基于高含水率重组单元树脂均匀浸渍制备重组材的工艺及应用的制作方法

1.本发明涉及木质复合材料加工技术领域，特别是涉及一种高含水率重组单元树脂均匀浸渍制备重组材的工艺及应用。


背景技术：

2.重组材是以木/竹材为原料，通过纤维可控分离技术、单板化展平技术、制造单元优化技术、增强单元导入技术等多项技术集成，将木/竹材疏解成单板加以利用，制造成高性能的木质复合材料。重组材的制备过程主要包括：木/竹材原料经过疏解制备成木/竹束、木/竹束干燥、木/竹束施胶、木/竹束施胶后干燥、顺纹组坯、经过热压或冷压热固化等。由于重组材具有原料利用率高、产品性能和附加值高等特点，其可广泛地应用于室内外地板、建筑梁柱、家具、水泥模板、火车车厢底板和建筑撑木等。
3.cn111993513a中提供了一种木竹重组材料单元的连续化浸渍设备和连续化浸渍方法，用于将木竹重组材料单元加工成木竹重组材料单元预浸料。高含水率的木竹重组材料单元需要沿长度方向依次通过含水率控制辊组，将木竹重组材料单元中的水分排出，实现含水率降低的目的，形成低含水率(约为20％～30％)的木竹重组材料单元，采用的胶液固含量为20％～40％，预浸料的胶液浸渍量为5％～20％。
4.然而，在传统的施胶工艺中，存在木/竹束施胶量难以精准控制、胶液分布不均匀、木/竹束干燥时间长、无法直接用于高含水率重组单元等问题，从而导致重组材产品质量不稳定、生产效率不高。
5.针对上述问题，亟需开发一种基于高含水率重组单元树脂均匀浸渍制备重组材的方法。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是提供一种基于高含水率重组单元树脂均匀浸渍制备重组材工艺及应用。该工艺能够显著提高单板胶液分布的均匀性和渗透性，省去单板施胶前的干燥问题，提高重组材的生产效率。
7.为了解决上述技术问题，本技术提供了如下技术方案：
8.一种基于高含水率重组单元树脂均匀浸渍制备重组材工艺，包括以下步骤：
9.(1)木/竹束的制造：将竹材锯截成竹筒、沿着纵向剖分成弧形竹片并且通过疏解形成网状竹束；将木材旋切为4-8mm厚的单板，通过疏解制备成木束；
10.(2)步骤(1)制得的所述木/竹束含水率为31-45％；
11.(3)木/竹束的施胶和干燥处理：将步骤(2)制得的木/竹束采用辊压树脂浸渍法施加胶黏剂，将施胶后的木/竹束干燥至含水率为10-14％；
12.(4)重组成型：将步骤(3)中获得的所述的木/竹束压制成密度为0.70-1.40g/cm3的重组材。
13.其中，所述胶黏剂为低分子量的酚醛树脂胶黏剂。
14.其中，将所述胶黏剂配制成固含量为5-19％或41-48％，然后采用辊压树脂浸渍法对木/竹束施胶。
15.其中，木/竹束的施胶量为木/竹束绝干重量的5-12％或20-30％。其中，施胶量为5-12％的木/竹束制备的重组材可用于室内材，施胶量为20-30％的木/竹束制备的重组材可用于室外材。
16.其中，施胶量通过以下公式计算：
[0017][0018]
式中：g为施胶量(％)；g1为施胶胶前的材料的质量(g)；g2为施胶后材料质量(g)；p为胶粘剂配置的胶液的固体含量(％)；w为施胶前材料的含水率(％)。
[0019]
其中，所述步骤(1)获得的网状木/竹束的直径为1mm-3mm。优选地，所述竹材选自毛竹、慈竹、绿竹、红壳竹等中的一种或多种；所述木材选自杨木、桉木等速生林木材中的一种或多种。
[0020]
其中，所述步骤(3)具体为：将步骤(2)制得的木/竹束，通过辊压树脂浸渍装置，并采用辊压树脂浸渍法来实现高含水率重组单元的树脂均匀浸渍。辊压树脂浸渍技术是指，将大片重组单元置入辊压树脂浸渍装置中，通过压辊上的线段状和点状的凸齿，将胶黏剂均匀地导入到竹/木材中。同时，通过设置压辊的间隙和胶液的固含量来精准控制重组单元的施胶量。本发明的高含水率重组单元树脂均匀浸渍制备重组材工艺，在辊压树脂浸渍的基础上，通过辊压压力、树脂固含量、单板含水率等工艺参数的调控，实现了木/竹束施胶量的精准控制、提高了胶液在木/竹材中分布的均匀性和渗透性，以及改善了重组材的尺寸稳定性和提高了重组材的生产效率。
[0021]
在辊压树脂浸渍工艺施胶过程中，辊压压力的作用有以下几个方面：
[0022]
①
对重组单元中的导管和薄壁细胞等薄壁组织进行破坏，增加胶液在木/竹材中的渗透通道；
[0023]
②
辊压树脂浸渍过程中，重组单元通过压辊间隙的瞬间，重组单元厚度方向的尺寸变小，重组单元内的细胞腔和细胞间隙被压扁。重组单元通过压辊间隙后，被压扁的细胞腔和细胞间隙要恢复到原来的形状和尺寸，此时重组单元空隙出现的负压将酚醛树脂渗透到细胞腔和细胞间隙中，由此可以提高胶液在重组单元中的渗透深度；
[0024]
③
通过提高重组单元的含水率和增大胶液固含量来降低重组单元施胶前、后的干燥耗能，并提高重组材的制备效率；通过重组单元的含水率、胶液固含量、和压辊的压力的相互调控，来实现重组单元中胶液的均匀控制；
[0025]
④
通过控制辊压压力，来精准控制重组单元的最终施胶量。
[0026]
其中，所述辊压树脂浸渍装置，包括机架，所述机架上装有驱动电机，所述驱动电机与主动压辊传动连接，所述主动压辊的上方平行的设置有被动压辊，所述被动压辊的上方设有用于调整被动压辊升降的压辊升降装置，所述被动压辊上装有压力检测装置。
[0027]
其中，所述被动压辊升降时，沿着固定在机架上的压辊滑道上下移动。
[0028]
其中，所述被动压辊升降时，带动压力检测装置沿着固定在机架上的导轨上下移动。
[0029]
其中，所述压力检测装置包括压头，所述压头的正下方设有样本放置平台，所述样本放置平台固定在机架上。
[0030]
其中，所述样本放置平台的上表面与主动压辊的顶部处于同一水平面上。
[0031]
其中，所述压辊升降装置上方设有用于控制压辊升降装置的控制箱，所述控制箱上设有操作面板。
[0032]
其中，所述主动压辊和被动压辊的同侧端部各设有一个压辊联动齿轮。
[0033]
其中，当被动压辊下降后，被动压辊上的压辊联动齿轮与主动压辊上的压辊联动齿轮相互啮合。
[0034]
其中，所述主动压辊从胶液盒中穿过，所述主动压辊与胶液盒之间的连接部设有胶液盒密封装置。
[0035]
其中，所述胶液盒的正下方设有胶液回收盒，所述胶液回收盒固定在机架上。
[0036]
其中，所述步骤(4)中，重组材的制备通过热压法或冷压热固化法进行，热压或热固化温度为135-145℃。
[0037]
采用本发明所述的高含水率重组单元树脂均匀浸渍制备重组材的工艺制得的重组材，其中，所述木/竹束负载有胶黏剂；
[0038]
其中，所述木/竹束的胶黏剂的施加量为木/竹束绝干质量的5-12％或20-30％。
[0039]
其中，所述胶黏剂为低分子量的酚醛树脂胶黏剂。
[0040]
本发明的重组材可用于制造室内外装饰材料、室内外地板、家具、玩具等。
[0041]
与现有技术相比，本发明高含水率重组单元树脂均匀浸渍制备重组材的工艺及应用至少具有以下有益效果：
[0042]
(1)本发明的制备重组材工艺提高了重组单元施胶前的含水率，进而提高了重组材的生产效率，降低了重组单元的干燥耗能；
[0043]
(2)采用本发明工艺的高含水率重组单元中，实现了酚醛树脂胶黏剂在木/竹束中的均匀浸渍；
[0044]
(3)采用本发明工艺的高含水率重组单元中，提高了酚醛树脂胶黏剂在木/竹束中的渗透深度；
[0045]
(4)本发明的重组材制备工艺大大改善了重组材的尺寸稳定性。
[0046]
下面结合附图对本发明基于高含水率重组单元树脂均匀浸渍制备重组材的工艺及应用作进一步说明。
附图说明
[0047]
图1为辊压树脂浸渍装置的主视示意图；
[0048]
图2为辊压树脂浸渍装置的侧视示意图；
[0049]
图3为压力实时检测装置的原理示意图(主视)；
[0050]
图4为压力实时检测装置的原理示意图(侧视)；
[0051]
其中，1-机架；2-驱动电机；3-主动压辊；4-被动压辊；5-压辊升降装置；6-控制箱；7-压力检测装置；8-压辊联动齿轮；9-胶液盒密封装置；10-压辊滑道；11-胶液盒；12-胶液回收盒；13-压头；14-样本放置平台；15-导轨。
[0052]
图5为本发明高含水率重组单元树脂均匀浸渍制备重组材的工艺对重组单元宏观
形貌的影响；其中，a-辊压树脂浸渍前，b-辊压树脂浸渍后。
[0053]
图6为不同浸胶法对重组单元形貌和胶液分布、渗透的影响，a-c为sem图：a-原竹；b-疏解重组单元；c-辊压树脂浸渍后的重组单元；d-i为胶液的分布的超景深显微镜(utdm)和扫描电镜(sem)图：未施胶重组单元(d，g)；常规浸胶法施胶重组单元(e，h)；辊压树脂浸渍施胶重组单元(f，i)。
具体实施方式
[0054]
实施例1
[0055]
如图1-2所示，一种辊压树脂浸渍装置，包括机架1，所述机架1上装有驱动电机2，所述驱动电机2与主动压辊3传动连接，所述主动压辊3的上方平行的设置有被动压辊4，所述被动压辊4的上方设有用于调整被动压辊4升降的压辊升降装置5，所述被动压辊4上装有压力检测装置7。被动压辊4升降时，沿着固定在机架1上的压辊滑道10上下移动。
[0056]
压辊升降装置5是由步进电机驱动两台联动的蜗轮蜗杆升降机带动被动压辊4上下运动，压辊升降装置5还带有位置自锁装置，以保证设备工作过程中不会由于压辊受力而产生高度的变化进而影响压力的变化；压辊运行的上位和下位均有限位开关，以防压辊工作过程中超过工作行程而损坏设备。压辊升降装置5的一端设置有手轮，以防设备突然断电或者故障时，可以手动调节压辊的位置。
[0057]
其中，被动压辊4的两端的上下运动是通过两个升降机联动，从而实现同时向上或向下运动。机架1的加工精度和定位槽可以保证被动压辊4的垂直上下运动，从根本上解决了现有技术中由于螺母调节距离不等而造成的压辊间隙不一致的问题。
[0058]
压辊升降装置5上方设有用于控制压辊升降装置5的控制箱6，所述控制箱6上设有操作面板。
[0059]
压辊间距的调整采用自动调节方式，主要是通过控制箱6驱动步进电机，来带动两个联动的升降机和被动压辊上、下运动，从而实现主动压辊和被动压辊间隙的精确控制。
[0060]
具体原理为：控制箱发出的电信号，会使得步进电机旋转一定的角度。压辊的上下运动可以理解为控制箱发出了无数个脉冲信号使电机连续旋转了无数个很小的角度，通过控制箱电脑中的计算和机械部分传动减速等的计算，每发出一个信号电机旋转一个角度，就会带动压辊上升一个距离，并在显示屏上面显示。也就是说，控制箱控制的是电机的精确旋转，由旋转变成压辊的上下移动，通过人工计算得出来，然后把这些传动参数输入到控制箱里面，控制箱会自动显示最终的位移。
[0061]
设备控制箱集成了设备控制以及显示的所有功能，包括启动、停止、急停、压辊正反转、转速调节以及显示压辊间距的调整、转速、自动复位等。在操作面板上设置有压辊的归零和升、降按钮，可以方便地对辊轴进行复位和设定间距值。设定的间距值在显示屏上有直观的数值显示，可以达到对辊压树脂浸渍过程中上下辊的间距的精准控制。
[0062]
被动压辊4升降时，带动压力检测装置7沿着固定在机架1上的导轨15上下移动。
[0063]
压力检测装置7包括压头13，所述压头13的正下方设有样本放置平台14，所述样本放置平台14固定在机架1上。样本放置平台14的上表面与主动压辊3的顶部处于同一水平面上。压力测试仪的压头的直径为5-10mm。
[0064]
压力检测装置7与被动压辊4可以同步升降，其压头与样本放置平台之间的间距和
主动压辊、被动压辊之间的间距完全一致。将与辊压浸渍材料相同的材料放置在压力检测装置下方的样本放置平台上。辊压浸渍设备在工作的同时，可以通过压力检测装置同步检测压辊的实时压力数据，采集的数据可以通过数据线传至电脑进行分析，由此实现了辊压压力的实时检测。
[0065]
压力检测装置7的工作原理如图3-4所示：
[0066]
压力检测装置7利用轴承座固定在被动压辊4的轴上，两根导轨7则垂直固定在机架1上。因此，压力检测装置随被动压辊上下运动，但不影响被动压辊的旋转。待测材料放置在样品放置平台，并垂直于压力检测装置7固定于机架1上。通过调试，使得辊压树脂浸渍过程中压头13与样本放置平台14之间的间距与主动压辊、被动压辊之间的间距时刻保持一致，由此实现了辊压压力的实时检测。
[0067]
主动压辊3和被动压辊4的同侧端部各设有一个压辊联动齿轮8。当被动压辊4下降后，被动压辊4上的压辊联动齿轮8与主动压辊3上的压辊联动齿轮8相互啮合。压辊联动齿轮可保证被动压辊同步运转，进料过程中不会打滑；压辊的周面上设计有一定形状的滚花，可以增加压辊的摩擦力。压辊转速可实现无级调节，并有直观的显示。
[0068]
主动压辊3从胶液盒11中穿过，所述主动压辊3与胶液盒11之间的连接部设有胶液盒密封装置9。胶液盒11的正下方设有胶液回收盒12，所述胶液回收盒12固定在机架1上。
[0069]
在辊压浸胶过程中，压辊的压力可对重组单元中的导管、薄壁细胞等薄壁组织起到破坏的作用，从而增加胶液在竹/木材中的渗透通道；同时，辊压树脂浸渍过程中形成的负压可以提高胶液在材料中的渗透深度。压辊周面的滚花，可以避免辊压压力大而造成材料上的应力集中后出现的缺胶现象。
[0070]
胶液盒11采用不锈钢材质，耐腐蚀、强度高、不易变形。胶液盒与主动压辊的连接部位采用浮动密封设计，胶液不易泄漏。主动压辊和被动压辊的一部分处于胶液的液面以下，以保证在辊压浸胶过程中材料始终浸渍在胶液之中。胶液盒底部设置有排液口和清理口，便于工作完成后排出剩余胶液和清理残渣。胶液回收盒12便于回收剩余胶液，并保护下方的驱动电机不易进水。
[0071]
实施例2
[0072]
采用实施例1的辊压树脂浸渍装置，基于高含水率重组单元树脂均匀浸渍制备重组材的工艺，具体包括以下步骤：
[0073]
1)竹束的制造：将竹材锯截成竹筒、沿着纵向剖分成弧形竹片并且疏解形成网状竹束；网状竹束的直径为1mm-3mm；
[0074]
2)步骤1)制得的所述竹束的相对含水率为38.85％；
[0075]
3)竹束施胶和干燥处理：将步骤2)制得的竹束采用辊压树脂浸渍法施加酚醛树脂胶黏剂，将施胶后的竹束干燥至含水率为10-14％；
[0076]
具体为：将所述胶黏剂配制成固含量45％的胶液，采用辊压树脂浸渍法进行施胶：浸渍过程处于常温环境中，进料速度为5.6米/分钟，辊压浸渍过程中单板的压缩率为50％(即竹单板的厚度为9.00mm，设置辊压间距为4.50mm)，辊压压力在监测过程中通过压力计实时检测，计算的压强平均为26mpa；竹束中胶黏剂的施胶量为竹束绝干重量的21.50％。
[0077]
4)重组成型：将步骤3)中获得的所述的竹束压制成密度为0.70-1.40g/cm3的重组材。
[0078]
将实施例2的采用高含水率重组单元树脂均匀浸渍制备重组材的工艺制备的重组材与常规浸胶法制备的重组材进行对比实验。
[0079]
(1)辊压树脂浸渍过程中压辊压力对重组单元形貌和胶液分布的影响
[0080]
压辊压力对重组单元的形貌会产生一定的影响，以竹束单元为例，如图5所示。在宏观上，重组单元在压辊压力的作用下向宽度方向延展，延展率约为20％。采用扫描电镜(sem)观察重组单元的微观形貌，如图6a～6c所示。由图可知，辊压树脂浸渍过程使得重组单元表面的裂隙增多(图6c)。这主要是因为采用辊压树脂渗透法施胶过程中，压辊对重组单元的弦切面施压，而竹材中的导管和薄壁细胞承受抗压的能力较差，在压力的作用下会产生破坏。导管和薄壁细胞的破坏增加了胶液在重组单元中的渗透通道。
[0081]
将施胶后的重组单元放入烘箱中固化后，采用超景深显微镜(utdm)和扫描电镜观察胶液在重组单元中的分布情况，如图6(d-i)所示。采用常规浸胶法施胶，胶液主要分布在重组单元疏解产生的裂隙中，图6e中深色显示为胶液部分。而采用实施例2的辊压树脂浸渍法施胶的重组单元，由于胶液在重组单元中的渗透通道增多，因此胶液在重组单元中的分布更加均匀，如图6f所示。通过扫描电镜观察可知，采用常规浸胶法施胶的重组单元，胶液基本附着在细胞壁的表面，在固化过程中附着在细胞壁表面的胶液出现明显的裂纹。而采用辊压树脂浸渍法施胶的重组单元，胶液在压辊压力的作用下向重组单元的细胞壁内渗透，并在纹孔内形成胶钉(图6i)。因此，采用辊压树脂浸渍法可以提高胶液在重组单元中的渗透深度和胶液分布的均匀性。
[0082]
(2)对重组材力学性能的影响
[0083]
表1不同施胶法制备的重组材的力学性能
[0084][0085]
注：()中为标准差。
[0086]
采用常规浸胶法和高含水率重组单元树脂均匀浸渍制备重组材的工艺制备的重组材，以重组竹为例，其力学性能如表1所示。
[0087]
对比可知，采用两种施胶方法制备的重组材的静曲强度差异不明显。这是因为，重组材的静曲强度是主要是由重组单元本身的强度决定的。采用高含水率重组单元树脂均匀浸渍制备重组材工艺施胶过程中，重组单元径向的纤维细胞和薄壁细胞在压辊的作用下被压缩。重组单元的含水率对其力学性能和微观结构有显著的影响，当重组单元的含水率较高时，其拉伸强度增大。辊压树脂浸渍施胶过程中，重组单元胶前的相对含水率控制在38.85％，水分作为增塑剂，可以减少压辊对重组单元纤维细胞的破坏。因此，高含水率重组单元树脂均匀浸渍制备重组材工艺对重组材的静曲强度的影响不大。
[0088]
与常规浸胶法制备的重组材相比，采用高含水率重组单元树脂均匀浸渍制备重组材的工艺制备的重组材的弹性模量和水平剪切强度显著增大，增大幅度分别为17.85％和59.25％。这主要是由于在高含水率重组单元树脂均匀浸渍制备重组材的工艺中，在压辊压力的作用下，增加了胶黏剂的渗透通道，提高了胶液在重组单元中分布的均匀性和在细胞
壁中的渗透性，使得重组材中的胶合位点增多，从而增大了重组材的刚度，同时提高了重组材的胶合性能。
[0089]
(3)对重组材尺寸稳定性能的影响
[0090]
表2不同施胶法制备的重组材的吸水膨胀率
[0091][0092]
注：()里面为标准差。
[0093]
水分的存在与变化是导致重组材尺寸不稳定的主要原因之一。本实验采用28h循环处理法，即沸水煮4h—63℃烘箱烘20h—沸水煮4h，模拟测试重组材(以重组竹为例)在室外环境放置后的吸水膨胀厚度率(tsr)和吸水宽度膨胀率(wsr)，并以此表征重组材的尺寸稳定性。
[0094]
重组材经28h循环处理后，其吸水厚度膨胀率和吸水宽度膨胀率如表2所示。与常规浸胶法相比，采用高含水率重组单元树脂均匀浸渍制备重组材工艺制备的重组材，其吸水宽度膨胀率和吸水厚度膨胀率都显著降低，降低幅度分别达到36.48％和22.67％。这说明采用高含水率重组单元树脂均匀浸渍制备重组材工艺制备的重组材的耐水性显著提高，尺寸稳定性得到改善。这主要是由于高含水率重组单元树脂均匀浸渍制备重组材工艺使得重组单元产生更多的裂隙，胶液在重组单元中分布更加均匀，同时胶液在压力的作用下向细胞壁内渗透，形成了更多的胶合点，从而使得重组材的耐水性增强，改善了其尺寸稳定性。
[0095]
本发明经过反复实验发现，本工艺尤其适用的木/竹束含水率为31-45％，提高了重组材的生产效率，降低了重组单元的干燥耗能。
[0096]
而且，针对不同需求可将木/竹束的施胶量控制为木/竹束绝干重量的5-12％或20-30％。其中，施胶量为5-12％的木/竹束制备的重组材可用于室内材，施胶量为20-30％的木/竹束制备的重组材可用于室外材。
[0097]
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。