專(zhuān)利名稱：從可再生原料制備復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制備含從可再生原料得到的粘合劑的、可生物降解的天然纖維材料(木、紡織纖維、紙、等等)的方法，這種方法變得越來(lái)越重要，例如在生產(chǎn)環(huán)境相容的無(wú)甲醛顆粒板方面。
由木屑或木纖維制造的復(fù)合材料主要用作家俱或建筑業(yè)用平板。不象造紙和紡織工業(yè)，在木材業(yè)中根本不用漿糊，或只僅僅用作合成樹(shù)脂膠的補(bǔ)充劑。
到目前為止，在板狀的木質(zhì)產(chǎn)品的生產(chǎn)中主要采用了由基本的石油化學(xué)材料生產(chǎn)的有機(jī)粘合劑。即使僅僅是一小部份這種合成粘合劑被由可再生原料制造的粘合劑代替都將導(dǎo)致生態(tài)學(xué)和宏觀經(jīng)濟(jì)上相當(dāng)可觀的利益。
在傳統(tǒng)的板材生產(chǎn)過(guò)程中，例如木纖維是用合成粘合劑靠熱壓法制備。合成粘合劑通過(guò)化學(xué)反應(yīng)(聚合、加聚，等等)被交聯(lián)或固化。在這些化學(xué)反應(yīng)中，木材顆粒受到外壓，表現(xiàn)出比相應(yīng)于其堆積密度的壓縮度更高的壓縮度。合成粘合劑的固化使木材顆粒的彈性回復(fù)減小。當(dāng)回復(fù)力被粘合劑完全吸收時(shí)，壓制過(guò)程完成。木材顆粒都是在使用膠之前固化的，這一點(diǎn)所有的傳統(tǒng)制備方法都一樣。根據(jù)合成粘合劑的用量，在使用膠后，木屑的濕度可達(dá)10至15％。由于熱壓時(shí)的產(chǎn)生蒸汽壓的影響，傳統(tǒng)制備方法中更高的木屑濕度將導(dǎo)致材料中的張力超過(guò)板橫向上的抗張強(qiáng)度。在壓力放開(kāi)后，板將會(huì)開(kāi)裂。
以下發(fā)明的目的是提供一種環(huán)境相容且劃算的方法以制備完全可生物降解的、無(wú)有害物質(zhì)的天然纖維材料。
這個(gè)目的是通過(guò)提供在權(quán)利要求中指出的特征來(lái)達(dá)到的。
為達(dá)到這個(gè)目的，本發(fā)明基于以下幾個(gè)思想在制備可完全生物降解的天然纖維材料中利用以淀粉為基的粘合劑；協(xié)調(diào)和控制程序的步驟；基于干木屑或木纖維的用量來(lái)選擇粘合劑、水以及如需的話其它添加劑的用量配方，從而優(yōu)化熱壓時(shí)的停留時(shí)間且根據(jù)所需用途調(diào)節(jié)所制備的復(fù)合材料的機(jī)械性能。作為纖維材料的木屑的水份被用作天然纖維混合物生產(chǎn)中的溶劑和溶脹劑。
淀粉和/或糊精可經(jīng)濟(jì)地用于制備由木屑和木纖維做的復(fù)合材料，尤其是當(dāng)必要工藝技術(shù)要求變?yōu)楣I(yè)化生產(chǎn)，使待替代產(chǎn)品的制備在數(shù)量上可與用在合成樹(shù)脂粘合劑的原料相比擬時(shí)。
從各種植物中獲得的天然淀粉是不溶于冷水的，因而在這種狀態(tài)下不能用作粘合劑。這需要一個(gè)化學(xué)和/或物理的過(guò)程來(lái)使淀粉具有粘合性能。不管用何種方法，淀粉被轉(zhuǎn)變成為一個(gè)膠體體系。溶劑(水)蒸發(fā)后產(chǎn)生一個(gè)固態(tài)基料，這個(gè)基料可通過(guò)粘合力與其它物質(zhì)或多或少堅(jiān)固地粘合。
有利的是這些基于天然纖維并依照本發(fā)明制備的材料、板、模塑件和外形是完全用可再生原料制成的，它們可生物降解、完全沒(méi)有有害物質(zhì)(無(wú)甲醛)并且也可以應(yīng)用于熱應(yīng)用。
在本發(fā)明的方法中壓制的工藝參數(shù)包括壓制溫度(例如160℃—220℃)、擠壓力、壓制機(jī)的閉合速度、保壓時(shí)間、無(wú)紡織物溫度(Vliestemperatur)以及模壓周期(過(guò)度壓縮、放松、加熱期、校準(zhǔn)期)。
工藝參數(shù)隨著配方參數(shù)和原料性能進(jìn)行優(yōu)化。另外，除與壓制相關(guān)的參數(shù)，淀粉溶脹所需的水的量是一個(gè)與保壓時(shí)間相關(guān)的配方因素。因而，要在粘合劑中加入適當(dāng)?shù)奶砑觿顾澈蟿┍壤郎p少，這樣可能使木材中的水份活化為溶劑或溶脹劑。
在合適的混合器中制備原料的混合物，混合器以帶刀頭的犁片混合器為宜。所有的成份例如木屑、水和淀粉粉末以一定的配方置于以上所述的混合器中，經(jīng)過(guò)充分的混合將混合物置于模具中，經(jīng)短時(shí)間壓縮后，蓋模并置于可加熱的壓制機(jī)中。然后，料餅經(jīng)特殊的方法在預(yù)定溫度下模塑，從模具中取出便得到完成的板。這樣就生產(chǎn)出具有各種機(jī)械性能的纖維復(fù)合板。
另外，膠合板或裝飾板可放在壓制模具中壓制到復(fù)合板上。
這種原料的混合物還可以用帶有一個(gè)合適噴嘴的壓出機(jī)塑模，如果需要可以通過(guò)壓出法將其壓到前述板材之上。
如果粘合劑采用的是可再生原料(例如淀粉)，那么粘合過(guò)程就不是化學(xué)反應(yīng)造成的。天然粘合劑的固化是一個(gè)由水的蒸發(fā)所引起的物理過(guò)程。隨著干燥的進(jìn)行，固化程度加深。由于這些天然粘合劑與反應(yīng)合成的粘合劑之間的特征差別需要一個(gè)完全不同的方法，這個(gè)方法與傳統(tǒng)的制備過(guò)程有著重大差異。
下面是本發(fā)明方法的具體實(shí)施例。
實(shí)施例1將1,760克中細(xì)木屑置于130升帶刀頭的犁片混合器中，噴入520克水。然后向混合物中加入520克馬鈴薯淀粉，再混合一分鐘。
取出這些混合物的50％均勻地撒在帶有420×420毫米(內(nèi)尺寸)框架的金屬片上。物料在700牛頓的力下壓一短時(shí)間。在得到的料餅上再加蓋金屬片，并放到可加熱的壓制機(jī)內(nèi)。
料餅在170℃的壓縮溫度下經(jīng)兩秒鐘壓縮至10毫米水平。模具壓力保持在0.1牛頓/毫米220分鐘。壓縮面間距調(diào)整到10毫米后一分鐘。然后開(kāi)模，取出完成的板。
實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)得到以下結(jié)果堆積密度530克/升抗彎強(qiáng)度18牛頓/毫米2實(shí)施例2將1,760克中細(xì)木屑置于130升帶刀頭的犁片混合器中，噴入520克水。然后向混合物中加入520克玉米淀粉，再混合一分鐘。
取出這些混合物的50％均勻地撒在帶有420×420毫米(內(nèi)尺寸)框架的金屬片上。物料在700牛頓的力下壓一短段時(shí)間。在得到的料餅上再加蓋金屬片，并放到可加熱的壓制機(jī)內(nèi)。
料餅在170℃的壓縮溫度下經(jīng)兩秒鐘壓縮至10毫米水平。模具壓力保持在0.1牛頓/毫米220分鐘。壓縮面間距調(diào)整到10毫米后一分鐘。然后開(kāi)模，取出完成的板。
實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)得到以下結(jié)果堆積密度546克/升抗彎強(qiáng)度14牛頓/毫米2實(shí)施例3將1,760克中細(xì)木屑置于130升帶刀頭的犁片混合器中，噴入520克水。然后向混合物中加入520克陽(yáng)離子的麥淀粉，再混合一分鐘。
取出這些混合物的50％均勻地撒在帶有420×420毫米(內(nèi)尺寸)框架的金屬片上。松散材料在700牛頓的力下壓一短時(shí)間。在得到的料餅上再加蓋金屬片，并放到可加熱的壓制機(jī)內(nèi)。
料餅在170℃的壓縮溫度下經(jīng)兩秒鐘壓縮至10毫米水平。模具壓力保持在0.1牛頓/毫米220分鐘。壓縮面間距調(diào)整到10毫米后一分鐘。然后開(kāi)模，取出完成的板。
實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)得到以下結(jié)果堆積密度528克/升抗彎強(qiáng)度21牛頓/毫米2實(shí)施例4將1,760克細(xì)木屑置于130升帶刀頭的犁片混合器中，噴入520克水。然后向混合物中加入520克馬鈴薯淀粉，再混合一分鐘。將1,760克粗木屑置于130升帶刀頭的犁片混合器中，噴入520克水。然后向混合物中加入520克馬鈴薯淀粉，再混合一分鐘。
對(duì)于每一種混合物各取25％，按如下的方法撒到帶有420×420毫米(內(nèi)尺寸)框架的金屬片上首先撒上一半細(xì)木屑的混合物，然后是粗木屑的混合物，最后是另一半細(xì)木屑的混合物。物料在700牛頓的力下壓一短時(shí)間。在所得到的料餅上再加蓋金屬片，并放到可加熱的壓制機(jī)內(nèi)。
料餅在170℃的壓縮溫度下經(jīng)兩秒鐘壓縮至11毫米水平。模具壓力保持0.1牛頓/毫米214分鐘。壓縮面間調(diào)整到10毫米后一分鐘。然后開(kāi)模，取出完成的板。
實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)得到以下結(jié)果堆積密度524克/升抗彎強(qiáng)度19牛頓/毫米2實(shí)施例5將1,760克中細(xì)木屑置于130升帶刀頭的犁片混合器中，噴入520克水。然后向混合物中加入520克小麥淀粉，再混合一分鐘。
取出這些混合物的50％按如下方法均勻地撒在帶有420×420毫米(內(nèi)尺寸)框架的金屬片上首先是一個(gè)3毫米厚的基層，然后撒100克水，接著是剩下的混合物，最后撒100克水。物料在700牛頓的力下壓的一短時(shí)間。在得到的料餅上再加蓋金屬片，并放到可加熱的壓制機(jī)內(nèi)。
料餅在190℃的壓縮溫度下經(jīng)20秒壓縮至9.5毫米水平。壓縮面間距保持在12.5毫米12分鐘。接下來(lái)調(diào)壓縮面間距至10毫米后三分鐘。然后開(kāi)模，取出完成的板。
實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)得到以下結(jié)果堆積密度551克/升抗彎強(qiáng)度17牛頓/毫米權(quán)利要求
1.可再生原料的纖維尤指木纖維制成的復(fù)合材料，其中的纖維用以淀粉為基的、可生物降解的粘合劑物理地粘合。
2.應(yīng)用可生物降解的、以淀粉為基的粘合劑由可再生原料顆粒制成的復(fù)合材料的制備方法，其中粘合劑的固化和壓縮在一物理過(guò)程中通過(guò)依賴于壓縮面間距、擠壓力、制件的溫度和保壓時(shí)間的水的蒸發(fā)進(jìn)行。
3.由權(quán)利要求2或3中所定義的制備復(fù)合材料的方法，其中粘合劑包括由例如馬鈴薯、木薯、玉米、蠟玉米、高直鏈淀粉含量的玉米、谷物粉末得到的天然或雜化形式的天然淀粉或由物理和/或化學(xué)改性過(guò)的淀粉組成的淀粉衍生物。
4.如權(quán)利要求2或3所定義的方法，其包括以下步驟a)加入測(cè)定量的以植物為基的原料和液體添加劑并在混合器中混和；b)加入測(cè)定量的粘合劑，進(jìn)一步混合；c)將混合物放在模具中，如果需要的活，層中可交替加入液體添加劑；d)壓縮混合物；e)模塑混合物以形成復(fù)合材料。
5.按權(quán)利要求2或3中所定義的方法，其包括以下步驟a)加入定量的以植物為基的原料和液體添加劑，并在混合器中混和；b)加入定量的粘合劑，進(jìn)一步混合；c)將混合物放到壓出機(jī)中，如果需要的活再加入液體添加劑；d)壓縮混合物，尤其在20°到250℃；e)壓出混合物以形成復(fù)合材料。
6.按權(quán)利要求4或5中所定義的方法，其中混合器為帶刀頭的犁片混合器。
7.權(quán)利要求4、5或6中所定義的方法，其中混合器含有一個(gè)測(cè)量以植物為基的原料、液體添加劑和粘合劑的量的測(cè)量裝置。
8.權(quán)利要求4至7中之任一項(xiàng)所定義的方法，其中的混合物含有重量含量5至60％的液體添加劑和重量含量5至60％的粘合劑。
9.權(quán)利要求4至8中之任一項(xiàng)所定義的方法，其中所述液體添加劑為水。
10.權(quán)利要求4至9中之任一項(xiàng)所定義的方法，其中所述的以植物為基的原料為木素纖維素、木材、木屑或天然纖維如棉花。
11.權(quán)利要求4以及6至10中之任一項(xiàng)所定義的方法，其中的混合物被加工成無(wú)紡織物。
12.權(quán)利要求4至11之任一項(xiàng)所定義的方法，其中的步驟(e)在高溫下進(jìn)行。
13.權(quán)利要求12所定義的方法，其中步驟(e)依照預(yù)定的溫度和時(shí)間方案進(jìn)行。
14.權(quán)利要求12或13所定義的方法，其中步驟(e)的溫度介于80℃至250℃之間。
15.權(quán)利要求4至14之任一項(xiàng)所定義的方法，其中步驟(e)的擠壓力改變一次或多次。
16.權(quán)利要求4至14之任一項(xiàng)所定義的方法，其中步驟(e)的擠壓力介于0.1牛頓/毫米2和50牛頓/毫米2之間。
17.權(quán)利要求4和6至16中之任一項(xiàng)所定義的方法，其中步驟(e)中壓縮面間距改變一次或多次。
18.權(quán)利要求4至17中之任一項(xiàng)所定義的方法，其中在步驟(e)中將混合物施加到膠合板或裝飾板上。
19.權(quán)利要求1至18之任一項(xiàng)所定義的方法，其中的可再生原料為以植物為基的原料，如木素纖維素、木材或天然纖維。
20.通過(guò)權(quán)利要求1至19中任一項(xiàng)所定義的方法可獲得板或模塑件。
全文摘要
這里提供一種從可再生原料制備復(fù)合材料的方法，其中尤其是纖維形式的、包含作為粘合劑的淀粉的天然原料通過(guò)加水依照預(yù)定的溫度和時(shí)間方案塑模以形成板或模塑件。所述這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于所述材料可完全生物降解并無(wú)有害物質(zhì)。
文檔編號(hào)B27N3/00GK1126965SQ94192755
公開(kāi)日1996年7月17日 申請(qǐng)日期1994年5月27日 優(yōu)先權(quán)日1993年5月27日
發(fā)明者J·洛克, W·波默雷茨, K·克倫克, H·施米特, J·瞿耶爾 申請(qǐng)人:生物天然包裝材料研究與開(kāi)發(fā)有限公司