一种非晶态硅基生物抗菌复合板材及其制备方法与流程

本发明涉及人造板材，具体涉及一种非晶态硅基生物抗菌复合板材及其制备方法。

背景技术：

1、石英石板材具有硬度较高、耐磨性较好等特点，常应用于墙面、厨房台面、洗脸台、茶几、餐桌、窗台等家居装饰墙面或台面领域。现有石英石板材多以天然晶态石英砂和石英粉作为主要骨料；天然晶态石英骨料与有机树脂胶结相的热膨胀特性存在差异，当板材作为厨房台面使用并受到高温器具局部加热或冷热交替作用时，骨料与树脂胶结相之间容易产生不均匀变形和界面热应力，影响板材的热尺寸稳定性和使用寿命。熔融石英砂是以天然高纯石英或石英砂为原料，经高温熔融，使原有晶态二氧化硅结构转变为熔融态，再经冷却形成非晶态二氧化硅材料，并经破碎、筛分等处理得到的颗粒状产品。相较于天然晶态石英，熔融石英具有较低的热膨胀特性和较好的耐热冲击性能，将其用作板材骨料，有利于改善板材在温度变化条件下的尺寸稳定性。

2、此外，家居装饰墙面或台面容易因潮湿、油污或频繁接触而附着和滋生细菌、霉菌等微生物，因此除了具有良好的力学性能和尺寸稳定性外，还需要具备一定的抗菌性能；现有抗菌改性方法中，通常可将抗菌剂或负载型抗菌剂直接加入石英石板材中，如公开号为cn111875294a的专利申请文件，公开了一种抗菌防霉石英石及其制备方法，该申请文件通过添加磷酸锆载银锌复合抗菌剂能够在添加比例很低的情况下即可使石英石具有良好的抗菌效果和防霉效果，有助于节约成本，且不影响石英石的物理性能，然而该抗菌剂分散于石英石板材的整个基材内部，而板材的抗菌作用主要发生在其使用表面，包埋于板材内部的部分抗菌组分难以直接接触板材表面的微生物，其抗菌作用的发挥依赖于活性成分向表面的迁移，因而抗菌组分的有效利用率仍受到一定限制。

3、因此，需要提供一种非晶态硅基生物抗菌复合板材及其制备方法，以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种非晶态硅基生物抗菌复合板材及其制备方法，能够提高抗菌性能的同时具有良好的热尺寸稳定性和力学强度。

2、为实现上述目的，本发明提供一种非晶态硅基生物抗菌复合板材的制备方法，包括以下步骤：

3、s1、将去离子水、分散剂、竹叶黄酮-壳聚糖包覆薄荷精油微胶囊、水性丙烯酸酯改性聚氨酯乳液、助剂混合，静置脱泡得到生物抗菌涂料；

4、s2、将环氧树脂、碳化硼、分散剂、kh-560和消泡剂混合并真空脱泡；再依次加入硅烷改性洋麻纤维、熔融石英粉和熔融石英砂混合，加入固化剂，搅拌并真空脱泡，铺入模具中，经真空振动、预压和分阶段升温保压固化后，冷却脱模，再经后固化、养护、切边、打磨、清洗和干燥，得到非晶态硅基基板；

5、s3、将生物抗菌涂料喷涂于非晶态硅基基板表面，喷涂后经流平、干燥、冷却和养护得到非晶态硅基生物抗菌复合板材。

6、本发明以熔融石英砂和熔融石英粉作为非晶态硅基骨料，利用熔融石英砂、熔融石英粉与碳化硼颗粒之间的粒径级配，使细小颗粒填充于熔融石英砂颗粒间隙中，减少基板内部孔隙，提高基板的结构致密性，进而提高整体强度。熔融石英骨料和碳化硼颗粒共同形成低膨胀、高刚性的无机骨架，硅烷改性洋麻纤维分布于骨架及树脂胶结相之间，三者协同约束板材受热变形并分散温度变化产生的内部应力，从而降低板材发生翘曲、开裂及尺寸变化的风险。同时，熔融石英骨料和碳化硼颗粒能够提高复合体系的刚度并分担弯曲载荷，洋麻纤维则通过载荷传递和裂纹桥联作用延缓裂纹扩展。由此各组分协同配合，使所得非晶态硅基基板具有较高的致密性以及良好的抗弯性能、抗冲击性能和热稳定性。

7、本发明采用竹叶黄酮-壳聚糖包覆薄荷精油微胶囊作为生物抗菌组分。其中，薄荷精油中的活性成分能够对板材表面附着的微生物产生抑制作用；壳聚糖具有一定的抑菌性和成膜性，并可作为微胶囊壁材对薄荷精油进行包覆，减少薄荷精油在涂料制备和使用过程中的快速挥发；竹叶黄酮含有多酚类活性成分，能够与壳聚糖通过氢键等相互作用共同构成复合壁层，并可发挥一定的抑菌和抗氧化作用，有利于维持微胶囊壁层及薄荷精油活性成分的稳定性。微胶囊分散于水性丙烯酸酯改性聚氨酯涂层中后，成膜乳液能够对微胶囊进行固定和保护，降低其脱落和破损的风险，同时使薄荷精油活性成分逐渐释放，有利于提高抗菌作用的持久性，并可使板材表面具有薄荷精油特有气味。

8、可选的，所述竹叶黄酮-壳聚糖包覆薄荷精油微胶囊由5~5.5份薄荷精油和5~5.5份tween 80混合，在45~50℃、1000~1200r/min持续搅拌条件下滴加至125~130份去离子水中，滴加完成后继续乳化30~45min，置于45~50℃水浴中，在1000r/min持续搅拌条件下滴加竹叶黄酮-壳聚糖复合溶液，滴加完成后采用10wt%的柠檬酸一水合物水溶液将体系ph调节至3.8~4.2反应60~80min；随后加入30~50份2wt%的三聚磷酸钠水溶液继续反应60~70min，冷却至室温并静置60~70min后，在进料速度为100~120ml/h、进风温度为120℃的条件下进行喷雾干燥，收集所得粉体，冷却、轻度研散并过150目筛得到。

9、tween 80可降低油水界面张力，使薄荷精油形成稳定的细小乳滴；在ph为3.8~4.2的酸性条件下，壳聚糖分子链上的氨基质子化形成-nh3+，使壳聚糖吸附并包覆于精油乳滴表面，竹叶黄酮通过氢键及疏水相互作用与壳聚糖结合，形成复合壁层。加入三聚磷酸钠后，其多磷酸根与壳聚糖质子化氨基发生静电作用和离子交联，使壁层进一步固化并形成稳定的三维网络结构。经喷雾干燥快速脱水后，复合壁材固化于精油乳滴表面，最终形成以薄荷精油为芯材、竹叶黄酮-壳聚糖交联层为壁材的微胶囊，从而减少精油挥发和氧化损失，并有利于其缓慢释放。

10、可选的，所述竹叶黄酮-壳聚糖复合溶液由以下方法制得：将1.25~1.45份竹叶黄酮加入85~95份去离子水中，在45~50℃下搅拌10~15min，随后缓慢滴加至壳聚糖溶液中，滴加完成后继续搅拌20~30min得到；所述壳聚糖溶液由3.8~4.2份壳聚糖加入350~400份1wt%的乙酸水溶液中，在50℃下搅拌1~2h得到。

11、可选的，所述步骤s1中，将4.5~5份去离子水与0.1~0.2份分散剂混合搅拌3~5min，分2~3次加入3~5份竹叶黄酮-壳聚糖包覆薄荷精油微胶囊搅拌10~15min，加入87~92份水性丙烯酸酯改性聚氨酯乳液混合搅拌15~20min，再加入助剂继续搅拌5~8min，静置脱泡得到生物抗菌涂料；所述助剂包括0.2~0.22份流平剂和0.2~0.22份水性消泡剂。

12、可选的，所述硅烷改性洋麻纤维由1.2~1.6份kh-560加入280~320份95vol%的乙醇水溶液中，用冰乙酸调节ph至4.5~5.0，搅拌预水解30~40min，加入30~32份碱处理洋麻纤维浸渍处理30~40min，在70~80℃下真空干燥4~6h得到。

13、在弱酸性条件下，kh-560预水解形成的硅醇基可与洋麻纤维表面的羟基发生作用，其环氧基可参与环氧树脂固化反应，从而增强洋麻纤维与树脂胶结相之间的界面结合。该改性有利于改善纤维在树脂体系中的润湿性和分散性，减少纤维团聚及界面脱粘，提高载荷传递效率，使洋麻纤维更好地发挥增强和裂纹桥联作用。

14、可选的，所述碱处理洋麻纤维由35~40份洋麻纤维剪切至长度为8~12mm后，加入640~680份质量浓度为5%的氢氧化钠水溶液中浸渍60~80min，用去离子水洗涤4~6次，在70~80℃下真空干燥8~10h得到。

15、通过碱处理可去除洋麻纤维表面的部分木质素、半纤维素及杂质，使纤维表面粗糙化并暴露更多羟基，有利于后续硅烷偶联剂改性。

16、可选的，所述步骤s2中，将第一部分环氧树脂、碳化硼和分散剂混合，在1000~1200r/min下高速分散20~30min，再加入剩余环氧树脂、kh-560和消泡剂混合搅拌12~16min，于-0.08mpa下真空脱泡8~10min，分2~3次加入硅烷改性洋麻纤维混合搅拌5~8min，再依次加入熔融石英粉和熔融石英砂混合搅拌10~12min，加入固化剂搅拌2~4min，于-0.08mpa下真空脱泡3~4min，铺入模具中，在-0.08mpa真空条件下振动5~6min，再于2.5mpa下预压12~15min，于60~65℃下保压固化60~70min，再于75~80℃下保压固化90~120min，冷却、卸压、脱模，于90~100℃下后固化2~3h，经养护、切边、打磨、除尘、用无水乙醇洗涤并干燥得到非晶态硅基基板。

17、可选的，所述第一部分环氧树脂的用量为60~70份，剩余环氧树脂的用量为115~125份；所述打磨是采用400目和600目砂纸进行的；所述消泡剂具体为有机硅消泡剂。

18、环氧树脂分两次加入，可先以少量树脂形成较高剪切的浓缩分散体系，促进碳化硼润湿和解聚；再加入剩余树脂调节体系黏度，便于后续纤维及石英骨料均匀混合。依次采用400目和600目砂纸打磨，可先去除基板表面凸起和成型缺陷，再细化打磨划痕，提高表面平整度和洁净度，有利于抗菌涂层均匀铺展并增强其与基板的附着。

19、优选的，所述环氧树脂为双酚a型液体环氧树脂。

20、可选的，所述步骤s3中，将生物抗菌涂料喷涂于非晶态硅基基板表面，控制喷涂压力为0.20~0.30mpa，喷枪与基板表面的距离为15~20cm，施涂量为150~170g/m2；喷涂后于25~27℃下流平20~30min，于45~50℃下预干燥20~30min，再于55~60℃下干燥30~40min，冷却后在室温下养护36~48h，得到非晶态硅基生物抗菌复合板材。

21、本发明还提供了一种非晶态硅基生物抗菌复合板材，由上述制备方法制备得到，包括非晶态硅基基板和喷涂于非晶态硅基基板表面的生物抗菌涂层；非晶态硅基基板包括如下质量份原料：175~195份环氧树脂、20~25份碳化硼、1.2~1.6份分散剂、4~5份kh-560、0.4~0.6份消泡剂、28~32份硅烷改性洋麻纤维、150~160份熔融石英粉、640~650份熔融石英砂、20~22份固化剂；所述非晶态硅基基板的厚度为14.5~15.5mm，所述生物抗菌涂层干膜厚度为50~70μm。

22、上述组分配比可使环氧树脂充分胶结熔融石英骨料，并通过碳化硼和硅烷改性洋麻纤维实现颗粒增强与纤维增强，kh-560有利于改善各相界面结合，从而兼顾基板的致密性、抗弯性能和抗冲击性能。将抗菌涂层干膜厚度控制为50~70μm，可保证抗菌组分具有足够的表面负载量和涂层连续性，同时避免涂层过厚引起干燥不均或开裂。

23、本发明的上述技术方案至少包括以下有益效果：

24、本发明利用熔融石英砂、熔融石英粉与碳化硼颗粒的粒径级配填充基板孔隙，提高结构致密性；熔融石英骨料和碳化硼形成低膨胀、高刚性无机骨架，硅烷改性洋麻纤维在骨架与树脂胶结相之间发挥载荷传递和裂纹桥联作用。各组分协同作用，使基板具有良好的抗弯性能、抗冲击性能和热尺寸稳定性。

25、本发明以竹叶黄酮-壳聚糖包覆薄荷精油微胶囊作为生物抗菌组分。薄荷精油提供抑菌活性，壳聚糖兼具抑菌和成膜作用，可包覆精油并减少其挥发；竹叶黄酮可增强复合壁层稳定性，延缓活性成分氧化损失。微胶囊分散于水性丙烯酸酯改性聚氨酯涂层中后，可得到固定和保护，并逐渐释放薄荷精油活性成分，从而提高抗菌作用的持久性，并可使板材表面具有薄荷精油特有气味。