CN101642923A - 一种竹长纤维复合材料的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种竹长纤维复合材料的制造方法，以去青去黄的束状竹纤维为原料，浸渍水溶性酚醛树脂胶粘剂，其生产步骤包括：原料准备(包括竹长纤维增强体和水溶性酚醛树脂基体的制备)→浸胶→提取→温压→固化→后固化。本发明的优点是：(1)工艺合理、生产连续性强、效率高、耗能低、无环境污染；(2)制造的竹长纤维复合材料不霉变、不开裂，密度为0.9～1.3g/cm³，硬度为60～150MPa，静曲强度为140～160MPa，吸水膨胀率为0.3～2％，表面耐磨性能为0.04～0.09g/100r，甲醛释放量为0.1～0.4mg/L；(3)为合理利用竹子资源提供了一种更为积极的生产技术，使重组竹的应用前景更为光明。

Description

一种竹长纤维复合材料的制造方法

【技术领域】

本发明涉及木材或类似材料的加工技术领域，尤其涉及人造板的制造，具体地说，是一种利用竹子进行竹长纤维复合材料的制造方法。

【背景技术】

由于森林资源的减少和对砍伐森林的限制，木材资源日趋紧张。为了缓解木材资源的紧张局面，达到较好地保护环境的目的，利用生长周期短、材质性能好的竹子来替代木材是切实可行的。

目前，各种利用竹子制造的产品以及新的生产技术层出不穷，重组竹的出现，使人类对竹子的利用水平达到了一个新的高度。现有的重组竹技术，有中国专利ZL99117809.2公开的“竹材重组强化成型材的方法”，它是将毛竹劈成竹丝，经干燥后浸胶装模，再经高压(10-100Mpa)压制并固化成型材的。还有中国专利ZL0210518.3公开的“重组竹胶合板制造方法”，将小径竹去青剖分后碾压成横向不断裂、纵向松散而交错相连、不打乱竹纤维排列方向的竹束，再经过干燥、浸胶、组坯和热压而成。重组竹克服了竹子不成“材”的缺点，使竹子也能像木质板材一样得到利用。

现有技术生产的重组竹充分合理地利用了竹材纤维的固有特性，既保证了竹材的高利用率，又保留了竹材原有的物理力学性能，其密度为0.9g/cm³时，静曲强度可达89Mpa(纵向)和59Mpa(横向)，冲击强度可达92KJ/m²，大大超过了其它的木材人造板和普通的竹材人造板，可满足结构材使用的要求，广泛使用于地板行业。目前有较多的工厂从事重组竹地板的生产。

但是，重组竹作为一种新材料产品，由于其生产技术未完全成熟难免会导致一些问题的产生，首先，有霉变和开裂的现象出现。据海关介绍，由于重组竹地板霉变、开裂等质量问题，近年来有相当多的退货现象。大量的退货，一方面极大地打击了市场对重组竹产品的信心，阻碍了重组竹产业的发展；另一方面，如何克服重组竹产品易霉变、易开裂的现象成为当务之急。

其次，现有生产技术存在污染环境和耗能过大的问题。

现有技术生产重组竹的施胶工艺多用浸胶的方式，然后再干燥，既挥发胶粘剂溶剂。在这个过程中，含有大量游离醛等有害物质的溶剂通过晾干烘干手段变成气体散发到空气中，极大地破坏了周遍的环境，严重危害工人与居民的健康。

现有技术生产重组竹的压制方式有两种，一种为冷压工艺，如中国专利ZL99117809.2所述，其采用的高压压力为10～100Mpa，最好是在50Mpa以上，采用这么高的压力，对压机的吨位要求是比较高的，如生产2000MM*100MM压面即为0.2m²的材料，以75Mpa的压强要求生产密度为1.1g/cm³的材料，压机的吨位要求在1800吨以上，这直接提高了生产重组竹的投资成本，对重组竹产品的压面规格也限定在小篇幅的范围里，采用如此高的压力，耗能是很大的。另一种为热压工艺，如中国专利ZL02120518.3所述，在采用酚醛树脂时，其热压力为3Mpa，热压温度为140℃，热压时间为1.0min/mm板厚，热压方式虽然所用的压强是3Mpa，可以生产大篇幅压面的材料，但是所用时间较长，能耗相对的也就大了。

再次，现有技术的生产步骤有可改进的地方。例如，现有技术生产重组竹在压制前的干燥是采用晾干的方式，如中国专利ZL99117809.2所述，这需要较长的时间，并且可控性差，不适宜重组竹的规模化产业生产。目前的生产企业普遍采用烘干的方式，再经压制、固化，这中间存在能源浪费的现象，耗能也是非常大的。

综上所述，现有技术生产的重组竹产品有易霉变、易开裂的缺陷，在生产中存在污染环境和耗能过大的问题等等，这些是当前重组竹产业急需解决的问题。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对重组竹产品易霉变、易开裂的缺陷，针对其生产过程中易污染环境、耗能过大的问题，提供一种工艺合理、生产效率高、耗能低、无环境污染的制造方法，其生产的竹长纤维增强材料不易霉变、不易开裂，强度更好。

为实现以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种竹长纤维复合材料的制造方法，其生产步骤包括：

(1)原料准备

A、竹长纤维增强体的制备

A-1，将竹子截断成与竹长纤维复合材料等长的竹筒，用机械剖开成宽度为20～50mm的竹片，再去除竹片的青(竹子的表皮)和黄(竹腔壁)并碾压成束状竹纤维；

A-2，将去青去黄后的束状竹纤维放置在含0.5～2％的氢氧化钠溶液中，加温至60～90℃，浸泡2～3小时后再用清水浸泡半小时，得半纤维素和果胶含量占纤维整体12％以下的束状竹纤维；

A-3，将半纤维素和果胶含量占纤维整体12％以下的束状竹纤维放置在染色池里浸煮，调制所需的颜色后取出；

如产品对颜色无特殊要求可省去A-3步骤；

如产品颜色要求为咖啡色，可以在碳化炉里碳化以替代A-3步骤；

如产品对颜色要求为本色，可放置在1～2％双氧水溶液里浸煮2～4小时以替代A-3步骤；

A-4，将以上处理好的束状竹纤维在60～100℃温度下干燥至含水率为8～12％，经分捡后以等份重量捆扎好；

B、水溶性酚醛树脂基体的制备

在反应釜里制备水溶性酚醛树脂胶粘剂，苯酚、甲醛的摩尔比为1∶1.25～1.50，制得胶粘剂的树脂分子量在100～400，固含量为18～25％，在25℃下黏度为100～300cPa；将水溶性酚醛树脂胶粘剂置于浸胶池内；

所述的水溶性酚醛树脂为添加功能组分的改性水溶性酚醛树脂；

(2)浸胶

将捆扎好的束状竹纤维放入浸胶筐内，用行车吊至浸胶池里浸胶5～15分钟，实现水溶性酚醛树脂胶粘剂对束状竹纤维的渗透，之后提至沥胶平台沥胶10～30分钟；

(3)提取

将沥胶后含胶的束状竹纤维放入真空容室里，加温并抽提真空，在竹纤维温度达到40～80℃、容室内真空度小于50KPa的条件下抽提含胶束状竹纤维中含游离酚、游离醛的水分，使竹纤维含水率保持在8～15％，温度保持在70～80℃之间。

(4)温压

将提取步骤中温度为70～80℃之间、含水率为8～15％的束状竹纤维按复合材料密度需要的重量放入液压机的进料系统，由进料系统将束状竹纤维移入模腔，进行压制，压力为3～30MPa。

较佳的压力为6～9Mpa。

(5)固化

温压后，将压制好的型材立即进行固化，此时束状竹纤维制品的温度在70～80℃之间，对其继续加温至125～135℃，并保持2～4小时使其固化；

(6)后固化

将固化好的竹长纤维复合材料型材经脱模后在仓库里陈放7～15天，完成释放内应力的后固化过程，7～15天后即成竹长纤维复合材料型材，其物理力学性能为：密度为0.9～1.3g/cm³，硬度为60～150MPa，静曲强度在140～160MPa，吸水膨胀率为0.3～2％，表面耐磨性能为0.04～0.09g/100r，甲醛释放量为0.1～0.4mg/L。

本发明的制造方法，由于去除了竹青竹黄部分，克服了因为竹青竹黄的表面张力原因胶粘剂无法渗透的问题，胶粘剂对竹纤维的浸渍、渗透达到了同一性，减少了重组竹组成纤维粘接强度不均匀的状况，克服了开裂的缺陷。而竹子束状形态使竹纤维接触胶粘剂表面积最大化，有利于胶粘剂对竹纤维的渗透，并且对竹纤维在整个生产流程中的移动不构成影响。

本发明的制造方法，合成物的一单元组分是经过去半纤维素、果胶成分处理的束状竹纤维。竹纤维的化学成分主要包括纤维素、半纤维素、木质素、果胶及微量的矿物盐类等，其中，纤维素和木质素占整体的80％左右，是合成物单元组分的组成物质；半纤维素是一些低分子量的聚糖化合物，主要有多聚戊糖和多聚己糖组成，其分子量小、聚合度小、化学性质很不稳定，在纤维中呈粉末状，有比纤维素高得多的吸水性能；而果胶是一种具有酸性的混杂糖，分布在纤维细胞之间和纤维细胞与非纤维细胞之间，以及填充在初生壁的一些空隙里；半纤维素和果胶的存在是重组竹产品发生霉变的重要条件。这些小分子量物质在原有竹纤维中起着粘接的作用，其粘接力远不足以抵消重组竹产品受高压而形成的机械应力，加上半纤维素极好的亲水性能，是重组竹产品易开裂的另一主要原因。由于半纤维素具有很不稳定的化学性质，果胶是含有糖醛酸单元的一种混杂链构成的物质，在稀碱溶液中很容易被去除，本发明采用加入少量稀碱蒸煮的方法去除竹纤维中半纤维素和果胶成分，处理后被利用的竹纤维不含或少含半纤维素和果胶成分物质，经过处理的竹纤维可以根据市场的需要再作调色处理，由此制得重组竹合成物的一单元组分，克服了现有技术中重组竹产品易霉变、易开裂的缺陷。此外，由于上述的处理，使纤维细胞之间及细胞壁中的空隙空间增大和增多，使胶粘剂对竹纤维的渗透更加充分，保证了重组竹产品的质量。

本发明的制造方法，其实质是将原料竹纤维束经过去半纤维素和果胶成分的处理，使竹纤维内部细胞与细胞之间及细胞壁中的空隙空间增大和增多，使水溶性酚醛树脂胶粘剂可以通过溶剂有效地渗透到这些空隙空间，再通过对溶剂水分挥发后的竹纤维进行高压压制和高温固化，使得酚醛树脂分子交联成具有相当强度的不溶不熔的体型结构，网络状地把纤维牢固地连接在一起，而这些处理后的纤维空隙，有的呈钉子状，有的呈勾状，有的呈发散锥状，有的空隙形状往往很复杂，大空隙里还延伸着小空隙，像树根一样，水溶性酚醛树脂胶粘剂固化后在这些空隙中产生强大的机械结合力，像钉子、像勾子、像榫子、像树根一样，形成牢固的结合力，使重组竹产品的物理力学性能保持在：密度在0.9～1.3g/cm³之间，硬度在60～150MPa之间，静曲强度在140～160MPa之间，吸水膨胀率在0.3～2％之间，表面耐磨性能在0.04～0.09g/100r之间，甲醛释放量在0.1～0.4mg/L之间。

本发明的制造方法，根据发明人多年的研究和实践，为解决现有技术存在的污染环境和耗能过大的问题，以及有利于规模化标准化生产，采取的技术解决方案为：将处理好的竹纤维放置于浸胶筐里，用行车吊置浸胶池里实现水溶性酚醛树脂胶粘剂对竹纤维的渗透，沥后再放置于真空容器里，在竹纤维温度低于80℃，容器内真空度小于50KPa的条件下抽取含胶竹纤维中含有游离酚、游离醛物质的水分，这一工艺过程，使含胶竹纤维含水率达到8～15％，温度保持在70～80℃之间，达到这个工艺目的之后，即可对竹纤维进行装模压制，采用温压压制的方式，含水率在8～15％、温度70～80℃之间的竹纤维在压力为3～30MPa的情况下实现成型，成型后的重组竹在温度为125～135℃的条件下完成固化，脱模后经存放7～15天完成后固化。

本发明的制造方法，采用真空提取胶粘剂中游离酚、游离醛等有害物质和挥发溶剂中水的方式是环保的，比现有技术采用晾干的方式会使大量的游离醛等有害物质散发在空气中危害工人及周边居民的健康要好很多。本发明做到了对游离酚、游离醛等有害物质的提取回收，并可以再利用——将抽取的含有游离酚、游离醛物质的水分经冷却贮存在贮存罐里作下一次制胶、配胶的用水，既节省了成本，控制了因溶剂散发而造成的损失，又使周边环境避免了污染。

水溶性酚醛树脂胶粘剂是甲阶的酚醛树脂，当温度到达80℃后，其缩聚反应就会加快，而水在汽化过程中其温度与蒸气压是成正比的，本发明采用的方式实现了低温条件下对水的挥发，这对于控制甲阶树脂的状态是有利的，也使胶粘剂的胶粘强度有了保证。

在这一工艺步骤中，室内的压力始终低于大气压，而气体分子量少、密度低、含氧率低又起到了灭菌的作用。霉菌的滋生对重组竹产品质量的影响是非常大的，而现有技术自始至终没有对原料进行过灭菌处理，其采取的晾干的方式又极大地提高了霉菌滋生的机会，给重组竹产品以后的霉变留下了隐患。因此，本发明的这一工艺是合理、可行、有效的，它既控制了甲阶树脂的反应进程，又控制了产品的染菌机会，实现了环境保护、质量控制及节省时间等多重目的。

本发明的制造方法采用3～30MPa压力温压的方式相对于现有技术用10～100MPa，最好是50MPa以上的压力是非常节能的。竹纤维的刚性是比较大的，现有技术采用的是常压下的干燥方式，受热汽化的水蒸气通过竹纤维表面形成的流体边界层向空气中扩散，竹纤维内部水分要向表面移动，如果其移动的速度赶不上边界层表面的蒸发速度，边界层水膜就会破裂，竹纤维表面就会出现局部干裂的现象，然后扩大到整个外表面，形成表面硬化，又大大增加了压制前竹纤维的刚性。而本发明采用真空条件下的水分挥发方式，由于竹纤维内和表面之间的压力差较大，在压力梯度的作用下，水分很快移向表面，不会出现表面硬化。此外，由于竹纤维被压制时温度保持在70～80℃之间，含水率8～15％之间，在此物理条件下，竹纤维的柔软性是非常好的，故压制时使用的压力就比较小了，3～30MPa压力就够了，最好是6～9MPa的范围内，压制时可大大地减少能耗。而且，它突破了压机吨位对产品压面规格的限制，如用现有技术中的压机吨位，用同样的压力，就可生产大于现有技术好几倍的重组竹压面规格，产量也将增加好几倍，产能和效能显著增加。

本发明的制造方法，采用真空和温压相结合的方式，并且在压制好后马上实施固化，三个步骤连续性强，衔接度高，一气呵成，在最大程度上节省了大量的能源。含胶竹纤维在真空容室内被加温并保持在70～80℃之间，随即就进行温压，温压后马上进行固化，温压时的竹纤维温度基本上没有浪费，固化也是在这一温度上继续加温的，非但没有浪费能源并且缩短了固化的时间。而现有技术，含胶竹纤维在干燥后由于含水率的不均匀需要陈放调均，以及由于干燥所用的时间长、规模大不能与压制工艺做到连续性的对接，被压含胶竹纤维往往需要陈放很长时间，温度由被干燥时的温度降至室温，然后被固化时需要重新开始对室温下的竹纤维进行加热，这需要花费较多的能源和时间。两者对比，本发明的节能效果非常显著。

本发明的制造方法，生产步骤中各流程的连续性强，衔接度高，可实现规模化标准化生产。如以设备中占投资比例一半以上的压机作为产量瓶颈来衡量：生产规格为2500×200×200mm的产品，一台压机每班8小时可生产100个重组竹型材，消耗干的竹纤维原料可达10吨之多，折合原竹(以平均25公斤计算，竹青做竹席、竹帘等综合利用)达1600竹以上，可生产15mm厚的地板近600m²。这个生产量与现有技术中的竹子利用水平比较，是呈相当规模的，并且产生的社会效益也是显著的。

本发明的积极效果是：

(1)提供了一种工艺合理、生产效率高、耗能低、无环境污染的竹长纤维复合材料的制造方法，且生产流程连续性强、衔接度高、可实现规模化标准化生产。

(2)按本发明生产的竹长纤维增强材料不易霉变、不易开裂，强度更好。

(3)为充分合理地利用竹子资源提供了一种积极的技术方案，使竹长纤维复合材料(重组竹)的应用前景更为光明。

【具体实施方式】

以下结合实施情况详细说明本发明一种竹长纤维复合材料的制造方法。

规格为2500×200×200mm的重组竹产品的制造方法，其生产步骤为：

(1)原料准备

A、竹长纤维增强体的制备

A-1，将竹子截断成2500mm长的竹筒，再用撞机剖开成宽度为40mm的竹片，再用钢刷去青碾压机去除竹片的青(竹子的表皮)和黄(竹子的最内部分，竹腔壁)部分并碾压成束状竹纤维；

A-2，将去青去黄后的束状竹纤维放置在含0.8％的氢氧化钠溶液中，加温至80℃，浸泡2小时后再用清水浸泡半小时，得半纤维素和果胶含量占纤维整体8％的束状竹纤维；

A-3，将半纤维素和果胶含量很低的束状竹纤维放置在染色池里浸煮，调制所需的颜色后取出；

如产品对颜色无特殊要求可省去此步骤；

如产品对颜色要求为咖啡色，可以在碳化炉里碳化以替代此步骤：将半纤维素和果胶含量很低的束状竹纤维放置在碳化炉里，在压力3公斤、时间2小时的条件下对竹纤维进行碳化；

A-4，将以上处理好的束状竹纤维在60℃温度下干燥至含水率为12％，经分捡后以等份重量20公斤/捆扎好；

B、水溶性酚醛树脂基体的制备

在反应釜里制备水溶性酚醛树脂胶粘剂，苯酚、甲醛的摩尔比为1∶1.25，制得胶粘剂的树脂平均分子量在150，固含量为18％，在25℃下黏度为300cPa；将水溶性酚醛树脂胶粘剂置于浸胶池内；

(2)浸胶

将以上处理好的含水率为12％的束状竹纤维放置浸胶筐里，用行车吊至浸胶池里浸胶5分钟后提置沥胶平台沥胶15分钟；

(3)提取

将沥胶后含胶的竹纤维放入真空容室里，加温并抽取真空，在竹纤维温度达到80℃、真空度在50KPa的条件下提取含游离酚、游离醛的水分，将提取物经冷却后贮存在贮存罐里，并使竹纤维含水率保持在13％，温度保持在80℃；

(4)温压

将真空容室里温度达到80℃、含水率在13％的竹纤维5捆放置在液压机的进料系统，由进料系统完成对竹纤维移动至模腔的动作，实施压制，温压压力为9Mpa；

(5)固化

将压制好的型材立即进行固化，此时竹纤维的温度在70～80℃之间，将其继续加温至135℃，保持2小时，使其固化；

(6)后固化

将固化好的型材经脱模后在仓库里陈放15天，完成后固化释放内应力的最后程序；15天后即成竹长纤维复合材料型材。

竹长纤维复合材料型材的物理力学性能为：密度为0.9～1.3g/cm³，硬度为60～150MPa，静曲强度在140～160MPa，吸水膨胀率为0.3～2％，表面耐磨性能为0.04～0.09g/100r，甲醛释放量为0.1～0.4mg/L。

Claims (9)

1、一种竹长纤维复合材料的制造方法，其特征在于，其生产步骤包括：

(1)原料准备

A、竹长纤维增强体的制备

A-1，将竹子截断成与竹长纤维复合材料等长的竹筒，用机械剖开成宽度为20～50mm的竹片，再去除竹片的青和黄，并碾压成束状竹纤维；

A-2，将去青去黄后的束状竹纤维放置在含0.5～2％的氢氧化钠溶液中，加温至60～90℃，浸泡2～3小时后再用清水浸泡半小时，得半纤维素和果胶含量占纤维整体12％以下的束状竹纤维；

A-3，将半纤维素和果胶含量很低的束状竹纤维放置在染色池里浸煮，调制所需的颜色后取出；

A-4，将以上处理好的束状竹纤维在60～100℃温度下干燥至含水率为8～12％，经分捡后以等份重量捆扎好；

B、水溶性酚醛树脂基体的制备

在反应釜里制备水溶性酚醛树脂胶粘剂，苯酚、甲醛的摩尔比为1∶1.25～1.50，制得胶粘剂的树脂分子量在100～400，固含量为18～25％，在25℃下黏度为100～300cPa；将水溶性酚醛树脂胶粘剂置于浸胶池内；

(2)浸胶

将捆扎好的束状竹纤维放入浸胶筐内，用行车吊至浸胶池里浸胶5～15分钟，实现水溶性酚醛树脂胶粘剂对束状竹纤维的渗透，之后提至沥胶平台沥胶10～30分钟；

(3)提取

将沥胶后含胶的束状竹纤维放入真空容室里，加温并抽提真空，在竹纤维温度达到40～80℃、容室内真空度小于50KPa的条件下抽提含胶束状竹纤维中含游离酚、游离醛的水分，使竹纤维含水率保持在8～15％，温度保持在70～80℃之间。

(4)温压

将提取步骤中温度为70～80℃之间、含水率为8～15％的束状竹纤维按复合材料密度需要的重量放入液压机的进料系统，由进料系统将束状竹纤维移入模腔，进行压制，压力为3～30MPa。

(5)固化

温压后，将压制好的型材立即进行固化，此时束状竹纤维制品的温度在70～80℃之间，对其继续加温至125～135℃，并保持2～4小时使其固化；

(6)后固化

将固化好的竹长纤维复合材料型材经脱模后在仓库里陈放7～15天，完成释放内应力的后固化过程，7～15天后即成竹长纤维复合材料型材。

2、根据权利要求1所述的竹长纤维复合材料的制造方法，其特征在于，在生产步骤(1)的B中，所述的水溶性酚醛树脂为添加功能组分的改性水溶性酚醛树脂。

3、根据权利要求1所述的竹长纤维复合材料的制造方法，其特征在于，在生产步骤(4)的温压中，压力为6～9Mpa，竹纤维的温度为70～80℃之间。

4、根据权利要求1所述的竹长纤维复合材料的制造方法，其特征在于，在生产步骤(3)的提取中，将抽提的含游离酚、游离醛的水分经冷却贮存在贮存罐里，作下一次制胶、配胶的用水。

5、根据权利要求1所述的竹长纤维复合材料的制造方法，其特征在于，如产品对颜色无特殊要求可省去A-3步骤。

6、根据权利要求1所述的竹长纤维复合材料的制造方法，其特征在于，如产品对颜色要求为本色，可将半纤维素和果胶含量占纤维整体12％以下的束状竹纤维放置在1～2％双氧水溶液里浸煮2～4小时以替代A-3步骤。

7、根据权利要求1所述的竹长纤维复合材料的制造方法，其特征在于，如产品颜色要求为咖啡色，可将半纤维素和果胶含量占纤维整体12％以下的束状竹纤维放置在碳化炉里碳化以替代A-3步骤。

8、根据权利要求7所述的竹长纤维复合材料的制造方法，其特征在于，所述的碳化，其工艺为：将半纤维素和果胶含量占纤维整体12％以下的束状竹纤维放置在碳化炉里，在压力2～3公斤、时间2～4小时的条件下对竹纤维进行碳化。

9、根据权利要求1所述的竹长纤维复合材料的制造方法，其特征在于，在生产步骤(6)后固化后完成的竹长纤维复合材料型材，其物理力学性能为：密度为0.9～1.3g/cm³，硬度为60～150MPa，静曲强度在140～160MPa，吸水膨胀率为0.3～2％，表面耐磨性能为0.04～0.09g/100r，甲醛释放量为0.1～0.4mg/L。