植物蛋白膠刨花板生產(chǎn)技術(shù)

李光榮，辜忠春，李軍章，杜業(yè)云

（湖北省林業(yè)科學(xué)研究院，湖北 武漢 430075）

植物蛋白膠刨花板生產(chǎn)技術(shù)

李光榮，辜忠春，李軍章，杜業(yè)云

（湖北省林業(yè)科學(xué)研究院，湖北 武漢 430075）

利用以植物蛋白為主要組分的生物質(zhì)膠，生產(chǎn)在干燥狀態(tài)下使用的家具及室內(nèi)裝修用刨花板。通過單因素試驗(yàn)對(duì)拌膠的方式和參數(shù)等進(jìn)行研究，通過正交試驗(yàn)分析熱壓時(shí)間、熱壓溫度、熱壓壓力對(duì)刨花板物理力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：用臥式攪拌機(jī)在轉(zhuǎn)速200 r·min-1下攪拌膠5～8 min，熱壓工藝參數(shù)為：時(shí)間6 min，溫度180℃，壓力2.550 MPa，制備的板材密度為0.74 g·cm-3,靜曲強(qiáng)度為16.8 MPa，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度為0.49 MPa，表面結(jié)合強(qiáng)度為1.01 MPa，2 h吸水厚度膨脹率為1.8%，甲醛釋放量為14.0 mg·kg-1，外觀質(zhì)量、理化性能達(dá)到了GB/T 4897.1-2003和GB/T 4897.3-2003的要求，且甲醛釋放量來自于木刨花。該種刨花板新產(chǎn)品的制備工藝是可行的。表5參8

木材科學(xué)和技術(shù)；植物蛋白膠；刨花板；熱壓工藝參數(shù)；甲醛釋放量

刨花板作為人造板三大板材之一，主要應(yīng)用于室內(nèi)裝飾裝修、家具生產(chǎn)、飾面人造板生產(chǎn)等領(lǐng)域。目前，刨花板生產(chǎn)所使用的膠黏劑主要是含有游離甲醛的脲醛樹脂膠。游離甲醛釋放是一個(gè)緩慢而長期的過程。隨著人們對(duì)生活品質(zhì)要求的提高，對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量重視程度的增加，人們對(duì)脲醛膠刨花板在室內(nèi)裝修中的應(yīng)用頗為忌憚；另外，脲醛樹脂膠和其他兩大類人造板膠黏劑（酚醛樹脂膠、三聚氰胺樹脂膠）都是利用不可再生的化石資源作為原料。隨著不可再生資源的日益消耗和人類對(duì)化石資源依賴程度的增加，植物蛋白膠作為一種環(huán)保型、可再生的膠黏劑在70多年以后再次被人們提出，應(yīng)用植物蛋白膠制備刨花板，以求解決脲醛樹脂膠人造板游離甲醛釋放的問題和三醛膠人造板石油資源日益匱乏的問題。本研究利用以植物蛋白膠為主要組分的生物質(zhì)膠生產(chǎn)刨花板，對(duì)發(fā)展環(huán)保人造板具有重要現(xiàn)實(shí)意義。通過植物蛋白膠進(jìn)行干燥狀態(tài)下使用的家具及室內(nèi)裝修用刨花板研究，研究了工藝對(duì)刨花板物理力學(xué)性能的影響，制備出理化性能達(dá)到GB/T 4897.1-2003［1］和GB/T4897.3-2003［2］要求的刨花板。

1 材料及方法

1.1 材料

刨花：由湖北嘉聚寶森工有限責(zé)任公司提供的已干燥、分選好的刨花，刨花的木材主要是松木、柞木和楊木。粗刨花為可以通過3目篩網(wǎng)但不能通過12目篩網(wǎng)的刨花，作為芯層原料，細(xì)刨花為可以通過12目但不能通過32目篩網(wǎng)的刨花，作為表層原料，刨花趨于絕干狀態(tài)；植物蛋白膠：固含量為35%，加入25%的水后，黏度為1 525 Pa·s，由武漢市帝源黏合劑有限公司提供；防水劑∶自制石蠟乳液，m（石蠟）∶m（水）為2∶3。

1.2 設(shè)備

熱壓機(jī)（BY50×50/15），推臺(tái)鋸，萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（WDW-100），恒溫水浴鍋（HH.S21-4），穿孔萃取儀，721分光光度計(jì)，自制臥式攪拌機(jī)1臺(tái)（轉(zhuǎn)速為200 r·min-1），自制鋼模具（410 mm×410 mm），304不銹鋼鋼板2塊（500 mm×510 mm×3 mm），手提式拌膠器等。

1.3 內(nèi)容與方法

1.3.1 板材目標(biāo)規(guī)格 板材制備的目標(biāo)密度為0.72 g·cm-3，目標(biāo)厚度為16 mm，板坯幅面尺寸410 mm×410 mm。表層刨花量∶芯層刨花量為2∶3。

1.3.2 拌膠 國內(nèi)外刨花板生產(chǎn)中主要采用氣流式、壓力式和旋轉(zhuǎn)式施膠，拌膠的方法有環(huán)式單軸、環(huán)式雙軸和滾筒式，脲醛樹脂膠、酚醛樹脂膠等黏度小，流動(dòng)性好的樹脂膠可以用此方式施膠和拌膠［3］。本研究中所使用的植物蛋白膠黏度大，流動(dòng)性差。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，筆者利用拌膠器將放置時(shí)間久的植物蛋白膠通過高速攪拌，攪勻，改善膠的流動(dòng)性；再將刨花和植物蛋白膠放入攪拌機(jī)，用較高的速度攪拌，使膠黏劑均勻地分散到刨花的表面。經(jīng)前期試驗(yàn)，板材的施膠量控制在刨花量的30%為宜，由于芯層（粗）刨花與表層（細(xì)）刨花比表面不同，芯層刨花施膠量為粗刨花量的28%，表層刨花施膠量為細(xì)刨花量的33%。為了提高板材的防水性能，通過預(yù)實(shí)驗(yàn)可知：加入刨花量的3%～6%的自制石蠟乳液均可。將稱量的植物蛋白膠與石蠟乳液混合，用拌膠器高速攪拌膠混合液，使之混勻。由于在熱壓過程中熱壓板溫度高，熱壓機(jī)閉合需要時(shí)間，導(dǎo)致與下加熱板接觸的板坯表層預(yù)固化嚴(yán)重。通過預(yù)試驗(yàn)可知，在表層的膠液中加入表層刨花量的4.0%～8.6%的水，攪拌混勻，提高表層刨花施膠后的含水率，可以帶來3個(gè)方面的益處：①使得壓機(jī)在閉合前通過水分蒸發(fā)，減緩板坯表層的預(yù)固化程度；②可以加快熱量在板坯中傳導(dǎo)的速度，減少熱壓時(shí)間［4］；③適當(dāng)增加水分可以改善該植物蛋白膠的流動(dòng)性，增強(qiáng)膠黏劑的伸展性，使刨花之間結(jié)合更緊湊，提高板材的力學(xué)性能［5］。加入水的量為表層刨花量的8.6%。將攪拌好的表層膠液與表層刨花倒入攪拌機(jī)中，在200 r·min-1的轉(zhuǎn)速下攪拌6～8 min，攪勻后倒出密封備用；將攪拌好的芯層膠液與芯層刨花倒入攪拌機(jī)中，在200 r·min-1的轉(zhuǎn)速下攪拌5～7 min，攪勻后倒出密封備用。

1.3.3 鋪裝和預(yù)壓 將不銹鋼模具放在不銹鋼板上，稱量拌膠之后的細(xì)刨花，手工均勻鋪裝在不銹鋼模具內(nèi)；將拌膠后的粗刨花均勻的鋪在細(xì)刨花之上，蓋上蓋子預(yù)壓，預(yù)壓的目的是將芯層刨花壓實(shí)，以免后續(xù)鋪裝的細(xì)刨花滲入芯層刨花中，影響板坯的結(jié)構(gòu)，取出蓋子；將表層刨花均勻鋪在芯層刨花之上，后蓋上蓋子，用0.049 MPa力預(yù)壓。

1.3.4 熱壓 將預(yù)壓好的板坯四周放上厚度規(guī)，上方擱置不銹鋼板，一起放于熱壓機(jī)熱壓板上，快速閉合，進(jìn)入熱壓階段。熱壓工藝參數(shù)按照正交試驗(yàn)L9（34）設(shè)計(jì)試驗(yàn)（表1），探討熱壓時(shí)間、熱壓溫度、熱壓壓力因素對(duì)板材理化性能的影響。當(dāng)板材熱壓時(shí)間少于6 min或壓力小于2.550 MPa時(shí)，板材內(nèi)部存在殘余應(yīng)力，板材冷卻后回彈比較嚴(yán)重，物理力學(xué)性能達(dá)不到國家標(biāo)準(zhǔn)，而熱壓時(shí)間的延長和熱壓壓力的增加可以提高刨花之間的膠結(jié)力，平衡板內(nèi)殘余應(yīng)力。熱壓溫度過低，膠黏劑固化不充分，熱壓溫度過高，蛋白膠和木纖維發(fā)生降解，而影響板材的物理力學(xué)性能［6］。因此采取如表1所示的時(shí)間、溫度、壓力水平，每組試驗(yàn)平行壓制3塊板。熱壓過程中，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定的p后，使之保持在（p-0.392MPa）～p的范圍內(nèi)，不宜一直保持在設(shè)定的壓力p水平，板材壓力適當(dāng)降低，會(huì)加快水分在板坯內(nèi)的移動(dòng)速度，加快熱的傳遞，同時(shí)，水分也會(huì)蒸發(fā)到空氣中一部分，避免最終突然卸壓，板坯內(nèi)水分全部向外移動(dòng)而產(chǎn)生板坯 “放炮”現(xiàn)象。

表1 正交試驗(yàn)因素和水平Table1 Experimental factors and levels

1.3.5 性能測試與評(píng)價(jià) 最終壓制成的刨花板按照GB/T 4897.1-2003和GB/T 4897.3-2003的要求進(jìn)行測試，評(píng)價(jià)指標(biāo)按照該標(biāo)準(zhǔn)要求執(zhí)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 最佳熱壓工藝參數(shù)的研究

按照1.3所述的方法壓制的板材，芯層石蠟乳液加入量為刨花量的4.6%，表層石蠟乳液加入量為刨花量的5.8%。板材制備之后養(yǎng)生3 d，主要物理力學(xué)性能測試結(jié)果和排名如表2所示，總排名為靜曲強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度、2 h吸水厚度膨脹率4項(xiàng)性能排名相加得到，由此可得綜合性能最好的一組水平。由此可見，板材的最佳熱壓工藝參數(shù)為熱壓時(shí)間10 min，熱壓溫度180℃，熱壓壓力26 MPa。該植物蛋白膠所壓制的刨花板在如表1所設(shè)計(jì)的熱壓參數(shù)條件下，只有第1組水平下的靜曲強(qiáng)度沒有達(dá)到GB/T 4897.3-2003的要求，其他指標(biāo)均達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 植物蛋白膠刨花板物理力學(xué)性能Table2 Properties of plant protein adhesive particle board

2.2 熱壓參數(shù)影響分析

雖然在如表1所設(shè)計(jì)的熱壓參數(shù)條件下，板材主要物理力學(xué)性能達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)，但熱壓過程中，所設(shè)計(jì)的影響因素和水平對(duì)板材主要物理力學(xué)性能影響顯著性不同。對(duì)測試結(jié)果，通過SPSS分析如表3所示。熱壓時(shí)間對(duì)板材的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度影響顯著。熱壓溫度對(duì)板材靜曲強(qiáng)度、彈性模量影響高度顯著。熱壓壓力對(duì)板材的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度、2 h吸水厚度膨脹率影響不顯著。熱壓時(shí)間、熱壓溫度、熱壓壓力對(duì)2 h吸水厚度膨脹率的影響均不顯著。張亞慧等［6］研究表明：防水劑對(duì)板材2 h吸水厚度膨脹率的影響顯著。本試驗(yàn)中，芯層石蠟乳液加入量為刨花量的4.6%，表層石蠟乳液加入量為刨花量的5.8%，所研制的刨花板， 板材的2 h吸水厚度膨脹率完全能夠達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定≤8%的要求。因此，考慮到生產(chǎn)成本的問題，可以適當(dāng)減少石蠟乳液的用量。

但每個(gè)熱壓參數(shù)對(duì)板材各物理力學(xué)的影響程度不同，如表4所示。對(duì)于靜曲強(qiáng)度和彈性模量而言，熱壓溫度＞熱壓時(shí)間＞熱壓壓力，對(duì)內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度和2 h吸水厚度膨脹率而言，熱壓時(shí)間＞熱壓壓力＞熱壓溫度。

2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

考慮到板材理化性能、各因素對(duì)板材性能的影響和實(shí)際生產(chǎn)中的成本，在最佳熱壓工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，盡可能減少熱壓時(shí)間，降低熱壓溫度，來降低生產(chǎn)成本。選擇熱壓時(shí)間為6 min，熱壓溫度對(duì)板材主要物理力學(xué)性能影響高度顯著；選擇熱壓溫度為180℃，熱壓壓力對(duì)板材主要物理力學(xué)性能影響不顯著；選擇熱壓壓力為2.550 MPa。通過綜合分析得到最適宜的熱壓工藝參數(shù)：熱壓時(shí)間6 min，熱壓溫度180℃，熱壓壓力2.550 MPa。另外，考慮到生產(chǎn)成本，加入石蠟乳液的量可以適當(dāng)降低，芯層加入的石蠟乳液的量為芯層刨花量的3%，表層加入石蠟乳液的量為表層刨花的4%。芯層刨花施膠量為粗刨花量的28%，表層刨花施膠量為細(xì)刨花量的33%。由于施膠量不變，而石蠟乳液的減少，使得板坯拌膠之后刨花含水率降低，導(dǎo)致板坯塑性較差，壓縮困難，板材強(qiáng)度低。因此，在芯層膠液中加入1.6%芯層刨花量的水，在表層膠液中加入1.8%表層刨花量的水，可以保證板坯拌膠之后刨花含水率適中，板坯預(yù)壓成型好，具有較好的初強(qiáng)度。測得的刨花板性能如表5所示。由此可見，研制的刨花板外觀質(zhì)量達(dá)到了GB/T 4897.1-2003的要求，無斷裂、透裂，無膠斑、石蠟斑、油污等污染點(diǎn)，邊角無殘損，板材修邊時(shí)無崩邊現(xiàn)象，表面光滑，理化性能達(dá)到了 GB/T 4897.1-2003的要求和GB/T 4897.3-2003在干燥狀態(tài)下使用的家具及室內(nèi)裝修用刨花板要求。

表3 物理力學(xué)性能方差分析Table3 Variance analysis of properties

表4 物理力學(xué)性能因素極差分析Table4 Extremum analysis of properties

表5 板材理化性能測試值與標(biāo)準(zhǔn)值Table5 Properties of particle board test value and standard value

本次實(shí)驗(yàn)室制備的植物蛋白膠刨花板甲醛釋放量為14 mg·kg-1。甲苯煮沸穿孔法測得不同木材的甲醛釋放量為12～33 mg·kg-1［7］，所以本試驗(yàn)制備的刨花板甲醛釋放量來源于木材本身所釋放的甲醛。龐媛等［8］研究的大豆蛋白膠麻桿刨花板制備工藝的熱壓時(shí)間為25 min；張亞慧等［6］所研究的改性豆基蛋白膠楊木刨花板的制造工藝熱壓時(shí)間為14 min。本研究與同類研究相比熱壓時(shí)間縮短了很多，節(jié)約了板材的生產(chǎn)成本。

3 結(jié)論

針對(duì)此種黏度大，流動(dòng)性差的環(huán)保型植物蛋白膠，采用自制的臥式攪拌機(jī)，在200 r·min-1的轉(zhuǎn)速下攪拌5～12 min，可以使得膠均勻地分布在刨花表面，而不產(chǎn)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。芯層刨花施膠量為粗刨花量的28%，表層刨花施膠量為細(xì)刨花量的33%；芯層加入的石蠟乳液的量為芯層刨花量的3%，表層加入石蠟乳液的量為表層刨花的4%；芯層膠液中加入1.6%芯層刨花量的水，表層膠液中加入1.8%表層刨花量的水；熱壓工藝參數(shù)采用：熱壓時(shí)間6 min，熱壓溫度180℃，熱壓壓力2.550 MPa，可以制備出外觀質(zhì)量和理化性能達(dá)到GB/T 4897.1-2003和GB/T 4897.3-2003要求的在干燥狀態(tài)下使用的家具及室內(nèi)裝修用刨花板，用穿孔器法測定的甲醛釋放量僅為14 mg·kg-1，來自于木材本身。本研究中制備刨花板的熱壓時(shí)間與同類研究相比，大大縮短了熱壓時(shí)間，從而提高了出板率，而降低了板材的生產(chǎn)成本。

［1］ 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，全國人造板標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 4897.1-2003刨花板 第1部分 對(duì)所有板型的共同要求［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

［2］ 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，全國人造板標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 4897.3-2003刨花板 第3部分 在干燥狀態(tài)下使用的家具及室內(nèi)裝修用板要求［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

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Plant protein based adhesive for particleboard

LI Guangrong,GU Zhongchun,LI Junzhang,DU Yeyun
（Hubei Academy of Forestry,Wuhan 430075,Hubei,China）

To prepare a plant protein-based,biomass adhesive particleboard for interior fixtures（including furniture）to be used in dry conditions.Through the single factor test,the way and the parameters of the adhesive stired were studied,and the influence of the hot press time,press temperature and pressure on the physical and mechanical properties of the particleboard was studied by orthogonal test.Results indicated that the horizontal mixer design was used to stir the adhesive at 200 r·min-1for 5-8 min,hot process parameters:6 min press time,180℃temperature,and 2.550 MPa pressure.Appearance quality and properties of particleboard met the requirements for GB/T 4897.1-2003 and GB/T 4897.3-2003 standards.Properties of the particleboard:density 0.74 g·cm-3,static bending intensity 16.8 MPa,internal bond strength 0.49 MPa,surface bonding strength 1.01 MPa,2 h absorbing water thickness expansion rate 1.8%,free formaldehyde emission 14.0 mg·kg-1.Additionally,the free formaldehyde emission of the particleboard contained in wood shavings.Thus,it would be feasible to prepare this new particleboard using this technology.［Ch,5 tab.8 ref.］

wood science and technology;plant protein based adhesive;particleboard;hot process parameters; free formaldehyde emission

S784；TS65

A

2095-0756（2015）06-0909-05

浙 江 農(nóng) 林 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)，2015，32（6）：909-913

Journal of Zhejiang A＆F University

10.11833/j.issn.2095-0756.2015.06.013

2015-01-12；

2015-03-05

湖北省林業(yè)科學(xué)研究院青年基金資助項(xiàng)目（2014YQNJJ03）

李光榮，助理研究員，從事人造板加工技術(shù)研究。E-mail:safelgr@126.com。通信作者：杜業(yè)云，高級(jí)工程師，從事林產(chǎn)化工研究。E-mail:duyeyun@tom.com