玄武巖纖維仿生雙螺旋排布增強(qiáng)秸稈板材及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種玄武巖纖維仿生雙螺旋排布增強(qiáng)秸稈板材及其制備方法，板材包含秸稈纖維、按甲蟲前翅雙螺旋結(jié)構(gòu)排布并起增強(qiáng)作用的玄武巖纖維和以環(huán)氧樹脂為主體的膠黏基體材料。制備方法是：將秸稈粉與膠黏基體材料混合，鋪一層預(yù)處理后的秸稈纖維層，將制作好的玄武巖纖維按角度錯(cuò)層地鋪放在秸稈纖維層上，再鋪一層預(yù)處理后的秸稈纖維層，壓實(shí)、抽真空，夾緊后加熱固化成型，脫模即可得到板材成品。本發(fā)明借助仿生學(xué)原理改造纖維排布方式以增加材料強(qiáng)度，性能優(yōu)于傳統(tǒng)植物砌體以及秸稈塑料等新材料，具有很好的社會(huì)效益。
【專利說明】
玄武巖纖維仿生雙螺旋排布?jí)垙?qiáng)秸稈板材及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種用玄武巖纖維仿生雙螺旋排布增強(qiáng)秸桿板材及其制備方法，具體 地講是借助仿生學(xué)原理改造秸桿纖維排布方式以增加強(qiáng)度的秸桿板材及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 農(nóng)作物秸桿是一種環(huán)保的建筑材料，具有有優(yōu)良的力學(xué)、物理性能，如能充分使 用，可以解決因焚燒秸桿引起的霧霾、森林資源銳減、碳排放量過高等嚴(yán)峻的環(huán)境問題。然 而因受多種因素的制約，秸桿建材的發(fā)展遇到了瓶頸，在市場中并沒有很好的表現(xiàn)。目前， 對(duì)于秸桿板材的研究方向，大多集中在如何提高秸桿和膠黏劑的粘合性能上。但基于環(huán)保 和經(jīng)濟(jì)要求，不使用或少使用膠黏劑的秸桿板應(yīng)該更符合未來板材的發(fā)展方向。但是這方 面的研究較少，而且膠黏劑用量減少后，產(chǎn)品性能變差，沒有很好的市場?？v觀秸桿板研究， 很少有在秸桿纖維排布和板結(jié)構(gòu)層次提出性能改善的。陳銀軒(一種復(fù)合板材)提出一種利 用植物秸桿長纖維縱向和橫向交叉排布、層與層之間膠合的板材。這種板材抗拉性能好，但 層與層之間的粘結(jié)力不夠，容易發(fā)生滑移。與秸桿纖維結(jié)合生產(chǎn)復(fù)合材料也很少，目前為止 只看到過與聚丙烯復(fù)合制作木塑板的（陳銀軒的《一種復(fù)合板材》、《秸桿蜂窩材料》)優(yōu)化秸 桿纖維的排布以及秸桿同其他材料復(fù)合，這兩方面無疑給提升秸桿板力學(xué)性能提供了新思 路。
[0003] 縱觀植物桿砌體的其他相關(guān)發(fā)明專利，兩個(gè)類型居多，一種是將所有原材料按比 例混合在一起后制作成砌塊，另一種是分成不同層次，各個(gè)層次中的材料不同。其中將原材 料按照一定比例混合在一起的專利較多，使用到的材料也是多種多樣。新興秸桿復(fù)合材料 如秸桿塑料則是由作物秸桿經(jīng)干燥后與塑料、塑料助劑混合，經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒后 制成的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種玄武巖纖維仿生雙螺旋排 布增強(qiáng)秸桿板材，借助仿生學(xué)原理改造纖維排布方式以增加材料強(qiáng)度，性能優(yōu)于傳統(tǒng)植物 砌體以及秸桿塑料等新材料，具有一定創(chuàng)新性和前瞻性。
[0005] 本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種玄武巖纖維仿生雙螺旋排布增強(qiáng)秸桿板材的 制備方法，以秸桿為原料，玄武巖纖維作為增強(qiáng)纖維，減少膠黏劑的使用量，提高現(xiàn)有秸塑 材料力學(xué)、環(huán)保性能。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過以下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：
[0007]玄武巖纖維仿生雙螺旋排布增強(qiáng)秸桿板材，包括按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)的如下組分：玄 武巖纖維3%、秸桿纖維50-80%，以及余量的膠黏基體材料；
[0008] 上述比例中，膠黏基體材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較佳20%-30% ;
[0009] 更佳地，玄武巖纖維3%、秸桿纖維70%、膠黏基體材料27%。
[0010] 其中，玄武巖纖維層錯(cuò)層地鋪放在上下兩層秸桿纖維層之間，且每相鄰兩層玄武 巖纖維層的鋪設(shè)角度差在70-90度之間，相間兩層的鋪設(shè)角度差在20-30度之間；單層纖維 中秸桿纖維和玄武巖纖維平行排列。
[0011] 玄武巖纖維為長玄武巖纖維，直徑6μπι-20μπι。
[0012]秸桿纖維選自稻麥桿。
[0013]所述的膠黏基體材料按照環(huán)氧樹脂:固化劑:稀釋劑=10:3:1的質(zhì)量比混合；
[0014]玄武巖纖維增強(qiáng)的秸塑復(fù)合材料的方法，包括以下的步驟：
[0015] (1)秸桿纖維粉碎、磨粉，至粒度為l-2mm;
[0016] (2)膠液配制:環(huán)氧樹脂:固化劑:稀釋劑按照10:3:1的質(zhì)量比混合，充分?jǐn)嚢瑁?br>[0017] (3)秸桿纖維預(yù)處理:將秸桿纖維粉與膠黏基體材料均勻混合，使膠黏基體材料充 分浸潤猜桿纖維。
[0018] (5)制備基體:先鋪一層預(yù)處理后的秸桿纖維作為底層基體鋪層，再將玄武巖纖維 按角度錯(cuò)層地鋪放在秸桿纖維上，再鋪一層預(yù)處理后的秸桿纖維作為頂層基體鋪層，充分 壓實(shí)；
[0019]鋪設(shè)的玄武巖纖維層數(shù)至少為3層，以5層為宜；
[0020] (4)抽真空，使氣泡析出，加大材料內(nèi)部的密實(shí)度；
[0021] (5)固化、脫模:夾緊模具，然后將模具放入鼓風(fēng)干燥箱中60°C加熱固化lh，120°C 加熱固化lh，待模具完全后冷卻至室溫脫模。
[0022] 本發(fā)明仿雙螺旋纖維疊層結(jié)構(gòu)的機(jī)理闡述:發(fā)明人在雄性獨(dú)角仙前翅中，觀察到 了非等角的螺旋纖維疊層結(jié)構(gòu)（圖3)，（a)為從活獨(dú)角仙上取下的鮮前翅的斷面照片；（b，c) 則顯示了纖維的疊層情況(經(jīng)Κ0Η溶液處理）。對(duì)11張照片測定，結(jié)果表明：獨(dú)角仙前翅上層 Y2和X1-X2相交處共有9層，各層平均夾角如(d)所示。由（d)可知，獨(dú)角仙前翅相鄰各層之間 的夾角，最大約為90°，最小約為65°，多數(shù)分布在72°-80°之間。受此啟發(fā)，發(fā)明人提出一種 雙螺旋鋪層結(jié)構(gòu)的玄武巖-秸桿連續(xù)纖維板。雖然甲蟲前翅的纖維排布層間的差角是非嚴(yán) 格相等的，但差別不大(基本在10度以內(nèi)），生物結(jié)構(gòu)往往存在較大的偏差性，因此我們有理 由相信，層間等角排列的螺旋結(jié)構(gòu)，而不是簡單的平行排列或垂直排列對(duì)提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有 很大作用。而且層間等角排列易于生產(chǎn)和加工。不難發(fā)現(xiàn)，這種螺旋排布的方式類似于生物 學(xué)中DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，因此該結(jié)構(gòu)得以命名。這種雙螺旋的排布方式單層纖維是由長秸桿 纖維和玄武巖纖維平行排列，玄武巖纖維可以增強(qiáng)單層秸桿纖維的軸向、橫向強(qiáng)度，每相鄰 兩層的鋪設(shè)角度差在70-90度之間，相間兩層的鋪設(shè)角度差在20-30度之間，這樣就形成一 種雙螺旋的鋪設(shè)結(jié)構(gòu)，片層角度示意圖如圖4所示，數(shù)字表示每層的位置。這種結(jié)構(gòu)排布既 可以獲得較大的軸向（拉伸）強(qiáng)度，同時(shí)又兼顧了與其垂直及其斜向所需要的強(qiáng)度，增加斷 裂韌性。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明的制備工藝流程圖。
[0024]圖2是本發(fā)明中板材結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖3是獨(dú)角仙前翅的纖維疊層結(jié)構(gòu).（a)X21方向截面，（b)Y21方向幾丁質(zhì)纖維，（c) 為圖(b)中箭頭位置處放大，其中數(shù)字代表距表面的層數(shù)。（d)幾丁質(zhì)纖維層的纖維取向。 [0026]圖4是雙螺旋結(jié)構(gòu)鋪層示意圖。
[0027] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例2制備的試件破壞后的斷面形態(tài)；（a)本發(fā)明玄武巖增強(qiáng)試件 側(cè)面；（b)本發(fā)明玄武巖增強(qiáng)試件底面；（c)未增強(qiáng)試件側(cè)面；（d)未增強(qiáng)試件底面;可見本發(fā) 明增加了玄武巖纖維的試件在彎曲破壞時(shí)裂縫非常明顯，撓度較大;而未加玄武巖纖維的 試件裂縫相對(duì)較小，破壞時(shí)的撓度也較小。這表明，未經(jīng)增強(qiáng)的試樣當(dāng)材料開裂時(shí)喪失承載 力而退出工作，經(jīng)玄武巖增強(qiáng)的試樣可以帶裂縫工作，抗拉承載力主要由玄武巖纖維提供， 因而承載能力提尚。
[0028] 圖6是本發(fā)明實(shí)施例2所得試樣抗彎強(qiáng)度測試荷載-位移曲線。
[0029] 圖7是本發(fā)明實(shí)施例2所得試樣和其他玄武巖纖維增添方法的抗彎強(qiáng)度提高率-玄 武巖纖維含量散點(diǎn)圖。
[0030] 圖8是本發(fā)明秸桿體積分?jǐn)?shù)與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系;通過改變秸桿纖維的含量，測試膠 黏基體材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20 % -50 %的秸塑材料的抗拉強(qiáng)度，在膠黏基體材料30 %以內(nèi)，材 料強(qiáng)度提升，大于30%后，強(qiáng)度又有所下降。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果按最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，發(fā)現(xiàn) 最佳的膠黏基體材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)在27%左右。對(duì)于膠體分?jǐn)?shù)一抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)峰值的情況，我 們從秸桿含量的角度做如下分析和預(yù)測：1)秸桿含量較少時(shí)，秸桿纖維還不足以形成連續(xù) 相。成海島狀分散在膠黏基體材料連續(xù)相中且分布不均勻，使得在秸桿纖維末端容易產(chǎn)生 應(yīng)力集中，進(jìn)而成為應(yīng)力破壞的引發(fā)點(diǎn)。而纖維與纖維之間距離較大，沒有形成剛性粒子的 相互制約。在外力持續(xù)作用下膠黏基體材料相因?yàn)榻諚U纖維和玄武巖纖維的存在，引發(fā)形 成微裂紋，而膠黏基體材料相的受力屈服因纖維的剛性而受阻會(huì)產(chǎn)生少量伸長和局部微量 頸縮后、斷裂。2)隨著秸桿含量的增多，膠黏基體材料均勻分布于微纖維表面的空隙及纖維 間，成為纖維之間的牢固粘合劑，纖維與纖維之間會(huì)發(fā)生相互接觸交叉甚至纏繞的情形，其 拉伸強(qiáng)度也相應(yīng)提高。3)秸桿含量繼續(xù)增多，秸桿的交互作用和膠黏基體材料和秸桿的粘 結(jié)作用沒有明顯提升，但此時(shí)膠黏基體材料含量和玄武巖纖維含量有所下降，導(dǎo)致材料整 體強(qiáng)度下降。4)若秸桿繼續(xù)增多，膠黏基體材料和玄武巖纖維發(fā)揮的作用就十分有限，強(qiáng)度 主要由秸桿之間在高壓下的粘結(jié)力提供，曲線會(huì)趨于穩(wěn)定。
[0031] 圖9是不同材料抗拉強(qiáng)度比較。對(duì)比同條件下的普通秸塑材料，可以發(fā)現(xiàn)，本材料 的抗拉性能較沒有加玄武巖纖維的木塑秸塑材料有明顯提高，并略高于建筑用木材（楊 木)。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 以下將結(jié)合具體的實(shí)施例來說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0033]按表1的含量制備實(shí)施例1 _4的板材：
[0034]表 1
[0036]圖1是本發(fā)明的制備工藝流程圖，實(shí)施例1-4的制備方法：
[0037] (1)秸桿纖維粉碎、磨粉；
[0038] (2)膠液配制:環(huán)氧樹脂:固化劑:稀釋劑按照10:3:1的質(zhì)量比混合，充分?jǐn)嚢瑁?br>[0039] (3)秸桿纖維預(yù)處理:將秸桿纖維粉與膠黏基體材料均勻混合，使膠黏基體材料充 分浸潤猜桿纖維。
[0040] (5)制備基體:先鋪一層預(yù)處理后的秸桿纖維作為底層基體鋪層，再將玄武巖纖維 按角度錯(cuò)層地鋪放在秸桿纖維上，再鋪一層預(yù)處理后的秸桿纖維作為頂層基體鋪層，充分 壓實(shí);在實(shí)施例1-4中，鋪設(shè)的玄武巖纖維層數(shù)均是5層；
[0041] (4)抽真空，將氣泡析出，加大材料內(nèi)部的密實(shí)度；
[0042] (5)固化、脫模:夾緊模具，然后將模具放入鼓風(fēng)干燥箱中60°C加熱固化lh，120°C 加熱固化lh，待模具完全后冷卻至室溫脫模，切割成板。
[0043]對(duì)制成的試樣(250X25 X 10mm)進(jìn)行三點(diǎn)彎實(shí)驗(yàn)測試(萬能測試機(jī)加載，加載速度 1 Omm/min，跨距160mm)，通過分析荷載位移曲線可以發(fā)現(xiàn)，增加玄武巖纖維后，材料的強(qiáng)度 有所增大，但添加單向玄武巖纖維后的效果不明顯，這是由于單向的長玄武巖纖維僅提高 了一個(gè)方向的強(qiáng)度，而秸桿基體相對(duì)較為松散，加載時(shí)裂縫會(huì)向側(cè)面發(fā)展并向上延伸從而 喪失承載力，玄武巖纖維的性能沒有很好地發(fā)揮。而本發(fā)明雙螺旋鋪層排列玄武巖纖維增 強(qiáng)的試件在后期的強(qiáng)度有明顯增長，材料的延性大幅提升，這是由于玄武巖纖維改善了秸 桿基體在多個(gè)方向的受力特性，材料整體性提高，玄武巖纖維能最大限度地發(fā)揮作用。通過 多次試驗(yàn)計(jì)算，添加玄武巖纖維的試樣的平均抗彎強(qiáng)度比不添加玄武巖纖維的試樣大 63.6%，而試驗(yàn)控制的玄武巖纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3%，定義比增強(qiáng)率
其中AS表示抗彎 強(qiáng)度的增長率，C表示玄武巖纖維含量。盧國軍[改性玄武巖纖維增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的研究. 西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014,34(2) :89-94]蘇軍[仿生輕量型玄武巖纖維增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的 開發(fā)]曾分別利用6mm和3mm的短玄武巖纖維增強(qiáng)過木塑材料，繪制響度增長率-玄武巖纖維 含量散點(diǎn)（圖7)，并計(jì)算最大比增強(qiáng)率得0關(guān)= 而本試樣的 ， 5二20.10由此可見其性能之優(yōu)越(圖6、7)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 玄武巖纖維仿生雙螺旋排布增強(qiáng)秸桿板材，其特征在于包括按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)的如下 組分：玄武巖纖維3%、秸桿纖維50-80%，以及余量的膠黏基體材料； 其中，玄武巖纖維層錯(cuò)層地鋪放在上下兩層秸桿纖維層之間，且每相鄰兩層玄武巖纖 維層的鋪設(shè)角度差在70-90度之間，相間兩層的鋪設(shè)角度差在20-30度之間；單層纖維中秸 桿纖維和玄武巖纖維平行排列。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的玄武巖纖維仿生雙螺旋排布增強(qiáng)秸桿板材，其特征在于膠黏 基體材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%-30%。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的玄武巖纖維仿生雙螺旋排布增強(qiáng)秸桿板材，其特征在于包括 按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)的如下組分：玄武巖纖維3%、秸桿纖維70%、膠黏基體材料27%。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的玄武巖纖維仿生雙螺旋排布增強(qiáng)秸桿板材，其特征在于所述 的玄武巖纖維為長玄武巖纖維，直徑6μηι-20μηι;所述的猜桿纖維為稻麥桿。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的玄武巖纖維仿生雙螺旋排布增強(qiáng)秸桿板材，其特征在于所述 的膠黏基體材料是環(huán)氧樹脂、固化劑、稀釋劑按10:3:1的質(zhì)量比的混合物。6. 權(quán)利要求1所述的玄武巖纖維仿生雙螺旋排布增強(qiáng)秸桿板材的制備方法，其特征在 于，包括以下的步驟： (1) 秸桿纖維粉碎、磨粉，至粒度為1-2_; (2) 膠液配制:環(huán)氧樹脂：固化劑:稀釋劑按照10:3:1的質(zhì)量比混合，充分?jǐn)嚢瑁? (3) 秸桿纖維預(yù)處理:將秸桿纖維粉與膠黏基體材料均勻混合，使膠黏基體材料充分浸 潤秸桿纖維； (5)制備基體:先鋪一層預(yù)處理后的秸桿纖維作為底層基體鋪層，再將玄武巖纖維按角 度錯(cuò)層地鋪放在秸桿纖維上，再鋪一層預(yù)處理后的秸桿纖維作為頂層基體鋪層，充分壓實(shí)； (4) 抽真空，使氣泡析出，加大材料內(nèi)部的密實(shí)度； (5) 固化、脫模:夾緊模具，然后將模具放入鼓風(fēng)干燥箱中60°C加熱固化lh，120°C加熱 固化lh，待模具完全后冷卻至室溫脫模。7. 權(quán)利要求6所述的玄武巖纖維仿生雙螺旋排布增強(qiáng)秸桿板材的制備方法，其特征在 于步驟(5)中鋪設(shè)的玄武巖纖維層數(shù)至少3層。
【文檔編號(hào)】B27N1/02GK106079015SQ201610488902
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月28日
【發(fā)明人】任逸哲, 陳錦祥, 顧悅言
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)