刨花形態(tài)對(duì)麥秸板物理力學(xué)性能的影響

鄭 超，張雅云，肖建平，楊 慶，雷亞芳

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2 陜西省龍草坪林業(yè)局，陜西 楊凌 712100)

刨花形態(tài)對(duì)麥秸板物理力學(xué)性能的影響

鄭 超1，張雅云2，肖建平1，楊 慶1，雷亞芳1

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2 陜西省龍草坪林業(yè)局，陜西 楊凌 712100)

【目的】 對(duì)不同形態(tài)刨花壓制麥秸板的主要物理力學(xué)性能進(jìn)行比較和分析，為刨花原料的選擇、板材制造工藝的改進(jìn)提供理論指導(dǎo)?！痉椒ā?以聚合異氰酸酯為膠黏劑，采用不同加工方式(劈裂機(jī)加工和刨片機(jī)加工)及不同尺寸(經(jīng)>1～≤2 mm、>2～≤4 mm、>4～≤8 mm孔徑篩分的3個(gè)等級(jí)的長料、短料)的麥秸刨花壓制非定向的單層板材，根據(jù)林業(yè)行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)《LY/T 2141-2013定向結(jié)構(gòu)麥秸板》的要求測試板材的物理力學(xué)性能，利用X射線斷面密度測試儀分析刨花尺寸對(duì)麥秸板斷面密度的影響。【結(jié)果】 劈裂機(jī)加工的長料中，>1～≤2 mm、>2～≤4 mm、>4～≤8 mm的麥秸刨花占75%左右，環(huán)式刨片機(jī)加工的短料中則為90%左右，刨片機(jī)加工的刨花中尺寸較小的刨花多于劈裂機(jī)加工刨花。長料的板坯壓縮率為11.6，約為短料的1.3倍。隨著篩孔孔徑的增加，長料、短料的堆積密度減小，板坯厚度增加，壓縮率也隨之增加。在試驗(yàn)條件下，長料制得板材的抗彎強(qiáng)度與抗彎彈性模量分別為43.68 MPa和4.47 GPa，均約為短料的1.3倍，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度為0.42 MPa，約為短料的74%；長料壓制的麥秸板的24 h吸水厚度膨脹率和24 h吸水率分別為16.92%和60.64%，均高于短料，但后者差異不顯著；長料板材的2 h吸水厚度膨脹率和2 h吸水率均高于短料板材，但差異均不顯著。隨著麥秸刨花長細(xì)比的增大，長料和短料中不同尺寸刨花壓制麥秸板的抗彎強(qiáng)度與抗彎彈性模量均呈增大趨勢，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度均呈下降趨勢，24 h吸水厚度膨脹率和24 h吸水率逐漸增大。不同尺寸麥秸刨花壓制板材的密度均在厚度方向呈“面高芯低”式的“U”形分布。刨花尺寸對(duì)麥秸板斷面密度的影響并不明顯，可能是因?yàn)榕倩ǔ叽缦鄬?duì)較小，其影響相對(duì)較弱?！窘Y(jié)論】 長料各篩層刨花所壓制的板材性能變化幅度較短料大。在實(shí)際生產(chǎn)中，建議將長刨花作為表層原料以提高板材的抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量，將短刨花作為芯層原料以提高其內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性。

刨花形態(tài)；麥秸板；物理力學(xué)性能

麥秸板是以麥秸稈為原料，經(jīng)過刨花加工、干燥、分選、施膠、鋪裝后熱壓而成的一種板材，具有質(zhì)輕、性能優(yōu)良、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)。麥秸板在國內(nèi)外屬于新興產(chǎn)業(yè)，工藝還不成熟，所生產(chǎn)的麥秸板存在結(jié)構(gòu)單一、施膠量大、成本高、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度低、分層、霉變等問題。

國內(nèi)外學(xué)者就木材刨花形態(tài)對(duì)板材性能的影響進(jìn)行了大量研究。Frybort等[1]、Miyamoto等[2]、Sackey等[3]研究了刨花大小及細(xì)碎刨花比例對(duì)刨花板性能的影響。Mohammad等[4]研究了刨花長細(xì)比對(duì)刨花板性能的影響，結(jié)果表明刨花形態(tài)是影響板材性能的重要因素之一。上述研究表明，木材刨花的形態(tài)對(duì)刨花板的性能有影響，據(jù)此推測生物秸稈刨花的形態(tài)也會(huì)影響其板材性能，但目前關(guān)于生物秸稈刨花形態(tài)對(duì)板材性能的研究很少，有關(guān)麥秸刨花形態(tài)與麥秸板特性的研究更少。王琪等[5-6]以玉米秸稈皮為刨花原料，研究了2種不同形態(tài)的刨花對(duì)板材物理力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，刨花形態(tài)對(duì)板材內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度和吸水厚度膨脹率影響最為顯著。楊蕊[7]分析了施膠量與刨花形態(tài)對(duì)玉米秸稈定向刨花板主要性能的影響，通過試驗(yàn)確定了當(dāng)刨花長度為80 mm、長細(xì)比為5～50時(shí)的最優(yōu)生產(chǎn)工藝參數(shù)。華冬[8]研究了麥秸刨花形態(tài)對(duì)麥秸刨花板基本性能的影響，結(jié)果表明，將不同尺寸的刨花混合使用時(shí)板材的性能最優(yōu)。

本研究以生產(chǎn)定向結(jié)構(gòu)刨花板的麥秸刨花為原料，分析了不同形態(tài)麥秸對(duì)麥秸板主要物理力學(xué)性能的影響，以期為改進(jìn)麥秸刨花的制備工藝和原料選擇提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 麥秸刨花 (1)長料。由劈裂機(jī)加工而成，含水率為7%;(2)短料。由環(huán)式刨片機(jī)加工而成，含水率為7%。2種刨花原料均由諾菲博爾板業(yè)(楊凌)有限公司提供。

1.1.2 膠黏劑 聚合異氰酸酯膠黏劑(p-MDI)，棕色黏性液體，異氰酸酯基(NCO)含量30.5%～32.5%，黏度160～240 mPa·s (25 ℃)，由拜耳材料科技(中國)有限公司生產(chǎn)。

1.2 儀器設(shè)備

板材壓制采用DXL1500人造板壓機(jī)(咸陽威迪機(jī)電科技有限公司)，力學(xué)性能測試采用CMT5504萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(深圳市新三思公司)，斷面密度測試采用DENSE-LAB Mark 3 X射線斷面密度測試儀(德國Electronic Wood Systems公司)。

1.3 方 法

1.3.1 原料的篩分 將2種麥秸刨花原料用不同孔徑的方孔篩進(jìn)行篩分。長料和短料篩分各重復(fù)4次，對(duì)其刨花形態(tài)進(jìn)行分析。

1.3.2 制板工藝 (1)以不同加工方式所得麥秸刨花壓制板材。用未篩分的長料和短料壓制非定向的單層麥秸板，施膠量為刨花絕干質(zhì)量的7%，無其他添加劑。板材規(guī)格400 mm×400 mm×10 mm(板厚采用厚度規(guī)控制)，目標(biāo)密度0.650 g/cm3，每個(gè)條件重復(fù)5次。熱壓條件：溫度175 ℃，閉合時(shí)間30 s，熱壓時(shí)間46 s/mm，板坯單位最大壓力2 MPa。熱壓工藝曲線見圖1。

(2)以不同尺寸麥秸刨花壓制板材。取長料和短料中>1～≤2 mm、>2～≤4 mm、>4～≤8 mm (篩孔孔徑)3個(gè)等級(jí)的全劈裂麥秸刨花壓制非定向的單層麥秸板。其他條件同上。

1.4 板材性能測試

壓制后的板材于(20±3) ℃、(65±5)%相對(duì)濕度條件下陳放至質(zhì)量恒定后進(jìn)行性能測試。物理力學(xué)性能測試參考標(biāo)準(zhǔn)《LY/T 2141-2013定向結(jié)構(gòu)麥秸板》[9]的要求進(jìn)行，測試指標(biāo)包括抗彎強(qiáng)度(MOR)、抗彎彈性模量(MOE)、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度(IB)、2和24 h吸水厚度膨脹率(TS)與吸水率(WA)、斷面密度(VDP)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SAS 8.01軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和Duncan’s多重比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同加工方式所得麥秸刨花的形態(tài)

麥秸刨花的篩分值分布結(jié)果見圖2。由圖2可以看出，長料中>1～≤2 mm、>2～≤4 mm、>4～≤8 mm 的麥秸刨花之和達(dá)75%左右，短料中則為90%左右。>2～≤4 mm、>1～≤2 mm、<1 mm 3個(gè)篩層的刨花之和，長料為46%，短料為80%；>12 mm、>8～≤12 mm、>4～≤8 mm 3個(gè)篩層的刨花之和，長料為54%，短料為20%。短料中≤1 mm的細(xì)碎末(6%)多于劈裂機(jī)加工的長料(3%)，長料中>8～≤12 mm與>12 mm的刨花所占比例之和(24%)遠(yuǎn)大于短料(3%)。

各篩層刨花的特征與尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1，形狀系數(shù)見表2，堆積密度和壓縮率見表3。

注：每個(gè)數(shù)據(jù)為測量的100個(gè)刨花的平均值，數(shù)字后面的英文字母為Duncan’s多重比較的檢驗(yàn)結(jié)果,同列數(shù)據(jù)后標(biāo)有相同英文字母者,表示在P=0.05水平上差異不顯著,否則為差異顯著；“-”表示未測量。下同。

Note:Values in parentheses are standard deviations with 100 measurements.Within each column the data followed by the same letters indicate insignificant difference according to Duncan’s multiple test atP=0.05 level.“-” represents undetermined data.The same below.

注：每個(gè)數(shù)據(jù)為5次測量的平均值。

Note: Data are mean values of five independent replicates.

由各篩層刨花的尺寸(表1)和麥秸刨花的篩分值(圖2)可知，長料中長度為35.1 mm的刨花約占36%，長度為50.1 mm的刨花占30%；短料中55%的刨花長度為16.7 mm，長度為9.9和28.3 mm的刨花各占20%左右。隨著篩孔孔徑的增加，麥秸刨花的長度值逐漸升高，未劈裂麥秸主要存在于>8～≤12 mm和>12 mm篩層，未劈裂刨花的厚度約為劈裂刨花的2倍。

刨花的幾何形狀在很大程度上影響板材的質(zhì)量，刨花的長、寬、厚對(duì)其表面積都有影響。刨花形態(tài)常用長細(xì)比和寬細(xì)比來衡量[10]。由麥秸刨花的形狀系數(shù)(表2)可知，麥秸刨花的長細(xì)比隨篩孔孔徑的增加而增大，寬細(xì)比與長寬比也隨之升高。長料與短料中，>2～≤4 mm刨花的長細(xì)比分別為157.10和93.79；>4～≤8 mm刨花的長細(xì)比分別為183.78和138.36。

刨花尺寸影響堆積密度的大小，較大的刨花堆積密度較小；與堆積密度相似，刨花尺寸也對(duì)壓縮率產(chǎn)生影響，細(xì)小刨花的壓縮率小于大刨花。由麥秸刨花的壓縮率和堆積密度(表3)可以看出，長料的板坯厚度和壓縮率高于短料，堆積密度小于短料；長料的壓縮率為11.6，約為短料的1.3倍。隨著篩孔孔徑的增加，堆積密度減小，板坯厚度增加，壓縮率也隨之增加。長料和短料>1～≤2 mm刨花的板坯厚度最小，>4～≤8 mm的板坯最厚。較短的刨花板坯規(guī)整，隨著刨花長度增加，板坯越來越松散，在板坯傳遞過程中易出現(xiàn)塌邊現(xiàn)象。

2.2 不同加工方式所得刨花對(duì)麥秸板物理力學(xué)性能的影響

不同加工方式所得刨花壓制的麥秸板的物理力學(xué)性能測試結(jié)果見表4。

注：表中每個(gè)MOR、MOE值為30個(gè)試件的平均值,實(shí)際密度由MOR/MOE試件計(jì)算得出；IB為20個(gè)試件的平均值，TS與 WA為15個(gè)試件的平均值。下同。

Note:MOR (modulus of rupture) and MOE (modulus of elasticity) are average of 30 independent replicates. IB (internal bond strength) is average of 20 independent replicates.TS (thickness swelling) while WA (water absorption) is average of 15 independent replicates. The same below.

由表4和圖2可知，由于短料中大部分為細(xì)碎刨花，而長料中含有部分較長的刨花，使得由劈裂機(jī)所加工長料制得板材的MOR與MOE均約為刨片機(jī)加工短料所壓制板材的1.3倍，IB則僅為短料的74%左右，24 h TS和24 h WA均高于短料，但2種不同加工方式對(duì)2 h TS和2 h WA無顯著影響，該結(jié)果與其他學(xué)者的研究結(jié)論[11-12]類似。2種板材中除短料板材的抗彎彈性模量接近要求外，其余各項(xiàng)性能均達(dá)到《LY/T 2141-2013定向結(jié)構(gòu)麥秸板》[9]標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)干燥狀態(tài)下承載型板材的要求(平行向抗彎強(qiáng)度≥22 MPa，平行向抗彎彈性模量≥3.5 GPa，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度≥0.34 MPa，24 h吸水厚度膨脹率≤20%)。

長料的麥秸刨花IB值較短料低，這是因?yàn)榘迮魇侨我怃佈b的，大尺寸刨花相互之間就可能交叉重疊，雖然在熱壓時(shí)被壓實(shí)，但留下的空隙較多，相應(yīng)減少了刨花之間的有效接觸面[13]。刨花尺寸的減小，有利于增大刨花與膠黏劑的接觸面積，使其IB值提高。利用刨片機(jī)加工麥秸，可使麥秸表皮更為破碎，從而有利于更多的膠黏劑滲透到莖稈中[14]。

2.3 不同尺寸刨花對(duì)麥秸板物理力學(xué)性能的影響

表5為不同尺寸刨花所壓制麥秸板的物理力學(xué)性能測試結(jié)果。由表5可以看出，隨著麥秸刨花長細(xì)比的增大，長料和短料中不同篩層刨花壓制麥秸板的MOR與MOE均呈增大趨勢，該結(jié)果與前人的研究結(jié)論[8,15]相似；隨刨花長細(xì)比增大，IB均呈下降趨勢；除長料板材2 h TS外，短料板材的2 h TS及長、短料板材的24 h TS和WA均逐漸增大；2 h TS和WA為24 h 的25%～35%。除長料>4～≤8 mm刨花外，其余原料的2 h TS差異不顯著，其原因在于麥秸本身密度低，壓縮率較大，熱壓時(shí)鎖定的內(nèi)應(yīng)力較高[16]。因此延長麥秸刨花板的浸水時(shí)間，使其內(nèi)應(yīng)力充分釋放后，24 h TS顯著增加。總體上長料各篩層刨花所壓制的板材性能變化幅度較短料大。長料和短料均表現(xiàn)為>1～≤2 mm與>2～≤4 mm 2種刨花尺寸間的性能變化幅度較小。

>1～≤2 mm、>2～≤4 mm長料壓制板材的MOR與MOE低于短料，其中長料壓制板材的MOE未達(dá)到《LY/T 2141-2013定向結(jié)構(gòu)麥秸板》[9]標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)干燥狀態(tài)下承載型板材的要求。這是因?yàn)?1～≤2 mm長料中有較多細(xì)碎的麥葉所致，纖維長度短的麥葉對(duì)板材的強(qiáng)度性能有負(fù)面影響；麥葉中綜纖維素與木質(zhì)素含量均為全草中最低，其纖維長度較短，纖維的聚合度較莖稈低，熱水抽提物、1% NaOH抽出物含量高，灰分含量為全草中最高[17]；麥葉表面羥基濃度非常低，不利于膠黏劑的潤濕，且膠黏劑與麥葉反應(yīng)的放熱量較之與麥秸反應(yīng)的放熱量小[18]，這些因素均表明，原料中含較多的麥葉時(shí)可能會(huì)降低板材的力學(xué)性能。長料>2～≤4 mm刨花中含有部分顆粒狀的穗軸，粒狀穗軸在鋪裝時(shí)落入板坯底層，可能在表面形成裂縫缺陷，這些裂縫缺陷的存在會(huì)使應(yīng)力集中于裂縫的尖端處，而明顯高于試樣受到的平均應(yīng)力，當(dāng)達(dá)到或超過某一臨界條件時(shí)，裂縫失去穩(wěn)定而發(fā)生擴(kuò)展，最終在較低的名義應(yīng)力下引起材料斷裂[19-20]。

2.4 刨花尺寸對(duì)麥秸板斷面密度的影響

由圖3可見，不同尺寸麥秸刨花壓制板材的密度均在厚度方向呈“面高芯低”式的“U”形分布?！癠”形密度梯度往往賦予板材較高的抗彎強(qiáng)度和剛度，但同時(shí)意味著較低的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度[21]，其表層最高密度與芯層最低密度的比值為1.4～1.5，表層最高密度與平均密度的比值約為1.2。這種分布是由熱壓時(shí)熱傳遞在板坯內(nèi)由表及里的時(shí)間差、板坯厚度方向的刨花形態(tài)差異等因素所致[22]。另外，麥秸板斷面密度的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，是由于板坯的背表面首先受熱而使壓機(jī)閉合時(shí)下表層刨花的塑性較正面的大，且傳熱首先開始于下表面所致，故這種不對(duì)稱性是難免的。

斷面密度的差異形成于板材的熱壓過程中，是熱壓溫度、水分和壓力綜合交互作用的結(jié)果。從本質(zhì)上看，其形成取決于3個(gè)因素：原料性質(zhì)、板坯特性和熱壓工藝。板坯組成單元的尺寸形態(tài)影響板坯的傳質(zhì)傳熱特性。從理論上講，不同尺寸刨花板坯的空隙度不同，壓縮過程中刨花遷移的摩擦阻力不同，熱量傳遞的速率也有差別[23-24]。有研究表明，不同種類的原料，其傳熱、傳質(zhì)和不同熱質(zhì)條件下的應(yīng)力應(yīng)變特性存在差異，板坯內(nèi)部含水率與溫度及其分布是影響斷面密度的最關(guān)鍵因素，熱壓機(jī)閉合速度和熱壓溫度也與斷面密度關(guān)系密切，樹種和刨花形態(tài)等其他因素的影響在一定條件下也不能忽視[21]。由圖3可知，在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，麥秸刨花尺寸對(duì)其斷面密度的影響并不明顯，可能是因?yàn)榕倩ǔ叽缦鄬?duì)較小，故其影響相對(duì)較弱。

3 結(jié) 論

1)劈裂機(jī)加工的長料麥秸刨花中，>1～≤2 mm、>2～≤4 mm、>4～≤8 mm的麥秸刨花占75%左右，環(huán)式刨片機(jī)加工的短料麥秸刨花中則為90%左右，可見以刨片機(jī)加工的刨花中尺寸較小的刨花多于劈裂機(jī)加工刨花。隨著篩孔孔徑的增加，麥秸刨花的長度逐漸升高，長細(xì)比增加，寬細(xì)比與長寬比也隨之升高。長料的板坯厚度與壓縮率高于短料，堆積密度小于短料；長料的板坯壓縮率為11.6，約為短料的1.3倍。隨著篩孔孔徑的增加，長料、短料的堆積密度減小，板坯厚度增加，壓縮率也隨之增加。

2)劈裂機(jī)加工長料制得的麥秸板抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量均約為刨片機(jī)加工麥秸刨花所壓制板材的1.3倍，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度僅為短料的74%左右，24 h吸水厚度膨脹率和24 h吸水率高于短料，2種不同加工方式對(duì)板材2 h吸水厚度膨脹率和2 h吸水率無顯著影響。

3)隨著麥秸刨花長細(xì)比的增大，用長料和短料不同篩層刨花壓制麥秸板的抗彎強(qiáng)度及抗彎彈性模量均呈增大趨勢，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度均呈下降趨勢；24 h吸水厚度膨脹率和24 h吸水率逐漸增大，2 h吸水厚度膨脹率和吸水率為24 h時(shí)的25%～35%。長料各篩層刨花所壓制的板材性能變化幅度較短料大。長料與短料>1～≤2 mm和>2～≤4 mm 2種刨花尺寸間的性能變化幅度較小。

4)為提高板材的綜合性能，可將長刨花作為表層原料以提高板材的抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量，將短刨花作為芯層原料以提高其內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性。

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Effect of particle geometry on physical and mechanical properties of wheat straw board

ZHENG Chao1,ZHANG Ya-yun2,XIAO Jian-ping1,YANG Qing1,LEI Ya-fang1

(1CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;2LongcaopingForestryBureau,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 This paper evaluated the effect of particle geometry on mechanical and physical properties of wheat straw board to improve practical production.【Method】 Wheat straw boards were fabricated with two types of particles processed by splitter and flaker and three different diverse sizes (>1-≤2 mm,>2-≤4 mm,and >4-≤8 mm).Then the mechanical properties of panels were evaluated according to standard LY/T 2141-2013 and vertical profile density (VDP) was measured by X-ray.【Result】 Three different sizes of wheat straw particles with sizes of >1-≤2 mm,>2-≤4 mm,and >4-≤8 mm accounted for about 75% and 90% of strands processed by splitter and flaker,respectively.Flaker processed more fine particles than splitter.The compression ratio of strands processed by splitter was 11.6,which was approximately 1.3 times of that processed by flaker.With the increase of mesh size,bulk density of raw materials decreased,while the thickness of mat and compression ratio increased.MOR and MOE of boards made of strands were 43.68 MPa and 4.47 GPa,respectively,which were 1.3 times of the boards made of particles.Besides,IB (0.42 MPa) was 74% of that made of particles,and 24 h TS and WA were 16.92% and 60.64%,all higher than the boards made of particles.2 h WA and TS were higher than the boards made of particles without significant difference.With the increase of slenderness ratio,the MOR and MOE increased,IB decreased,while 24 h TS and WA increased.VDPs were very similar for different boards made of different sizes of strands and particles with an approximate U-shaped distribution.It indicated that the influence of particle size on VDP was not significant.【Conclusion】 Comparing with boards made of particles processed by flaker,strands processed by splitter had much larger variations in properties. In practical production, it is recommended to use strands as face material and particles as core material to improve the bending properties,IB and dimensional stability.

particle geometry;wheat straw board;physical and mechanical properties

2013-11-06

西北農(nóng)林科技大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)科技創(chuàng)新專項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目(QN2011071)

鄭 超(1988-)，男，天津武清人，在讀碩士，主要從事定向結(jié)構(gòu)麥秸板研究。E-mail:646869286@qq.com

雷亞芳(1965-)，女，陜西合陽人，教授，博士，主要從事木質(zhì)資源加工與利用研究。E-mail:leiyafang@sina.com

時(shí)間:2015-01-19 09:19

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.03.019

TS653.5；X712

A

1671-9387(2015)03-0191-08

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150119.0919.019.html