一种用谷壳干法改性制造模块化绿色建材并建造房屋的新方法
【专利说明】
一、技术领域
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[0001]本发明涉及用谷壳为主要原料，干法改性制造模块化绿色建材并建造房屋的新方法。
二、技术背景:
[0002]谷壳是稻米加工中数量最大的副产品，按重量计约占稻谷的20%。2014年我国稻谷产量1.72亿吨，年产谷壳约3400万吨，数量很大。但是目前能大量使用和消耗谷壳的领域并不多，最大的用途是作燃料，但是其发热量只有标准煤的50%，在获得少量能源的同时，确放出了大量的二氧化碳，在宏观和微观上都不经济。用谷壳做活性炭、水泥、一次性餐具、建筑、包装材料等都有人研究，但都很难产业化、商品化。早在1951年英国就用热固性酚醛树脂与谷壳混合制成谷壳板，但由于性能差，成本高，未能引起重视。此后美国、加拿大等在上世纪七十年代生产出了成套设备卖到我国，实际上并不成熟，至今还有许多问题要解决。此后我国浙江、江西等地研制了多条与三万吨稻米加工厂配套的年产5000立米谷壳板的生产线，做出的谷壳板只能用于包装、家具，由于在性价比上没有优势，并未产生市场影响。
[0003]谷壳与一般秸杆不同，它含有20%的二氧化硅，做得好的材料质地坚硬，密度轻，有良好的韧性，抗虫、耐腐，导热性低，弹性强，最适宜做绿色建材，用于建造房屋。根据国际材料科学研究会1988年提出的定义:绿色建材是采用清洁生产工艺和技术，不用或少用短缺的天然资源和能源，大量使用农业或城市固态废弃物生产的无毒害、无污染、无放射性(放射性水平低)，达到使用寿命后，可以回收再利用，有利于环境保护和人体健康的建筑材料。本发明用属于植物废弃物的谷壳为主要原料，用清洁生产技术，生产无毒、无污染的木质聚合复合材料(聚合木)；用聚合木生产适宜村镇房屋和城市高层建筑内墙的模块化型材；用模块化型材组装的方式，组装城市建筑内墙和村镇房屋，既不要大型施工机械施工，还可代替砖瓦和部分钢筋、水泥，建造小康住房，适应从根本上改善城乡居住条件的形势。用后可以全部回收，再利用，不产生固废，完全符合绿色建材的标准。目前由于泥土砖瓦价格高升，使用这种绿色建材做城市房屋的内墙比用水泥、砖块的费用要低30%以上，有很大的性价比优势。利用谷壳做绿色建材的好时期已到。
[0004]发明专利CN201210080798.6号“植物改性原纤维及其制造工艺”提出了对植物材料进行改性的技术路线，并提出“生产刚性结构材料的改性植物原纤维”的制造方法。本发明是针对谷壳这种特定植物原料，实现该专利提出的干法改性方法的一个具体方案。
三、
【发明内容】
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[0005](一 )配方设计:谷壳是农业秸杆中的一个特殊品种。其特殊性就在于其成分中除了含有30%的纤维素，20%的木素，20%的半纤维素外，还含有20%的二氧化硅。针对这种特殊的成分结构，我们选择轻钙为基材之一。在挤出和热压的高温、高压条件下碳酸钙部分分解成氧化钙，发生以下改性反应:
[0006]CA0+H20 = CA (OH) 2
[0007]2CA (OH) 2+S102 = CA2S103+H20
[0008]生成的硅酸钙，可起粘合剂的作用。除上述反应外，还加了少量MDI (二苯基甲烷二异氰酸脂)，它与S102发生改性可生成PU/S102复合材料。加入了少量作了稳定处理的PVC，它们S102，MDI，发生改性反应，生成PU/S102/PVC复合材料。在配方中加入少量四羟甲基氯化磷(或二羟甲基氢氧化磷)，在改性中能与谷壳中的纤维素形成网状结构，生成亚甲基键和P-C-N键，在使绿色建材高阻燃的同时，也增强它的强度，更突出的优点是它能阻止pvc分解，防止其放出有毒气体，二者协同作用，能使建材达到不燃级的阻燃水平。配方设计的最大的特点是加有按专利201210080798.6生产改性植物原纤维时，用天然植物高分子提取剂在污水中提取的天然高分子混合物，作为加工时的增强剂和润滑剂，为污水提取物的使用找到了一条高效益利用的出口。这种配方组成的物料在加工过程中，可按专利201210080798.6的技术路线发生聚合复合反应，生成性能良好的新材料。
[0009]上述配方的一个较佳的比例关系是，谷壳:碳酸钙:MD1:污水提取物:PVC:四羟甲基氯化磷(二羟甲基氢氧化磷)=40%: 30%；5%: 13%:10%: 2% 0这种配方生产出的建材强度很好，成本较低，现代住房要求的阻燃、节能、环保、宜居、舒适程度各异，对不同的要求要通过调整物料的配方加以满足。
[0010](二)模块模具的设计和型材组装。本发明将绿色建材设计成模块化型材。预制模块构件分为墙体构件，屋面构件，地面构件。按房屋层高和承重要求，依照国家相关标准，要用适当的钢筋混凝土框架或龙架，用预制的绿色建材模块连接框架、龙架，组装成房。除了大板外，所有模块化构件都有自主设计的模具，用模具成型方式实现连续生产。
[0011]房屋的绿色建材80%是用在墙体上。本发明的墙体模块由大板和连接件(包括封边如图1图2，平联接型材如图3，门套线如图4，90°转角件如图5，拼缝条如图6，工字条如图7)构成。屋面由钢梁、屋面结构大板、防水层、隔热层、屋面装饰板构成。这些构件全部在工厂中成型为标准化模块预制件，用户只要按图拼装即可。墙体大板有单层厚板和双层薄板二种结构。以双层板的安装为例，首先将双层封边(图1)固定在地面或墙面上，将两块双层大板平行插入封边槽内，大板的另一端平行插入平联接型材(图3)的二个槽内，在平联接型材的另一端的二个槽内插入另二块大板.....一直到转角处。在转角处将二块大板插入90度转角件(图5) 二个槽内，转角件的垂直槽内插入另二块大板与前一方墙垂直。平联接型材的中间有拼缝槽，要将拼缝条(图6)插入槽内。工字条(图7)是用来安在两块大板中间，加固墙体的。二块中空大板拼接时形成三个中空空间起到隔音、隔热的作用。中层空间可以填充改性植物原纤维。门套线(图4)是用来做门框的。单层大板的使用安装与双层大板的主要区别是相关的连接件是单槽结构，在每个槽内只安一块大板。
[0012]村镇的平房或低层房屋建设要按国家的设计标准要求，用钢筋水泥或水泥砌砖做柱状龙架，墙体的设计和安装与上述方法相同。房顶的设计是，在墙体连接的龙架上连接插手樑，在樑上铺装大板，做为结构层，大板中填装改性植物原纤维，形成保温层、隔热层、隔离层，用一层簿板做压板，在压板上铺双面自粘防水卷材，做为防水层，再铺上用改性植物原纤维为基材的瓦块形预制板做保护和装饰层。
[0013]模块化型材组装房屋，能做到构件少，连接快，操作易，模具定型，相对稳定。不需要大型施工机械和专业施工队施工。
[0014](三)连接件型材制造的工艺设计:
[0015]1、谷壳预处理:
[0016]将含水15 %左右的谷壳、碳酸钙、聚氯乙烯、污水提取物、其它助剂加入混炼机中混合均匀，制成待用的能发生改性反应生成聚合复合材料的物料。制造大板就直接使用这种物料铺装成板坯。制造连接件型材要将混合的物料投入磨粒机的料斗中，开动磨粒机，原料受磨粒机磨轮的碾压，被粉碎，初步反应，生成颗粒，从筛孔中甩出。
[0017]2、用反应性改性挤出法制造连接件模块化型材:
[0018]制造组合件模块型材是采用按改性要求改造的挤出机，进行反应性改性挤出成型的方法制造的。按改性设计要求的速度将粒料加入挤出机的料斗，开机后，落到螺杆上，被螺杆的螺纹咬住。随着螺杆的旋转被螺纹强制地往机头方向推进，按改性要求设计螺杆的螺纹深度逐渐减小的程度和长度，按改性的要求对滤网、分流板和机头模具等产生的阻力进行控制，让原料在前行过程中形成适度的压力，把物料压实，增加其热传导性，使物料逐步塑化，把存在物料中的空气排出。配备适当的加热系统，使物料在压力升高的同时，物料一方面被加热系统加热，另一方面由于自身被螺杆带动产生的剪切、压缩、搅拌运动产生的热能，从而经历玻璃态一一高弹态一一粘流态的转变，直至熔融。熔融的物料，发生着主要的反应性改性。得到改性要求后，熔融的物料在螺杆推力的作用下，被定时、定量、均匀地连续经过合流芯进入连接件的模具，合流芯的直径要按物料的性质设计好，经模具中挤出成型的型材，再经定型槽定型，冷却，牵引机引出，切割机切断，就制成了我们需要的连接件模块化型材。
[0019]3、以谷壳为基材的建筑用大板的制造:大板是用符合改性要求的热压机成型的方法制造的，其流程是:
[0020]I)、板坯的铺装。选用适用的铺装机(图8-1)，把搅拌好的待改性的物料通过进料装置的摆动，连续不断地洒落在料仓内，并在料仓宽度方向均匀地落下，逐渐地堆积起来，在料耙装置耙齿的耙料下逐渐充满料仓。料仓皮带把物料定量地送到抛辊装置，通过强制抛洒进入成型装置。成型装置中有抛装头抛料，在负压作用下快速落在输送网带(图8-2)上，通过扫平，形成一定厚度的、密度均匀的板坯。
[0021]2)、预压、预热:经过铺装机铺好的结构疏松，充满空气的板坯，通过预压预热机(图8-3)预压，以使板坯密实，具有一定的支承强度，防止断裂或松塌。压后可减小板坯厚度，减小热压机(图8-11)的压板间隙，缩短柱塞长度，降低压机高度。还可防止热压机闭合时空气充出而损坏板坯边缘。预压预热机(图8-3)在引导段用较小的倾角缓慢降低板坯厚度；在加压段，通过液压逐渐加大压力；在保压段保持压力一段时间，以减少板坯回弹；在离去段有一个慢慢张开的小倾角，以便经预压的板坯离去。在铺板时用热空气，在预压时用热板预压，保持上板75°C，下板80°C，对板坯预热，以提高其基础温度，缩短热压时间，提高产品质量。预压压力1.8-2.0mpa，预压时间30-60秒。
[0022]3)、热压:用平板式多层热压机(图8-11)，在140°C _160°C的温度下，3.5-5.5mpa的压力下，用接触-高频联合周期性加热法，板坯直接与加热板接触，同时让其处于高频电场中，热压成板。热压为间断式，一个周期包括装板、闭合、升压、保压、降压、卸板时间。保压和卸板都分三段进行，以防鼓包、分层、松软、翘曲等问题的发生。压机有同时闭合装置。压板厚度必须符合墙体和屋面设计的需要。采用热油为传导热能的热介质。
[0023]4、板坯和垫板的输送:板坯和垫板的输送是技术性很强的环节，关系到生产线的自动化程度。板坯输送有有垫板和无垫板二