一种仿生贝壳的无机胶复合竹材及其制备方法

本发明涉及无机胶复合竹材，具体涉及一种仿生贝壳的无机胶复合竹材及其制备方法。

背景技术：

1、竹材凭借生长周期短、固碳能力强、力学性能优异的特性，逐渐成为替代传统不可再生建材的重要天然材料，其在建筑结构、装饰装修等领域的应用场景不断拓展，市场需求持续增长。在竹材工业化应用过程中，胶黏剂是连接竹材单元、保障复合竹材结构稳定性与力学性能的关键材料，胶黏剂的组分与性能直接决定复合竹材的综合品质、使用安全性及适用范围。

2、当前行业内制备复合竹材时，多采用有机胶黏剂实现竹材间的粘接成型，常用有机胶黏剂包括酚醛树脂、脲醛树脂和三聚氰胺甲醛树脂等石油基胶黏剂，以及淀粉基、大豆蛋白基等生物质胶黏剂。石油基胶黏剂通过树脂固化反应形成稳定粘接界面，可满足复合竹材基础力学强度需求，但其固化后会持续释放甲醛等挥发性有害物质，长期接触易危害人体健康，且在湿热环境下易发生老化降解，复合竹材的力学强度随使用时间延长显著下降，耐久性难以保障；生物质胶黏剂虽无甲醛释放问题，但自身分子结构稳定性差，固化后粘接强度较低，同时遇水易溶胀软化，耐水性能薄弱。目前还有通过无机胶黏剂粘接竹材，相比石油基胶黏剂，无机胶黏剂不含挥发性有机物，生产与使用过程无有毒气体释放，固化收缩率低，可减少粘接界面应力变形。

3、在行业中，无机胶黏剂已逐步成为替代传统有机胶复合竹材的主流技术。然而无机胶黏剂固化后形成的基体脆性较大，当复合竹材承受外力作用时，易出现开裂、断裂等问题，韧性不足；同时现有的无机胶黏剂的力学强度偏低，高温稳定性有限，且无机胶黏剂与竹材界面结合稳定性差，耐虫蚁侵蚀能力弱，长期使用易被虫蛀破坏，难以满足建筑材料对强韧性、高耐火、高强度及防虫的综合要求。

技术实现思路

1、针对现有的采用无机胶黏剂的复合竹材存在韧性不足、力学强度偏低、高温稳定性差及耐虫蚁侵蚀能力偏弱的技术问题，本发明提供一种仿生贝壳的无机胶复合竹材及其制备方法。

2、本发明技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供一种仿生贝壳的无机胶复合竹材，由无机胶黏剂、水凝胶和竹束混合而成，所述无机胶黏剂，由以下重量比的组分组成：氧化镁：七水硫酸镁：硅灰：粉煤灰：硅溶胶：硅酸锂：硅酸钠：柠檬酸：纤维：水=1：（0.2~0.6）：（0.01~0.1）：（0~0.3）：（0.001~0.03）：（0~0.02）：（0.005~0.03）：（0.002~0.03）：（0.02~0.1）：（0.4~0.8）；所述水凝胶与氧化镁的重量比为（0.01~0.03）：1。

4、进一步的，所述无机胶黏剂，由以下重量比的组分组成：氧化镁：七水硫酸镁：硅灰：粉煤灰：硅溶胶：硅酸锂：硅酸钠：柠檬酸：纤维：水=1：（0.3~0.5）：（0.02~0.06）：（0.1~0.2）：（0.005~0.01）：（0.005~0.01）：（0.005~0.01）：（0.005~0.02）：（0.03~0.08）：（0.4~0.6）。

5、进一步的，所述纤维为竹材加工过程中产生的竹屑，长度为10~20mm，直径为20~30μm，有效抑制基体开裂，提升复合竹材的断裂韧性与抗折强度，改善无机胶黏剂脆性大的缺陷。

6、进一步的，所述水凝胶为纤维素纳米晶复合聚丙烯酰胺水凝胶，断裂伸长率≥250%，由纤维素纳米晶和聚丙烯酰胺混合而成，其中，纤维素纳米晶和聚丙烯酰胺的重量比为（0.2~1）：1，其中，纤维素纳米晶的直径为4~9nm，长度为100~400nm；聚丙烯酰胺为阴离子性聚丙烯酰胺，分子量为（0.5~2.5）×108da，水解度为10%~35%；该水凝胶具有高弹性与高伸长率，可在无机胶硬脆基体中形成柔性“泥”相，与竹材、无机胶黏剂构成仿贝壳“砖-泥”复合结构；水凝胶的微孔结构利于胶浆渗透与界面咬合，受力时可通过自身变形耗散能量，大幅提升复合竹材的韧性、抗冲击性与变形协调性。

7、进一步的，所述氧化镁为轻烧氧化镁，活性≥50%；七水硫酸镁的有效含量≥90%；硅灰中sio2含量≥90%，硅灰的颗粒尺寸分布为50~260nm；活性轻烧氧化镁水化反应充分，生成高强度水化产物；七水硫酸镁提升基体强度；纳米级硅灰可填充水化产物孔隙，细化微观结构，提高无机胶黏剂致密度、强度与耐水性，但是用量过高，会降低无机胶黏剂的流动性，增大脆性，增大开裂风险。

8、进一步的，所述粉煤灰为一级或二级，活性指数＞80%；硅溶胶的粒度为7~25nm，所述柠檬酸的纯度＞95%；粉煤灰可参与水化反应，提升无机胶黏剂后期强度与耐久性能；硅溶胶提高粘性与渗透性，强化界面粘接强度；柠檬酸可调控水化反应进程，促进稳定水化相生成，避免凝结异常，改善无机胶工作性能与微观结构稳定性。

9、进一步的，所述硅酸锂的模数为2.0~3.0，提升无机胶的粘结强度、耐水性与耐久性。

10、进一步的，所述硅酸钠的模数为1.5~3.0，提高胶结强度与界面浸润性，与硅酸锂、硅溶胶复配协同，显著改善无机胶的粘接性能、耐水性与固化稳定性。

11、第二方面，本发明提供一种仿生贝壳的无机胶复合竹材的制备方法，包括以下步骤：

12、（1）制备水凝胶：将聚丙烯酰胺加入水中超声搅拌5~10min，然后加入纤维素纳米晶继续超声分散5~10min至分散均匀，制备出纤维素纳米晶复合聚丙烯酰胺水凝胶，其中，纤维素纳米晶和聚丙烯酰胺的重量比为（0.2~1）：1；

13、（2）七水硫酸镁加入水中搅拌至溶解，水温30~40℃，得到硫酸镁水溶液；随后加入硅溶胶、柠檬酸、硅酸锂、硅酸钠和纤维素纳米晶复合聚丙烯酰胺水凝胶继续搅拌均匀，再加入氧化镁、硅灰和粉煤灰继续搅拌均匀，最后加入纤维搅拌均匀，得到无机胶黏剂；

14、（3）将竹束置于传输带上，均匀喷射无机胶黏剂，并用滚轴进行挤压确保胶的浸润，后装入模具中，用1.0~6.0mpa的压力压制成型。

15、进一步的，所述步骤（2）中，硅酸锂和/或硅酸钠为固体时，需要提前在水中溶解，水的重量为固体的2~3倍；提前水中溶解，保证其在无机胶体系中均匀分散，充分发挥增强粘接、提升耐水的作用。

16、本发明的有益效果在于：

17、1. 本发明提供的仿生贝壳的无机胶复合竹材，借鉴珍珠贝壳“砖-泥”结构，引入水凝胶作为柔性增韧相，与无机胶黏剂和竹材复合，大幅提升复合竹材韧性、抗冲击性与变形协调性，有效解决无机胶黏剂脆性大、易开裂断裂的问题，同时，“砖-泥”结构致密，隔绝虫蚁侵入通道，提升耐虫蚁侵蚀能力。

18、2. 本发明提供的无机胶黏剂，通过氧化镁、七水硫酸镁、硅灰和硅溶胶复配，形成致密稳定的硫氧镁水化体，显著提升复合竹材的力学强度、高温稳定性。

19、3. 本发明制得的无机胶复合竹材，28天顺纹抗压强度为40~75mpa，28天顺纹抗拉强度为50~80mpa，28天抗弯强度为70~95mpa，断裂韧性达2~5n/mm，未经任何防火处理的无机胶复合竹材燃烧性能等级为b1级，耐虫蚁性能等级为10级，采用该复合竹材制备的柱、梁、楼板的耐火极限分别可达到3h、2h和1h以上。