水性聚合物、多異氰酸酯和秸稈纖維複合材料及其製備方法

2023-04-24 07:13:51

專利名稱：：水性聚合物、多異氰酸酯和秸稈纖維複合材料及其製備方法
技術領域：
：本發明涉及一種水性聚合物、多異氰酸酯和秸稈纖維複合材料及其製備方法。技術背景世界自然基金會的報告(2005年3月9日)顯示中國將在未來的五年內成為全球最大的木材消費國。全國現有的可採伐成熟林僅14-15億m3，按目前的消耗水平只能維持5-6年。另一方面，我國仍是一個農業大國，擁有豐富的農業剩餘物質源，有人稱之為"第二森林"。僅1995年我國農作物秸稈產量為6.04億t，除秸稈直接還田和收集損耗約佔15.0%外，秸稈可獲量為5.134億t。利用可再生的農業剩餘物秸稈作為新型植物纖維增強複合材料的輕質固體原料，不僅拓寬了人造板生產原料來源渠道，緩解木材原料供應不足的矛盾，也在一定程度上解決了秸稈焚燒帶來的環境汙染問題，同時為農民帶來額外收入。秸稈纖維制板的關鍵在於粘合劑的選擇。迄今為止，國內外農作物纖維基秸稈板的膠粘體系有兩類(1)改性的脲醛、三聚氰胺縮甲醛和酚醛膠；(2)聚合多異氰酸酯(PMDI)。改性的"三酸"膠雖然在一定程度上控制了甲醛釋放率，然而由於農作物秸稈中有灰份和蠟質的存在導致界面性能較差，所制板材的粘接強度不高，而且成板的吸水膨脹率也很難達標。PMDI化學性能活潑，可以和農作物纖維表面的游離羥基發生反應，也可以和纖維中的水分反應，它分子量小，滲透性好，很適合製作優質的農作物纖維MDF板，國內外已經有幾十條利用PMDI和農作物秸稈生產人造板的生產線。但PMDI價格一直高居不下，由此粘接製備的秸稈纖維複合材料在人造板市場中缺乏競爭力。此外，PMDI秸稈板材尚存在韌性低和加工性能較差的缺點。
發明內容本發明的目的之一在於提供一種環境友好、低成本、高韌性和強度性能優良的新型水性聚合物、多異氰酸酯和秸稈纖維複合材料。一種水性聚合物、多異氰酸酯和秸稈纖維複合材料，其特徵在於該複合材料的組成及質量百分比如下秸稈纖維83.0—90%固含量為20%水性聚合物9.0—14%多異氰酸酯交聯劑0.5_2.0%無機填料0.5—1.0所述的秸稈纖維是麥秸、稻草、棉稈、蘆葦和玉米秸稈纖維中的至少一種；所述的水性聚合物是醋酸乙烯酯的均聚物乳液、醋酸乙烯酯的共聚物乳液、天然橡膠乳液和丁苯橡膠乳液中的至少一種；所述的多異氰酸酯交聯劑是封閉型聚合多異氰酸酯B-PMDI或可水分散聚合多異氰酸酯EMDI;所述的無機填料是粉末碳酸鈣、重晶石、滑石粉、硅藻土、高嶺土和陶士中的至少一種。一種上述的水性聚合物、多異氰酸酯和秸稈纖維複合材料的製備方法，其特徵在於該方法的具體步驟為a.秸稈纖維的處理將秸稈纖維破碎得到長寬比L/D為50—140的秸稈纖維，再將秸稈纖維烘至絕幹；b.主膠的配製按上述的質量比將水性聚合物和無機填料於室溫下機械攪拌均勻，密封靜置24小時後待用；C.主膠與異氰酸酯交聯劑的先後噴施按上述的質量比先將經歩驟b所得主膠噴施於經步驟a所得秸稈纖維表面，均勻拌料後，再在該秸稈纖維表面噴施異氰酸酯交聯劑，並攪拌分散均勻，得到含膠秸稈纖維；d.含膠纖維的鋪裝將經步驟c所得含膠秸稈纖維在2-5Mpa壓力下預壓成板坯；而後將該板坯在2-5Mpa壓力，145—180。C溫度下處理45_90s/mm，使膠料中的水性聚合物、異氰酸酯交聯劑與秸稈纖維發生化學交聯，即得水性聚合物、多異氰酸酯和秸稈纖維複合材料。本發明方法製得的板材不僅具有較高的膠合強度、斷裂韌性和耐水性能，綠色環保，且工藝簡單，纖維板成本較低，具有良好的市場前景。本發明的秸稈纖維複合材料基體為水性聚合物與多異氰酸酯的混雜膠粘體系，其中水性聚合物主膠與秸稈纖維不僅具有較強的粘接力，且為複合材料提供了優良的韌性，而多異氰酸酯交聯劑中的異氰酸酯基團通過與水性聚合物及植物纖維表面的游離羥基反應形成牢固的聚氨酯化學鍵，則進一步強化了板材的宏觀力學性能。此外，加入膠粘體系中的無機填充物，旨在提高成板的耐熱、耐溶劑、耐化學品和耐磨性能。本發明將秸稈纖維在7(TC9(TC的條件下烘乾，避免了天氣原因對其含水率的影響，可以在噴施水性聚合物主膠的過程中，可靈活調節水性聚合物主劑的含水量，降低其粘度，以便於噴射施膠，且烘乾後趁熱施膠也節省了板材熱壓過程中的預熱時間，使導熱不良的纖維受熱更加均勻，大大減小了成板出現瑕疵的機率。本發明使用的方法和傳統的含醛膠粘體系生產纖維板的方法相比，不僅產品的性能更加優越，且避免了"甲醛釋放"問題；相對純PMDI膠粘農作物纖維板方法而言，本發明的秸稈板材韌性明顯提高，且因多異氰酸酯的用量大幅減少，可顯著降低生產成本。具體實施方式本發明水性聚合物一多異氰酸酯一秸稈纖維複合材料成型工藝中的各步驟說明如下1.秸稈纖維的處理a.纖維的切短採用切割機將農作物秸稈切成25cm左右的碎料，b.纖維的破碎與分離將切短秸稈通過粉碎機破碎，並由旋風分離器去除灰分等雜質，得到長寬比(L/D)為50—140的秸稈纖維；c.纖維的烘乾於70—8(TC下，將秸稈纖維烘至絕幹。2.主膠的配製將水性聚合物乳液和無機填料於室溫下機械攪拌均勻，密封靜置24小時後待用。3.主膠與異氰酸酯交聯劑的先後噴施先將上述預處理完畢的絕幹秸稈纖維裝添入帶水冷夾套的三輥拌料機中(溫控《4(TC),在壓縮空氣的輔助下，通過離心噴霧系統將主膠噴施於纖維表面，均勻拌料後，再噴施異氰酸酯交聯劑，並攪拌分散。4.含膠纖維的鋪裝採用機械法將含膠纖維平鋪於無框平板聚四氟乙烯塗層模具中。5.常溫預壓與熱壓成型在多層平板冷壓機中，將鋪裝完畢的含膠秸稈纖維預壓成板坯(壓力為2-5Mpa);而後將板坯置入平板硫化機上加壓、加溫，使膠料中的水性聚合物、異氰酸酯交聯劑與秸稈纖維發生化學交聯，從而獲得綜合性能優良的複合材料產品，熱壓溫度為145—180。C，時間為45—90s/mm，壓力為2-5Mpa)。實施例一本實施例中所用的各組份及其質量配比如下稻秸纖維88.0%醋酸乙烯一乙烯共聚物乳液(20%固含量)10.0%可水分散聚合多異氰酸酯(EMDI)1.0%滑石粉1.0%將上述各組份共25Kg按以上成型工藝即為本發明的水性聚合物一多異氰酸酯一秸稈纖維複合材料板材，其中熱壓溫度150'C，壓力3.5MPa，時間180s。實施例二本實施例中水性聚合物、多異氰酸酯和秸稈纖維複合材料的各組份及其配比如下麥秸纖維85.0醋酸乙烯一乙烯共聚物乳液(20%固含量)4.5丁苯橡膠乳液(20%固含量)9.0封閉型聚合多異氰酸酯(B-PMDI)1.0碳酸鈣0.5將上述各組份共25Kg按以上成型工藝即為本發明的水性聚合物一多異氰酸酯一秸稈纖維複合材料板材，其中熱壓溫度155。C，壓力4.0MPa，時間210s。實施例三本實施例中水性聚合物、多異氰酸酯和秸稈纖維複合材料的各組份及其配比如下麥秸纖維40.0稻秸纖維44.0丁苯橡膠乳液(20%固含量)12.0封閉型聚合多異氰酸酯(B-PMDI)1.5高嶺土0.5將上述各組份共25Kg按以上成型工藝即為本發明的水性聚合物一多異氰酸酯一秸稈纖維複合材料板材，其中熱壓溫度160。C，壓力3.5MPa，時間210s。根據相關標準和實驗方法對上述實施例所制複合材料的主要性能進行了檢測，與我國現行MDF標準GB11718相關技術標準比較如下表1。表l本發明實施例所制複合材料的主要性能tableseeoriginaldocumentpage7由表1可見，本發明的水性聚合物一多異氰酸酯一秸稈纖維複合材料的主要性能優於GB11718-99中70型特級板的要求。權利要求1.一種水性聚合物、多異氰酸酯和秸稈纖維複合材料，其特徵在於該複合材料的組成及質量百分比如下秸稈纖維83.0-90％水性聚合物9.0-14％多異氰酸酯交聯劑0.5-2.0％無機填料0.5-1.0％所述的秸稈纖維是麥秸、稻草、棉稈、蘆葦和玉米秸稈纖維中的至少一種；所述的水性聚合物是醋酸乙烯酯的均聚物乳液、醋酸乙烯酯的共聚物乳液、天然橡膠乳液和丁苯橡膠乳液中的至少一種，固含量為20-50％；所述的多異氰酸酯交聯劑是封閉型聚合多異氰酸酯B-PMDI或可水分散聚合多異氰酸酯EMDI；所述的無機填料是粉末碳酸鈣、重晶石、滑石粉、硅藻土、高嶺土和陶士中的至少一種。2.—種根據權利要求1所述的水性聚合物、多異氰酸酯和秸稈纖維複合材料的製備方法，其特徵在於該方法的具體步驟為a.秸稈纖維的處理將秸稈纖維破碎得到長寬比L/D為50—140的秸稈纖維，再將秸稈纖維烘至絕幹；b.主膠的配製按上述的質量比將水性聚合物和無機填料於室溫下機械攪拌均勻，密封靜置24小時後待用；C.主膠與異氰酸酯交聯劑的先後噴施按上述的質量比先將經步驟b所得主膠噴施於經步驟a所得秸稈纖維表面，均勻拌料後，再在該秸稈纖維表面噴施異氰酸酯交聯劑，並攪拌分散均勻，得到含膠秸稈纖維；d.含膠纖維的鋪裝將經步驟c所得含膠秸稈纖維在2-5Mpa壓力下預壓成板坯；而後將該板坯在2-5Mpa壓力，145_180。C溫度下處理45—90s/mm，使膠料中的水性聚合物、異氰酸酯交聯劑與秸稈纖維發生化學交聯，即得水性聚合物、多異氰酸酯和秸稈纖維複合材料。全文摘要本發明涉及一種水性聚合物、多異氰酸酯和秸稈纖維複合材料及其製備方法。該複合材料的組成及質量百分比如下秸稈纖維83.0-90％，水性聚合物9.0-14％，多異氰酸酯交聯劑0.5-2.0％，無機填料0.5-1.0。具體製備方法為秸稈纖維的處理、水性聚合物主膠的配製、主膠與異氰酸酯交聯劑的先後噴施、含膠纖維的鋪裝、常溫預壓和熱壓固化成型，最終製得水性聚合物—多異氰酸酯—秸稈纖維複合材料板材。本發明方法製得的板材不僅具有較高的膠合強度、斷裂韌性和耐水性能，綠色環保，且工藝簡單，纖維板成本較低，具有良好的市場前景。文檔編號C08L1/02GK101234505SQ20081003411公開日2008年8月6日申請日期2008年2月29日優先權日2008年2月29日發明者周沙漵,徐宏斌,湯傲潔,胡宏玖,謝蘇江,陳國華申請人:上海大學