廢紙制漿固廢物刨花板制備工藝研究

呂 蕾，王 正，郭文靜，任一萍

(1 中國林業(yè)科學(xué)研究院 木材工業(yè)研究所，北京100091；2 黑龍江省木材科學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150081)

隨著造紙原料的匱乏，廢紙的回收利用在全球得到廣泛開展。我國廢紙回收利用產(chǎn)業(yè)近年來發(fā)展迅速，據(jù)相關(guān)資料顯示，2010年廢紙回收量4 016萬t，進(jìn)口量2 435萬t，在整個造紙產(chǎn)業(yè)中，廢紙漿用量達(dá)到5 305萬t，占總用漿量的60%以上[1]。在廢紙回收過程中，有塑料、金屬、泥沙、玻璃碎片等雜質(zhì)混入，其中塑料占比重最大。這些雜質(zhì)在制漿過程中被剔除，成為固體廢棄物(簡稱固廢物)。目前，這部分固廢物中的塑料因成分復(fù)雜難于分揀，多采取焚燒或填埋處理[2-5]，因此對環(huán)境造成了不同程度的污染[6]，若能找到有效的處置途徑，將其加以資源化利用，無論在經(jīng)濟效益、社會效益還是環(huán)境保護(hù)方面，都具有重要意義。

本研究以廢紙制漿產(chǎn)生的固廢物為原料，針狀刨花為增強體，結(jié)合人造板加工工藝，采用正交試驗研究刨花添加量、板材設(shè)計密度、熱壓時間等工藝參數(shù)對板材性能的影響，通過試驗結(jié)果優(yōu)化復(fù)雜成分刨花板的生產(chǎn)工藝，以期為廢紙制漿固廢物的資源化利用提供新途徑。

1 材料與方法

1.1 材 料

廢紙制漿固廢物由山東華泰紙業(yè)股份有限公司提供，經(jīng)清洗、分離、烘干、粉碎處理后備用，其主要組分中聚乙烯(PE)占34.02%，聚丙烯(PP)占53.85%，聚苯乙烯泡沫(EPS)占1.91%，植物纖維碎屑占10.22%，呈直徑2～8 mm的片狀。

刨花為針狀楊木刨花，尺寸在0.833～2.362 mm(8～20目)，平均含水率5.6%。

1.2 儀器與設(shè)備

SCP-160B型塑料粉碎機，QD-100G 型 80 t人造板實驗壓機，日本島津AGS-500G萬能力學(xué)實驗機，上海DHG-9140A 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，F(xiàn)M130D/S型拌膠機。

1.3 方 法

1.3.1 試驗設(shè)計 本研究采用L934正交試驗，考察刨花質(zhì)量分?jǐn)?shù)、板材設(shè)計密度、熱壓溫度和熱壓時間4個熱壓工藝因子對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，根據(jù)試驗結(jié)果調(diào)整工藝參數(shù)，確定固廢物刨花板的優(yōu)化工藝。具體試驗安排見表1，除考察因子外其他工藝參數(shù)相同，每組平行試驗重復(fù)3次。

1.3.2 工藝路線 (1)干燥。在刨花板生產(chǎn)中，原料含水率對產(chǎn)品質(zhì)量影響很大[7]，因此要控制好原料的初含水率。處理后的固廢物中主要成分為塑料，為減少粉碎中塑料的靜電吸附現(xiàn)象，粉碎時必須保持一定的含水率，因而壓板前還要將固廢物干燥至含水率2%以下。

表 1 廢紙制漿固廢物刨花板制備工藝正交試驗設(shè)計方案

(2)混合。按試驗設(shè)計的密度計算板坯質(zhì)量，分別稱取占板坯質(zhì)量70%，60%，50%的刨花，與固體廢棄物一起放入拌膠機中混合均勻。

(3)鋪裝。按預(yù)設(shè)密度稱取混合料，放入成形框進(jìn)行人工鋪裝，鋪裝時盡量減少刨花與板面的夾角。因固廢物中塑料含量較高，而塑料表面比較光滑，因此與刨花混合鋪裝后，應(yīng)在垂直于板面方向施加一定壓力，以使板坯初步定型，減少散坯現(xiàn)象。

(4)成型。采用“熱進(jìn)-冷出”工藝，將熱壓機預(yù)先升至設(shè)定溫度，整個熱壓階段溫度保持恒定，熱壓壓力為4 MPa，用厚度規(guī)控制板材厚度，緩慢加壓以減少板坯邊緣散坯。表1中的“熱壓時間”為壓板閉合到完成卸載的時間，即圖1中T1-T5階段的總時間(圖1熱壓曲線采取兩段降壓曲線)。熱壓機張開后將板坯快速移入冷壓機中冷卻定型，用厚度規(guī)控制板材厚度，冷壓時間為60 s/mm，冷壓壓力1～1.5 MPa。

(5)平衡。板材成型后置于室內(nèi)平衡24 h，裁邊成320 mm×330 mm×8.8 mm的單層刨花板備用。

圖 1 廢紙制漿固廢物刨花板制備工藝中的熱壓曲線

1.3.3 測試指標(biāo)及方法 依照GB/T 17657-1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》中的要求對刨花板取樣，檢測密度、靜曲強度(MOR)、彈性模量(MOE)和內(nèi)結(jié)合強度(IB)；參照GB/T 4897-2003《刨花板》中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)評價板材性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱壓工藝參數(shù)對刨花板靜曲強度(MOR)的影響

不同試驗條件下所制備的刨花板的力學(xué)性能檢測結(jié)果見表2。由方差分析結(jié)果(表3)可知，在99%的置信區(qū)間內(nèi)，刨花質(zhì)量分?jǐn)?shù)、密度、熱壓溫度、熱壓時間4個因子均對MOR影響顯著，影響程度由高到低依次為刨花質(zhì)量分?jǐn)?shù)、熱壓溫度、密度、熱壓時間。從板材力學(xué)性能直觀分析圖(圖2)可知，最佳參數(shù)條件為：刨花質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%，目標(biāo)密度0.95 g/cm3，熱壓溫度170 ℃，熱壓時間90 s/mm。

表 2 廢紙制漿固廢物刨花板制備工藝正交試驗結(jié)果

表 3 廢紙制漿固廢物刨花板制備工藝正交試驗結(jié)果的方差分析及顯著性檢驗

刨花質(zhì)量分?jǐn)?shù)對板材MOR的影響最大。從圖2A可以看到，刨花質(zhì)量分?jǐn)?shù)在60%時，板材性能最好，平均MOR可以達(dá)到13.98 MPa，是刨花質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%板材的1.75倍，但刨花質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少到50%，MOR反而下降，這與前人的研究結(jié)果相似[8]。刨花相對于塑料具有較高的剛度，增加刨花質(zhì)量分?jǐn)?shù)有助于提高板材的強度，但刨花質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到一定值時，起膠黏劑作用的塑料相對不足，因而減少了刨花間的膠合結(jié)點[9-10]，使刨花板承受外力的能力減弱。

圖 2 各因素對廢紙制漿固廢物刨花板力學(xué)性能的影響

密度是影響材料強度的重要因素之一，增加密度可以提高材料的力學(xué)性能[11]。圖2A顯示，密度與MOR呈正比，密度從0.65 g/cm3升高到0.8 g/cm3，MOR從8.54 MPa升高到10.64 MPa，提高了25.18%；密度繼續(xù)增加到0.95 g/cm3時，MOR達(dá)到13.25 MPa，提高了55.88%。木塑復(fù)合材料的結(jié)合主要通過塑料與木纖維間的機械互鎖，密度的提高有助于增加塑料與刨花之間的接觸面積[12]，使塑料冷卻后在刨花表面和縫隙中形成更多的膠釘，提高界面膠合強度，從而提高板材的力學(xué)強度。

圖2A還顯示，在熱壓溫度為170～200 ℃的條件下，170 ℃時刨花板MOR最高，隨著溫度的升高，MOR呈下降趨勢。溫度的升高可以增加木材的塑性，減少壓縮時刨花破碎，加大刨花與單元固廢物的接觸面積，但溫度過高會引起半纖維素和纖維素降解。木材主要由纖維素、半纖維素、木素組成，其中纖維素起骨架作用，纖維素含量決定了木材的強度。在180 ℃時纖維素開始加快降解[13]，在溫度和壓力的共同作用下纖維素的降解會更快，從而引起板材靜曲強度的下降。

木塑復(fù)合材料加工中，塑料與刨花的緊密結(jié)合取決于塑料在刨花表面的流展情況，而塑料由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轲ち鲬B(tài)需要一定時間。由圖2A可知，熱壓時間在90 s/mm時，MOR達(dá)到最大值。板坯進(jìn)入壓機后，表層最先升溫，隨后熱量再由表層傳導(dǎo)至芯層，當(dāng)芯層達(dá)到塑料熔融溫度后，繼續(xù)加熱會引起表層材料降解，整體強度反而下降。

2.2 熱壓工藝參數(shù)對刨花板彈性模量(MOE)的影響

由表3可知，在P= 0.01水平上，密度、熱壓溫度和熱壓時間對MOE均有顯著影響，其中密度的影響程度最大，其次為熱壓時間、熱壓溫度；刨花質(zhì)量分?jǐn)?shù)在組間的差異不顯著。由圖2B可知，最佳參數(shù)組合為：刨花質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%，目標(biāo)密度0.95 g/cm3，熱壓溫度200 ℃，熱壓時間120 s/mm。

MOE是材料在外力作用下產(chǎn)生單位彈性變形所需要的應(yīng)力，它反映了材料抵抗彈性變形的能力[14]。從圖2B可以看到，隨著密度的增加，刨花板的MOE相應(yīng)提高，密度在0.95 g/cm3時，MOE為2 435.89 MPa，是密度為0.65 g/cm3刨花板的2.64倍。在本試驗因子水平范圍內(nèi)，刨花板的MOE隨著熱壓時間和熱壓溫度的增加均有增長，但變化不大。刨花質(zhì)量分?jǐn)?shù)在60%時，刨花板的MOE最高，為1 711.73 MPa。

2.3 熱壓工藝參數(shù)對刨花板內(nèi)結(jié)合強度(IB)的影響

由方差分析和顯著性檢驗結(jié)果(表3)可知，在P=0.05水平上，4個因子對刨花板的IB均有顯著影響，影響程度依次為密度、熱壓時間、熱壓溫度、刨花質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由圖2C可知，當(dāng)刨花質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%、目標(biāo)密度0.95 g/cm3、熱壓溫度185 ℃、熱壓時間120 s/mm時，刨花板的IB值最高。

與MOE、MOR相同，隨著刨花板密度的增加，其IB明顯提高。刨花板密度為0.65 g/cm3時，IB為0.32 MPa；密度從0.65 g/cm3增加到0.8 g/cm3，IB提高了146.87%；增加到0.95 g/cm3，IB提高253.13%。密度增加，使刨花進(jìn)一步壓縮，減少了刨花板中的空隙，同時增加了刨花與塑料等組分的接觸面積，膠合界面加強[15]，從而提高了刨花板的IB。

從圖2C可以看到，熱壓溫度在185 ℃時，刨花板的IB最高，這與所用原料的成分有關(guān)。分揀后的固廢物中塑料成分約占90%，其中PP約占54%，PE約占34%，EPS約占2%。PE的熔融溫度在110～130 ℃；PP的熔融溫度較高，在160～170 ℃。在生產(chǎn)中，熱壓溫度多提高10 ℃左右，便可使塑料更好地流展。在185 ℃的溫度下，固廢物中的塑料能充分流展，在刨花表面形成較多黏結(jié)點，因此膠合強度最好。隨著刨花添加量的減少，塑料相對增加，有利于形成連續(xù)的膠合界面，因而膠合強度有所提高。隨著熱壓時間的延長，刨花板的IB出現(xiàn)先降低后提高的情況，這可能是因為熱壓時間為60 s/mm時，板坯中的PP部分熔融；隨著熱壓時間延長，PE出現(xiàn)熱降解，降解的速度快于PP熔融的速度，材料中的膠合界面強度降低；當(dāng)熱壓時間繼續(xù)延長，PP充分熔融，在刨花表面充分延展，IB隨之提高。

3 討 論

近年來，隨著人們環(huán)保意識的增強，固體廢棄物回收再利用成為材料領(lǐng)域的研究熱點。廢紙再生制漿過程中會產(chǎn)生大量的固體廢棄物，包括在碎漿過程中產(chǎn)生的廢渣和制漿過程中產(chǎn)生的污泥。在污泥的處置方面已有大量研究[16]。有學(xué)者將造紙污泥中分離出的填料與廢塑料熔融混煉，制備出聚乙烯/造紙污泥廢棄物復(fù)合材料[17]。以造紙污泥為原料生產(chǎn)的脲醛樹脂纖維板，除靜曲強度和彈性模量較低外，其內(nèi)結(jié)合強度、沸騰實驗后的內(nèi)結(jié)合強度、吸水厚度膨脹率都能達(dá)到《國家中密度纖維板標(biāo)準(zhǔn)》所規(guī)定的室內(nèi)型纖維板標(biāo)準(zhǔn)[18]。

相對于造紙污泥，廢紙再生碎漿產(chǎn)生的固廢物成分相對復(fù)雜，用于復(fù)合材料加工鮮有研究。通過材料分析，發(fā)現(xiàn)這部分固廢物含有高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯、發(fā)泡聚苯乙烯等多種烯烴類高聚物，可以作為木塑復(fù)合材料原料。但這部分高聚物形狀不一，性狀差，且為混合塑料，采用傳統(tǒng)的木塑生產(chǎn)工藝，在設(shè)備和技術(shù)上難以實現(xiàn)。本研究采用人造板加工方式壓制木塑刨花板，通過考察熱壓工藝參數(shù)對板材性能的影響，證實共混型高聚物作為膠黏劑加工刨花板具有可行性。在對各指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上，根據(jù)綜合平衡法，推算出最佳組合熱壓參數(shù)為刨花質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%，密度0.95 g/cm3，熱壓溫度185 ℃，熱壓時間90 s/mm。在此條件下，制備板材的MOR為18.18 MPa，MOE 為2 393.24 MPa，IB為1.03 MPa，各項力學(xué)指標(biāo)可以達(dá)到GB/T 4897.4-2003中在干燥狀態(tài)下使用的結(jié)構(gòu)用板要求?？紤]到0.95 g/cm3密度較高，應(yīng)用性不足，降低密度到0.8 g/cm3，其他參數(shù)不變，板材各項力學(xué)性能計算值為：MOR 15.57 MPa，MOE 1 598.16 MPa，IB 0.69 MPa。對照GB/T 4897.2-2003，板材可以作為干燥狀態(tài)下普通刨花板使用。

本試驗中原料采用的造紙固廢物和刨花性能差異較大，材料間主要通過物理機械力交織結(jié)合。已有大量研究證實，通過對聚合物和木質(zhì)纖維的物理、化學(xué)改性，可有效改善材料間的界面性能，提高材料強度。因此，廢紙制漿固廢物刨花板的性能提升還有很大空間。

4 結(jié) 論

(1)刨花質(zhì)量分?jǐn)?shù)、板材密度、熱壓時間和熱壓溫度4個因素對固廢物刨花板的物理力學(xué)性能均有不同程度影響。密度、熱壓時間和熱壓溫度均對刨花板靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強度有顯著影響，組間差異顯著性達(dá)到95%以上；刨花質(zhì)量分?jǐn)?shù)對靜曲強度和內(nèi)結(jié)合強度影響顯著，對彈性模量影響不顯著。

(2)綜合考慮各因素對板材物理力學(xué)性能的影響程度和生產(chǎn)實際，優(yōu)化熱壓工藝參數(shù)為：刨花質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%，密度0.95 g/cm3，熱壓溫度185 ℃，熱壓時間90 s/mm。

(3)采用廢紙制漿固廢物中的混雜回收塑料和刨花制備的刨花板，其物理力學(xué)性能可以達(dá)到或超過GB/T 4897.2-2003在干燥狀態(tài)下使用刨花板的要求。

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