一种农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板及其制备方法

摘要

本发明涉及一种农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板及其制备方法，该碎料板由以下方法制备：1)制备麦秸粗料、麦秸细料和高粱粗料、高粱细料；2)将纳米碳酸钙、纳米氧化锌与纳米氧化铜混合，改性得改性添加剂A；将纳米硼酸锌、纳米氧化锌与纳米氧化铜混合，改性得改性添加剂B；3)将麦秸粗料、高粱粗料与改性添加剂A混合得粗混合料；将麦秸细料、高粱细料与改性添加剂B混合得细混合料；4)以粗混合料为芯层、细混合料为表层进行铺装、预压、喷蒸热压和冷却平衡即得。所得无胶碎料板无甲醛释放，具有良好的力学性能、抗水防潮性和防腐抗菌性，防火阻燃效果好，适合推广使用。

说明书

技术领域

本发明属于秸秆碎料板技术领域，具体涉及一种农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板及其制备方法。

背景技术

我国是一个农业大国，农作物秸秆资源非常丰富。秸秆是成熟农作物茎叶(穗)部分的总称，通常指小麦、水稻、玉米、高粱、薯类、油料、棉花、甘蔗和其它农作物在收获籽实后的剩余部分，是一种低成本、多用途的可再生生物资源。农作物秸秆的主要化学成分含量(纤维素、半纤维素和木质素)与木材相似，完全可以用来替代木材制造人造板；据统计，每两亩农田的秸秆就相当于一亩林地一年的木材生长量。将农作物秸秆用于人造板工业，是解决目前木材供应不足与板材需求量大之间矛盾的有效途径，同时还能变废为宝，避免秸秆资源的浪费及焚烧秸秆造成的环境污染，增加农民收入。

现有的秸秆人造板按照制备时有无使用胶黏剂分为有胶人造板和无胶人造板，其中，有胶人造板的生产一般都是通过施加一定量的合成树脂胶黏剂，如酚醛树脂胶黏剂、脲醛树脂胶黏剂、三聚氰胺-甲醛树脂胶黏剂等，将秸秆原料制成的刨花(碎料)或纤维等粘结成板，而这类有胶人造板最大的问题就是在储存和使用过程中长期缓慢释放游离甲醛，对室内环境和人体造成危害。

随着经济社会的发展，人们对生活品质的要求越来越高，对游离甲醛释放所造成的危害也越来越重视。若想从根本上解决人造板的游离甲醛释放问题，最直接有效的方法就是在人造板制造过程中不施加胶黏剂，即无胶成板。无胶人造板是一种无外加胶黏剂，也不依赖石油产品作为胶黏剂，而是通过特殊的处理方法，使得原料基本单元(如刨花、纤维等)表面被活化，产生有胶黏性的物质从而胶结生产的人造板。其中，特殊的处理方法包括添加化学药剂处理的方法，如自由基引发法、酸催化缩聚法、碱溶液活化法和酶活化法等，不添加化学药剂的方法为天然物质转化法。

天然物质转化法是利用秸秆原料本身所固有的物质，在特定条件下经物理化学转化而变成具有胶黏剂或交联剂作用的另一些天然物质，在热压过程中实现自胶合。这种自胶合一定程度上源于原料中半纤维素及部分纤维素的水解与木质素的降解，产生低分子量的水溶性糖和其他降解产物，这些物质在制板时起到胶黏剂的作用。可以看出，天然物质转化法不施加任何胶黏剂，自然不会有甲醛释放问题，具有高度的环保价值，是人造板的发展方向。但是，由于缺少了合成树脂等胶黏剂的强胶合作用，农作物秸秆制成的无胶人造板板材往往强度不高，尺寸稳定性差，不能满足市场需求；同时，由于没有了一定施胶量的合成树脂胶黏剂本身的阻燃作用，农作物秸秆无胶人造板几乎全部由易燃的生物质原料制成，防火性能差，属于具有火灾隐患的易燃材料，阻碍了其在室内装饰装修材料方面的推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板，机械力学强度高，防火阻燃性能好。

本发明的第二个目的是提供一种上述的农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板的制备方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板，由包括以下步骤的方法制备而成：

1)取干燥麦秸粉碎至3.0mm以下并筛分，得粒径为0.5-3.0mm的麦秸粗料和粒径为0.5mm以下的麦秸细料；取干燥高粱秸秆粉碎至3.0mm以下并筛分，得粒径为0.5-3.0mm的高粱粗料和粒径为0.5mm以下的高粱细料；

2)将纳米碳酸钙、纳米氧化锌与纳米氧化铜按照质量比为2.5:(0.3-0.4):(0.1-0.2)的比例混合后，用硅烷偶联剂进行改性，得改性添加剂A；

将纳米硼酸锌、纳米氧化锌与纳米氧化铜按照质量比为2:(0.6-0.8):(0.2-0.4)的比例混合后，用硅烷偶联剂改性，得改性添加剂B；

3)按照步骤1)所得麦秸粗料、高粱粗料与步骤2)所得改性添加剂A所用纳米粉体的质量比为(80-85):(15-20):3的比例将三者混合均匀，得粗混合料；

按照步骤1)所得麦秸细料、高粱细料与步骤2)所得改性添加剂B所用纳米粉体的质量比为(85-90):(10-15):3比例将三者混合均匀后，得细混合料；

4)以步骤3)所得粗混合料为芯层、细混合料为表层进行铺装并预压，后经喷蒸热压和冷却平衡，即得所述农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板。

步骤1)中，所述干燥麦秸与干燥高粱秸秆的含水率为8％-10％。

步骤1)中，麦秸细料占麦秸粉碎料总重量的20％-25％，余量为麦秸粗料；高粱细料占高粱秸秆粉碎料总重量的20％-25％，余量为高粱粗料。

步骤2)中，所述硅烷偶联剂为3-氨丙基三乙氧基硅烷。

用硅烷偶联剂改性的方法为：将纳米粉体加入硅烷偶联剂乙醇水溶液中，超声分散后，75-85℃条件下保温3-5h，即得改性添加剂；纳米粉体与硅烷偶联剂的质量比为(2.5-3):1。在后续混合料的混合搅拌过程中，进行60-60℃保温搅拌，使乙醇充分挥发；也可回收该部分挥发的乙醇，重复利用。

步骤4)中，细混合料的用量为粗混合料、细混合料总质量的20％-25％。

步骤4)中，所述预压的压力为1.2-1.4MPa，时间为20-25s。预压的压缩量为板坯厚度的30％-40％。

步骤4)中，所述喷蒸热压的蒸汽压力为0.8-1.0MPa，喷蒸时间为6-10min，热压温度为180-190℃。板坯装进喷蒸热压机，启动热压，待热压机闭合(达到设计厚度)时双面喷射饱和水蒸汽。优选的，热压的设定压力为2.5-3.0MPa。

步骤4)所得农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板的密度为0.7-0.8g/cm³，厚度为8-25mm。

步骤4)中，所述冷却平衡的时间为48-60h。

一种上述的农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板的制备方法，包括以下步骤：

1)取干燥麦秸粉碎至3.0mm以下并筛分，得粒径为0.5-3.0mm的麦秸粗料和粒径为0.5mm以下的麦秸细料；取干燥高粱秸秆粉碎至3.0mm以下并筛分，得粒径为0.5-3.0mm的高粱粗料和粒径为0.5mm以下的高粱细料；

2)将纳米碳酸钙、纳米氧化锌与纳米氧化铜按照质量比为2.5:(0.3-0.4):(0.1-0.2)的比例混合后，用硅烷偶联剂进行改性，得改性添加剂A；

将纳米硼酸锌、纳米氧化锌与纳米氧化铜按照质量比为2:(0.6-0.8):(0.2-0.4)的比例混合后，用硅烷偶联剂改性，得改性添加剂B；

3)按照步骤1)所得麦秸粗料、高粱粗料与步骤2)所得改性添加剂A所用纳米粉体的质量比为(80-85):(15-20):3的比例将三者混合均匀，得粗混合料；

按照步骤1)所得麦秸细料、高粱细料与步骤2)所得改性添加剂B所用纳米粉体的质量比为(85-90):(10-15):3比例将三者混合均匀后，得细混合料；

4)以步骤3)所得粗混合料为芯层、细混合料为表层进行铺装并预压，后经喷蒸热压和冷却平衡，即得所述农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板。

本发明的农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板，采用麦秸和高粱秸秆作为原料，原料来源广泛、价格低廉，有利于降低成本。麦秸与高粱秸秆中的木素含量高，均高达22％以上，通过喷蒸热压工艺能产生较多的类似胶黏剂的物质，提高碎料板的胶合强度；同时，高粱秸秆中的多戊糖含量极高，达到44％以上，在麦秸中掺入少量的高粱秸秆，在保持板材强度的基础上，提高碎料颗粒中多糖类碳水化合物的含量，从而在喷蒸热压时产生更多的生物质胶黏成分，提高板材的内结合强度。

本发明的农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板，将秸秆原料分成粗料和细料，在细料中混入纳米硼酸锌、纳米氧化锌与纳米氧化铜制成细混合料用作表层，其中，纳米氧化铜作为防霉剂，能阻止腐朽菌浸入碎料板层。ZnO作为抗菌剂，具有显著的抑菌灭菌能力。纳米硼酸锌属于含硼化合物，对于木腐菌、霉菌和虫蚁等有较强的抵抗和灭杀作用；同时硼酸锌属于无机添加型阻燃剂，其受热熔化生成的玻璃状保护膜覆盖于板材表面，能隔离火源和氧气，从而阻止燃烧的继续进行，减少可燃性气体的释放；其在高温作用下会失去结晶，起到吸热冷却的作用，具有价廉、熄火、抑烟等优点。将纳米硼酸锌与纳米氧化锌、纳米氧化铜复配混入细混合料，在板材正反两面形成细料薄层，不仅具有长期的防腐、防蛀、抗菌效果，还能形成正反两面的表层阻燃层，表面不易点燃且极易止熄明火，具有良好的阻燃效果。

本发明的农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板，在粗料中混入纳米碳酸钙、纳米氧化锌与纳米氧化铜制成粗混合料铺装成芯层，其中，纳米碳酸钙作为无机填料，一方面能增强板材的机械力学性能，提高其静曲强度、弹性模量和内结合强度，同时降低其吸水膨胀率，具有良好的抗水防潮性；另一方面，纳米碳酸钙属于无机阻燃剂，能有效增加板材内芯的引燃时间，减小热释放速率和总释放热，从而阻止燃烧。将纳米碳酸钙与纳米氧化锌、纳米氧化铜复配混入粗混合料，用于制备碎料板芯层，使得板材在具有长期的防腐、防蛀、抗菌效果的基础上，具有良好的机械力学性能和阻燃效果。

本发明的农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板，采用喷蒸热压工艺制备，喷蒸热压引起农作物秸秆内纤维素、半纤维素尤其是木素的部分降解，产生具有胶合作用的生物质胶黏物质，从而实现原料的自胶合。由于在热压时向板坯内喷射高温高压的饱和蒸汽，板坯整体温度迅速升高，大大增加了板坯的传热效率，促使板坯快速成型，提高了生产效率；同时，高温高压蒸汽还能固定板坯形状，提高其尺寸稳定性。本发明的改性添加剂均为无机纳米颗粒材料，为避免其在铺装、预压和喷蒸热压过程中的流失，事先将所用纳米粉体用硅烷偶联剂3-氨丙基三乙氧基硅烷进行改性，使纳米粒子附着在秸秆碎料上，不因后续处理而流失。

本发明的农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板，通过合理复配调整表层、芯层改性添加剂的种类和用量，所得无胶碎料板的表层纳米氧化锌和纳米氧化铜添加量多，通过纳米硼酸锌的协效作用，以防腐、防蛀、抗菌、阻燃作用为主，形成隔离层；芯层纳米氧化锌和纳米氧化铜添加量少，在降低成本的同时，通过纳米碳酸钙的协效作用，以提高力学性能和阻燃作用为主，形成芯部加强效果。内外相互配合、协调作用，在低成本的基础上，使各种添加剂相互协作，充分发挥其作用，所得农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板中添加剂用量少、成本低，具有长效的防腐、防蛀、抗菌、阻燃作用及良好的抗水防潮性，无甲醛释放，满足环保的要求，适合推广使用。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的说明。

具体实施方式中，所用干燥麦秸与干燥高粱秸秆的含水率为10％，从当地农户收购。所用纳米碳酸钙的规格为100nm(平均粒径)；所用纳米氧化锌的规格为50nm(平均粒径)；所用纳米氧化铜的规格为50nm(平均粒径)；所用纳米硼酸锌的规格为100nm(平均粒径)。上述纳米粉体均为市售商品。

具体实施方式中，将硅烷偶联剂3-氨丙基三乙氧基硅烷分散于乙醇水混合溶剂中制成硅烷偶联剂溶液，硅烷偶联剂3-氨丙基三乙氧基硅烷与乙醇、水的质量比为20:72:8。

具体实施方式中，所用喷蒸热压机的上下压板表面设有规律排列的喷孔，喷孔直径为2mm，孔距为20mm，喷射出的是饱和水蒸汽(双面喷射)；压板上垫有金属网垫，防止碎料颗粒堵塞喷孔；网垫的边部用橡胶条密封，防止蒸汽泄漏。板坯装进喷蒸热压机，启动热压，热压的设定压力为2.5MPa，待热压机闭合(达到设计厚度)时双面喷射饱和水蒸汽；达到设定喷蒸时间后，关闭蒸汽喷射，立即对板坯进行真空抽吸处理，回收蒸汽后卸压。

实施例1

本实施例的农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板，由以下方法制备而成：

1)取干燥麦秸粉碎至3.0mm以下并筛分，得粒径为0.5-3.0mm的麦秸粗料和粒径为0.5mm以下的麦秸细料；麦秸细料占麦秸粉碎料总重量的20％，余量为麦秸粗料；

取干燥高粱秸秆粉碎至3.0mm以下并筛分，得粒径为0.5-3.0mm的高粱粗料和粒径为0.5mm以下的高粱细料；高粱细料占高粱秸秆粉碎料总重量的20％，余量为高粱粗料；

2)将纳米碳酸钙、纳米氧化锌与纳米氧化铜按照质量比为2.5:0.3:0.2的比例混合后，加入硅烷偶联剂溶液中，纳米粉体与硅烷偶联剂的质量比为3:1，超声分散后，75℃条件下保温5h，冷却即得改性添加剂A；

将纳米硼酸锌、纳米氧化锌与纳米氧化铜按照质量比为2:0.6:0.4的比例混合后，加入硅烷偶联剂溶液中，纳米粉体与硅烷偶联剂的质量比为3:1，超声分散后，75℃条件下保温5h，冷却得改性添加剂B；

3)按照步骤1)所得麦秸粗料、高粱粗料与步骤2)所得改性添加剂A所用纳米粉体的质量比为80:20:3的比例将三者混合均匀，搅拌混合的同时进行60℃保温干燥，使乙醇充分挥发，得粗混合料；

按照步骤1)所得麦秸细料、高粱细料与步骤2)所得改性添加剂B所用纳米粉体的质量比为85:15:3比例将三者混合均匀后，搅拌混合的同时进行60℃保温干燥，使乙醇充分挥发，得细混合料；

4)以步骤3)所得粗混合料为芯层、细混合料为表层进行铺装并预压得板坯，预压的压力为1.2MPa，时间为25s，压缩量为板坯厚度的33％；板坯中细混合料的用量为粗混合料、细混合料总质量的20％，板坯含水量为8％；

接着板坯进入喷蒸热压机进行喷蒸热压，蒸汽压力为0.8MPa，喷蒸时间为6-10min，热压温度为180℃；最后冷却平衡48h，即得所述农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板。

本实施例所得农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板的密度为0.75g/cm³，厚度为1.0mm。

实施例2

本实施例的农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板，由以下方法制备而成：

1)取干燥麦秸粉碎至3.0mm以下并筛分，得粒径为0.5-3.0mm的麦秸粗料和粒径为0.5mm以下的麦秸细料；麦秸细料占麦秸粉碎料总重量的23％，余量为麦秸粗料；

取干燥高粱秸秆粉碎至3.0mm以下并筛分，得粒径为0.5-3.0mm的高粱粗料和粒径为0.5mm以下的高粱细料；高粱细料占高粱秸秆粉碎料总重量的23％，余量为高粱粗料；

2)将纳米碳酸钙、纳米氧化锌与纳米氧化铜按照质量比为2.5:0.35:0.15的比例混合后，加入硅烷偶联剂溶液中，纳米粉体与硅烷偶联剂的质量比为3:1，超声分散后，80℃条件下保温4h，冷却即得改性添加剂A；

将纳米硼酸锌、纳米氧化锌与纳米氧化铜按照质量比为2:0.7:0.3的比例混合后，加入硅烷偶联剂溶液中，纳米粉体与硅烷偶联剂的质量比为3:1，超声分散后，80℃条件下保温4h，冷却得改性添加剂B；

3)按照步骤1)所得麦秸粗料、高粱粗料与步骤2)所得改性添加剂A所用纳米粉体的质量比为82:18:3的比例将三者混合均匀，搅拌混合的同时进行60℃保温干燥，使乙醇充分挥发，得粗混合料；

按照步骤1)所得麦秸细料、高粱细料与步骤2)所得改性添加剂B所用纳米粉体的质量比为88:12:3比例将三者混合均匀后，搅拌混合的同时进行60℃保温干燥，使乙醇充分挥发，得细混合料；

4)以步骤3)所得粗混合料为芯层、细混合料为表层进行铺装并预压得板坯，预压的压力为1.3MPa，时间为23s，压缩量为板坯厚度的35％；板坯中细混合料的用量为粗混合料、细混合料总质量的23％，板坯含水量为8％；

接着板坯进入喷蒸热压机进行喷蒸热压，蒸汽压力为0.9MPa，喷蒸时间为9min，热压温度为185℃；最后冷却平衡54h，即得所述农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板。

本实施例所得农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板的密度为0.75g/cm³，厚度为1.0mm。

实施例3

本实施例的农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板，由以下方法制备而成：

1)取干燥麦秸粉碎至3.0mm以下并筛分，得粒径为0.5-3.0mm的麦秸粗料和粒径为0.5mm以下的麦秸细料；麦秸细料占麦秸粉碎料总重量的25％，余量为麦秸粗料；

取干燥高粱秸秆粉碎至3.0mm以下并筛分，得粒径为0.5-3.0mm的高粱粗料和粒径为0.5mm以下的高粱细料；高粱细料占高粱秸秆粉碎料总重量的25％，余量为高粱粗料；

2)将纳米碳酸钙、纳米氧化锌与纳米氧化铜按照质量比为2.5:0.4:0.1的比例混合后，加入硅烷偶联剂溶液中，纳米粉体与硅烷偶联剂的质量比为3:1，超声分散后，85℃条件下保温3h，冷却即得改性添加剂A；

将纳米硼酸锌、纳米氧化锌与纳米氧化铜按照质量比为2:0.8:0.2的比例混合后，加入硅烷偶联剂溶液中，纳米粉体与硅烷偶联剂的质量比为3:1，超声分散后，85℃条件下保温3h，冷却得改性添加剂B；

3)按照步骤1)所得麦秸粗料、高粱粗料与步骤2)所得改性添加剂A所用纳米粉体的质量比为85:15:3的比例将三者混合均匀，搅拌混合的同时进行60℃保温干燥，使乙醇充分挥发，得粗混合料；

按照步骤1)所得麦秸细料、高粱细料与步骤2)所得改性添加剂B所用纳米粉体的质量比为90:10:3比例将三者混合均匀后，搅拌混合的同时进行60℃保温干燥，使乙醇充分挥发，得细混合料；

4)以步骤3)所得粗混合料为芯层、细混合料为表层进行铺装并预压得板坯，预压的压力为1.4MPa，时间为20s，压缩量为板坯厚度的38％；板坯中细混合料的用量为粗混合料、细混合料总质量的25％，板坯含水量为8％；

接着板坯进入喷蒸热压机进行喷蒸热压，蒸汽压力为1.0MPa，喷蒸时间为8min，热压温度为190℃；最后冷却平衡60h，即得所述农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板。

本实施例所得农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板的密度为0.75g/cm³，厚度为1.0mm。

实验例1

本实验例对实施例1-3所得农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板的物理力学性能进行检测，结果如表1所示。表1中的对比例为未加入改性添加剂的农作物秸秆无胶碎料板，技术参数同实施例1，不同之处在于对比例的混合料中未加入改性添加剂。

表1实施例1-3所得农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板的物理力学性能检测结果

从表1可以看出，与对比例相比，实施例1-3所得农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板的静曲强度、弹性模量和内结合强度均有较大幅度的提高，分别达到23.9MPa、3162MPa和0.85MPa，说明本发明所得农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板具有良好的力学性能。实施例1-3所得农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板的2h吸水厚度膨胀率仅为15％左右，耐水性能好，检测结果表明，本发明所得农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板具有良好的抗水防潮性能。

实验例2

本实验例对实施例1-3所得农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板的环保阻燃性能进行检测，结果如表2所示。其中，对比例同实验例1。

表2实施例1-3所得农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板的环保阻燃能检测结果

从表2可以看出，实施例1-3所得农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板的甲醛释放量均为0，为E0级，属于可直接应用于室内的环保型装饰装修材料；实施例1-3所得农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板的极限氧指数不低于29.6％，为难燃材料。实验结果表明，本发明的农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板具有良好的阻燃性能，无甲醛释放，属于环保型碎料板材。

实验例3

本实验例对实施例1-3所得农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板的防腐抗菌性能进行检查测，结果如表3所示。其中，对比例同实验例1。

其中，耐腐性实验参考国家标准GB/T13942.1-2009，白腐菌选用彩绒革盖菌，褐腐均选用密粘褶菌；采用质量损失率表征板材的耐腐性。

抗菌性实验参考行业标准QB/T2591-2003，所用菌种为金黄色葡萄球菌和大肠杆菌，采用抑菌圈直径大小来评判抑菌效果。

表3实施例1-3所得农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板的防腐抗菌能检测结果

从表3可以看出，实施例1-3所得农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板在白腐菌耐腐性实验中的质量损失率不超过10.5％，在褐腐菌耐腐性实验中的质量损失率不超过9.8％，均属于强耐腐等级；通过抗菌性实验中与对比例的抑菌圈直径大小的比较可知，实施例1-3所得农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板的抗菌性得到大幅提高，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有明显的抑菌性。实验结果表明，本发明的农作物秸秆环保阻燃无胶碎料板具有优异的防腐抗菌性。