间要比同样条件下(如板子密度、厚度均相同)的木质刨花板或木质中密度纤维板长得多。相对较长的热压时间导致生产效率下降、加热成本上升、生产成本增加。
发明内容
本发明要解决现有秸秆人造板在制板过程会产生有毒的废气，且热压时间长，成本高的问题，而提供一种轻质保温秸秆复合材料的制备方法。
一种轻质保温秸秆复合材料的制备方法，它是按以下步骤进行的：
一、称取：
按质量份数称取83份～87份秸秆、13份～17份马来酸酐接枝聚乙烯、0.4份～0.6份硬脂酸及0.4份～0.6份PE蜡；
二、制备预混料：
将称取的秸秆、马来酸酐接枝聚乙烯、硬脂酸及PE蜡混合并造粒，然后冷却并粉碎，得到预混料；
三、秸塑复合板的制备：
将预混料均匀平铺至模具中，然后置于热压机内，在上下压板温度为145℃～155℃的条件下，预热3min～5min，然后在上下压板温度为145℃～155℃及压力为4MPa～5MPa的条件下，保压7min～9min，再在上下压板温度为15℃～20℃及压力为1MPa～2MPa的条件下，冷压30s～1min，脱模，自然冷却，最后室温下静置，得到秸塑复合板；
四、粘接：
按两侧为秸塑复合板、中间为聚氨酯泡沫板的方式粘接静置，然后置于冷压机的下压板上，在上下压板温度为65℃～75℃及上压板距离试样表面0.5cm～1cm的条件下，保温20min～30min，脱模并自然冷却，得到轻质保温秸秆复合材料。
本发明的有益效果是：
本发明以生物质环保材料为基础材料，秸秆人造板制备过程中不添加胶黏剂，仅添加少量填充剂(硬脂酸、PE蜡增加交联强度)，完全利用秸秆自身性质交联成板，可完全降解，缩短热压时间，节约能源消耗，且所添加的塑料只有马来酸酐接枝聚乙烯，配合本发明的工艺，马来酸酐接枝聚乙烯高温融化，与秸秆粉界面交合，马来酸酐具有极强极性，可与秸秆粉形成稳定高强度的结合物，同时使得界面相容性提高。秸塑复合板内结合强度为2.10MPa，弯曲强度高(弯曲强度29.03MPa，弹性模量为3.15GPa)，导热系数为0.3215W/m·K，密度1.27g/cm2，吸水厚度膨胀率35.31％。
本发明将秸秆复合材料与聚氨酯泡沫板进行物理黏合，聚氨酯硬泡体是一种具有保温与防水功能的新型合成材料，表面具有阻燃涂层，有一定的防火性。通过特定的固化工艺，聚氨酯泡沫板与秸秆板复合后的产品性能优良，结合性能好(内结合强度为0.32MPa)，弯曲强度高(弯曲强度3.51MPa，弹性模量为0.09GPa)，导热系数小，密度小，质量轻，声学性能优异。
本发明有利于减少碳排放量，实现碳循环。通过对生物质材料的利用，减少了废弃物的排放，增加了农业生产的利用率。本发明属于环境友好型产品，具有一定的环境效益；原材料价格低廉，具有一定的经济效益，适合厂家大规模批量生产。
本发明用于一种轻质保温秸秆复合材料的制备方法。
说明书附图
图1为实施例一制备的轻质保温秸秆复合材料的实物图；
图2为实施例一制备的轻质保温秸秆复合材料弯曲性能测试后的实物图；
图3为实施例一制备的轻质保温秸秆复合材料内结合强度测试后的实物图；
图4为实施例一制备的轻质保温秸秆复合材料200倍光学显微镜图片；
图5为实施例一制备的轻质保温秸秆复合材料100倍光学显微镜图片。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种轻质保温秸秆复合材料的制备方法，它是按以下步骤进行的：
一、称取：
按质量份数称取83份～87份秸秆、13份～17份马来酸酐接枝聚乙烯、0.4份～0.6份硬脂酸及0.4份～0.6份PE蜡；
二、制备预混料：
将称取的秸秆、马来酸酐接枝聚乙烯、硬脂酸及PE蜡混合并造粒，然后冷却并粉碎，得到预混料；
三、秸塑复合板的制备：
将预混料均匀平铺至模具中，然后置于热压机内，在上下压板温度为145℃～155℃的条件下，预热3min～5min，然后在上下压板温度为145℃～155℃及压力为4MPa～5MPa的条件下，保压7min～9min，再在上下压板温度为15℃～20℃及压力为1MPa～2MPa的条件下，冷压30s～1min，脱模，自然冷却，最后室温下静置，得到秸塑复合板；
四、粘接：
按两侧为秸塑复合板、中间为聚氨酯泡沫板的方式粘接静置，然后置于冷压机的下压板上，在上下压板温度为65℃～75℃及上压板距离试样表面0.5cm～1cm的条件下，保温20min～30min，脱模并自然冷却，得到轻质保温秸秆复合材料。
本实施方式采用的秸秆粉是一种生物质材料，来源广泛价格低廉且绿色环保。作为农业废弃物，生产量大，极易获取，具有与木材相似的化学性质，是人造板产业的新兴产品。本实施方式秸秆人造板制备过程中不添加胶黏剂，在高温高压下利用秸秆自身性质使其交联成板。秸秆板与环氧树脂胶黏剂黏合性能好，最终产品结合强度优良。将废弃秸秆回收，减少了秸秆的燃烧以及碳排放量，有效保护环境，净化空气。
本实施方式的有益效果是：
本实施方式以生物质环保材料为基础材料，秸秆人造板制备过程中不添加胶黏剂，仅添加少量填充剂(硬脂酸、PE蜡增加交联强度)，完全利用秸秆自身性质交联成板，可完全降解，缩短热压时间，节约能源消耗，且所添加的塑料只有马来酸酐接枝聚乙烯，配合本实施方式的工艺，马来酸酐接枝聚乙烯高温融化，与秸秆粉界面交合，马来酸酐具有极强极性，可与秸秆粉形成稳定高强度的结合物，同时使得界面相容性提高。秸塑复合板内结合强度为2.10MPa，弯曲强度高(弯曲强度29.03MPa，弹性模量为3.15GPa)，导热系数为0.3215W/m·K，密度1.27g/cm2，吸水厚度膨胀率35.31％。
本实施方式将秸秆复合材料与聚氨酯泡沫板进行物理黏合，聚氨酯硬泡体是一种具有保温与防水功能的新型合成材料，表面具有阻燃涂层，有一定的防火性。通过特定的固化工艺，聚氨酯泡沫板与秸秆板复合后的产品性能优良，结合性能好(内结合强度为0.32MPa)，弯曲强度高(弯曲强度3.51MPa，弹性模量为0.09GPa)，导热系数小，密度小，质量轻，声学性能优异。
本实施方式有利于减少碳排放量，实现碳循环。通过对生物质材料的利用，减少了废弃物的排放，增加了农业生产的利用率。本实施方式属于环境友好型产品，具有一定的环境效益；原材料价格低廉，具有一定的经济效益，适合厂家大规模批量生产。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中称取的秸秆、马来酸酐接枝聚乙烯、硬脂酸及PE蜡的总质量份数为100份。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤一中所述的秸秆为水稻秸秆、小麦秸秆或玉米秸秆。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中所述的秸秆为在温度为100℃～105℃的条件下烘干12h～18h后得到。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式烘干后取出至配置的过程中尽量避免接触水分。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中所述的混合具体是在转速为1500r/min～2000r/min的条件下，高速旋转3min～5min。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一或不同的是：步骤二中所述的造粒具体设置参数：一区温度为150℃，二区温度为145℃，三区温度为150℃，四区温度为155℃，五区温度为150℃，六区温度为150℃，主机转速为50r/min，喂料速度为35r/min；步骤二中粉碎至粒径为0.5mm～2mm。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三中所述的秸塑复合板厚度为2mm～4mm。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三中室温下静置22h～26h。其它与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤四中所述的聚氨酯泡沫板厚度为1cm～1.5cm。其它与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤四中利用环氧树脂胶黏剂按两侧为秸塑复合板、中间为聚氨酯泡沫板的方式粘接。其它与具体实施方式一至九相同。
本具体实施方式固化剂是氨组分的，粘接过程产生少量毒气，固化后无毒。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
一种轻质保温秸秆复合材料的制备方法，它是按以下步骤进行的：
一、称取：
按质量份数称取85份秸秆、14份马来酸酐接枝聚乙烯、0.5份硬脂酸及0.5份PE蜡；
二、制备预混料：
将称取的秸秆、马来酸酐接枝聚乙烯、硬脂酸及PE蜡混合并造粒，然后冷却并粉碎，得到预混料；
三、秸塑复合板的制备：
将100g预混料均匀平铺至3mm模具中，然后置于热压机内，在上下压板温度为150℃的条件下，预热5min，然后在上下压板温度为150℃及压力为4MPa的条件下，保压9min，再在上下压板温度为20℃及压力为1MPa的条件下，冷压1min，脱模，自然冷却，最后室温下静置，得到秸塑复合板；
四、粘接：
按两侧为秸塑复合板、中间为聚氨酯泡沫板的方式粘接静置，然后置于冷压机的下压板上，在上下压板温度为60℃及上压板距离试样表面1cm的条件下，保温30min，脱模并自然冷却，得到轻质保温秸秆复合材料。
步骤一中所述的秸秆为水稻秸秆。
步骤一中所述的秸秆为在温度为103℃的条件下烘干14h后得到。
步骤二中所述的混合具体是在转速为1500r/min的条件下，高速旋转3min。
步骤二中所述的造粒具体设置参数：一区温度为150℃，二区温度为145℃，三区温度为150℃，四区温度为155℃，五区温度为150℃，六区温度为150℃，主机转速为50r/min，喂料速度为35r/min；步骤二中粉碎至粒径为0.5mm～2mm。
步骤三中所述的秸塑复合板厚度为3mm。
步骤三中室温下静置24h。
步骤四中所述的聚氨酯泡沫板厚度为1cm。
步骤四中利用环氧树脂胶黏剂(A:B＝1:1)按两侧为秸塑复合板、中间为聚氨酯泡沫板的方式粘接。
对比实验一：本对比实验与实施例一不同的是：步骤一中按质量份数称取75份秸秆、24份马来酸酐接枝聚乙烯、0.5份硬脂酸及0.5份PE蜡。其它与实施例一相同。
对比实验二：本对比实验与实施例一不同的是：步骤一中按质量份数称取80份秸秆、19份马来酸酐接枝聚乙烯、0.5份硬脂酸及0.5份PE蜡。其它与实施例一相同。
对比实验三：本对比实验与实施例一不同的是：步骤一中按质量份数称取90份秸秆、9份马来酸酐接枝聚乙烯、0.5份硬脂酸及0.5份PE蜡。其它与实施例一相同。
对比实验四：本对比实验与实施例一不同的是：步骤四中按两侧为秸塑复合板、中间为PE泡沫板的方式粘接静置。其它与实施例一相同。
对比实验五：本对比实验与实施例一不同的是：步骤四中按两侧为秸塑复合板、中间为PS泡沫板的方式粘接静置。其它与实施例一相同。
表1实施例及对比实验一至三制备的秸塑复合板性能指标
表2实施例一及对比实验四至五制备的轻质保温秸秆复合材料性能指标
图1为实施例一制备的轻质保温秸秆复合材料的实物图；由图可知，所得产品表面光滑。
图2为实施例一制备的轻质保温秸秆复合材料弯曲性能测试后的实物图；由图可知，弯曲性能测试后，断面整齐。
图3为实施例一制备的轻质保温秸秆复合材料内结合强度测试后的实物图；由图可知，环氧树脂胶黏剂胶合秸塑复合板与聚氨酯泡沫性能较好，从聚氨酯泡沫板处断裂。
图4为实施例一制备的轻质保温秸秆复合材料200倍光学显微镜图片；图5为实施例一制备的轻质保温秸秆复合材料100倍光学显微镜图片。由图可知，样品表面清晰可见秸秆粉形态，表面致密，秸秆粉末不规则交联。表面光滑平整。
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