一种树皮基回弹减震地面保温材料的制作方法

1.本发明涉及废弃物资源的高值化利用技术，具体涉及一种树皮基回弹减震地面保温材料。


背景技术：

2.软木取材于栎树树皮，具有天然微米级蜂窝闭孔结构，拥有保温隔热、防水防潮、回弹减震等优良特性，是可再生、可降解的绿色环保资源，在我国被广泛种植生产。但通常这类材料被用作废弃物，直接燃烧掉，造成资源的巨大浪费。尽管近年来，软木被开发成地面材料，兼具木材的保温特性，地毯的柔软特性及瓷砖的易打理性等优点于一身，但在承受物品压力尤其是尖锐物品压力时，容易产生压痕，不易快速回弹，即存在压痕残留的主要问题，严重制约了这类材料在市场上的推广应用，进而影响了它的高值化利用。
3.在我国，坚果壳是一类产量巨大但尚未被充分挖掘利用的可再生资源，通常被用做废弃物处理或直接燃烧掉，既对环境造成污染，又降低了本身的利用价值。然而，这类资源具有致密的微米级细胞结构，拥有坚硬、耐磨、尺寸稳定等优点，特别适用于增硬、耐磨等领域应用。
4.受这两种资源材料特性的启发，发明了一种树皮基回弹减震地面保温材料。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术的缺点，设计了一种树皮基回弹减震地面保温材料，通过空心软木细胞与密实坚果壳细胞在微米级尺度均匀复合，融合了软木的隔热保温、回弹减震、防水防潮优点和坚果壳的坚硬耐磨、尺寸稳定的优点，并充分发挥坚果壳的密实刚性结构，在微米级尺度补强了软木的柔性细胞结构，进而有效解决了纯软木材料的压痕残留瓶颈，可用作节能保温的地面材料，拥有良好的被动式防护功能，实现了废弃物资源的高值化利用。
6.本发明公开的技术方案如下：一种树皮基回弹减震地面保温材料，制备方法如下，1）把软木和坚果分别破碎，分别筛选出微米粒径的软木颗粒和坚果壳颗粒；2）将纳米纤维素乙醇溶液与甘油共混均匀制成共混液体；3）将软木颗粒加入所述的共混液体中，搅拌均匀；4）取出表面湿润的软木，放置，使乙醇挥发完全，得到表面均匀覆盖甘油/纳米纤维素的软木颗粒；5）在坚果壳颗粒中引入聚氨酯胶，搅拌均匀；然后将步骤四的软木颗粒和步骤五的坚果壳颗粒共混均匀，倒入模具，热压成型，得到软木坚果壳复合地面保温材料。
7.在上述方案的基础上，作为优选，利用破壳机把软木和坚果破碎。
8.在上述方案的基础上，作为优选，软木颗粒和坚果壳颗粒的粒径为100-500微米。
9.在上述方案的基础上，作为优选，按照体积比为1:5的比例，将0.5%质量浓度的纳米纤维素乙醇溶液与甘油共混均匀制成共混液体。
10.在上述方案的基础上，作为优选，按质量比为1:1的比例，将软木颗粒加入所述的共混液体中，搅拌均匀。
11.在上述方案的基础上，作为优选，在坚果壳颗粒中引入质量占比10%的聚氨酯胶，搅拌均匀；然后将步骤四的软木颗粒和步骤五的坚果壳颗粒按照2:1的质量比共混均匀。
12.在上述方案的基础上，作为优选，在热压机中热压成型，热压温度为120 ℃，热压压力为2 mpa，热压时间为15 min。
13.在上述方案的基础上，作为优选，软木坚果壳复合地面保温材料在脱模后，放置到温度20
±
2℃、相对湿度65
±
5%的环境下24 h。
14.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：通过空心软木细胞与密实坚果壳细胞在微米级尺度均匀复合，融合了软木的隔热保温、回弹减震、防水防潮优点和坚果壳的坚硬耐磨、尺寸稳定的优点，并充分发挥坚果壳的密实刚性结构，在微米级尺度补强了软木的柔性细胞结构，进而有效解决了纯软木材料的压痕残留瓶颈，可用作节能保温的地面材料，拥有良好的被动式防护功能，实现了废弃物资源的高值化利用。
15.纳米纤维素来源于生物质木材资源，具有高长径比和丰富的极性官能团，可以网络缠绕形态，与软木和坚果壳等生物质同源材料形成强相互作用力，同时参与聚氨酯胶的粘结反应，从而作为桥梁同步增强聚氨酯胶的内结合强度及软木、坚果壳的连接强度。
16.甘油既与纳米纤维素有强亲和力，又能以充分润湿包裹软木颗粒，并借助其高粘度，助力固体颗粒间实现均匀共混。两者共同作用，有效解决了软木与坚果壳密度差异巨大带来的难以共混均匀，致使复合材料成型强度低的技术瓶颈，保障了复合材料的节能保温与压缩回弹快速等关键性能。
附图说明
17.图1 软木/核桃壳复合地面保温材料表面电子照片（软木：核桃壳=2:1，质量比）；图2 不同比例软木/核桃壳复合地面保温材料的密度；图3不同比例软木/核桃壳复合地面保温材料的初始压缩度；图4 不同比例软木/核桃壳复合地面保温材料的残留压缩度；图5 不同比例软木核桃壳保温材料的磨损值；图6 不同比例软木核桃壳保温材料的导热系数；图7微观结构：（a）软木微观结构图；（b）核桃壳微观结构图；（c）软木/核桃壳保温材料微观结构图；图8软木与坚果壳复合图片：（a）软木/松子壳复合板；（b）软木/开心果壳复合板。
具体实施方式
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
19.一种树皮基回弹减震地面保温材料，制备方法如下：
1）利用破壳机把软木和坚果破碎，分别筛选出100-500微米粒径的软木颗粒和坚果壳颗粒；2）按照体积比为1:5的比例，将0.5%质量浓度的纳米纤维素/乙醇溶液与甘油共混均匀；3）按质量比为1:1的比例，将软木颗粒加入上述纳米纤维素-甘油共混液体中，搅拌均匀；4）取出表面湿润的软木，放置10分钟以上，使乙醇挥发完全，得到表面均匀覆盖甘油/纳米纤维素的软木颗粒；5）在坚果壳颗粒中引入质量占比10%的聚氨酯胶，搅拌均匀；然后将步骤四的软木颗粒和步骤五的坚果壳颗粒按照2:1的质量比共混均匀，倒入模具，在热压机中热压成型，得到目标软木/坚果壳复合地面保温材料。热压温度为120 ℃，热压压力为2 mpa，热压时间为15 min。
20.该材料在脱模后，放置到温度（20
±
2）℃、相对湿度（65
±
5）%的环境下24 h，然后切割，做进一步性能测试。
21.其中，纳米纤维素来源于生物质木材资源，具有高长径比和丰富的极性官能团，可以网络缠绕形态，与软木和坚果壳等生物质同源材料形成强相互作用力，同时参与聚氨酯胶的粘结反应，从而作为桥梁同步增强聚氨酯胶的内结合强度及软木、坚果壳的连接强度。甘油既与纳米纤维素有强亲和力，又能以充分润湿包裹软木颗粒，并借助其高粘度，助力固体颗粒间实现均匀共混。两者共同作用，有效解决了软木与坚果壳密度差异巨大带来的难以共混均匀，致使复合材料成型强度低的技术瓶颈，保障了复合材料的节能保温与压缩回弹快速等关键性能。
22.实验结果图1示出了软木/核桃壳复合地面保温材料表面照片，软木与核桃壳按照质量比为2:1的比例，经过上述复合步骤，制得软木/核桃壳保温材料。它的初始压缩度达到24.6 %，残留压缩度减小到0，此时材料表面既有软弹性又不会留下永久变形，有效解决了纯软木材料的压痕残留、回弹滞后问题。从离地面1米高处丢下玻璃器皿，落到该材料表面，器皿会完好无损地瞬间停稳，不会被摔碎，而它在同样高度落到木地板、瓷砖等地面材料上，会破损，表明该材料具有良好的减震特性。它的导热系为0.063w/（m
•
k），与纯软木保温材料的导热0.061 w/（m
•
k）相当，远低于瓷砖、大理石和木地板等传统地面材料的导热系数，表明该复合材料仍具备优良的保温性能；它较纯软木保温材料的耐磨性能提升了33%，耐磨性得到明显改善；它吸水率和吸水厚度膨胀率分别为9.3 %和8.5 %，较纯软木保温材料略有提高，但仍远低于其它木质材料，呈现出良好的尺寸稳定性。将软木/核桃壳保温材料与瓷砖和木板等传统地面材料进行传热、耐污、耐磨、耐水对比，结果表明，软木/核桃壳保温材料的热量传递速度最慢，耐污、耐磨和耐水性能优良，适宜用作地面保温材料。
23.软木颗粒与开心果壳或松子壳等颗粒按照质量比为2:1的比例共混，经过上述复合步骤，分别制得软木/开心果壳保温材料和软木/松子壳保温材料，密度分别可达0.52 g/cm3和0.45 g/cm3，导热性能同软木/核桃壳保温材料相当，表明具有良好的保温性能；软木/开心果壳保温材料的吸水率和吸水厚度膨胀率分别为9.4 %和9.2 %，而软木/松子壳保温材料的吸水率和吸水厚度膨胀率分别为9.5 %和8.9 %，这表明软木与各类坚果壳复合都
有着做地面保温材料的潜力。此外，这类保温材料具有满足地板材料所要求的耐磨性、内结合强度等主要性能，还可以与瓷板、木板复合制成双层/多层结构材料，潜在应用于航天、船舶、文体、机械、建筑、家居等更广的领域，实现节能保温功效。
24.图2呈现了软木/核桃壳复合保温材料原料配比和密度的关系。纯软木保温材料的密度为0.35 g/cm3。当软木颗粒与核桃壳颗粒的比值为4:1时，复合材料的密度为0.36 g/cm3，相较于软木保温材料密度变化小，仅增加了0.01 g/cm3。虽然核桃壳的密度为0.9 g/cm3，远高于软木颗粒的密度，但当软木颗粒和核桃壳颗粒质量比为4:1时，核桃壳颗粒的质量占比很小。因此，核桃壳颗粒体积在整个软木/核桃壳复合保温材料中的占比很小，使得密度变化很小。当软木于核桃壳的比例为2:1时，复合材料密度为0.44 g/cm3；当软木于核桃壳的比例为1:1时，密度达到0.50 g/cm3；当软木于核桃壳的比例为1:2时，密度达到0.61 g/cm3；当软木于核桃壳的比例为1:4时，密度为0.71 g/cm3。从以上数据可以看出，随着核桃壳颗粒占比的不断增多，软木/核桃壳保温材料的密度不断地增加，且增加的幅度也在变大，这同核桃壳颗粒与软木颗粒的密度差有关。在模具大小固定的前提下，核桃壳质量比重占的越大，核桃壳颗粒在固定模具中所占的体积就越大，从而使得软木核桃壳保温材料的密度随着核桃壳占比增加而增加，且增加幅度会提高。
25.综上，随着核桃壳添加量的增加，软木/核桃壳保温材料的密度也会随之增加；当核桃壳颗粒质量占较少时，各比例之间的密度增加幅度较小；当核桃壳颗粒质量占比较多时，各比例之间密度增加幅度变大。
26.图3和4分别为软木颗粒和核桃颗粒在不同比例下复合材料的初始压缩度和残留压缩度。从初始压缩度图中看出软木保温材料的初始压缩度为31.3 %，高于软木/核桃壳保温材料的初始压缩度。因为软木细胞内部中空且充满气体，所以对软木保温材料的表面施加压力时容易产生凹陷；当施加的压力较大时，凹陷短时间内很难及时复原。因此，纯软木保温材料的初始压缩度大，但会产生7.7 %的残留压缩度。根据实验数据可知，当软木颗粒与核桃壳颗粒的比例为4:1时，初始压缩度为26.7 %；比例为1:1、2:1和1:4时，初始压缩度分别为24.6 %、19.3 %和12.7 %；当软木颗粒和核桃壳颗粒的比例为1:1时，初始压缩度为21.1 %；通过以上数据可以看出，随着核桃壳颗粒占比的增多，软木/核桃壳保温材料的初始压缩度会不断降低。核桃壳细胞内部填充密实。随着核桃壳颗粒占比的增多，这种密实结构的细胞代替了一部分蜂窝状结构的细胞，使得蜂窝状中空细胞占比减少，进而导致软木/核桃壳保温材料越难以被压缩。因此，随着核桃壳颗粒比例的增多，软木/核桃壳材料的初始压缩度逐渐降低。
27.从残留压缩度图可以看出，保温材料的残留压缩度会随着核桃壳颗粒的增加而减小；当软木颗粒与核桃壳颗粒的比例为2:1时，残留压缩度为0。这表明，当软木颗粒与核桃壳颗粒的比例达到2:1之后，在实验中每次施加压力，软木/核桃壳保温材料表面都将会立即回弹而不会留下压痕。因为随着核桃壳颗粒占比的增多，在整个保温材料的微观结构中，密实结构材料逐渐增多，孔隙结构材料逐渐减少。在压缩过程中，密实结构可以给予孔隙结构一定的支撑作用，进而减少多孔结构受压的强度，从而降低了多孔材料的变形程度，使得软木/核桃壳保温材料的表面压力卸掉后可以立即回弹。
28.综上，随着核桃壳颗粒在保温材料中占比的增多，软木/核桃壳保温材料的初始压缩度会逐渐降低，残留压缩度也会逐渐降低；当软木颗粒与核桃壳颗粒的比例为2:1时，残
留压缩度降为0，此时软木/核桃壳保温材料既具有良好的软弹性能，又不会因为受压而产生压痕，有效解决了纯软木保温材料的压痕残留、回弹滞后问题。
29.图5为软木颗粒和核桃壳颗粒在不同比例复合时保温材料的耐磨性。从图中可以看出，软木保温材料的最高耐磨值为0.076 g/100r。当软木颗粒和核桃壳颗粒的比例为4:1时，软木/核桃壳保温材料的磨损值为0.067 g/100r，较纯软木保温材料的耐磨性能提升了17 %；当比例为2:1、1:1、1:2和1:4时，复合材料的磨损值分别为0.051 g/100r、0.047 g/100r、0.045g/100r和0.042 g/100r，较纯软木保温材料的耐磨性分别提升了32 %、38 %、41 %和44 %。从以上数据可以看出，随着核桃壳颗粒的不断增加，软木/核桃壳保温材料的耐磨性能在逐渐提高，当软木颗粒与核桃壳颗粒的比例达到2:1后，耐磨值变化幅度减小。因为核桃壳颗粒的主要成分为木质素、纤维素和半纤维素组成，并且核桃壳颗粒有高度木质化的石细胞，无纤维和束状结构（蒋恩臣， 2018）。因此，核桃壳颗粒相较于软木颗粒有很强的耐磨性。随着核桃壳颗粒比例的增加，核桃壳颗粒在复合保温材料的表面占比就会越多，对耐磨性的贡献就会越大。因此，随着核桃壳颗粒占比的增加软木/核桃壳保温材料的耐磨性能会提高。但当软木与核桃壳颗粒比例为2:1后随着核桃壳颗粒的占比增加，软木/核桃壳保温材料的耐磨性变化幅度较小。这是因为，随着核桃壳颗粒比例的增加，核桃壳颗粒在软木/核桃壳保温材料的表面占比就会越多。虽然经耐磨试验机打磨后从保温板表面脱落的粉末较少，但核桃壳颗粒的密度远大于软木的密度，从而使得打磨下来粉末的重量增加。所以会出现磨损值在2:1、1:1、1:2和1:4时变化不大的情况。
30.综上，随着核桃壳颗粒比例的不断增大，软木/核桃壳保温材料的耐磨性能会逐渐提高；当软木颗粒和核桃壳颗粒在比例为2:1时，软木核桃壳保温材料具备了优异的耐磨性能。
31.图6为不同比例的软木颗粒和核桃壳颗粒制成的软木/核桃壳保温材料的导热系数。从图中可以看出，纯软木保温材料的导热系数为0.061 w/（m
•
k），低于软木/核桃壳复合保温材料的导热系数。对于通常，热量通过传导（固体物质）、对流（只对大量体积的气体有作用）和辐射（在细胞尺寸中起作用较小）等方式传递，但在软木中，只有细胞壁的热传导有一定的作用，且细胞壁与细胞壁之间充满气体可以减缓热量的传递；另外，细胞壁的导热性能也仅仅略高于细胞内的气体。因此，软木的导热系数很低。当软木颗粒与核桃壳颗粒的比例为4:1、2:1、1:1、1:2和1:4时，软木/核桃壳保温材料的导热系分别为0.062 w/（m
•
k）、0.063 w/（m
•
k）、0.065 w/（m
•
k）、0.066 w/（m
•
k）和0.067 w/（m
•
k）；从以上数据可以看出，软木/核桃壳保温材料的导热系数随着核桃壳颗粒占比的增加而增大，但增加的幅度很小，各比例之间的导热系数相近。因为核桃壳颗粒内部细胞排列紧实，细胞壁和细胞壁之间可以较快地进行热传导，因此，随着核桃壳颗粒的增加，软木/核桃壳保温材料的导热系数会增加。但在软木/核桃壳保温材料中，软木占主体，复合材料的微观结构仍以软木的闭孔蜂窝状结构为主，致使热量在核桃壳细胞壁之间传热快，而在遇到软木细胞后，热量的传递又会被阻断。因此，导热系数增加的幅度很小。
32.综上，随着核桃壳颗粒的增加，软木/核桃壳保温材料的导热系数会增加，但增加的幅度很小。根据国家标准gb4272-92规定，平均温度不高于350 ℃时，导热系数不大于0.12 w/（m
•
k）的材料为保温材料。因此，软木/核桃板复合材料在实验比例范围内，均具有优异的保温性，属于节能保温材料。
33.进一步对该配比材料进行微观形貌观察，见图7。软木细胞呈蜂窝状，孔隙直径约20um，赋予了软木良好的保温特性。坚果壳内部的细胞排列致密，为其提供了良好的硬度和耐磨性。当两者复合后，软木颗粒与核桃壳颗粒间的界面结合紧密，整个结构既有软木的蜂窝状孔隙结构，也有核桃壳颗粒的紧实致密结构，这为复合材料兼具两者共性提供了结构基础。
34.图8（a）和（b）分别为软木/开心果壳保温材料和软木/松子壳保温材料的外观图。可以看出，板材表面致密且开心果壳和松子壳也可以像核桃壳颗粒一样均匀地分布在保温材料表面。
35.应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。