含有生物质的黏土的制造方法及由该方法得到的黏土

技术领域

本发明涉及制造黏土的方法，特别是一种含有生物质的黏土的制造方法，更具体地，本发明提供的方法制造含有生物质的黏土，特别是生物质的黏土的连接构件。

背景技术

目前，在建筑领域和相关行业中，黏土质的组分被广为采用，含有生物质的黏土组分在工业生产和建筑等行业中被广泛应用。生物质黏土不仅可以有效利用可降解的材料，还可以利用生物质的自身性能，改善和调控黏土自身的性能，例如流变性能，粘结和断裂强度，等等。

在城市道路的施工中，经常需要进行砖块与砖块之间的连接，特别是在道路的边界处，无论怎样设计砖块的形状和道路走向，总会涉及边界处的缝隙或边界处的砖块连接不牢，或连接工艺复杂，连接材料难以得到控制等问题。

另外在城市道路中，需要快速有效施工，满足在需要时间内的凝固和强化，以尽快恢复道路正常使用。同时尽量需要使用含有生物可降解和利用的材料，以满足环保等条件的需要。

例如，中国专利公开CN111379185A公开一种筑路用木质纤维素材料及制备方法，采用大麻秆为原料，采用湿法造纸和干法造纸工艺相结合制备而成。制备纤维最大长度小于8mm，冲气筛筛选通过100目筛的纤维比例为80％，具有吸油量大于自身重量5g/g，表面电阻系数小于35×109Ω，干度大于95％，灰分含量为13 25％，在210℃下干燥2h失重小于5％，且能在沥青中均匀分散的木质纤维素产品。选用大麻秆为原料，在制备产品过程中，未除去原料中的甾醇和油脂成分，降低了生产成本约10％。然而，该类专利文献没有对沥青混合的性能进行深入研究，也无法调控沥青等建筑材料的流变性和凝固强度。

发明内容

本发明改进以上需求和不足的一种或更多种，提供一种含有生物质的黏土的制造方法及由该方法得到的黏土，特别是提供一种含有生物质的黏土连接构件。

本发明第一方面，提供一种含有生物质的黏土的制造方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1）：准备树脂混合液：所述树脂混合液包含改性木质纤维素，并且包含两种丙烯酸酯树脂组分；

步骤2）：准备无机组分，所述无机组分包含水泥、河沙和任选的粉煤灰组分；

步骤3）：将步骤1）中的树脂混合液与步骤2）中的无机组分混合，得到的混合料涂覆于水平放置的纤维网格布上，得到一定厚度的湿黏土混合物；

步骤4）：将步骤3）中的黏土混合物在环境温度下放置5-15分钟获得半干黏土混合物；

步骤5）将所述半干黏土混合物插入两块待连接的部件之间；

步骤6）：根据待连接部件的形状修剪所述半干黏土混合物，并在常温下继续放置15-30分钟，获得完全干燥的生物质黏土混合物连接构件。

根据可选的技术方案，其中，按照重量份记，所述步骤1）的树脂混合液由以下组分形成：

环氧基（甲基）丙烯酸酯：30-50重量份；

N,N-双（2-羟丙基）甲苯胺或N,N-二甲基苯胺：0.5-2重量份；

部分酯化改性木质纤维素：5-20重量份；

2-甲基对苯二酚或2,6-二叔丁基对苯二酚：0.5-2重量份；

叔丁基过氧化氢或过氧化氢：2-4重量份；

（甲基）丙烯酸羟乙酯：30-50重量份；

根据进一步优选的技术方案，其中，所述部分酯化改性木质纤维素由以下步骤制成：

步骤 a）采用锯末木粉在陶瓷罐中进行球磨，制备得到粒度小于等于30微米的微锯末木粉；

步骤 b）将微锯末木粉加入到过量的1-丁基-3-甲基咪唑氯盐溶解成离子液体中，在氩气保护下进行搅拌加热，加热温度为90-110℃，使得微锯末木粉溶解在离子液体中；

步骤 c）在体系中加入三乙胺和乙酰氯，根据原锯末木粉的羟基摩尔数：三乙胺摩尔数：乙酰氯摩尔数为（3-5）:1:1，控制温度在60-80℃，进行部分改性酯化0.5-1.5小时；

步骤 d）将反应产物加入乙醇中，待反应产物冷却沉淀析出，用纯净水洗涤，过滤干燥，得到部分酯化改性木质纤维素。

根据可选的技术方案，其中所述无机组分包括：

氧化铝水泥：5-20重量份；

河沙：5-30重量份；

热解法二氧化硅：1-10重量份；

粉煤灰：2-10重量份。

根据本发明优选的技术方案，其中在所述步骤3）中，将步骤1）中的树脂混合液与步骤2）中的无机组分混合，得到的混合料涂覆于平水平放置的纤维网格布上，得到厚度10-12mm的湿黏土混合物；

在所述步骤4中，将步骤3）中的黏土混合物在25至30℃的环境下放置10分钟获得半干黏土混合物；以及在所述步骤5）中，所述待连接的部件是混凝土砖。

根据优选的方案，其中，

在所述步骤5）中将半干黏土混合物插入两块待连接的部件之间之后，再在两块待连接的部件之间的缝隙中补充灌入步骤3）中得到的混合料，使得所述缝隙完全被填实。

在本发明的黏土制造方法中，可以包括上述制备工艺，并且包含其他辅助的制造工艺。然而，在本发明提供的制造方法中，也可以仅由上述方法的相应步骤组成。

本发明的第二方面，提供上述方法获得的含生物质的黏土，其中，由所述黏土得到的完全干燥的生物质黏土混合物连接构件的连接件的载荷破坏强度为100-120N，以及所述黏土中的所述树脂混合液的粘度为100-120mPas。

有益效果：

本发明采用两步法分步干燥和固化黏土组分，同时，采用环氧基团的丙烯酸酯组分外加另外一种丙烯酸树脂组分（双丙烯酸酯类树脂组分）、结合苯胺，苯酚构成复合树脂组分。同时，经过特定工艺的部分酯化改性木质纤维素的生物质组分，不仅调控了树脂组分的流动性、调控了与无机组分混合之后的固化时间，使得本发明的两段分段固化法得到的黏土组合物，适用于连接混凝土砖之间的狭窄缝隙，并且能够获得短时间凝固，凝固后高强度的连接效果。

以下，将结合具体实施方式，对本发明的技术方案及优点做出更加详细的解释和说明。应当理解的是，说明书、具体实施方式中所呈现的内容，仅仅为了更加清楚地说明本发明的技术方案及其优点，并不对本发明的保护范围构成限制。本领域技术人员能够在说明书公开内容的基础上，针对各种各样合理的变换得到变化后的技术方案，只要不脱离本发明的精神，各种变化后的技术方案均应当理解为被包括在本发明的保护范围之内。

附图说明

附图用来提供对本公开技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的具体实施方式一起用于解释本公开的技术方案，并不构成对本公开技术方案的限制。

图1是对本发明制备的含有生物质的黏土构件使用压力计对上部圆柱形金属棒均匀施加垂直向下的荷载的测试实验图；

图2是本发明生物质的黏土的制造方法得到的含有生物质的黏土构件的示意图；

图3 是本发明补充添加混合料的生物质的黏土的制造方法的实施例的示意图。

附图标记说明：

1-含有生物质的黏土构件；11, 12 –待连接的混凝土砖；1a-补充填入缝隙的混合料。

具体实施方式

在下文中更详细地描述了本发明以有助于对发明的理解。

在具体实施方案的叙述之前，需要说明的是，本领域技术人员能够根据本公开的启示和教导来选择适当的原材料，并采用相关的测试设备进行相关的测试并能够获得相应的结果，对于没有说明具体生产厂商或者途径的原料，本领域技术人员能够根据本说明书的公开内容和需求选择满足相应需求的原材料作为反应起始物质。工艺部分化合物的反应原料来自本发明前序步骤中合成的初次产品，这根据本公开也是可以理解的。

本发明描述的实施例1和实施例2方案中的特征和参数，可以与本发明描述的其他部分的技术方案互相组合或取代，这是本领域技术人员阅读本发明说明书时能够知晓的。

本发明测试包含部分改性木质纤维素的树粘度根据DIN EN ISO 2884-1-2006，使用旋粘度计测定粘度。采用德国赛默飞哈克公司的卡尔斯鲁厄RS600（Karlsruhe RS600）流变仪结构锥板φ60mm，1°钛（C60/1° Ti）, 间隙0.052mm，在23℃的温度和150s-1的剪切速度下进行测量。

本发明的构件破坏荷载测试方法：

取3件圆柱形金属棒（长度约120mm，截面圆直径10mm），其中两根圆柱形金属棒置于长方形片样品（边长大约120mm）底部并固定，测试板件厚度和黏土混合物连接件厚度约10mm，另一根圆柱形金属棒放置于彻底干燥后的黏土混合物连接构件上方，摆放位置如图1所示。使用压力计对上部圆柱形金属棒均匀施加垂直向下的荷载，测试样品的破坏荷载＝片状干砂浆破坏时压力表读数+上部金属棒的重量，单位为牛顿（N）。

为了更好地示出本发明的实施过程，在以下描述中叙述了主要试剂的来源。但本领域技术人员看到本发明说明书后，能够理解能够采用相同化学名称的其他来源的试剂完成本发明。

表1是本发明主要原料的来源：

表1：主要原材料来源

实施例1

本实施例记载并制备一种含有生物质的黏土组合物及其形成的含有生物质的黏土构件1。

步骤1）：准备树脂混合液：所述树脂混合液由以下组分形成（重量份）：

环氧基（甲基）丙烯酸酯：40重量份；

N,N-双（2-羟丙基）甲苯胺：1重量份；

部分酯化改性木质纤维素：10重量份；

2-甲基对苯二酚：0.5重量份；

叔丁基过氧化氢：3.5重量份；

（甲基）丙烯酸羟乙酯：45重量份。

步骤2）：准备无机组分，所述无机组分由以下组分形成：

氧化铝水泥：15重量份；

河沙：20重量份；

热解法二氧化硅：5重量份；

粉煤灰：10重量份；

步骤3）：将步骤1）中的树脂混合液与步骤2）中的无机组分混合，得到的混合料涂覆于水平放置的纤维网格布上，得到厚度10-12mm的湿黏土混合物；

步骤4）：将步骤3）中的黏土混合物在25至30℃的环境下放置10分钟获得半干黏土混合物；

步骤5）：将半干黏土混合物插入两块待连接的混凝土砖之间（如图2所示）。

步骤6）：向混凝土砖的纵向两端施加压力，并根据黏土砖的形状修剪干黏土混合物，并在常温下继续放置20分钟，获得干燥的黏土混合物连接构件，即含有生物质的黏土构件1（如图2所示）。

在本实施例1的制备方法中，改性纤维素由按照以下方法进行：

a）采用商购锯末木粉（羟基摩尔数约为10mmol/g）在陶瓷罐中进行球磨，制备得到粒度小于等于30微米的微锯末木粉；

b）将微锯末木粉加入到过量的1-丁基-3-甲基咪唑氯盐溶解成离子液体中，在氩气保护下进行搅拌加热，加热温度为100℃，使得微锯末木粉溶解在离子液体中；

c）在体系中加入三乙胺和乙酰氯，根据原锯末木粉的估计羟基摩尔数：三乙胺摩尔数：乙酰氯摩尔数为5:1:1，控制温度在70℃，进行部分改性酯化1小时；

d）将反应产物加入乙醇中，待反应产物冷却沉淀出，用纯净水洗涤，过滤干燥，得到的产物即改性木质纤维素，改性木质纤维素的质量增加百分数为9.5％。

在本实施例中，步骤1）获得的树脂混合液粘度为110mPas，完全凝固时间约为30分钟，连接件的载荷施加破坏强度为115N。

在本实施例中，采用两步法分步干燥和固化黏土组分，同时，采用环氧基团的丙烯酸酯组分外加另外一种丙烯酸树脂组分（双丙烯酸酯类树脂组分）、结合苯胺，苯酚构成复合树脂组分。同时，经过特定工艺的部分酯化改性木质纤维素的生物质组分，不仅调控了树脂组分的流动性、调控了与无机组分混合之后的固化时间，使得本发明的两段分段固化法得到的黏土组合物，适用于连接混凝土砖之间的狭窄缝隙，并且能够获得短时间凝固，凝固后高强度的连接效果。

实施例2

实施例2采用和实施例1相同的制备工艺，不同的是，改变步骤1）中的树脂混合液的组分，实验结果参见以下表2：

表2：实施例2的含有生物质的黏土组分及测试结果

在本发明实施例中，优选地，树脂混合液粘度在120 mPas以下，更优选地在100-110mPas。在这个粘度范围内的树脂混合液，最有利于调控与无机组分之间的流变性，所形成的黏土组分，能够在可控的时间范围内形成完全凝固的状态，并获得较高的破坏强度性能。本工艺和制造方法得到的黏土产品，特别适合于填充道路砖缝或制备得到希望具有特定填充形状的连接件。

在本发明实施例中，优选地，两阶段完全凝固时间控制在20分钟至30分钟，有利于混凝土构件之间的连接和固定。在本发明实施例中，混凝土构件在步骤6中向混凝土构件两端施加的力，根据构件的种类不同，为10-20N。

对比例1

对比例1执行与实施例1大部分相同的制备工艺。不同的是，没有采用实施例1中的部分酯化改性木质纤维素，而是用市售的木质纤维素（采购自河北灵寿正熙矿产有限公司提供的150目杨木粉）。

对比例2

对比例1执行与实施例1大部分相同的制备工艺。不同的是，在木质纤维素的制备方法中的步骤c中，在步骤b）的体系中加入三乙胺和乙酰氯，根据原锯末木粉的估计羟基摩尔数：三乙胺摩尔数：乙酰氯摩尔数为1:1:1（羟基与乙酰氯摩尔数为1:1，足量进行酯化），控制温度在70℃，进行全部改性酯化2小时。

对比例3：

对比例1执行与实施例1大部分相同的制备工艺。不同的是，在树脂组分中，没有采用环氧基（甲基）丙烯酸酯40重量份和（甲基）丙烯酸羟乙酯45重量份的组合，取而代之的是，采用（甲基）丙烯酸羟乙酯85重量份作为丙烯酸酯组分。

对比例1至对比例3的树脂混合液粘度、失效负载、凝固时间的测试见下表：

表3：对比例的生物质黏土组合物构件测试

对于对比例与实施例之间的实验结果，发明人不希望受制于任何理论。但可能的解释是，对于未进行改性的木质纤维素，与体系其他组分的相容性相对较差，无法改善树脂组分的粘合程度，同时也无法改善生物质黏土的凝固固结时间长度。相反地，发明人惊奇地发现，当根据原锯末木粉的估计羟基摩尔数：三乙胺摩尔数：乙酰氯摩尔数为1:1:1，或者乙酰氯过量时，同样不能有效调节本发明树脂组分的流变性。一种可能是，过度存在的羟基组分与丙烯酸中的其他成分形成小分子或支链化合物，无法调节至本发明期望的流变性之内。同时，完全酯化改性的纤维素会使得生物质黏土组分过快固化，不利于本发明实施构件之间的连接，也不利于实施两阶段分阶段固化的需求。此外，两组分丙烯酸与本发明改性木质纤维素的组合是更佳选择，相比只使用（甲基）丙烯酸羟乙酯的树脂组合物的黏土构件而言，采用包含环氧基团的双组分丙烯酸成分与改性木质纤维素的结合能够获得本发明更佳的流变性能和连接件载荷破坏性能。

实施例3

在实施例1的基础上，当步骤5）中将半干黏土混合物插入两块待连接的混凝土砖之间之后，如果在两个待连接的混凝土砖之间发现缝隙，则可以仍然在缝隙中补充灌入步骤3）中得到的补充填入缝隙的混合料1a（如图3所示）。

发明人发现，得益于本发明组分调控得到的恰当的流变性，以及恰当改性木质纤维素与其他组分的配合，即使在半干的黏土混合物一侧再补充加入流动的混合料，也能获得基本相同的连接性能。所得到的载荷破坏性能波动不超过3%。

根据本发明说明书记载的实施方案和技术内容，本发明至少可以提供以下技术方案：虽然本公开内容包括具体的实施例，但是对本领域的技术人员明显的是在不偏离本权利要求和其等同技术方案的发明要点和范围的情况下，可以对这些实施例做出各种形式上和细节上的替换或变动。本文中描述的实施例应被认为只在说明意义上，并非为了限制的目的。在每一个实施例中的特征和方面的描述被认为适用于其它实施例中的相似特征和方面。因此，本公开的范围不应受到具体的描述的限定，而是受权利要求技术方案的限定，并且在本权利要求和其等同物的范围内的所有变化被解释为包含在本公开的技术方案之内。