不同比例麥葉、穗軸對定向結(jié)構(gòu)麥秸板性能的影響

王 瑛，張喜燕，雷亞芳

（西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊陵 712100）

麥秸是生產(chǎn)定向結(jié)構(gòu)麥秸板（OSSB）的主要原料，在麥秸人造板的生產(chǎn)過程中不可避免的會混入少量的麥葉、穗軸等原料。混入的這些原料能否與膠黏劑很好地相容，不僅與所選膠黏劑的性能有關(guān)，而且與原料自身的特性有很大關(guān)系［1］。原料的性能是影響人造板各項(xiàng)性能的一個(gè)很重要的因素［2－3］，國內(nèi)學(xué)者對麥秸稈的微觀構(gòu)造及化學(xué)成分含量進(jìn)行了研究［4－7］。研究表明麥秸稈外表面光滑，形成的角質(zhì)層阻礙膠滴的潤濕、擴(kuò)散和滲透［8－9］；麥秸外表面、麥葉和穗軸的表面羥基濃度非常低，不利于膠黏劑的潤濕。異氰酸酯膠（MDI）對麥秸內(nèi)表面的接觸角比對麥秸外表面的接觸角?。?，9－10］，對麥葉的接觸角最大，即潤濕性最差［1］。所以麥葉、穗軸的含量對板材的性能會有一定的影響，但目前關(guān)于麥葉、穗軸對麥秸板性能的影響未見報(bào)道。依據(jù)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)情況，壓制含有不同比例麥葉、穗軸的定向結(jié)構(gòu)麥秸板，參照GB／T17657－1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》測定各板材的密度、含水率、吸水厚度膨脹率、彈性模量、靜曲強(qiáng)度以及內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度［11］，分析不同比例麥葉、穗軸的含量對板材性能的影響，并探索產(chǎn)生這種影響的原因，為企業(yè)改進(jìn)生產(chǎn)工藝，提高板材性能提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1．1 材料

試驗(yàn)材料均由諾菲博爾板業(yè)（楊凌）有限公司提供。

麥秸原料：手工將原料分選為麥秸、麥葉、穗軸3種，麥秸原料的含水率為7．6%。劈裂秸稈長度30～100 mm，麥葉長度30～150 mm；穗軸5～50 mm。

膠黏劑：異氰酸酯膠（MDI），棕色粘性液體，NCO含量30．5%～32．5%，粘度250～350 mPa·s（25℃）。

脫膜劑：由二甲基硅油201和聚乙烯蠟為基材聚合而成的無色透明粘稠液體。

熱熔膠：熱熔膠棒。

1．2 儀器與試劑

DXL－1500KN型熱壓機(jī)：咸陽威迪機(jī)電科技有限公司生產(chǎn)；CMT5504萬能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)：深圳市新三思公司生產(chǎn)；WAB型精密推臺鋸：歐登多（秦皇島）機(jī)械制造有限公司；101－1AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱；天津泰斯特有限公司生產(chǎn)；自制定向鋪裝模具；電子天平、電子計(jì)數(shù)秤、氣壓噴涂裝置、實(shí)驗(yàn)室自制拌膠機(jī)、水浴鍋等。

1．3 方法

麥秸板的制造工藝基本上沿用了木質(zhì)碎料板的生產(chǎn)工藝，主要區(qū)別或關(guān)鍵技術(shù)是備料過程和使用的膠料劑［12－13］。首先，將干燥后的麥秸原料拌膠，把拌過膠的麥秸原料定向鋪成板坯，經(jīng)人工預(yù)壓后送到熱壓機(jī)進(jìn)行熱壓，待壓制好的板子冷卻后齊邊，最后分檢入庫。本研究的定向鋪裝是利用自制的定向鋪裝模具進(jìn)行定向鋪裝并控制板坯幅面的大小，鋪裝成縱橫交錯(cuò)的3層結(jié)構(gòu)板，2表層原料用量各占原料總量的25%，方向一致；芯層原料用量占原料總量的50%，方向與表層方向垂直。板坯的鋪裝采用手工的方式進(jìn)行［14］。鋪裝時(shí)，要盡量使麥秸原料鋪撒均勻，以保證板坯每個(gè)位置的密度一致。定向結(jié)構(gòu)麥秸板的生產(chǎn)工藝流程見圖1［7，15］。

圖1 生產(chǎn)工藝流程Fig．1 Manufacturing technique process

按照上述工藝流程，參考諾菲博爾板業(yè)（楊凌）有限公司生產(chǎn)定向結(jié)構(gòu)麥秸板的熱壓工藝，壓制定向結(jié)構(gòu)麥秸板。施膠量8%，板材目標(biāo)密度0．70 g·cm－3，板材規(guī)格為400 mm×400 mm×10 mm。

試驗(yàn)是在劈裂麥秸中添加不同比例的麥葉、穗軸，使用異氰酸酯膠（MDI）壓制定向結(jié)構(gòu)麥秸板，測定各板材的物理力學(xué)性能，探索麥葉、穗軸的含量對定向結(jié)構(gòu)麥秸板性能的影響。通過對麥秸原料的分選、稱量，其中麥葉含量為4．75%，穗軸含量3．69%；試驗(yàn)測試完整的小麥植株中麥葉含量為26．3%，穗軸含量3．8%［15］。因此，分別壓制含麥葉5%、15%、25%的板材，含穗軸1%、3%、5%的板材，以100%劈裂麥秸壓制的定向結(jié)構(gòu)麥秸板為對照組，共7組。每組各壓5塊，結(jié)果取其平均值（表1）。

表1 麥秸板的壓板方案Table 1 The test scheme of the experimental straw panel

將壓制好的毛板在室溫下放置2周以上時(shí)間，利用精密裁板鋸進(jìn)行齊邊加工，裁成規(guī)格為380 mm×380 mm×10 mm的板材。參考GB／T17657－1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》和LY／T 1580－2010《定向刨花板》，設(shè)計(jì)出最佳裁板方案，裁截出標(biāo)準(zhǔn)試件［15］，測定各組板材的密度、含水率、吸水厚度膨脹率、彈性模量、靜曲強(qiáng)度以及內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度。

2 結(jié)果與分析

試驗(yàn)測試結(jié)果（表2）可以看出，各等級板材的密度變化不大，均接近于板材的目標(biāo)密度0．70 g·cm－3，符合預(yù)期。因此認(rèn)為板材的密度對板材物理力學(xué)性能的影響可以忽略不計(jì)。

2．1 含水率

由表2看出隨著麥葉、穗軸添加比例的增大，板材的含水率變化范圍不大，因此認(rèn)為含水率對板材性能沒有影響。依據(jù)LY／T1580－2010國家標(biāo)準(zhǔn)《定向刨花板》規(guī)定，允許定向刨花板的含水率在2%－6%之間，因此符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

2．2 24 h吸水厚度膨脹率

表2表明，D組板材的吸水厚度膨脹率是16．3%，Za、Zb、Zc組板材的吸水厚度膨脹率分別為20．4%、23．5%、27．9%。隨著穗軸含量增加，板材的吸水厚度膨脹率增大。Zc組板材的吸水厚度膨脹率比對照D組高出了71．2%。說明穗軸對板材的吸水厚度膨脹率影響大，其主要原因有：穗軸中半纖維素的含量（38．9%）較麥秸中半纖維素含量（35．87%）高［7］。半纖維素是無定型物，主鏈和側(cè)鏈上均含有較多的羥基（－OH）和羧基（－COOH）等親水性基團(tuán)，是木材中吸濕性極強(qiáng)的組分，是板材產(chǎn)生吸濕膨脹的重要因素之一。其次，穗軸的密度較麥秸大，且材質(zhì)較硬，不易壓縮，在同樣規(guī)格的板材內(nèi)部，相同質(zhì)量的穗軸所占的空間比麥秸所占空間小，使得板材內(nèi)部的孔隙增多，吸水性能增強(qiáng)。另外，穗軸表面的蠟質(zhì)層較厚，蠟質(zhì)層的存在會影響膠黏劑與穗軸之間的膠接性能，吸水性能增強(qiáng)，直接導(dǎo)致板材的吸水厚度膨脹率增大。

表2 試驗(yàn)測試結(jié)果Table 2 The test result of the experimental straw panel

Yc組板材的吸水厚度膨脹率為29．9%，比D組高出83．4%，并且隨著麥葉含量的增大，板材的吸水厚度膨脹率明顯增大，說明麥葉對板材吸水厚度膨脹率的影響顯著（表2）。主要原因：1）麥葉的長度較大，在拌膠過程中，容易造成原料的施膠不均勻，板材內(nèi)部缺膠或少膠的部位增多，板材的吸水性能增強(qiáng)。2）麥葉的灰分含量（9．96%）較麥秸的灰分含量（5．21%）高，灰分的存在不利于膠黏劑對原料的潤濕，導(dǎo)致板材的膠合性能變差，吸水性增強(qiáng)。3）麥葉中木質(zhì)素的含量（12．24%）比麥秸木質(zhì)素的含量（16．36%）低。木質(zhì)素是一種熱塑性的高分子物質(zhì)，在熱量的作用下，木質(zhì)素塑化熔融，熔融后部分木質(zhì)素將會包裹或填充在細(xì)胞壁的外圍，能夠在一定程度上阻礙水分的進(jìn)出。因此，隨著麥葉含量的增大，板材內(nèi)部木質(zhì)素的含量降低，將會使水分的進(jìn)出變得相對容易，導(dǎo)致板材的吸水厚度膨脹率增大。

2．3 靜曲強(qiáng)度和彈性模量

2．3．1 平行方向性能 從表2可知，D組板材的靜曲強(qiáng)度和彈性模量分別是54．9、5 926．4 MPa，Ya、Yb、Yc組板材平行方向的靜曲強(qiáng)度分別為52．5、50．0、46．5 MPa，平行方向彈性模量分別為5 899．3、5 760．1、5 306．8 MPa。麥葉含量越高，板材的靜曲強(qiáng)度和彈性模量越低。Yc組板材平行方向的靜曲強(qiáng)度和彈性模量最低，與D組板材對比，其平行方向靜曲強(qiáng)度和彈性模量分別降低了15．3%、10．5%。分析原因：1）因?yàn)辂溔~本身的強(qiáng)度比麥秸的強(qiáng)度低很多，韌性也較差。2）麥葉的尺寸較大，纏繞性很強(qiáng)，在板坯鋪裝時(shí)，影響原料中麥秸的定向效果，其自身的定向效果也差，使得板材的彈性模量和靜曲強(qiáng)度降低。3）麥葉的纖維素含量（35．16%）比麥秸中纖維素的含量（41．11%）低很多，纖維素中存在結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)。在結(jié)晶區(qū)，纖維素分子鏈的排列定向有序，且密度較大，側(cè)面的羥基也可形成氫鍵構(gòu)成一定的結(jié)晶格子，對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)極大［16］。所以，隨著麥葉含量的增大，板材內(nèi)部纖維素的含量降低，從而使板材的彈性模量和靜曲強(qiáng)度降低。

穗軸的含量對板材彈性模量與靜曲強(qiáng)度的影響相近，隨著穗軸含量的增大，2項(xiàng)力學(xué)性能的數(shù)值逐漸減小，性能變差（表2）。主要原因有：1）穗軸的纖維素含量（37．35%）比麥秸中纖維素的含量（41．11%）低。2）穗軸本身尺寸較小，呈短棒狀，鋪裝時(shí)很容易沉積在板坯底層，容易引起板材的不均勻性，板材整體連續(xù)性變差，且與其他原料的交錯(cuò)效果較差，在受外力情況下，含有穗軸的部位容易產(chǎn)生斷裂，影響板材的靜曲強(qiáng)度；同時(shí)穗軸硬度較大，彈性較弱，加入板材后使得板材的整體彈性模量變?nèi)酢?/p>

2．3．2 垂直方向性能 從表2可知，隨著麥葉、穗軸含量的增大，板材垂直方向的彈性模量和靜曲強(qiáng)度也均逐漸降低，板材性能變差，其原因與麥葉、穗軸對板材平行方向性能的影響因素一致。

板材平行方向的彈性模量和靜曲強(qiáng)度均比垂直方向的高，板材中不含麥葉、穗軸時(shí)，板材平行方向的靜曲強(qiáng)度和彈性模量分別比垂直方向的高出16．8%、14．9%。說明板材中原料的定向效果較好，對原料定向可以增加板材某一個(gè)方向的強(qiáng)度，從而滿足某些特定場合板材的使用要求。

2．4 內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度

由表2可知，D組板材的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度為0．58 MPa。Ya、Yb、Yc組板材的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度分別為0．58、0．56、0．51 MPa。Yc組板材的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度比D組降低了12．1%。隨著麥葉含量的增大，板材的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度逐漸降低，嚴(yán)重的影響了板材的性能。其原因可能為：1）麥葉中灰分的含量最高（麥秸5．21%、穗軸4．48%、麥葉9．96%），灰分的存在不利于膠黏劑對麥秸原料的潤濕和滲透，影響膠合性能。2）麥葉的尺寸較大，拌膠過程中容易出現(xiàn)拌膠不均勻的現(xiàn)象，從而使板材的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度降低。

當(dāng)穗軸的含量為1%時(shí)，板材的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度出現(xiàn)一個(gè)較反常的現(xiàn)象，其內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度比含3%穗軸的板材內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度低，但是相差不大，可能是由試驗(yàn)誤差引起的。隨著穗軸含量的增大，板材的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度呈下降的趨勢。其原因可能為通過對麥秸、麥葉、穗軸進(jìn)行電鏡掃描發(fā)現(xiàn)，穗軸表面的蠟質(zhì)層最厚，蠟質(zhì)層的存在將會嚴(yán)重影響膠黏劑與刨花之間的膠合質(zhì)量，影響板材的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度。穗軸質(zhì)地堅(jiān)硬，呈短棒狀，不易變換形狀與其他原料交錯(cuò)結(jié)合，也使得內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的變小。

3 結(jié)論與討論

麥葉、穗軸對板材吸水厚度膨脹率、彈性模量、靜曲強(qiáng)度和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的影響較大，其中對板材吸水厚度膨脹率的影響最大。隨著麥葉、穗軸含量的增大，板材的彈性模量、靜曲強(qiáng)度和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度均逐漸降低，板材的吸水厚度膨脹率逐漸增大。

將試驗(yàn)結(jié)果與LY／T 1580－2010《定向刨花板》質(zhì)量等級標(biāo)準(zhǔn)對比發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，板材的彈性模量、靜曲強(qiáng)度和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度均滿足國家對定向刨花板0SB／1、0SB／2、0SB／3、0SB／4型標(biāo)準(zhǔn)的要求。不添加麥葉、穗軸時(shí)，板材的吸水厚度膨脹率可滿足OSB／2型要求；當(dāng)穗軸的添加比例為1%、3%，麥葉的添加比例為5%、15%時(shí)，板材的吸水厚度膨脹率滿足0SB／1型要求；當(dāng)穗軸的添加比例為5%、麥葉的添加比例為25%時(shí)，板材的吸水厚度膨脹率不能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

隨著麥葉、穗軸含量的增大，板材的各項(xiàng)物理力學(xué)性能均變差。說明麥秸刨花中含有的麥葉、穗軸不利于定向結(jié)構(gòu)麥秸板性能的提高，因此，生產(chǎn)定向結(jié)構(gòu)麥秸板時(shí)應(yīng)盡量控制或者改進(jìn)工藝減少原料中麥葉、穗軸的含量，以制得質(zhì)量和性能更加優(yōu)越的定向結(jié)構(gòu)麥秸板。

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