一种碳纤维复合木材及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种碳纤维复合木材及其制备方法，解决了现有技术人造木材不环保、抗变形性能差，抗压强度低、易抗弯曲的技术问题。本发明专利技术提供一种碳纤维复合木材，按重量份数计，其原料组分组成为：农林废弃物粉100～150份、硅酸钙粉5～10份、短切碳纤维20～33份、石蜡油4～10份、氧化石墨烯5～10份、聚乙烯吡咯烷酮2～4份、异氰酸酯8～16份、钛白粉12～18份、胶黏剂有机硅树脂16～22份、减水剂0.3～1.5份、水35～50份；同时提供其制备方法。本发明专利技术广泛应用于建筑材料领域。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维复合木材及其制备方法
本专利技术涉及建筑材料领域，具体涉及一种碳纤维复合木材及其制备方法。
技术介绍
木材是很重要的再生性资源，它具有重量轻、弹性好、强度高、纹理美观、绝缘隔热等优良应用性能，有些木材还有保健功能，同时具有加工能耗少、环境污染轻等特点，所以木材是建筑材料的首选材料。近年来，我国人造板行业发展迅速，生产规模不断扩大，产品档次和产品质量逐步提高。但是我国是一个森林资源贫乏的国家，森林资源的短缺已经严重影响了木材原料的供应，成为木材产业发展的瓶颈。要保证人造板工业的持续健康发展，必须改变传统的单方向木材消耗模式，走循环发展的道路。目前市面上的人造木板抗变形性能很差，强度低，很容易出现中间弯曲的情况。同时用人造木板装饰室内环境时，经常会带来甲醛、苯等致癌物质的含量超标，造成严重的室内环境污染。目前，我国大部分农作物秸秆被焚烧或废弃，其价值没有得到应有体现，还污染了环境，因此将农林废弃物粉用作人造木材原料是一种极其环保的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术的不足，提供一种原料组成简单合理、成分科学配伍、环保的、抗变形性能高，抗压强度高、抗弯曲强度高的、可有效替代天然木材的碳纤维复合木材及其制备方法。本专利技术解决技术问题所采用的技术方案是：一种碳纤维复合木材，按重量份数计，其原料组分组成为：农林废弃物粉100～150份、硅酸钙粉5～10份、短切碳纤维20～33份、石蜡油4～10份、氧化石墨烯5～10份、聚乙烯吡咯烷酮2～4份、异氰酸酯8～16份、钛白粉12～18份、胶黏剂有机硅树脂16～22份、减水剂0.3～1.5份、水35～50份。优选的，原料组分组成为：农林废弃物粉125份、硅酸钙粉7份、短切碳纤维27份、石蜡油7份、氧化石墨烯7份、聚乙烯吡咯烷酮3份、异氰酸酯12份、钛白粉15份、胶黏剂有机硅树脂19份、减水剂0.9份、水42份。优选的，农林废弃物为秸秆、稻壳、边角料、树皮、花生壳、枝桠柴、木头刨花其中任何一种或者多种；农林废弃物粉的粒径为140～200目。优选的，短切碳纤维的直径为8～10μm，长度为1～5mm；硅酸钙粉粒径为≤5μm；钛白粉粒径为0.1～5.0μm；减水剂为萘系高效减水剂；有机硅树脂为聚甲基硅树脂、聚芳基有机硅树脂、聚烷基芳基有机硅树脂其中任何一种。上述任何一项的一种碳纤维复合木材的制备方法，包括以下步骤：(1)按所需重量份数称取原料组分：农林废弃物粉、硅酸钙粉、短切碳纤维、石蜡油、氧化石墨烯、聚乙烯吡咯烷酮、异氰酸酯、钛白粉、胶黏剂有机硅树脂、减水剂、水；(2)将步骤(1)称取的氧化石墨烯加入步骤(1)称取的水中，超声分散均匀后，得氧化石墨烯分散液；再向其冲入氮气饱和后，再边通氮气边向其中加入步骤(1)称取的异氰酸酯，在氮气存在情况下升温至45～65℃反应8～12h后，得混合液；(3)将步骤(1)称取的农林废弃物粉加入0.5％次氯酸钠溶液中，进行浸泡软化消毒，浸泡时间为3～6h后；将软化后的混合物烘干后，注入热磨机，同时加入步骤(1)称取的硅酸钙粉、钛白粉和短切碳纤维进行热磨搅拌后，过筛除去大颗粒物质；注入密炼机同时依次加入步骤(2)制得的混合液和步骤(1)称取的减水剂、聚乙烯吡咯烷酮、石蜡油后，进行混合反应；注入搅拌机进行搅拌自然冷却，同时加入胶黏剂有机硅树脂，搅拌时间为45～60min后，得冷却物；(4)将步骤(3)制得的冷却物注入成型模具中，于热压机中热压成型，冷却后，得碳纤维复合木材。优选的，步骤(3)中，烘干条件为：80～120℃干燥60～80min。优选的，步骤(3)中，热磨搅拌条件：热磨机加热温度为200～450℃，搅拌转速为700～1000r/min，热磨时间为45～65min。优选的，步骤(3)中，混合反应温度为450～500℃，反应时间90min。优选的，步骤(3)中，搅拌自然冷却条件为：搅拌速度为80～100r/min。优选的，步骤(4)中，热压固化的温度为220～280℃。本专利技术的有益效果：本专利技术配伍科学，协同增效，成分科学配伍、环保的、抗变形性能高，抗压强度高、抗弯曲强度高的、可有效替代天然木材的碳纤维复合木材。(1)本专利技术的碳纤维复合木材原料组分短切碳纤维、氧化石墨烯、聚乙烯吡咯烷酮和异氰酸酯之间以及与其他原料组分之间发生协同增效的作用，显著提高本专利技术碳纤维复合木材的抗压强度、抗弯曲能力和耐水耐磨性能。氧化石墨烯分散液与异氰酸酯在氮气存在下反应时，异氰酸酯与氧化石墨烯片层的边缘羟基或者羧基发生反应，生成酰胺或者氨基甲酸酯。短切碳纤维是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性。将短切碳纤维添加在本专利技术的碳纤维复合木材中，与边缘带有酰胺或者氨基甲酸酯的氧化石墨烯片层协同增效，交织成横向纵向的“外柔内刚”的骨架，不仅可以提高其抗变形能力，增强其抗压强度和静曲强度，密度的提高同时还使木材的耐水性能显著提高。在此协同增效的基础之上，聚乙烯吡咯烷酮模板剂的加入，更进一步增强本专利技术碳纤维复合木材整体三维立体结构整齐致密性，显著提高其密度。本专利技术加入的胶黏剂有机硅树脂，具有黏结强度高、化学稳定性好及耐水耐热耐磨的优点。(2)硅酸钙粉和钛白粉的加入，既起到增加填充密度的作用，同时又具有有效的吸附其余成分带来的气味，起到减味的作用。其中钛白粉与氧化石墨烯之间发生协同增效，在光照情况下有效降解去除环境中的有机污染物的作用，进一步提高其环保性能。尤其是给予紫外光照射的情况下，钛白粉中二氧化钛的价态电子被激发后，传到石墨烯本体上，高能电子将有机污染物降解成二氧化碳和水，从而起到彻底清除有机污染物的作用。(3)本专利技术的碳纤维复合木材质地均匀的、抗形变性能强，原料组分中为加入任何含有苯和甲醛的物质，且利用农林废弃物，环保节能减耗，具有抗变形能力强、毒性小、绿色环保、耐久性好。在墙体装饰、地板铺设以及家具制作中有较好的应用前景。(4)本专利技术采用农林废弃物粉作为主要原料，减少了树木的使用，符合绿色环保的理念，能够缓解木材供需矛盾和保护森林资源，而且将新的理念、新的工艺、新的技术引入到人造木材生产中来，进一步推动人造木材板工业的发展。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明，以助于理解本专利技术的内容。本专利技术中所使用的方法如无特殊规定，均为常规的生产方法；所使用的原料，如无特殊规定，均为常规的市售产品。实施例1制备一种碳纤维复合木材，包括以下步骤：(1)按所需重量份数称取原料组分：农林废弃物粉100份、粒径≤5μm的硅酸钙粉5份、直径为8～10μm、长度为1mm的短切碳纤维20份、石蜡油4份、氧化石墨烯5份、聚乙烯吡咯烷酮2份、异氰酸酯8份、粒径为0.1～5.0μm的钛白粉12份、胶黏剂有机硅树脂聚甲基硅树脂16份、萘系高效减水剂0.3份、水35份；农林废弃物为粒径为140目的小麦秸秆。(2)将步骤(1)称取的氧化石墨烯加入步骤(1)称取的水中，超声分散均匀后，得氧化石墨烯分散液；再向其冲入氮气饱和后，再边通氮气边向其中加入步骤(1)称取的异氰酸酯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维复合木材，其特征在于，按重量份数计，其原料组分组成为：农林废弃物粉100～150份、硅酸钙粉5～10份、短切碳纤维20～33份、石蜡油4～10份、氧化石墨烯5～10份、聚乙烯吡咯烷酮2～4份、异氰酸酯8～16份、钛白粉12～18份、胶黏剂有机硅树脂16～22份、减水剂0.3～1.5份、水35～50份。

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维复合木材，其特征在于，按重量份数计，其原料组分组成为：农林废弃物粉100～150份、硅酸钙粉5～10份、短切碳纤维20～33份、石蜡油4～10份、氧化石墨烯5～10份、聚乙烯吡咯烷酮2～4份、异氰酸酯8～16份、钛白粉12～18份、胶黏剂有机硅树脂16～22份、减水剂0.3～1.5份、水35～50份。2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合木材，其特征在于，按重量份数计，所述原料组分组成为：农林废弃物粉125份、硅酸钙粉7份、短切碳纤维27份、石蜡油7份、氧化石墨烯7份、聚乙烯吡咯烷酮3份、异氰酸酯12份、钛白粉15份、胶黏剂有机硅树脂19份、减水剂0.9份、水42份。3.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合木材，其特征在于，所述农林废弃物为秸秆、稻壳、边角料、树皮、花生壳、枝桠柴、木头刨花其中任何一种或者多种；所述农林废弃物粉的粒径为140～200目。4.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合木材，其特征在于，所述短切碳纤维的直径为8～10μm，长度为1～5mm；所述硅酸钙粉粒径为≤5μm；所述钛白粉粒径为0.1～5.0μm；所述减水剂为萘系高效减水剂；所述有机硅树脂为聚甲基硅树脂、聚芳基有机硅树脂、聚烷基芳基有机硅树脂其中任何一种。5.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合木材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)按所需重量份数称取原料组分：农林废弃物粉、硅酸钙粉、短切碳纤维、石蜡油、氧化石墨烯、聚乙烯吡咯烷酮、异氰酸酯、钛白粉、胶黏剂有机硅树脂、减水剂、水；(2)将步骤(1)称取的氧化石墨烯加入步骤(1)称取的水中，超声分散均匀后，得氧化石墨烯分散...

【专利技术属性】
技术研发人员：李正坤，李文涛，
申请(专利权)人：威海南海碳材料科技研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37