无机生物质纤维复合装饰材料研究与应用

刘星雪

摘    要：随着节能、环保在我国的深入，国家对禁止脲醛树脂、酚醛树脂为胶黏剂的人造板进入市场也作出强制性的规定。根除室内装修环境污染源，创造清洁、舒适、美好的室内环境是居住者的渴望，是广大科学工作者的的夙愿，是当前建筑、装饰业未来发展的必然趋势。北京冠山博源建筑工程检测有限公司最新发明的镁质硫铝硅水泥做结合剂与竹纤维胶合生产无机胶合竹纤维防火板，用天然无机镁质胶凝材料做结合剂与竹纤维胶合，添加工、农业废弃物、配以专用外加剂，用特殊工艺制造出来的新型无极镁质硫铝硅水泥胶合竹纤维（包括秸秆、木屑、等生物质纤维）复合材料，材料具有气硬、水硬兼有性能，材料的防水性好，强度高、韧性好、防火（A级）、防蛀、防腐、防静电、隔音、保温、无毒、无放射性物质、可订、可锯、可刨、可二次加工、绿色环保;完全可用来代替木材、大芯板、密度板、胶合板、等有机胶合人造板做室内装修材料，实现室内装修后环境清洁化、铲除装修材料污染源、消除健康隐患。

关键词：无机生物;纤维复合装饰材料;研究与应用

1  绪论

现代化建筑和精美的装修给我们带来舒适、方便和享受的同时背后可能存在着隐患，相关统计显示：90%的新居装修及家具甲醛测试超标。因为这些装修材料，（除纯木外）大都用密度板、大芯板、刨花板穿上各种各样华丽的外衣（饰面）制作的，这些人造板所用的胶黏剂有：脲醛树脂、酚醛树脂、三聚氰胺树脂、间苯二酚树脂、环氧树脂、聚醋酸乙烯树脂、水性高分子异氰酸酯树脂等。其中用得较多的是脲醛树脂、酚醛树脂，而这些树脂含有大量的游离甲醛，苯、氨、这些有毒物质慢慢分解释放出来（释放期可长达3-15年），充斥着我们生活的空间，特别是晚上由于门窗紧闭，释放出来的有毒物质深度比白天高数倍，这些物质有强烈的致癌作用，从而带来剧大的健康隐患，尤其对孕妇和儿童危害更是不容忽。随着节能、环保在我国的深入，禁止脲醛树脂、酚醛树脂为胶黏剂的人造板进入市场也作出强制性的规定。尽管其它的有机胶黏剂生产的人造板有毒物质释放较少，但存在不防火、易老化的缺陷，在使用范围上有很大的局限性。根除室内装修环境污染源，创造清洁、舒适、美好的室内环境是居住者的渴望，因此，发展应用无毒、无味、防火、环保绿色新型装饰材料是民生大计。

2  无机胶合纤维复合防火绿色装饰建材的应用

利用无机胶凝材料做结合剂代替有机树脂结合剂，与生物质纤维（包括;秸秆、木屑、木丝、竹丝等）复合，生产绿色无机环保材料，替代有机胶合装饰材料，代替木材等多种用途的合成岩复合新型生态环保材料，用于室内装修，是绿色建筑、装饰、建材发展方向。目前采用无机胶合纤维制作的人造板有两种;（1）利用波特兰水泥（硅酸盐水泥）做结合剂制作的有，水泥木纤维板（生产复杂，板材昂贵）、水泥复合纤维压力板（容重大，不易钉钉）;（2）利用镁水泥做结合剂的放火板有;氯氧镁水泥复合纤维（生物质纤维）防火板、硫氧镁水泥纤维（生物質纤维）防火板、镁质硫铝硅水泥复合竹纤维防火板;

和硅酸盐水泥相比，镁水泥有着强度高、碱度低和与生物质纤维复合能力强的性能。充分利用镁水泥的性能，生产轻质、高强、高韧、防火、防水、无毒、无味、环保绿色建材，尤其是用最新发明的镁质硫铝硅水泥做结合剂与竹纤维胶合生产无机胶合竹纤维防火板，是装修、家具最佳选择材料。充分利用镁水泥的性能[1]，生产轻质、高强、高韧、防火、防水、无毒、无味、环保绿色建材，尤其是用最新发明的镁质硫铝硅水泥做结合剂与竹纤维胶合生产无机胶合竹纤维防火板，是装修、家具最佳选择材料。

天然无机镁质胶凝材料做结合剂与竹纤维胶合[2]，添加工、农业废弃物、配以专用外加剂，用特殊工艺制造出来的一种新型复合材料，材料具有气硬、水硬兼有性能，材料的防水性好，强度高、韧性好、防火（A级）、防蛀、防腐、防静电、隔音、保温、无毒、无放射性物质、绿色环保。

3  无机胶合生物质人造板的复合原理

传统的复合材料理论是以经典的混合律（law of mixture）为主要依据。而实践的结果却突破了当今理论认为不可能出现的结果，这就证明还有其他理论存在。开发无机胶合生物质（包括新型镁质硫铝硅水泥复合竹纤维防火生态环保板），如何将生物质纤维长度应力与镁水泥复合产生最佳力学性能，是解决的问题的关键，只有找到理论依据，才能解决目前低弹性模量的生物质纤维增强高弹性模量镁水泥基复合材料不变形难题，这些规律是生产不同性能人造板的的重要依据。

假设纤维与水泥产生相同的应变值，假设连续的长纤维沿着应力方向排列、黏结良好、泊松比为0，那么纤维增强水泥基复合材料在弹性变形阶段演变后，（演变方程省略）最终可得出：生物质物纤维与水泥基材的弹模比为：[n=Ef/Em<1]，这样复合材料承受的应力就要低于水泥基材承受的应力，复合材料中的低弹性模量纤维就不存在增强作用。

很明显，如果将经典混合律用于研究无机胶合生物质人造板，那么在理论上就要失去方向。经典混合律无法实现低弹性模量生物质纤维增强高弹性模量镁水泥基生产无机胶合人造板，而实验结果却完全相反，从而证明还有其他理论存在。

由于生物质纤维材料在力学上属于柔索类，只承受拉应力，很少承受压应力。因此，在大量使用生物质纤维时，在承受弯曲应力时就会出现受压区破坏，因而板材的抗弯强度较低。采用镁水泥进行胶合，不但依靠化学粘合和机械互锁使薄板坯粘结牢固，重要的是提高了板材的抗压强度，进而提高板材的抗弯强度。

胶合生物质生态板人造板，力学性能表现为各向异性，生物质纤维成二维正交分布，纤维的取向系数基本上是[12]，纤维的利用率较高，板材的力学性能较好，产品创新 该板材是利用交融串联复合理论，将农作生物质（秸秆、竹、木屑等）纤维，通过特殊工艺、热压成型，更由于生物质纤维在生态板中占的比例较大，表现出的生物质性能较强，尤其是热阻比钢材、混凝土、砖大得多，由于成型工艺特殊，与目前生产的冷压成型的无机胶合竹、木、纤维板、玻镁板等有很大区别，它是无极胶凝浆料渗透到生物质细胞组织中通过化学键粘合和机械互锁形成的聚合结晶体，结合非常牢固，由于生物质纤维在热压作用下自胶结和镁水泥无机胶粘迅速实现不反弹、不变形、有强度、可脱模，节约劳动时间、缩短生产周期;另一方面有利于热压机中厚度规控制板材容重，生产出不同使用要求的人造板。

若无极交合生物质建材用于墙体材料，装修材料、家具材料，最佳选择的生物质纤维是竹纤维。

竹材的力学性能：竹子是生长迅速的禾草类植物。竹子的种类较多，有毛竹、慈竹、斑竹、楠竹等。在非木材植物中，竹材与其它非木材植物相比较，竹材的纤维细胞含量和纤维的长宽比高于麦秸、稻草、高粱秸、玉米秸等。例如：毛竹的纤维细胞含量为68.8%、纤维的长宽比为123，而麦秸的纤维细胞含量只有62.1%、纤维的长宽比为102。纤维细胞含量和纤维长宽比决定了纤维的力学性能。

竹材的抗拉强度和弹性模量：由于竹材的纤维细胞含量和纤维的长宽比高，竹材的抗拉强度也就高，以毛竹的竹纤维为例，抗拉强度可达180MPa～220MPa，高于农作物秸秆抗拉强度;同样，由于竹材的灰分含量低，竹材的弹性模量高，以毛竹为例，弹性模量可达8200MPa～11000MPa，高于农作物秸秆弹性模量。抗拉强度和弹性模量高有利于提高竹纤维増强镁水泥制品的抗弯强度和刚度。

竹纤维对镁水泥制品的増强作用：提高了基体材料的抗拉强度和弹性模量，就常用的湿料法辊压成型工艺制作的板材而言，板材承受弯曲应力时弯曲拉应力由玻璃纤维布和基体材料共同承担，而弯强压应力由基体材料承担（玻璃纤维作为柔性材料只能承受拉应力）。玻璃纤维布和基体材料共同承受彎曲拉应力，就需要基体材料抗拉强度高：提高板材的抗弯强度，由于玻璃纤维布増强镁水泥与竹纤维复合基的弹性模量得到提高，承受弯曲应力时，板材的力学中性轴就要向受拉区移动。这样，受拉区的竹纤维和布罝在板材最大弯曲拉应力处的玻璃纤维布的抗拉强度就要发挥到最佳状态，因而同等玻璃纤维布掺量的板材，镁水泥与竹纤维复合构成的镁水泥复合基的板材比镁水泥与秸秆碎料或木屑复合构成的镁水泥复合基的板材抗弯强度高。抗弯强度是板材的主要力学性能，检测抗弯强度时一般都是检测强度极限范围内的抗弯强度。板材的抗弯强度高证明板材能承受较大的弯曲应力，板材的力学性能好。用天然无机镁质胶凝材料做结合剂与竹纤维胶合，添加工、农业废弃物、配以专用外加剂，用特殊工艺制造出来的新型无极镁质硫铝硅水泥胶合竹纤维（包括秸秆、木屑、等生物质纤维）复合材料，材料具有气硬、水硬兼有性能，材料的防水性好，强度高、韧性好、防火（A级）、防蛀、防腐、防静电、隔音、保温、无毒、无放射性物质、绿色环保;完全可用来代替木材、大芯板、密度板、胶合板、等有机胶合人造板做室内装修材料，实现室内装修后环境清洁化、铲除装修材料污染源、消除健康隐患指日可待。

4  发展无极镁质胶合生物质纤维绿色建材的意义和前景

我国是一个农业大国，每年有7亿吨秸秆等待利用，如果解决了利用秸秆制作人造板，也就为我国秸秆的综合利用找到了出路。要在全国范围内解决农作物秸秆的综合利用，其根本出路在于农作物秸秆的工业化利用，其中秸秆制人造板是秸秆工业化利用中最具市场发展潜力和产业化前景的技术。发展秸秆人造板不仅可提高秸秆消耗率和利用率、节约木材资源、保护生态环境，而且还可促进农业和农村经济的发展、扩大城乡就业、增加农民收入。

我国不仅农作物秸秆资源丰富，而且也是竹资源最丰富的国家，被誊为“竹子王国”，竹林面积520多万公顷。毛竹产地散布着星罗棋布的竹材加工厂，这些竹材加工厂生产出竹席、竹家具等产品后，边角余料堆集如山，虽然竹材的边角余料可以自然降解、回归大自然，但如果合理利用，则可提高资源的利用率。因此，合理利用这些生产废物，就扩大了资源的有效利用范围。

工业和信息化部、住房和城乡建设部联合发布和印发的《促进绿色建材生产和应用行动方案》第十二条指出：“支持利用农作物秸秆、竹纤维、木屑等发展生物质建材，优先发展和使用生物质纤维増强的木塑、新型镁质建材等围护用和装饰装修产品。”在装配式建筑和钢建构建筑日益发展的今天，和秸秆、木屑一样，竹纤维在増强新型镁质建材中的应用，已放在十分重要的位置。充分利用我国我国镁资源储量大、品位高，竹资源丰富（加工后废料）有利条件，将这些竹材加工厂废物作为新的生产要素投入使用，加工成绿色环保材料，用于装修、建筑，既解决装修污染问题，又变废为宝，对促进我国循环经济的发展具有重要意义。

5  结语

镁水泥能与生物质纤维直接复合的性能，提高了生物质资源的利用率。可以因地制宜选用生物质的废弃物进行生产无极胶合生物质纤维板，不仅使各种生产废弃物得到合理利用，提高附加值，同时对环境保护也可以作出贡献，为建筑、装修、家具制造，提供绿色环保、安全高性能材料，彻底杜绝室内污染源，让我国人民生活在梦寐以求的清洁、舒适、安全的环境中，永远健康、快乐！

参考文献：

[1] 温玉泉，谌萌，熊荣生.技术进步中的镁水泥[J].中国菱镁，2012（2）.

[2] 谌萌，席凯原.无机胶合中密度纤维板复合原理和关键工艺分析[J].中国建材科技，2013（2）.