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    利用廢棄楊木水泥模板生產(chǎn)纖維板的研究

    2014-01-04 09:07:36PHAMTUONGLAM鄧玉和王新洲TRANMINHTOI王向歌董葛平CAOQUOCAN
    關(guān)鍵詞:楊木纖維板單板

    PHAM TUONG LAM, 鄧玉和 ,王新洲 ,TRAN MINH TOI,楊 瑩 ,王向歌 ,董葛平,CAO QUOC AN

    (1.南京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210037;2. 越南林業(yè)大學(xué),越南 河內(nèi))

    隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和生活水平的不斷提高,人們對物質(zhì)的消費亦在急劇增長,木材資源不足和環(huán)境污染問題便成為人類社會實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的主要制約因素[1]。2004年中國人造板產(chǎn)量已躍居世界前例,因此,除了膠合板生產(chǎn)所需的有一定徑級的原木供應(yīng)日趨緊張外,用于制造纖維板和刨花板的小徑材和枝椏材供應(yīng)也面臨短缺,有些工廠因原料缺乏,不得不考慮減產(chǎn)、轉(zhuǎn)產(chǎn)甚至停業(yè)[2]。

    纖維板的綜合性能優(yōu)異,被廣泛用于家具制作、復(fù)合門生產(chǎn)、地板生產(chǎn)、室內(nèi)裝飾與裝修、產(chǎn)品包裝等領(lǐng)域,是目前發(fā)展最為迅速的人造板產(chǎn)品之一。2007年中國人造板總產(chǎn)量已達到8 838.58萬m3,其中纖維板2 729.84萬m3(中密度纖維板2 498.64萬m3)[3]。2010年度,中國纖維板總產(chǎn)量為4 354.54萬m3,占全部人造板產(chǎn)量的28.35%,比上年增長24.82%,生產(chǎn)總值超過650億元人民幣[4]。

    為了解決中國人造板原料不足的矛盾以及解決環(huán)境污染問題,研究開發(fā)新的原材料和合理利用廢舊木材是生產(chǎn)人造板的一條重要的途徑。近年來,廢舊木材的回收利用已經(jīng)引起的中國國家政府部門、科研、教育單位和有關(guān)企業(yè)的高度重視[5-7]。

    楊樹具有生長快、成材早、產(chǎn)量高、易于更新的特點,是世界中緯度平原地區(qū)栽培面積最大、木材產(chǎn)量最高的速生用材樹種之一[8]。中國楊樹人工林面積已達800萬公頃,無論是楊樹種植面積還是蓄積量均居世界首位[9],中國每年用于膠合板、水泥模板用膠合板、細木工板、LVL等生產(chǎn)的楊樹達3000萬立方米。隨著中國經(jīng)濟飛速發(fā)展,城市化進程逐年加快,城市建設(shè)中使用了大量的建筑用水泥模板膠合板,產(chǎn)生了大量的廢棄建筑用的水泥模板,對于這些廢棄的水泥模板的處理主要是進行丟棄或是焚燒處理給環(huán)境帶來了極大地負面影響。本研究對廢棄的楊木水泥模板的組成單元-單板的密度、強度和吸水性等性能進行了研究;研制不同密度的纖維板,分析板材性能與密度的關(guān)系,并與普通楊木纖維板進行對比,以論證廢舊水泥模板生產(chǎn)制造纖維板的可行性。

    1 材料與方法

    廢棄的楊木水泥模板,取自南京浦口建筑工地;普通楊木單板,取自江蘇泗陽。

    脲醛樹脂膠黏劑,江蘇沭陽大江木業(yè)有限公司,粘度113 s(涂-4粘度計),固含量65%,pH值7.64。

    1.1 廢舊水泥模板單板性能研究

    1.1.1 單板氣干密度、吸水厚度膨脹率

    將廢棄楊木水泥模板從芯層分離出單板,并制作成寬30 mm,長30 mm的試件;

    將楊木單板制成寬30 mm,長30 mm的試件;

    每種原料制作20個試樣進行密度和吸水厚度膨脹率測試,并按照平均值結(jié)果計算。

    1.1.2 單板力學(xué)性能

    通過刀片等輔助工具將廢棄楊木水泥模板從芯層分離出單板,并制作成寬50 mm,長250 mm的試件;

    將楊木同樣制作成寬50 mm,長250 mm的試件;

    每種材料制作10個試件,并按照平均值結(jié)果計算。

    1.1.3 微觀結(jié)構(gòu)

    分離出廢棄楊木水泥模板單板,使用雙面一次性刀片將單板切削成順紋理方向長約2 mm,垂直紋理方向(寬度)10 mm的試件,然后切削垂直紋理方向的橫截面,使表面平整光潔。將處理好的試樣進行干燥處理,對干燥后的樣品進行噴金鍍膜處理,利用掃描電鏡對樣品進行觀察。

    將楊木單板使用同樣的方法進行處理;

    每種實驗試件準(zhǔn)備3組。

    1.2 纖維板的制備與試驗方法

    分別測定楊木水泥模板和楊木單板制成的纖維得漿率,用以下公式計算:

    將楊木水泥模板和楊木單板分別制成含水率7%左右的纖維,施加14%的脲醛樹脂膠粘劑,1.5%的氯化銨,1%的石蠟乳液;

    將拌膠后的水泥模板纖維鋪裝成300 mm×300 mm×10 mm的板坯,板的目標(biāo)密度分別為0.85、0.80、0.75、0.70、0.65 g/cm3,每種條件各重復(fù)一次;

    同樣的目標(biāo)密度的規(guī)格制備混合1∶1的纖維板(50%楊木纖維及50%水泥模板纖維);

    在目標(biāo)密度為0.75 g/cm3的條件下,以不同的纖維比例制備的纖維板,水泥模板纖維和楊木纖維的混合比例為(%):100∶0;80∶20;60∶ 40;50∶ 50;40∶ 60;20∶ 80;0∶ 100。

    熱壓工藝參數(shù):熱壓時間為6 min;熱壓溫度為160 ℃;熱壓壓力為3 MPa;

    將制備好的纖維板在室溫下放置72小時;按照中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17657-1999測定24小時吸水厚度膨脹率(TS)、彈性模量(MOE)、靜曲強度(MOR)和內(nèi)結(jié)合強度(IB)。

    1.3 纖維板含沙量的試驗方法

    試驗材料:(1)廢舊水泥模板纖維板;(2)楊木纖維板。

    試驗儀器及試劑:天平,感量0.001 g;管狀爐;SX2-4-10高溫箱形電爐,溫度1 000 ℃;干燥箱;空氣對流干燥箱,恒溫靈敏度 ±1 ℃,溫度范圍40~200℃;水槽;蒸發(fā)皿,400 mL;玻璃燒杯,200 mL;尼龍網(wǎng),35~40 μm;燒結(jié)玻璃過濾坩堝,空隙度4;玻璃棒;坩堝;鹽酸,ρ= 1.18 g/mL。

    試驗制作方法:將廢舊水泥模板纖維板及楊木纖維板分別打碎成長度約20 mm碎片,稱取200 g碎片并點燃。收集灰分和碳化物,然后再在高溫馬福爐中加熱至500~600 ℃,加熱約3 h。然后把灰分倒到玻璃杯中,用50 mL鹽酸洗凈蒸發(fā)皿,并將鹽酸溶液倒入燒杯中,在水槽中將燒杯加熱到75℃,再加入100 mL蒸餾水,攪拌殘留的固體物質(zhì)(砂粒),然后靜止10 min。從砂粒中盡可能倒出燒杯內(nèi)的鹽酸溶液,僅剩下幾毫升,加入150 mL蒸餾水,攪拌混合液,并用尼龍網(wǎng)過濾。用玻璃棒攪拌濾網(wǎng)上的砂粒。在干燥箱中加熱燒結(jié)玻璃過濾坩堝至(103±2)℃,烘至質(zhì)量恒定,取出并冷卻后稱量。然后沖洗坩堝,干燥后并稱量。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 廢棄水泥模板單板的性能研究

    木材的強度又叫木材力學(xué)性質(zhì),它表示木材抵抗外部機械作用的能力,影響木材力學(xué)性質(zhì)的因素,主要與木材的構(gòu)造、水分、密度、作用時間和溫度有關(guān)[10]。為了研究探討廢舊水泥模板單板物理力學(xué)性能的變化,以樹種相同的楊木單板進行對比研究,單板在相同含水率,外力作用時間和溫度的條件下進行彈性模量、靜曲強度、吸水厚度膨脹率等各項性能測試研究。

    2.1.1 單板的氣干密度與吸水厚度膨脹率

    木材密度是判斷木材性質(zhì)的一項重要指標(biāo),可以用它來估計木材質(zhì)量,判斷木材的工藝性質(zhì)和物理力學(xué)性質(zhì),密度越大,強度越大[11]。根據(jù)圖1可知水泥模板單板氣干密度高于楊木達0.5 g/cm3,比楊木單板的密度提高了47%。水泥模板單板密度高,這可能是由于楊木水泥模板經(jīng)熱壓時,在外力的作用下,單板產(chǎn)生了壓縮,加之膠粘劑滲入到單板內(nèi),所以它的密度較楊木單板高。雖然廢棄的水泥模板的楊木單板經(jīng)熱壓,單板產(chǎn)生了壓縮,其密度增加,但是它的細胞結(jié)構(gòu)并未受到破壞。

    水泥模板單板的吸水厚度膨脹率為2.43%,楊木單板的吸水厚度膨脹率為2.57%,見圖2。水泥模板單板的吸水性能相對于的楊木單板略有減小。造成這種結(jié)果的原因是水泥模板的細胞腔被壓縮,從而使水分移動的通道變小,并且水泥模板的細胞腔內(nèi)可能有一定量的膠黏劑殘留在內(nèi)部,從而使得其吸水厚度膨脹率變小。

    圖1 單板的氣干密度Fig.1 Air-dry density of veneer

    圖2 單板的吸水厚度膨脹率Fig.2 Thickness swelling of veneer

    2.1.2 單板的力學(xué)性能

    由圖3與圖4可見,廢棄水泥模板單板的彈性模量與靜曲強度的平均值分別比普通楊木單板高出2 466 MPa和11 MPa,說明廢棄水泥模板單板的力學(xué)強度大于普通楊木單板。木材密度是判斷木材性質(zhì)的一項重要指標(biāo),密度越大,強度越大。根據(jù)前面對水泥模板氣干密度的研究可知,水泥模板氣干密度高于普通楊木47%,所以廢棄水泥模板單板的力學(xué)強度大于普通楊木單板的主要原因是由于其密度的提高。

    2.2 單板的細胞形態(tài)

    圖3 單板的彈性模量Fig.3 Elasticity modulus of veneer

    圖4 單板的靜曲強度Fig.4 Modulus of rupture of veneer

    木材的微觀構(gòu)造除對木材的種類鑒別具有重要意義外,更重要的是與木材的物理力學(xué)性質(zhì)、加工利用有著密切的關(guān)系[12]。通過掃描電子顯微鏡對樣品進行觀察,分析廢棄水泥模板物理力學(xué)性能變化的原因。

    2.2.1 細胞形態(tài)對木材強度的影響

    木材的力學(xué)性質(zhì)與構(gòu)成木材物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和單位體積內(nèi)木材細胞壁物質(zhì)的數(shù)量有關(guān),其中木材物質(zhì)的數(shù)量是最主要的[13]。木材是一種多孔性物質(zhì),組成木材的基本物質(zhì)是細胞壁,各種類型的細胞壁決定了組織的質(zhì)地和性能。對比圖5A-1,B-1,可知楊樹木材本身的導(dǎo)管和纖維的細胞壁薄、胞腔大,因此木材的密度低。廢舊水泥模板的細胞腔變形較大,細胞的空隙率低密實度增加,單位體積內(nèi)細胞基本物質(zhì)數(shù)量增多,結(jié)合之前的單板理化性能的分析,可以得出結(jié)論,廢舊水泥模板木材由于被外力壓縮,從而密度變大,使其理化性能得到提高。說明用楊木作為基材制備水泥模板過程中,楊木單板受到了一定的壓縮,從而使得水泥模板單位體積內(nèi)木材細胞壁物質(zhì)的數(shù)量增加,因此水泥模板的彈性模量與靜曲強度高于普通楊木。

    2.2.2 細胞形態(tài)對吸濕性能的影響

    由圖5A-1、A-2可見,一部分纖維細胞的細胞腔被壓縮,使其細胞壁貼合在一起,并且所有細胞的細胞壁均被壓縮,這樣就導(dǎo)致了與水分接觸的細胞壁面積變少,在纖維飽和點以下時,相對于的楊木單板,水泥模板單板吸附水分的能力變?nèi)酢?/p>

    圖5B-3可清楚地看見楊木細胞壁上完整的紋孔,圖5A-3水泥模板細胞壁上的紋孔由于受外力壓縮,紋孔面積變小。紋孔是細胞之間進行水分交換的重要通道。水泥模板細胞紋孔面積的減小,阻止了水分的橫向運輸,從而會降低其吸水性。試驗結(jié)果也進一步的解釋了水泥模板單板的吸厚度膨脹率比楊木單板低的原理。

    2.3 纖維質(zhì)量分析

    2.3.1 得漿率

    圖5 水泥模板單板及楊木單板的微觀結(jié)構(gòu)Fig.5 Microstructure of cement formwork veneer and poplar veneer in cross-sections

    木材的得漿率直接影響到纖維板的生產(chǎn)成本,對廢舊楊木水泥模板和楊木單板的得漿率進行了分析研究,研究結(jié)果表明,廢舊水泥模板的得漿率略高于楊木單板見表1。這是因為水泥模板在制備過程中細胞腔被部分壓縮,板的密度提高,單位體積細胞數(shù)量增加,加之在經(jīng)過蒸煮后其變形得到了一定的恢復(fù),因此得漿率高于普通楊木。

    2.3.2 纖維形態(tài)

    纖維經(jīng)分離后,水泥模板和楊木單板纖維均有未被完全分離的纖維束,由圖6 A-1,A-2與B-1,B-2可以看出,水泥模板纖維表面比楊木纖維粗糙,其纖維比較長,楊木纖維里邊存在很多細小的纖維束。

    表1 纖維的得漿率Table 1 Yield of pulp fibers

    圖6 水泥模板及楊木纖維形態(tài)Fig.6 Fiber morphology of cement formwork veneer and poplar veneer

    2.4 廢棄楊木水泥模板制造纖維板的研究

    2.4.1 板密度對纖維板物理力學(xué)性能的影響

    根據(jù)圖7的測試結(jié)果可知,隨著板密度的增加,纖維板的力學(xué)性能呈上升的趨勢。板密度從0.65 g/cm3增加到0.70 g/cm3時,其內(nèi)結(jié)合強度(IB)、靜曲強度(MOR)、彈性模量(MOE)的增幅不明顯,水泥模板制備的纖維板IB值增加是14.89%,MOE和MOR值分別增加了13.17%及7.19%,其吸水厚度膨脹率(TS)的下降也較緩慢僅為11.15%。而板密度從0.70 g/cm3增加到0.75 g/cm3時,水泥模板纖維板的IB、MOR、MOE得到了明顯的提高,IB從0.47 MPa增加到 0.9 MPa,其值提高了91%,MOR、MOE在這個密度范圍也分別提高了32.2%,41.56%。而TS的值從17.53%下降到14.39%,下降幅度高約達19%。但板密度從0.75 g/cm3增加到0.80 g/cm3時,板材的IB值的增幅有所下降,水泥模板的纖維板IB值的增幅從91%下降到36.6%。板材的MOE值在這個密度范圍有所下降但變化不明顯,其MOR值仍保持呈上升的趨勢,TS值有所增加。在板密度從0.80 g/cm3增加到0.85 g/cm3時板材的各項力學(xué)性能的變化幅度不明顯,板材的MOR、IB值有所增大,MOE值仍有下降的趨勢,TS值呈上升的趨勢。造成這中現(xiàn)象的原因是在復(fù)合材料中,在一定范圍內(nèi)提高密度有利于基體之間形成連續(xù)和均勻的界面層,在承受載荷時,界面層就能更有效地傳遞應(yīng)力,從而提高板材的宏觀靜曲強度和彈性模量。但當(dāng)密度過大時,壓縮比增大,會使部分纖維單元的細胞壓潰,從而使力學(xué)性能增幅減小。雖然提高密度使板材內(nèi)部纖維單元之間更為緊密,板材內(nèi)部空隙率降低,但是由于纖維板是在纖維被壓縮的情況下成型的,高密度的板材內(nèi)部的回彈應(yīng)力往往要高于低密度的板材,且同樣存在細胞壓潰破壞的可能,所以IB值增加變緩。而當(dāng)板材浸入到水中后就會產(chǎn)生回彈,纖維板TS的試驗結(jié)果是由板材的回彈以及板材內(nèi)部空隙率共同作用的結(jié)果,所以在0.75 g/cm3的基礎(chǔ)上再增加密度,TS出現(xiàn)增大的趨勢。當(dāng)纖維板的密度等于大于0.75 g/cm3時,纖維板的靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強度均達到國家標(biāo)準(zhǔn),吸水厚度膨脹率則略高于國家標(biāo)準(zhǔn)。綜合考慮,廢棄水泥模板制成的纖維板密度約為0.75 g/cm3時板材的力學(xué)性能最優(yōu)。

    圖7 纖維板的物理力學(xué)性能Fig.7 Mechanical properties of MDF

    2.4.2 混合比對纖維板物理力學(xué)性能的影響

    為了更好的了解混合比對纖維板性能的影響,本研究以楊木、水泥模板以及兩者以不同混合比制成的纖維板進行對比研究,板密度為0.75 g/cm3。研究結(jié)果表明:隨著廢棄水泥模板纖維比例的增加,纖維板的力學(xué)性能呈上升的趨勢。首先從圖8A可知,水泥模板纖維板的MOE比楊木纖維板高出475 MPa;當(dāng)水泥模板纖維與楊木纖維的比例從50∶50上升到100∶0的過程中,制備板材的MOE從2 907 MPa上升到3 183 MPa;從總體上看,在水泥模板纖維比例增加后,制備的纖維板的彈性模量呈上升趨勢。纖維板的彈性模量可視為衡量板材產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo),其值越大,使板材發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力越大,即板材的剛度越大。根據(jù)圖5的電鏡分析,水泥模板纖維的細胞壁要比楊木細胞的細胞壁密實,這是制備的纖維板MOE值有所上升的一個原因。由圖8B可見,廢棄水泥模板纖維與楊木纖維原料配比對制備的纖維板的MOR有影響。楊木纖維板的靜曲強度最低僅為25.64 MPa,水泥模板纖維板的靜曲強度最高為37.13 MPa,比楊木纖維板高出30.9%,其它混合比的板材的MOR隨原料中水泥模板纖維的比例的增加而增加,但增加幅度不顯著。從圖8C可知,水泥模板制造的纖維板的內(nèi)結(jié)合強度略高于楊木纖維板。隨著水泥模板纖維的混合比增加纖維板的IB值也呈上升趨勢。纖維之間的結(jié)合強度主要取決于纖維的交織性能和纖維膠合時的工藝條件。本實驗各組的工藝條件相同,而纖維的交織性能又包括纖維形態(tài)和纖維與膠粘劑的結(jié)合性能。水泥模板纖維與楊木纖維的形態(tài)不同,對其內(nèi)結(jié)合強度影響不明顯。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn),本實驗制備的纖維板均可達到要求。水泥模板纖維板的吸水厚度膨脹率最小,為14.39%;楊木纖維板的吸水厚度膨脹率比較大,為19.53%(圖8C);雖然板的吸水厚度膨脹率隨著廢棄水泥模板纖維比例的增加而減小。但還是高于國家標(biāo)準(zhǔn)小于12%的要求。

    2.5 纖維板含砂量測試結(jié)果與分析

    圖8 混合纖維板的物理力學(xué)性能Fig.8 Mechanical properties of fi berboard made of poplar and cement formwork

    中密度纖板在使用過程中,通常都要進行鋸切、銑削加工。板材中含有的微小砂石和金屬顆粒會加速刀具的磨損,使刀具使用壽命變短,加工表面質(zhì)量下降。使中密度纖板的含砂量控制在0.05%以下,可以延長刀具的使用壽命,提高加工表面質(zhì)量。從圖9 可以看出水泥模板纖維板含砂量高于楊木纖維板,這是因為廢舊水泥模板在使用過程中,混凝土、砂子等異物殘留在板內(nèi)部。以中密度纖維板國家標(biāo)準(zhǔn)來做衡量(國標(biāo)中密度纖維板含砂量標(biāo)準(zhǔn)值≤0.05%),楊木纖維板與水泥模板纖維板含砂量都小于0.05%,說明水泥模板纖維板含砂量完全達到國家標(biāo)準(zhǔn)要求值。

    圖9 兩種纖維板的含砂量Fig.9 Sand-carrying contents of two MDF

    3 結(jié) 論

    對廢棄楊木水泥模板的基本性質(zhì)和制造纖維板的研究得到如下結(jié)論:

    (1)廢舊水泥模板單板的氣干密度高于楊木單板,其各項力學(xué)強度也大于楊木單板。

    (2)通過廢舊水泥模板和楊木單板的微觀結(jié)構(gòu)看出,水泥模板的細胞腔被壓縮,水分移動的通道變小,使其單板吸水厚度膨脹率小于楊木單板。

    (3)水泥模板的得漿率高于楊木、水泥模板的纖維形態(tài)比較,細小纖維少,纖維比普通楊木纖維長,因此水泥模板的纖維質(zhì)量優(yōu)于楊木。

    (4)以板密度為主要影響因子進行的單因素試驗結(jié)果表明:水泥模板纖維板的各項物理力學(xué)性能隨著板密度增加而增大,同時其TS隨著板密度增加而減小,在板密度為0.75 g/cm3時,板材的各項力學(xué)性能都達到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求值。因此密度為0.75 g/cm3是本試驗制備中密度纖維板的最佳密度。

    (5)在本試驗最佳密度0.75 g/cm3的條件下,以不同混合比的制得的水泥模板纖維板和楊木纖維制板的彈性模量、靜曲強度、內(nèi)結(jié)合強度隨著廢舊水泥模板纖維比例的增加而增大,板子的TS值隨著廢舊水泥模板的比例增加而有減小的趨勢。水泥模板纖維板的各項力學(xué)性能MOE、MOR、IB值都高于楊木,TS值小于楊木。

    (6)雖然水泥模板纖維板含砂量高于楊木纖維板,但其值滿足纖維板國家標(biāo)準(zhǔn)的要求值。

    (7)研究結(jié)果表明廢棄楊木水泥模板具有比楊木本身高的密度和強度,制成的纖維板性能優(yōu)于楊木纖維板,是纖維板生產(chǎn)的好原材料。

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