專利名稱：：水性聚合物、多異氰酸酯和秸稈纖維復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種水性聚合物、多異氰酸酯和秸稈纖維復(fù)合材料及其制備方法。技術(shù)背景世界自然基金會(huì)的報(bào)告(2005年3月9日)顯示中國(guó)將在未來(lái)的五年內(nèi)成為全球最大的木材消費(fèi)國(guó)。全國(guó)現(xiàn)有的可采伐成熟林僅14-15億m3，按目前的消耗水平只能維持5-6年。另一方面，我國(guó)仍是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，擁有豐富的農(nóng)業(yè)剩余物質(zhì)源，有人稱之為"第二森林"。僅1995年我國(guó)農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量為6.04億t，除秸稈直接還田和收集損耗約占15.0%外，秸稈可獲量為5.134億t。利用可再生的農(nóng)業(yè)剩余物秸稈作為新型植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的輕質(zhì)固體原料，不僅拓寬了人造板生產(chǎn)原料來(lái)源渠道，緩解木材原料供應(yīng)不足的矛盾，也在一定程度上解決了秸稈焚燒帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，同時(shí)為農(nóng)民帶來(lái)額外收入。秸稈纖維制板的關(guān)鍵在于粘合劑的選擇。迄今為止，國(guó)內(nèi)外農(nóng)作物纖維基秸稈板的膠粘體系有兩類(1)改性的脲醛、三聚氰胺縮甲醛和酚醛膠；(2)聚合多異氰酸酯(PMDI)。改性的"三酸"膠雖然在一定程度上控制了甲醛釋放率，然而由于農(nóng)作物秸稈中有灰份和蠟質(zhì)的存在導(dǎo)致界面性能較差，所制板材的粘接強(qiáng)度不高，而且成板的吸水膨脹率也很難達(dá)標(biāo)。PMDI化學(xué)性能活潑，可以和農(nóng)作物纖維表面的游離羥基發(fā)生反應(yīng)，也可以和纖維中的水分反應(yīng)，它分子量小，滲透性好，很適合制作優(yōu)質(zhì)的農(nóng)作物纖維MDF板，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有幾十條利用PMDI和農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)人造板的生產(chǎn)線。但PMDI價(jià)格一直高居不下，由此粘接制備的秸稈纖維復(fù)合材料在人造板市場(chǎng)中缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。此外，PMDI秸稈板材尚存在韌性低和加工性能較差的缺點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的之一在于提供一種環(huán)境友好、低成本、高韌性和強(qiáng)度性能優(yōu)良的新型水性聚合物、多異氰酸酯和秸稈纖維復(fù)合材料。一種水性聚合物、多異氰酸酯和秸稈纖維復(fù)合材料，其特征在于該復(fù)合材料的組成及質(zhì)量百分比如下秸稈纖維83.0—90%固含量為20%水性聚合物9.0—14%多異氰酸酯交聯(lián)劑0.5_2.0%無(wú)機(jī)填料0.5—1.0所述的秸稈纖維是麥秸、稻草、棉稈、蘆葦和玉米秸稈纖維中的至少一種；所述的水性聚合物是醋酸乙烯酯的均聚物乳液、醋酸乙烯酯的共聚物乳液、天然橡膠乳液和丁苯橡膠乳液中的至少一種；所述的多異氰酸酯交聯(lián)劑是封閉型聚合多異氰酸酯B-PMDI或可水分散聚合多異氰酸酯EMDI;所述的無(wú)機(jī)填料是粉末碳酸鈣、重晶石、滑石粉、硅藻土、高嶺土和陶士中的至少一種。一種上述的水性聚合物、多異氰酸酯和秸稈纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于該方法的具體步驟為a.秸稈纖維的處理將秸稈纖維破碎得到長(zhǎng)寬比L/D為50—140的秸稈纖維，再將秸稈纖維烘至絕干；b.主膠的配制按上述的質(zhì)量比將水性聚合物和無(wú)機(jī)填料于室溫下機(jī)械攪拌均勻，密封靜置24小時(shí)后待用；C.主膠與異氰酸酯交聯(lián)劑的先后噴施按上述的質(zhì)量比先將經(jīng)歩驟b所得主膠噴施于經(jīng)步驟a所得秸稈纖維表面，均勻拌料后，再在該秸稈纖維表面噴施異氰酸酯交聯(lián)劑，并攪拌分散均勻，得到含膠秸稈纖維；d.含膠纖維的鋪裝將經(jīng)步驟c所得含膠秸稈纖維在2-5Mpa壓力下預(yù)壓成板坯；而后將該板坯在2-5Mpa壓力，145—180。C溫度下處理45_90s/mm，使膠料中的水性聚合物、異氰酸酯交聯(lián)劑與秸稈纖維發(fā)生化學(xué)交聯(lián)，即得水性聚合物、多異氰酸酯和秸稈纖維復(fù)合材料。本發(fā)明方法制得的板材不僅具有較高的膠合強(qiáng)度、斷裂韌性和耐水性能，綠色環(huán)保，且工藝簡(jiǎn)單，纖維板成本較低，具有良好的市場(chǎng)前景。本發(fā)明的秸稈纖維復(fù)合材料基體為水性聚合物與多異氰酸酯的混雜膠粘體系，其中水性聚合物主膠與秸稈纖維不僅具有較強(qiáng)的粘接力，且為復(fù)合材料提供了優(yōu)良的韌性，而多異氰酸酯交聯(lián)劑中的異氰酸酯基團(tuán)通過(guò)與水性聚合物及植物纖維表面的游離羥基反應(yīng)形成牢固的聚氨酯化學(xué)鍵，則進(jìn)一步強(qiáng)化了板材的宏觀力學(xué)性能。此外，加入膠粘體系中的無(wú)機(jī)填充物，旨在提高成板的耐熱、耐溶劑、耐化學(xué)品和耐磨性能。本發(fā)明將秸稈纖維在7(TC9(TC的條件下烘干，避免了天氣原因?qū)ζ浜实挠绊懀梢栽趪娛┧跃酆衔镏髂z的過(guò)程中，可靈活調(diào)節(jié)水性聚合物主劑的含水量，降低其粘度，以便于噴射施膠，且烘干后趁熱施膠也節(jié)省了板材熱壓過(guò)程中的預(yù)熱時(shí)間，使導(dǎo)熱不良的纖維受熱更加均勻，大大減小了成板出現(xiàn)瑕疵的機(jī)率。本發(fā)明使用的方法和傳統(tǒng)的含醛膠粘體系生產(chǎn)纖維板的方法相比，不僅產(chǎn)品的性能更加優(yōu)越，且避免了"甲醛釋放"問(wèn)題；相對(duì)純PMDI膠粘農(nóng)作物纖維板方法而言，本發(fā)明的秸稈板材韌性明顯提高，且因多異氰酸酯的用量大幅減少，可顯著降低生產(chǎn)成本。具體實(shí)施方式本發(fā)明水性聚合物一多異氰酸酯一秸稈纖維復(fù)合材料成型工藝中的各步驟說(shuō)明如下1.秸稈纖維的處理a.纖維的切短采用切割機(jī)將農(nóng)作物秸稈切成25cm左右的碎料，b.纖維的破碎與分離將切短秸稈通過(guò)粉碎機(jī)破碎，并由旋風(fēng)分離器去除灰分等雜質(zhì)，得到長(zhǎng)寬比(L/D)為50—140的秸稈纖維；c.纖維的烘干于70—8(TC下，將秸稈纖維烘至絕干。2.主膠的配制將水性聚合物乳液和無(wú)機(jī)填料于室溫下機(jī)械攪拌均勻，密封靜置24小時(shí)后待用。3.主膠與異氰酸酯交聯(lián)劑的先后噴施先將上述預(yù)處理完畢的絕干秸稈纖維裝添入帶水冷夾套的三輥拌料機(jī)中(溫控《4(TC),在壓縮空氣的輔助下，通過(guò)離心噴霧系統(tǒng)將主膠噴施于纖維表面，均勻拌料后，再噴施異氰酸酯交聯(lián)劑，并攪拌分散。4.含膠纖維的鋪裝采用機(jī)械法將含膠纖維平鋪于無(wú)框平板聚四氟乙烯涂層模具中。5.常溫預(yù)壓與熱壓成型在多層平板冷壓機(jī)中，將鋪裝完畢的含膠秸稈纖維預(yù)壓成板坯(壓力為2-5Mpa);而后將板坯置入平板硫化機(jī)上加壓、加溫，使膠料中的水性聚合物、異氰酸酯交聯(lián)劑與秸稈纖維發(fā)生化學(xué)交聯(lián)，從而獲得綜合性能優(yōu)良的復(fù)合材料產(chǎn)品，熱壓溫度為145—180。C，時(shí)間為45—90s/mm，壓力為2-5Mpa)。實(shí)施例一本實(shí)施例中所用的各組份及其質(zhì)量配比如下稻秸纖維88.0%醋酸乙烯一乙烯共聚物乳液(20%固含量)10.0%可水分散聚合多異氰酸酯(EMDI)1.0%滑石粉1.0%將上述各組份共25Kg按以上成型工藝即為本發(fā)明的水性聚合物一多異氰酸酯一秸稈纖維復(fù)合材料板材，其中熱壓溫度150'C，壓力3.5MPa，時(shí)間180s。實(shí)施例二本實(shí)施例中水性聚合物、多異氰酸酯和秸稈纖維復(fù)合材料的各組份及其配比如下麥秸纖維85.0醋酸乙烯一乙烯共聚物乳液(20%固含量)4.5丁苯橡膠乳液(20%固含量)9.0封閉型聚合多異氰酸酯(B-PMDI)1.0碳酸鈣0.5將上述各組份共25Kg按以上成型工藝即為本發(fā)明的水性聚合物一多異氰酸酯一秸稈纖維復(fù)合材料板材，其中熱壓溫度155。C，壓力4.0MPa，時(shí)間210s。實(shí)施例三本實(shí)施例中水性聚合物、多異氰酸酯和秸稈纖維復(fù)合材料的各組份及其配比如下麥秸纖維40.0稻秸纖維44.0丁苯橡膠乳液(20%固含量)12.0封閉型聚合多異氰酸酯(B-PMDI)1.5高嶺土0.5將上述各組份共25Kg按以上成型工藝即為本發(fā)明的水性聚合物一多異氰酸酯一秸稈纖維復(fù)合材料板材，其中熱壓溫度160。C，壓力3.5MPa，時(shí)間210s。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)方法對(duì)上述實(shí)施例所制復(fù)合材料的主要性能進(jìn)行了檢測(cè)，與我國(guó)現(xiàn)行MDF標(biāo)準(zhǔn)GB11718相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)比較如下表1。表l本發(fā)明實(shí)施例所制復(fù)合材料的主要性能<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>由表1可見(jiàn)，本發(fā)明的水性聚合物一多異氰酸酯一秸稈纖維復(fù)合材料的主要性能優(yōu)于GB11718-99中70型特級(jí)板的要求。權(quán)利要求1.一種水性聚合物、多異氰酸酯和秸稈纖維復(fù)合材料，其特征在于該復(fù)合材料的組成及質(zhì)量百分比如下秸稈纖維83.0-90％水性聚合物9.0-14％多異氰酸酯交聯(lián)劑0.5-2.0％無(wú)機(jī)填料0.5-1.0％所述的秸稈纖維是麥秸、稻草、棉稈、蘆葦和玉米秸稈纖維中的至少一種；所述的水性聚合物是醋酸乙烯酯的均聚物乳液、醋酸乙烯酯的共聚物乳液、天然橡膠乳液和丁苯橡膠乳液中的至少一種，固含量為20-50％；所述的多異氰酸酯交聯(lián)劑是封閉型聚合多異氰酸酯B-PMDI或可水分散聚合多異氰酸酯EMDI；所述的無(wú)機(jī)填料是粉末碳酸鈣、重晶石、滑石粉、硅藻土、高嶺土和陶士中的至少一種。2.—種根據(jù)權(quán)利要求1所述的水性聚合物、多異氰酸酯和秸稈纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于該方法的具體步驟為a.秸稈纖維的處理將秸稈纖維破碎得到長(zhǎng)寬比L/D為50—140的秸稈纖維，再將秸稈纖維烘至絕干；b.主膠的配制按上述的質(zhì)量比將水性聚合物和無(wú)機(jī)填料于室溫下機(jī)械攪拌均勻，密封靜置24小時(shí)后待用；C.主膠與異氰酸酯交聯(lián)劑的先后噴施按上述的質(zhì)量比先將經(jīng)步驟b所得主膠噴施于經(jīng)步驟a所得秸稈纖維表面，均勻拌料后，再在該秸稈纖維表面噴施異氰酸酯交聯(lián)劑，并攪拌分散均勻，得到含膠秸稈纖維；d.含膠纖維的鋪裝將經(jīng)步驟c所得含膠秸稈纖維在2-5Mpa壓力下預(yù)壓成板坯；而后將該板坯在2-5Mpa壓力，145_180。C溫度下處理45—90s/mm，使膠料中的水性聚合物、異氰酸酯交聯(lián)劑與秸稈纖維發(fā)生化學(xué)交聯(lián)，即得水性聚合物、多異氰酸酯和秸稈纖維復(fù)合材料。全文摘要本發(fā)明涉及一種水性聚合物、多異氰酸酯和秸稈纖維復(fù)合材料及其制備方法。該復(fù)合材料的組成及質(zhì)量百分比如下秸稈纖維83.0-90％，水性聚合物9.0-14％，多異氰酸酯交聯(lián)劑0.5-2.0％，無(wú)機(jī)填料0.5-1.0。具體制備方法為秸稈纖維的處理、水性聚合物主膠的配制、主膠與異氰酸酯交聯(lián)劑的先后噴施、含膠纖維的鋪裝、常溫預(yù)壓和熱壓固化成型，最終制得水性聚合物—多異氰酸酯—秸稈纖維復(fù)合材料板材。本發(fā)明方法制得的板材不僅具有較高的膠合強(qiáng)度、斷裂韌性和耐水性能，綠色環(huán)保，且工藝簡(jiǎn)單，纖維板成本較低，具有良好的市場(chǎng)前景。文檔編號(hào)C08L1/02GK101234505SQ20081003411公開(kāi)日2008年8月6日申請(qǐng)日期2008年2月29日優(yōu)先權(quán)日2008年2月29日發(fā)明者周沙溆,徐宏斌,湯傲潔,胡宏玖,謝蘇江,陳國(guó)華申請(qǐng)人:上海大學(xué)