熱壓因子對楊木無膠纖維板性能的影響

謝力生 劉佳權(quán) 杜安磊

(中南林業(yè)科技大學(xué)，長沙，410004)

濕法生產(chǎn)纖維板不需要施加膠黏劑，而目前工業(yè)化干法生產(chǎn)纖維板都需要施加膠黏劑。由于廢水處理困難，產(chǎn)品密度和厚度受到限制等原因，除軟質(zhì)纖維板還有采用外，濕法生產(chǎn)工藝已基本被淘汰。膠黏劑的施加，除增加生產(chǎn)成本外，如施加脲醛樹脂膠黏劑的產(chǎn)品還會因釋放游離甲醛而影響人類的身體健康，因此國內(nèi)外許多學(xué)者都開展了無膠纖維板的研究，并取得了一定的成果［1］。有的添加化學(xué)助劑對纖維表面進(jìn)行活化處理［2－3］，有的則依靠植物纖維本身的天然物質(zhì)的轉(zhuǎn)化來實現(xiàn)無膠纖維板的熱壓成形［4－5］。筆者受濕法纖維板生產(chǎn)工藝和木質(zhì)素?zé)崴苋诤侠碚摚?］的啟發(fā)，采用最簡單的方法對干法無膠纖維板熱壓成形規(guī)律進(jìn)行了探索，通過大量的實驗，掌握了一些基本規(guī)律。其中熱壓溫度、壓力、時間和板坯含水率對熱壓成形與否及其產(chǎn)品性能有重要的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

①Q(mào)D型實驗熱壓機(jī)，上海人造板機(jī)器廠制造，壓板幅面尺寸500 mm×500 mm，電加熱，壓板可通自來水降溫;②MWD－50型木材萬能力學(xué)試驗機(jī)，濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司制造，微機(jī)控制;③SKGD－01型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，湖北黃石市醫(yī)療器械廠制造。

木纖維，由湖南益陽某中纖板廠提供，原料為意大利楊(Populus euramevicana cv.)，由鎮(zhèn)江中福馬機(jī)械有限公司制造的BM－44″熱磨機(jī)分離、干燥而成，未施加膠黏劑，含水率14%左右。

1.2 方法

采用正交試驗法壓制無膠纖維板，通過對制品物理力學(xué)性能的檢測，研究熱壓因子(熱壓溫度、壓力、時間和板坯含水率)對產(chǎn)品性能的影響規(guī)律。正交試驗方案如表1所示。每個試驗重復(fù)3次，其結(jié)果取平均值。

表1 試驗方案

到達(dá)熱壓時間后，保壓冷卻壓板至約100℃再卸壓開啟。

將纖維在高速攪拌機(jī)中打散，測定纖維含水率，每次稱取絕干質(zhì)量為500 g的纖維，放入干燥箱中在(103±2)℃溫度下干燥至要求的含水率;板坯采用手工制作，模框尺寸為215 mm×215 mm，板坯放置于不銹鋼墊板上;調(diào)整熱壓機(jī)的熱壓參數(shù)，當(dāng)熱壓溫度穩(wěn)定在設(shè)定值時，將板坯放入壓機(jī)中進(jìn)行熱壓，到達(dá)所要求的熱壓時間后，在保壓狀態(tài)下停止加熱并迅速通入自來水對熱壓板進(jìn)行冷卻，當(dāng)熱壓板溫度下降至約100℃時停止冷卻并開啟壓機(jī);壓制出來的產(chǎn)品按GB/T 17657—1999測試其密度(ρ)、靜曲強(qiáng)度(MOR)、彈性模量(MOE)、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度(IB)和24 h吸水厚度膨脹率(TS)。

2 結(jié)果與分析

試驗結(jié)果如表2所示。各因子在不同水平時的產(chǎn)品檢測性能的平均值如表3所示。

表2 試驗結(jié)果

表3 各因子在不同水平時的產(chǎn)品檢測性能的平均值

2.1 熱壓溫度對產(chǎn)品性能的影響

由表3可知，熱壓溫度在170～200℃范圍內(nèi)對無膠纖維板的各項物理力學(xué)性能有顯著影響，熱壓溫度提高，IB、MOR和MOE顯著提高、密度增大，TS顯著下降。這是由于溫度提高有利于纖維的塑化，纖維之間接觸更緊密，板材密度增大，因而MOR和MOE得到提高;同時溫度提高有利于纖維(特別是芯層纖維)中的木質(zhì)素熔融流展，纖維之間的木質(zhì)素相互融合，當(dāng)溫度下降到玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度以下時，木質(zhì)素凝固而將纖維連接在一起，因而IB提高而TS下降。

2.2 熱壓壓力對產(chǎn)品性能的影響

由表3可知，熱壓壓力在4～6 MPa范圍內(nèi)對無膠纖維板的各項物理力學(xué)性能有顯著影響，熱壓壓力提高，IB、MOR和MOE顯著提高，密度增大，TS顯著下降。這是由于壓力提高，纖維接觸更緊密，板材密度增大，因而MOR和MOE得到提高;同時壓力提高有利于木質(zhì)素在熔融狀態(tài)下流展融合，因而IB提高而TS下降。

2.3 熱壓時間對產(chǎn)品性能的影響

由表3可知，熱壓時間在7～11 min范圍內(nèi)對無膠纖維板的各項物理力學(xué)性能有不同程度的影響，熱壓時間增加，IB明顯提高，MOR和MOE有所提高，密度稍有增大，TS有所下降。這是由于熱壓時間增加，在溫度和壓力的作用下板材會進(jìn)一步密實，因而各項物理力學(xué)性能有所提高;IB之所以明顯提高，是由于板材芯層纖維需要較長時間的傳熱才能充分塑化，其木質(zhì)素才能充分流展融合。

2.4 板坯含水率對產(chǎn)品性能的影響

由表3可知，板坯含水率在6%～10%范圍內(nèi)對無膠纖維板的各項物理力學(xué)性能有較大的影響，板坯含水率增加，IB、MOR和MOE有較明顯的提高，密度有所增大，TS顯著下降。在較低含水率范圍(6%～10%)內(nèi)，含水率增加有利于傳熱和纖維塑化，因而板材密度增加，MOR和MOE提高;含水率增加能降低木質(zhì)素的軟化溫度［7］，使木質(zhì)素(特別是芯層纖維中的木質(zhì)素)更加充分流展融合，因此IB提高，TS下降。

2.5 產(chǎn)品密度與物理力學(xué)性能的關(guān)系

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，可以得到圖1所示產(chǎn)品密度與物理力學(xué)性能的關(guān)系?？梢钥闯?，產(chǎn)品密度在0.8～1.1 g/cm3范圍內(nèi)，MOR、MOE和IB都隨密度的增加而直線提高，TS隨密度的增加而直線下降。這說明密度對無膠纖維板的物理力學(xué)性能起著決定性的作用。

2.6 產(chǎn)品物理力學(xué)性能

根據(jù)前面的分析，在試驗取值范圍內(nèi)的較佳工藝參數(shù)為熱壓溫度200℃、熱壓壓力6 MPa、熱壓時間11 min、板坯含水率10%。以此工藝參數(shù)壓制楊木無膠纖維板，產(chǎn)品物理力學(xué)性能檢測結(jié)果如表4所示。

圖1 產(chǎn)品密度與物理力學(xué)性能的關(guān)系

表4 較佳工藝條件下的試驗結(jié)果

3 結(jié)論

在試驗范圍內(nèi)熱壓溫度和熱壓壓力對產(chǎn)品的物理力學(xué)性能有顯著影響，板坯含水率的影響次之，熱壓時間的影響較小。隨著熱壓溫度、熱壓壓力、板坯含水率和熱壓時間的增大，產(chǎn)品的MOR、MOE、IB和密度增大，TS減小。

產(chǎn)品密度在0.8～1.1 g/cm3范圍內(nèi)，隨著密度的增大MOR、MOE和IB呈直線增大，TS呈直線減小。

在熱壓溫度200℃、熱壓壓力6 MPa、熱壓時間11 min、板坯含水率10%的條件下壓制無膠楊木纖維板，產(chǎn)品厚度9.13 mm、密度1.185 g/cm3，其物理力學(xué)性能值為MOR52.8 MPa、MOE6 413 MPa、IB0.92 MPa、TS7.56%。

［1］杜安磊，謝力生，唐忠榮.無膠人造板的研究進(jìn)展與展望［J］.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2012，32(1):130－133.

［2］金春德.無膠人造板工藝的研究［D］.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)，2002.

［3］周曉燕，成書生，何翠芳.楊木/棉稈復(fù)合無膠纖維板制備工藝初探［J］.林業(yè)科技開發(fā)，2008，22(5):47－49.

［4］曹忠榮，閻昊鵬，郭文莉.干法無膠纖維板黏合機(jī)理的研究［J］.木材工業(yè)，1996，10(4/5):3－6.

［5］Xu J，Sugawara R，Widyorini R，et al.Manufacture and properties of low-density binderless particleboard from kenaf core［J］.J Wood Sci，2004，50:62－67.

［6］吳慶定.木質(zhì)粉末高壓無膠模塑成形原理與技術(shù)研究［D］.長沙:中南林業(yè)科技大學(xué)，2010.

［7］徐詠蘭.中高密度纖維板制造與應(yīng)用［M］.長春:吉林科學(xué)技術(shù)出版社，2002:17－18.