阻燃不腐竹丝板及其制备方法

技术领域

本发明属于竹材加工技术领域，具体来讲，涉及一种阻燃不腐竹丝板、以及其制备方法。

背景技术

我国森林覆盖率、人均森林面积、人均蓄林面积大幅低于国际平均水准，进口木材依赖率高达50％，供需矛盾突出。然而，我国竹材资源丰富，种植面积、蓄积量和产量均位居世界第一，年产量高达3000万吨，相当于2800万立方米的木材。

竹材生长周期较木材更短，3～5年即可成材，砍伐之后可以发笋成竹。此外，竹材强度高、韧性好，有望替代木材，用于人造板的生产。然而，竹材直径小，易霉变，结构不均匀，加工效率低，是限制其用于人造板的重要原因。

目前有针对竹材来制造人造板的一些研究，但均存在一定问题。如一种阻燃竹板的制备工艺，其采用碳化处理后多次浸胶，再高温热压的方式制备竹板；该工艺制备的竹板多次烘干、多次浸胶，且浸胶和烘干的时间长，能耗较高；此外，竹板密度大，不便于运输和使用。又如一种防霉防腐竹胶板，采用金属层阻挡水汽对竹胶板的侵蚀，但该方法获得的竹胶板不具备本质防腐特征。又如一种含有竹纤维的硫氧镁水泥基复合材料，其包括如下重量份成分：氧化镁50～60份、硫酸镁5～6份、水10～16份、固硫灰5～6份、竹纤维3～10份、大理石粉填料20～35份、轻质珍珠岩20～40份、柠檬酸1～2份、助剂适量；但其中使用的竹纤维少，制品属于纤维增强水泥板系列，不具有明显的竹木触感，且密度大，不易于搬运和加工；并且，配比中的氧化镁与硫酸镁比例大，不易形成具有特殊晶型的碱式硫酸镁强度晶体相。

再如一种硫氧镁装饰薄板及其制备方法，该薄板的原料组分和重量份数如下：氧化镁50～60份、硫酸镁水剂50～60份、发泡剂4～5份、竹纤维20～25份、水50～60份和改性剂0.5～1份；但是，该技术将硫酸镁水剂、氧化镁、竹纤维、水、改性剂以及一半配方量的发泡剂置于搅拌设备中搅拌，而由于竹纤维为有机材料，且密度轻，不易与硫酸镁水剂、氧化镁等无机料混合均匀，从而易导致板材的力学性能受到较大影响；同时，制品使用的竹纤维也较少，导致竹制感较差。

以及一种植物纤维水泥板及其制备方法，其采用70～85份植物纤维、增强剂3～6份、固化剂3～5份、硫氧镁水泥的无机胶黏剂15～25份、防腐剂0.2～0.5份、催化剂1～3.5份；其中，植物纤维经过粉碎机粉碎，再通过研磨机研磨后干燥，然后与无机胶黏剂混合，采用挤出成型的工艺。但是，该技术中纤维水泥板利用的竹纤维含量高，但在粉碎、磨解的过程中破坏了竹纤维本身的强度，从而影响样板的力学性能；与此同时，磨解后的竹纤维挤压成型后密实程度高，从而导致板材的密度提升，不利于运输和应用；此外，硫氧镁水泥无机胶黏剂直接与纤维等材料混合，也会出现有机-无机混合不均匀的问题，进一步影响板材的力学性能。

综上，如何有效利用我国竹材充沛的优势、弥补木材短缺，来制造性能优异的竹制板，是需要进一步研究的技术。

发明内容

本发明的发明人在对人造板的长期研究中发现，以竹材为原料来制备人造板时，主要涉及以下三方面的问题：其一是如何保存竹材本身的强度的同时还能高效利用竹材；其二是如何克服竹材因含糖量高而极易造成霉变的问题；其三是如何提高无机胶黏剂与竹材间的界面相容性，从而提高板材的胶合强度。同时也发现，通过合适的施胶工艺、原料配比，调整无机胶黏剂的凝结时间，提高无机胶黏剂与竹材的界面相容性，才是解决上述问题、推动技术落地的关键所在。

为此，本发明的发明人提供了一种阻燃不腐竹丝板及其制备方法，其将竹材进行竹丝破碎，并借助先浸润硫氧镁溶液、后成胶的方式，不仅充分利用了长短竹纤维的力学性能，竹青和竹黄无需特别处理，竹材利用率极高；并且，通过对高含糖量的竹丝先行浸盐处理，使得竹材表面形成高盐体系，抑制微生物生长，起到不腐防止霉变作用。进一步，吸附在竹材表面的盐溶液与轻烧氧化镁接触，搅拌均匀。反应形成的碱式硫酸镁晶体会在竹纤维上表面生长、交错搭接，成为板材胶黏性的主要来源。同时，反应过程中的碱性环境有利于竹材表面半纤维素和木质素的脱除，使其内部结构变得疏松，有利于碱式硫酸镁晶体生长到竹材纤维内部，形成“胶钉”作用，提高了无机胶黏剂与竹材的界面相容性。

本发明具体提供了以下的技术方案：

一种阻燃不腐竹丝板，其由盐渍竹丝与轻烧氧化镁均匀拌合后，经铺装预压、热压固型而获得；其中，盐渍竹丝为竹丝于改性剂、磷酸盐增强剂、硫酸镁的混合水溶液中充分浸渍而得。

上述阻燃不腐竹丝板的制备方法，其包括下述步骤：

S1、将竹材破碎成竹丝；

S2、将改性剂、磷酸盐增强剂、硫酸镁与水混合，配制盐渍溶液；

S3、将竹丝于盐渍溶液中充分浸渍；

S4、向盐渍溶液中添加轻烧氧化镁，混合均匀后，进行铺装预压、热压固型即可。

具体地，在步骤S1中，竹丝包括长度大于5cm、长径比大于10:1的长竹丝，和长度不超过3cm、长径比大于20:1的短竹丝，且短竹丝的质量为长竹丝的质量的10％～30％。

进一步地，长竹丝的长径比优选大于20:1，短竹丝的长径比优选大于40:1。

具体地，在步骤S2中，改性剂选自柠檬酸、柠檬酸钠、苹果酸、多聚磷酸、多聚磷酸钠中的任意一种，或至少两种的组合。

磷酸盐增强剂选自磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、磷酸二氢钠、磷酸氢二铵、磷酸氢二钾、磷酸氢二钠中任意一种，或至少两种的组合。

具体地，在步骤S4中，硫酸镁与轻烧氧化镁中的活性氧化镁的摩尔比为1:5～1:12，优选为1:5～1:9；磷酸盐增强剂的添加量为轻烧氧化镁中活性氧化镁质量的5％～20％；改性剂的添加量为轻烧氧化镁中活性氧化镁质量的0.1％～1％，优选为0.3％～0.6％。

并且，水与上述无机料(即改性剂、磷酸盐增强剂、硫酸镁及轻烧氧化镁的混合物)的质量比为0.3～1:1，优选为0.5～0.9:1。

进一步地，轻烧氧化镁中活性氧化镁的含量不低于40％；优选不低于60％。

上述改性剂、磷酸盐增强剂、硫酸镁、轻烧氧化镁在水中混合，即形成磷酸镁-硫氧镁复合胶凝体系，其作为该阻燃不腐竹丝板中的无机胶黏剂。控制该无机胶黏剂中的无机料(即去除水的部分)与竹丝的质量比为3～7:7～3即可。

具体地，在步骤S4中，热压固型的温度为60℃～180℃，压力为2MPa～7MPa，时间为10min～120min。

一般地，在热压固型后，还需对获得的板坯进行养护、裁切和砂光，才可获得产品化的阻燃不腐竹丝板板材。

通常控制养护条件为室温下3d～14d即可。

本发明的有益效果：

1)本发明提供的该阻燃不腐竹丝板，其将竹材破碎成竹丝后制得，竹丝中的长竹丝能很好地保留竹材本身的力学性能和形貌特征，而短竹丝则具有较大的比表面积和较高的柔韧性，能与无机胶黏剂混合均匀，穿插于长竹丝中，提高板材的内结合强度；同时，竹材中的竹青和竹黄不需要特殊的化学处理，因此竹材的利用率极高。

2)本发明提供的该阻燃不腐竹丝板，其先将高含糖量易霉变的竹丝与含硫酸镁的盐渍溶液混合浸渍，在竹材表面形成高盐体系，抑制微生物的生长；此后再与氧化镁粉体混合、反应，生成的碱式硫酸镁晶体会在竹纤维上表面生长、交错搭接，构成板材胶黏性的主要来源，同时发挥阻燃、防腐的作用，提高了竹制板材的使用寿命。并且，该无机胶黏剂晶体在板材内部生长，还能起到增强筋骨的作用，提高竹制板材的力学性能。

3)本发明提供的该阻燃不腐竹丝板，其借助碱性的硫氧镁胶凝体系作为无机胶黏剂，该碱性体系可保证在高温热压处理中，竹材中的纤维素、木质素和半纤维素等化学成分部分降解，减少竹丝的弹性形变，从而提高了竹制板材的尺寸稳定性。

4)本发明提供的该阻燃不腐竹丝板，其利用的无机胶黏剂中，各磷酸盐增强剂在水相中pH值较低，有利于MgO的溶解，有利于提高无机胶凝剂的早期强度。且有别于常规的磷酸镁胶凝体系(磷酸盐+重烧氧化镁)，本发明采用少量磷酸盐与轻烧氧化镁的反应。轻烧氧化镁的粒径小，反应活性高，与磷酸盐为酸碱中和反应，反应速率比其与硫酸镁的速率快，能显著提高板材的早期强度，且适当的磷酸盐产量，使得酸碱中和反应适度放热，避免板材局部温度过高而开裂，同时适当的温升也能加速硫氧镁体系的固化反应。此外，其反应后在板材内部形成不溶于水的鸟粪石类晶体能提高板材的耐水性。

附图说明

图1是根据本发明的实施例1的阻燃不腐竹丝板的实物外貌图；

图2是根据本发明的实施例1的阻燃不腐竹丝板的SEM图；

图3是根据本发明的对比例1的阻燃不腐竹丝板的实物外貌图；

图4是根据本发明的对比例2的阻燃不腐竹丝板的实物外貌图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供了下述阻燃不腐竹丝板的制备，其包括下述步骤：

首先，将竹材破碎成竹丝，筛分后，称量长度大于5cm的长竹丝1200g，长度小于3cm的短竹丝200g。

其次，称量轻烧氧化镁430g(氧化镁含量为85％，活度为60％)、七水硫酸镁270g、柠檬酸0.7g、磷酸二氢铵24g、磷酸氢二铵20g、水360g。

再次，将七水硫酸镁、柠檬酸、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵和水配制成盐渍溶液，后与竹丝混合均匀；再与轻烧氧化镁混合均匀，得到混合原料。

也即，在上述混合原料中，硫酸镁与轻烧氧化镁中的活性氧化镁的摩尔比为1:5左右，改性剂的添加量为轻烧氧化镁中活性氧化镁质量的0.3％左右，磷酸盐增强剂的添加量为轻烧氧化镁中活性氧化镁质量的20％左右；水与上述无机料的质量比为0.48:1左右。

第四步，将混合原料均匀铺装于模具中，再置于热压机热压固型，在60℃、4MPa压力下压制120min，得到板坯。

最后，将板坯置于室温条件下养护7d后，裁切边缘，砂光平整，得到阻燃不腐竹丝板。

也即，本实施例提供了一种阻燃不腐竹丝板，其由盐渍竹丝与轻烧氧化镁均匀拌合后，经铺装预压、热压固型而获得；其中，盐渍竹丝为竹丝于柠檬酸、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、硫酸镁的混合水溶液中充分浸渍而得。

图1示出了本实施例获得的阻燃不腐竹丝板的实物外貌图。从图1可以看出，该阻燃不腐竹丝板保留了明显的竹材形貌，木质感清晰，在装饰市场更受青睐。同时板材表面平整，没有无机胶黏剂的泛霜、返卤现象。

同时，对该阻燃不腐竹丝板的内部进行了扫描电镜测试，其SEM图如图2所示。从图2中可以清晰看出，针棒状的碱式硫酸镁晶体在竹纤维的表面、缺陷处、纤维交接处反应形成、相互搭接，发挥出胶钉作用，有效地消除了无机胶黏剂与有机竹纤维之间的界面相容性，这是保证竹制板力学性能的关键所在，也是实现竹材阻燃不腐的核心技术。

同时，少量添加的磷酸盐增强剂发挥引发剂的作用，其分散于大量的竹纤维之中，能够降低局部反映区域的溶液pH值，加速轻烧氧化镁的溶解，从而有利于促进生成具有强度相的碱式硫酸镁晶体。

相较常规的磷酸镁胶凝体系，因磷酸盐与重烧氧化镁属于酸碱中和反应，虽采用了粒径大、反应活性差的重烧氧化镁作为镁源，但其仍较水化反应的反应速度更快，一般还需要通过添加缓凝剂来延缓反应进程，否则形成的胶凝剂晶体相溶解度很低，极易提前析出，无法起到上述的胶钉作用。

实施例2

本实施例提供了下述阻燃不腐竹丝板的制备，其包括下述步骤：

首先，将竹材破碎成竹丝，筛分后，称量长度大于5cm的长竹丝1250g，长度小于3cm的短竹丝150g。

其次，称量轻烧氧化镁500g(氧化镁含量为85％，活度为60％)、七水硫酸镁175g、柠檬酸钠2.6g、磷酸二氢铵13g、水230g。

再次，将七水硫酸镁、柠檬酸钠、磷酸二氢铵和水配制成盐渍溶液，后与竹丝混合均匀；再与轻烧氧化镁混合均匀，得到混合原料。

也即，在上述混合原料中，硫酸镁与轻烧氧化镁中的活性氧化镁的摩尔比为1:9左右，改性剂的添加量为轻烧氧化镁中活性氧化镁质量的1％左右，磷酸盐增强剂的添加量为轻烧氧化镁中活性氧化镁质量的5％左右；水与上述无机料的质量比为0.33:1左右。

第四步，将混合原料均匀铺装于模具中，再置于热压机热压固型，在60℃、3MPa压力下压制120min，得到板坯。

最后，将板坯置于室温条件下养护7d后，裁切边缘，砂光平整，得到阻燃不腐竹丝板。

也即，本实施例提供了一种阻燃不腐竹丝板，其由盐渍竹丝与轻烧氧化镁均匀拌合后，经铺装预压、热压固型而获得；其中，盐渍竹丝为竹丝于柠檬酸钠、磷酸二氢铵、硫酸镁的混合水溶液中充分浸渍而得。

实施例3

本实施例提供了下述阻燃不腐竹丝板的制备，其包括下述步骤：

首先，将竹材破碎成竹丝，筛分后，称量长度大于5cm的长竹丝540g，长度小于3cm的短竹丝60g。

其次，称量轻烧氧化镁990g(氧化镁含量为85％，活度为60％)、七水硫酸镁620g、柠檬酸2.5g、磷酸二氢铵101g、水820g。

再次，将七水硫酸镁、柠檬酸、磷酸二氢铵和水配制成盐渍溶液，后与竹丝混合均匀；再与轻烧氧化镁混合均匀，得到混合原料。

也即，在上述混合原料中，硫酸镁与轻烧氧化镁中的活性氧化镁的摩尔比为1:5左右，改性剂的添加量为轻烧氧化镁中活性氧化镁质量的0.3％左右，磷酸盐增强剂的添加量为轻烧氧化镁中活性氧化镁质量的20％左右；水与上述无机料的质量比为0.48:1左右。

第四步，将混合原料均匀铺装于模具中，再置于热压机热压固型，在60℃、3MPa压力下压制120min，得到板坯。

最后，将板坯置于室温条件下养护7d后，裁切边缘，砂光平整，得到阻燃不腐竹丝板。

也即，本实施例提供了一种阻燃不腐竹丝板，其由盐渍竹丝与轻烧氧化镁均匀拌合后，经铺装预压、热压固型而获得；其中，盐渍竹丝为竹丝于柠檬酸、磷酸二氢铵、硫酸镁的混合水溶液中充分浸渍而得。

实施例4

本实施例与实施例1的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例1的不同之处。实施例4与实施例1的不同之处在于，在本实施例中，改性剂替换为等质量的苹果酸，而磷酸盐增强剂替换为等质量的硅酸钠；并且控制热压温度为80℃；其余参照实施例1所述，制备获得阻燃不腐竹丝板。

也即，本实施例提供了一种阻燃不腐竹丝板，其由盐渍竹丝与轻烧氧化镁均匀拌合后，经铺装预压、热压固型而获得；其中，盐渍竹丝为竹丝于苹果酸、硅酸钠、硫酸镁的混合水溶液中充分浸渍而得。

实施例5

本实施例与实施例1的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例1的不同之处。实施例5与实施例1的不同之处在于，在本实施例中，磷酸氢二铵替换为等量的磷酸二氢铵，也即磷酸盐增强剂仅为44g磷酸二氢铵；并且，控制在180℃、3MPa压力下压制20min后，在室温下养护14d；其余参照实施例1所述，制备获得阻燃不腐竹丝板。

也即，本实施例提供了一种阻燃不腐竹丝板，其由盐渍竹丝与轻烧氧化镁均匀拌合后，经铺装预压、热压固型而获得；其中，盐渍竹丝为竹丝于柠檬酸、磷酸二氢铵、硫酸镁的混合水溶液中充分浸渍而得。

在本发明的上述阻燃不腐竹丝板的制备中，其结合竹材的固有性能，通过对竹材的适当处理，能够实现充分利用竹材固有力学性能、并且提高竹材利用率。为此，进行了下述对比实验。

对比例1

本对比例旨在说明竹材处理方式对最终产品的影响。

本对比例与实施例1的相同之处在此不再赘述，仅描述与实施例1的不同之处。本对比例与实施例1的不同之处在于，在本对比例中，将竹材破碎成5cm～10cm宽的竹刨片；其余参照实施例1所述，制备获得第一对比竹材板。

该第一对比竹材板的实物如图3所示。从图3中可以看出，形成的样板表面有明显的无机胶黏剂，板材的密实度差，容易出现泛霜现象，影响美观度。

对比例2

本对比例旨在说明竹材处理方式对最终产品的影响。

本对比例与实施例1的相同之处在此不再赘述，仅描述与实施例1的不同之处。本对比例与实施例1的不同之处在于，在本对比例中，将竹材均磨解成长度小于3cm的短竹丝；其余参照实施例1所述，制备获得第二对比竹材板。

该第二对比竹材板的实物如图4所示。从图4中可以看出，形成的该板材密实，已不具有竹材本身的形貌特征，且板坯压缩比较大，有较多无机胶黏剂在压制过程中被挤出，导致板材表面出现了白霜，影响外观效果。

对比例3

本对比例旨在说明无机胶黏剂中磷酸盐增强剂的作用。

本对比例与实施例1的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例1的不同之处。本对比例与实施例1的不同之处在于，在本对比例中，用于形成硫氧镁胶凝体系的组分包括轻烧氧化镁460g(氧化镁含量为85％，活度为60％)、七水硫酸镁290g、柠檬酸0.7g、水380g。其余参照实施例1所述，制备获得第三对比竹材板。

对比例4

本对比例旨在说明将常规磷酸镁水泥和硫酸镁水泥简单复合，作为阻燃不腐竹丝板的胶黏剂存在的问题。

本对比例与实施例3的相同之处在此不再赘述，仅描述与实施例3的不同之处。本对比例与实施例3的不同之处在于，按照常规磷酸镁水泥和硫酸镁水泥的配比，增加了154g重烧氧化镁(氧化镁含量91％)作为原料之一，即控制磷酸二氢铵与重烧氧化镁的摩尔比约为1:4来配制常规磷酸镁水泥；并且在第三步中，将轻烧氧化镁、重烧氧化镁与经盐渍的竹丝混合，获得混合原料；其余参照实施例3所述，获得第四对比竹材板。

对比例5

本对比例旨在说明氧化镁活性对最终产品的影响。

本对比例与实施例3的相同之处在此不再赘述，仅描述与实施例3的不同之处，本对比例与实施例3的不同之处在于：以1079g重烧氧化镁(氧化镁含量91％)替代其中的轻烧氧化镁；其余参照实施例3所述，获得第五对比竹材板。

下述表1示出了对上述各实施例及对比例制得的竹材板的力学性能、密度、稳定性、及阻燃性能。

表1实施例及对比例各竹材板的性质

由实施例1和对比例1、2可以看出，竹材经过长、短竹丝搭接的处理方式，既可以保留竹材本身的形貌特征，降低密实度，也可以提高其与无机胶凝剂的胶黏性能，保证样板的力学性能。而采用其他常规破碎手段，则无法获得竹质饰面效果优异、且力学性能优异的竹材板。

由实施例1和对比例3可以看出，磷酸盐增强剂的加入可以显著提高样板的静曲强度，因为磷酸盐与氧化镁的水化反应属于酸碱反应，反应速率比硫酸镁和氧化镁的反应快，能有效地提高样板的早期强度。同时，磷酸二氢钾与氧化镁反应生成的钾系鸟粪石晶体能显著提高样板的耐水性。

由实施例3和对比例4可以看出，将磷酸镁水泥、硫氧镁水泥和竹丝简单混合后，硫氧镁水泥中的轻烧氧化镁粒径小，水化活性高，极易先与磷酸镁水泥中的磷酸盐发生酸碱反应，形成鸟粪石晶体。该反应速度快，而剩下的重烧氧化镁水化活性差，与硫酸镁的反应活性极低，多数以填充料的形式存在于板材中，导致板材的胶合强度差。而且在后续养护和板材使用过程中，重烧氧化镁缓慢水化，部分形成氢氧化镁，会产生体积膨胀，导致板材的力学性能进一步下降。

由实施例3和对比例5可以看出，用重烧氧化镁代替轻烧氧化镁，由于体系中磷酸盐含量较低，反应形成的磷酸镁胶凝体系粘结作用小，而七水硫酸镁与重烧氧化镁反应速率很慢，胶合强度差，力学强度呈现了大幅下降的情况，难以获得合格的板坯产品。