一种高模量改性薄型竹青材及层合板的制备方法

技术领域

本发明属于竹材加工技术领域，具体涉及一种高模量改性薄型竹青材及层合板的制备方法。

背景技术

竹子是非木材森林资源，具有生长速度快、机械性能好、固碳能力高等优点，被广泛应用于建筑、家具等领域。但是，竹材外侧表面的竹青有一层蜡质层和硅质层，对胶合性能有很大影响，因此，竹材在初加工时均需要去掉竹青，再进行后续的胶合热压等工序，导致竹质板材的出材率很低，直接影响加工成本。即使是带青竹展平材料，在制作板材前仍然需要砂光刨切等工序去除竹青，从材料加工到产品成型有时能高达十几到二十个工序，大大提高了生产成本。

目前，提高模量的竹材改性方法主要是通过物理或化学手段处理后再进行密实化，一是工序相对复杂，二是成本高昂。密实化后的单元虽然模量高、强度好，但是在韧性和尺寸稳定性方面还存在很大问题，很多通过这种方法生产的材料都存在回弹率高、尺寸稳定性差等现象。

为解决上述问题，提供一种高模量改性薄型竹青材及层合板的制备方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种高模量改性薄型竹青材及层合板的制备方法，该制备方法在保留竹青的前体下，采用氯化胆碱、甘油以及六水合氯化铝复配的低共熔溶剂溶液，对超声后竹青薄片材和超声后带青竹展平薄片材进行浸渍处理，在一定温度的水浴条件和时间作用下，去除主要组分中的部分木质素，且竹青表层的蜡质层及SiO

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高模量改性薄型竹青材的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

S1、将采伐下的原竹材去除外节和内节，再纵向剖分为竹片，将所述竹片去除竹黄不去除竹青，然后进行干燥，得到预处理竹片；

再将一部分所述预处理竹片进行饱和蒸汽软化处理，进行展平，再进行热风干燥，得到竹展平板材；

S2、将S1中得到的预处理竹片和S1中得到的竹展平板材均沿弦向剖分，然后在常温下进行超声处理，分别得到超声后竹青薄片材和超声后带青竹展平薄片材；

S3、将氯化胆碱、甘油和六水合氯化铝混合，在一定温度下进行搅拌，得到透明的DES溶剂复合溶液；

将所述透明的DES溶剂复合溶液和去离子水混合，得到低共熔溶剂溶液；

S4、将S2中得到的超声后竹青薄片材和S2中得到的超声后带青竹展平薄片材均在水浴条件下浸渍于S3中得到的低共熔溶剂溶液中，浸渍后取出均用蒸馏水冲洗，再进行干燥，分别得到原材高模量改性薄型竹青材和展平高模量改性薄型竹青材。

优选地，S1中所述干燥的温度为25-30℃，时间为24h；所述预处理竹片的厚度为6-7mm。

优选地，S1中所述饱和蒸汽软化处理的温度为160-180℃，时间为15min；所述热风干燥的温度为60℃，时间为30min。

优选地，S2中所述超声处理的频率为30-50KHz，功率为180-400W，处理时间为10-15min。

优选地，S3中所述氯化胆碱、甘油和六水合氯化铝的摩尔比为1:2:0.05；在所述温度为100℃的条件搅拌下30min，所述搅拌的速率为100～1000rpm；所述透明的DES溶剂复合溶液和去离子水的体积比为3:7。

优选地，S4中所述水浴的温度为60-90℃，所述浸渍的时间为1-5h。

优选地，S4中所述干燥为风干或冷冻干燥，所述风干的时间为8-12h，所述冷冻干燥的温度为-80℃，时间为12h。

本发明还提供用上述制备的原材高模量改性薄型竹青材制备层合板的方法，所述方法包括以下步骤：

在两块所述原材高模量改性薄型竹青材的竹青侧或竹黄侧上均涂覆胶黏剂，然后放入热压机进行热压胶合，制得原材高模量改性薄型竹青材层合板。

本发明还提供用上述制备的展平高模量改性薄型竹青材制备层合板的方法，所述方法包括以下步骤：

在两块所述展平高模量改性薄型竹青材的竹青侧或竹黄侧上均涂覆胶黏剂，然后放入热压机进行热压胶合，制得展平高模量改性薄型竹青材层合板。

优选地，所述热压胶合的温度为120-140℃，时间为5-10min，压力为0.5-3MPa；所述胶黏剂为酚醛树脂胶黏剂或异氰酸酯胶黏剂，所述胶黏剂的涂胶量为150g/m

本发明与现有技术相比具有以下优点：

目前竹材加工领域由于竹材表面蜡质层影响胶合性能，初加工时需去除竹青竹黄，从而导致出材率低的现象，而刨切或砂光等工序随去掉了影响胶合的竹青，但同时也去除了竹材强度最高的部分，不仅影响了竹材整体的力学性能，也大大降低了出材率，增加了加工工序。

针对以上问题，本发明通过一种绿色环保的低共熔溶剂对超声后竹青薄片材和超声后带青竹展平薄片材进行浸渍处理，对竹青侧去除蜡质层的同时，有纤维部分暴露在表面，提高了粗糙度；表层形成非均匀分布的水泥状硅质层积，在高温条件下易于胶黏剂胶合，同时这种硅质层积也提高了竹材单元的模量和强度；竹黄侧则有更多的木质素暴露在表面，薄壁细胞孔径变大，易于胶黏剂渗透的同时提升了竹材单元的韧性，使其不易变形或断裂。本发明所使用的低共熔溶剂由常见的氯化胆碱、甘油和六水合氯化铝组成，性质稳定、环境友好、操作简单，在温和的条件下对竹材进行改性，经过改性后的竹材实现了模量、强度、韧性的多指标提高，且无需去除竹青直接胶合，提高了竹材利用率，低共熔溶剂溶液可回收利用，减少加工工序的同时，降低了生产成本，为竹材在建筑领域以及家居领域的使用提供了可行方案。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明不同处理时间下制得的原材高模量改性薄型竹青材的竹青表面的C、O、Si元素变化。

图2是展平处理前后竹展平板材孔隙率的变化。

图3是本发明实施例1中制得的原材高模量改性薄型竹青材的竹青侧的官能团变化。

图4是本发明实施例1中制得的原材高模量改性薄型竹青材的竹黄侧的官能团变化。

图5是本发明实施例1中制备的原材高模量改性薄型竹青材层合板的照片。

具体实施方式

实施例1

本实施例中高模量改性薄型竹青材及层合板的制备方法，该方法包括以下步骤：

S1、将采伐下的原竹材去除外节和内节，再纵向剖分为竹片，将所述竹片去除竹黄不去除竹青，进行间隔堆叠，在温度为27℃的条件下进行干燥24h，得到厚度为6-7mm的预处理竹片；

将一部分所述预处理竹片置于蒸汽罐中在温度为170℃的条件下进行饱和蒸汽软化处理15min，达到软化可塑状态，取出后在展开机中进行展平，再在温度为60℃的条件下进行热风干燥30min，然后用刚性带绑缚或重物堆叠，对其进行约束预防变形，得到竹展平板材；

S2、将S1中得到的预处理竹片和S1中得到的竹展平板材均沿弦向剖分成厚度为2mm的预处理竹青薄片材和厚度为1.5mm的带青竹展平薄片材，然后在常温(25℃)条件下进行超声处理12min，超声处理的频率为40KHz，功率为300W，分别得到超声后竹青薄片材和超声后带青竹展平薄片材；

S3、将氯化胆碱(ChCl)、甘油(Gly)和六水合氯化铝(AlCl

将所述透明的DES溶剂复合溶液和去离子水按照体积比为3:7的比例混合，得到低共熔溶剂溶液，所述低共熔溶剂溶液的pH值为6.5；

S4、将S2中得到的超声后竹青薄片材和S2中得到的超声后带青竹展平薄片材均在水浴温度为90℃的条件下浸渍于S3中得到的低共熔溶剂溶液中，浸渍时间为5h，浸渍后取出均用蒸馏水冲洗至表面无低共熔溶剂溶液残留后，再风干10h，分别得到原材高模量改性薄型竹青材和展平高模量改性薄型竹青材；

浸渍后的低共熔溶剂溶液可循环使用1-5次，循环使用时，每次浸渍的时间相对上一次延长0.5h；

S5、在一块所述原材高模量改性薄型竹青材的竹青侧上涂覆酚醛树脂胶黏剂，在另一块所述原材高模量改性薄型竹青材的竹黄侧上涂覆酚醛树脂胶黏剂，涂胶量均为150g/m

本实施例制备的原材高模量改性薄型竹青材层合板的弹性模量为13.3GPa，静曲强度为269MPa，弯曲韧性为102W；

将超声后竹青薄片材和超声后带青竹展平薄片材在低共熔溶剂溶液中浸渍的时间不同，制得的原材高模量改性薄型竹青材的竹青侧和展平高模量改性薄型竹青材的竹青侧的力学性能不同，结果如表1所示；

表1不同处理时间下制得的高模量改性薄型竹青材的力学性能

从表1中可见，经过浸渍处理后制得的高模量改性薄型竹青材的弹性模量增加约71.82％，但是浸泡时间超过5h，弯曲韧性会降低。处理后制得的展平高模量改性薄型竹青材(竹青侧)模量和韧性均有所提升。

图1是超声后竹青薄片材在低共熔溶剂溶液中不同处理时间下，制得的原材高模量改性薄型竹青材的竹青侧的C、O、Si元素变化，几种元素的变化体现了表层硅化物的变化，在一定程度上解释了竹材力学性能变化的原因。

图2是经饱和蒸汽软化处理后的预处理竹片，经展平后得到的竹展平板材孔隙率的变化，可以为后续树脂填充和胶层渗透提供依据。

图3、图4分别是实施例1中制得的原材高模量改性薄型竹青材的竹青侧和竹黄侧的官能团变化，可见蜡质层和木质素随着处理时间的增加逐渐减少。

实施例2

本实施例中高模量改性薄型竹青材及层合板的制备方法，该方法包括以下步骤：

S1、将采伐下的原竹材去除外节和内节，再纵向剖分为竹片，将所述竹片去除竹黄不去除竹青，进行间隔堆叠，在温度为25℃的条件下进行干燥24h，得到厚度为6-7mm的预处理竹片；

将一部分所述预处理竹片置于蒸汽罐中在温度为160℃的条件下进行饱和蒸汽软化处理15min，达到软化可塑状态，取出后在展开机中进行展平，再在温度为60℃的条件下进行热风干燥30min，然后用刚性带绑缚或重物堆叠，对其进行约束预防变形，得到竹展平板材；

S2、将S1中得到的预处理竹片和S1中得到的竹展平板材均沿弦向剖分成厚度为2mm的预处理竹青薄片材和厚度为1.5mm的带青竹展平薄片材，然后在常温(24℃)条件下进行超声处理10min，超声处理的频率为30KHz，功率为180W，分别得到超声后竹青薄片材和超声后带青竹展平薄片材；

S3、将氯化胆碱(ChCl)、甘油(Gly)和六水合氯化铝(AlCl

将所述透明的DES溶剂复合溶液和去离子水按照体积比为3:7的比例混合，得到低共熔溶剂溶液，所述低共熔溶剂溶液的pH值为6；

S4、将S2中得到的超声后竹青薄片材和S2中得到的超声后带青竹展平薄片材均在水浴温度为90℃的条件下浸渍于S3中得到的低共熔溶剂溶液中，浸渍时间为3h，浸渍后取出均用蒸馏水冲洗至表面无低共熔溶剂溶液残留后，再风干10h，分别得到原材高模量改性薄型竹青材和展平高模量改性薄型竹青材；

浸渍后的低共熔溶剂溶液可循环使用1-5次，循环使用时，每次浸渍的时间相对上一次延长0.5h；

S5、在一块所述原材高模量改性薄型竹青材的竹青侧上涂覆酚醛树脂胶黏剂，在另一块所述原材高模量改性薄型竹青材的竹青侧上涂覆酚醛树脂胶黏剂，涂胶量均为150g/m

本实施例S5中还可在一块原材高模量改性薄型竹青材的竹黄侧上涂覆酚醛树脂胶黏剂，在另一块原材高模量改性薄型竹青材的竹黄侧上涂覆酚醛树脂胶黏剂，通过热压胶合制备原材高模量改性薄型竹青材层合板；S4中浸渍的时间还可以为1.5h、2h、2.5h、2.7h、3.5h、4h、4.5h或4.8h。

实施例3

本实施例中高模量改性薄型竹青材及层合板的制备方法，该方法包括以下步骤：

S1、将采伐下的原竹材去除外节和内节，再纵向剖分为竹片，将所述竹片去除竹黄不去除竹青，进行间隔堆叠，在温度为30℃的条件下进行干燥24h，得到厚度为6-7mm的预处理竹片；

将一部分所述预处理竹片置于蒸汽罐中在温度为180℃的条件下进行饱和蒸汽软化处理15min，达到软化可塑状态，取出后在展开机中进行展平，再在温度为60℃的条件下进行热风干燥30min，然后用刚性带绑缚或重物堆叠，对其进行约束预防变形，得到竹展平板材；

S2、将S1中得到的预处理竹片和S1中得到的竹展平板材均沿弦向剖分成厚度为2mm的预处理竹青薄片材和厚度为1.5mm的带青竹展平薄片材，然后在常温(24℃)条件下进行超声处理15min，超声处理的频率为50KHz，功率为400W，分别得到超声后竹青薄片材和超声后带青竹展平薄片材；

S3、将氯化胆碱(ChCl)、甘油(Gly)和六水合氯化铝(AlCl

将所述透明的DES溶剂复合溶液和去离子水按照体积比为3:7的比例混合，得到低共熔溶剂溶液，所述低共熔溶剂溶液的pH值为7；

S4、将S2中得到的超声后竹青薄片材和S2中得到的超声后带青竹展平薄片材均在水浴温度为90℃的条件下浸渍于S3中得到的低共熔溶剂溶液中，浸渍时间为1h，浸渍后取出均用蒸馏水冲洗至表面无低共熔溶剂溶液残留后，再在温度为-80℃的条件下冷冻干燥12h，分别得到原材高模量改性薄型竹青材和展平高模量改性薄型竹青材；

浸渍后的低共熔溶剂溶液可循环使用1-5次，循环使用时，每次浸渍的时间相对上一次延长0.5h；

S5、在一块所述展平高模量改性薄型竹青材的竹青侧上涂异氰酸酯胶黏剂，在另一块所述展平高模量改性薄型竹青材的竹黄侧上涂覆异氰酸酯胶黏剂，涂胶量均为150g/m

本实施例中制备的展平高模量改性薄型竹青材层合板的弹性模量为10.85GPa，静曲强度为215MPa，弯曲韧性为220W。可见，实施例1中制备的原材高模量改性薄型竹青材层合板的模量更高，韧性也好，而本实施例中制备的展平高模量改性薄型竹青材层合板的韧性更佳。

本实施例S5中还可在一块展平高模量改性薄型竹青材的竹青侧上涂覆异氰酸酯胶黏剂，在另一块所述展平高模量改性薄型竹青材的竹青侧上涂覆异氰酸酯胶黏剂，通过热压胶合制备展平高模量改性薄型竹青材层合板；还可以在一块展平高模量改性薄型竹青材的竹黄侧上涂覆异氰酸酯胶黏剂，在另一块所述展平高模量改性薄型竹青材的竹黄侧上涂覆异氰酸酯胶黏剂，通过热压胶合制备展平高模量改性薄型竹青材层合板；

实施例1-3中制备的原材高模量改性薄型竹青材合层板和展平高模量改性薄型竹青材层合板均能够作为地板、家具材等使用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。