楊樹樹皮刨花板工藝與性能研究

楊志慧，程利娟，孫照斌，徐鳳娟

(1.河北隆化國有林場管理處茅荊壩林場，河北 隆化 068150；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071000)

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研究與設(shè)計(jì)

楊樹樹皮刨花板工藝與性能研究

楊志慧1，程利娟1，孫照斌2，徐鳳娟2

(1.河北隆化國有林場管理處茅荊壩林場，河北 隆化 068150；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071000)

研究了以脲醛樹脂膠為膠黏劑的楊樹樹皮刨花板的加工工藝和性能。結(jié)果表明：樹皮與楊木刨花配比為6∶4、密度為0.8 g/cm3，施膠量為12%、熱壓時(shí)間為8 min時(shí)，樹皮刨花板的各項(xiàng)物理性能最優(yōu)并達(dá)到了GB/T 4897.3-2003普通刨花板國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

楊樹樹皮；脲醛樹脂膠；刨花板；工藝參數(shù)；板材性能

在森林采伐、貯木場作業(yè)、木材加工等過程中，往往有大量的樹皮被丟掉。除了一些特殊的樹皮用于特殊用途外，其余樹皮往往被看成是廢料，而且處理這些廢料費(fèi)時(shí)費(fèi)力。過去有些國家用樹皮做燃料或堆肥，利用率最高的也只達(dá)到50%。20世紀(jì)60年代以來，前蘇聯(lián)、德國、加拿大、美國和我國的一些學(xué)者都相繼對(duì)樹皮的利用進(jìn)行了深入研究，為樹皮的綜合利用提供了多種途徑[1-10]。楊樹樹皮約占木材材積的12%～15%，若能將其充分利用，則能大大提高林業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。目前針對(duì)楊樹樹皮開發(fā)利用的研究報(bào)道相對(duì)較少，本研究以楊樹樹皮為主要原料制備樹皮刨花板，旨在為楊樹樹皮的綜合利用提供參考[11-12]。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

(1)楊樹樹皮：采自河北保定涿州地區(qū)的741轉(zhuǎn)抗蟲基因和741非轉(zhuǎn)抗蟲基因兩種楊樹，樹皮風(fēng)干后打碎；形態(tài)為長2～10 mm、寬1～2.5 mm、厚0.6～0.8 mm，含水率為6%。

(2)楊木刨花：新鮮楊木單板用粉碎機(jī)粉碎成刨花后，進(jìn)行篩選、干燥，備用。刨花形態(tài)為長2～15 mm、寬1～3 mm、厚0.5～0.8 mm，含水率為5.5%；

(3)膠黏劑：外購脲醛膠(UF樹脂膠)，固含量48.6%，pH 7.5，黏度：涂4杯，52s；

(4)固化劑：氯化銨(分析純)；

(5)填料：面粉。

1.2 儀器設(shè)備

①平板硫化機(jī)(XLB-500×500)、②電子式人造板萬能試驗(yàn)機(jī)(MND-10B)、③鼓風(fēng)式干燥箱、④高速混合機(jī)(SHR-10DY)、⑤電子天平、⑥粉碎機(jī)。

1.3 試驗(yàn)方法

工藝流程如下：楊樹刨花與楊樹樹皮混合→施膠→攪拌→鋪裝→陳化→預(yù)壓→熱壓→冷卻→后期處理。

實(shí)驗(yàn)采用L9(34)正交試驗(yàn)法，研究材料密度、配比、施膠量、熱壓時(shí)間對(duì)樹皮刨花板性能的影響。

刨花板的主要工藝參數(shù)為：尺寸300 mm×300 mm×10mm；單層結(jié)構(gòu)；熱壓溫度120 ℃；單位壓力3 MPa；固化劑氯化銨用量為樹脂膠用量的1%。

1.4 板材性能測試

根據(jù)GB/T 17657-2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》[13]和GB/T 4897.2-2003《干燥狀態(tài)下使用的普通刨花板》[14]，檢測板材的密度(ρ)、含水率(M.C)、靜曲強(qiáng)度(MOR)、靜曲彈性模量(MOE)、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度(IB)、吸水厚度膨脹率(TS)等指標(biāo)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

L9(34)正交試驗(yàn)安排及試驗(yàn)結(jié)果見表1，方差分析匯總見表2。

表1 L9(34)正交試驗(yàn)安排及試驗(yàn)結(jié)果

表2 方差分析匯總

注：***表示影響高度顯著，**影響顯著，*有影響但不顯著。

根據(jù)極差R和水平K分析，可得直觀分析圖如圖1所示。

通過直觀分析圖和方差分析可以看出：

(1)影響板材性能的主要因素從主到次順序?yàn)椋篈→B→D→C，即密度→配比→施膠量→熱壓時(shí)間。

(2)在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，方差分析顯示密度對(duì)靜曲強(qiáng)度和靜曲彈性模量影響高度顯著，木塑配比對(duì)靜曲強(qiáng)度、靜曲彈性模量、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的影響顯著，施膠量對(duì)吸水厚度膨脹率的影響高度顯著，熱壓時(shí)間對(duì)各項(xiàng)性能有影響但不顯著。

(3)綜合分析，較佳的工藝參數(shù)為：A3B1C2D3，即板材的預(yù)設(shè)密度為0.8 g/cm3，樹皮與楊木刨花的配比為3∶2，熱壓時(shí)間為8 min，施膠量為14%。但在表1中4號(hào)板材和7號(hào)板材的各項(xiàng)性能基本可以達(dá)到或接近干燥狀態(tài)下使用的普通刨花板GB/T 4897.2-2003性能指標(biāo)中所列的標(biāo)準(zhǔn)要求。

(a)正交試驗(yàn)MOR直觀分析

(b)正交試驗(yàn)MOE直觀分析

(c)正交試驗(yàn)M.C直觀分析

(d)正交試驗(yàn)TS直觀分析

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 密度對(duì)板材各項(xiàng)性能的影響

從表1、表2和圖1可知，在試驗(yàn)區(qū)間內(nèi)，隨著板材密度的增大，其靜曲強(qiáng)度和靜曲彈性模量均呈增大趨勢(shì)，而24 h吸水厚度膨脹率變化不大。方差分析顯示，密度對(duì)其靜曲強(qiáng)度和靜曲彈性模量影響高度顯著，對(duì)24 h吸水厚度膨脹率影響不顯著。這是因?yàn)槊芏仍黾?，板材中的木刨花和碎樹皮的整體壓縮率提高，使木刨花之間、碎樹皮之間，以及木刨花和碎樹皮之間在膠黏劑的作用下能夠更好地結(jié)合，從而使板材抵御正應(yīng)力和剪應(yīng)力的能力增強(qiáng)。此外，隨著密度的增加，板材的吸水厚度膨脹率呈下降趨勢(shì)。這主要是木刨花和碎樹皮的整體壓縮率提高以后會(huì)使板材中的吸水基團(tuán)和吸水通道減少，板材的耐水性能提高。從整體看，在試驗(yàn)區(qū)間內(nèi)，密度越高越好，但考慮到成本，密度取0.7 g /cm3左右即可，此時(shí)板材性能可達(dá)到刨花板的國標(biāo)要求。

2.2.2 木刨花/樹皮配比對(duì)板材性能的影響

木刨花與碎樹皮的比值是指在一定板坯重量的前提下，兩種原料的絕干物質(zhì)質(zhì)量比。由于木刨花和碎樹皮自身密度及堆積密度的差別，以及在板坯中所處的位置不同，獲得的熱量有差異，在同樣壓力下，比值不同，對(duì)刨花板的性能影響也不同。

從表1、表2和圖1還可以看出，材料配比(樹皮：刨花)中隨著楊木刨花用量的增大，其靜曲強(qiáng)度和靜曲彈性模量呈增大趨勢(shì)，24 h吸水厚度膨脹率也呈增大趨勢(shì)。方差分析顯示，材料配比(樹皮：刨花)對(duì)其靜曲強(qiáng)度、靜曲彈性模量和24 h吸水厚度膨脹率影響顯著。木刨花/樹皮配比為6∶4的1號(hào)、4號(hào)和7號(hào)板材的靜曲強(qiáng)度、靜曲彈性模量比木刨花/樹皮配比為7∶3和8∶2的板材要高。

單一變量材料配比在刨花板性能影響的試驗(yàn)中也顯示了相似的結(jié)果。單因素試驗(yàn)設(shè)置密度為0.7 g/cm3、施膠量12%、熱壓時(shí)間8 min，熱壓溫度120 ℃，樹皮/刨花配比分別為0∶1、1∶1、3∶1、1∶0。材料配比對(duì)刨花板各項(xiàng)性能的影響見表3。

表3 材料配比對(duì)刨花板各項(xiàng)性能的影響

由表3可知，材料配比(樹皮：刨花)為1∶0時(shí)，刨花板的性能與國家標(biāo)準(zhǔn)要求相差較大，材料配比為3∶1時(shí)，刨花板的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或接近國家標(biāo)準(zhǔn)，完全用樹皮為原料制備的刨花板性能指標(biāo)偏低，達(dá)不到國家刨花板標(biāo)準(zhǔn)要求。由于樹皮本身的強(qiáng)度低于木材，因此楊木刨花含量越高刨花板的性能越好。

2.2.3 熱壓時(shí)間對(duì)板材各項(xiàng)性能的影響

從表1、表2和圖1中可知，在本試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，隨著熱壓時(shí)間的增大，其靜曲強(qiáng)度、靜曲彈性模量、24 h吸水厚度膨脹率變化不明顯。方差分析顯示，熱壓時(shí)間對(duì)其靜曲強(qiáng)度、靜曲彈性模量和24 h吸水厚度膨脹率的影響也不顯著。

熱壓時(shí)間的確定必須保證芯層刨花上的膠黏劑達(dá)到必要的固化程度，同時(shí)還要保證表層上的膠黏劑不能脆化。熱壓時(shí)間過短，芯層部位的膠黏劑未能很好地固化，致使該部位的刨花間不能產(chǎn)生良好的結(jié)合，從而降低了抵御剪應(yīng)力的能力。而熱壓時(shí)間過長，則表層膠黏劑脆化，使刨花間的膠合強(qiáng)度降低，致使抵御正應(yīng)力的能力下降。對(duì)本次試驗(yàn)的樹皮刨花板來說，熱壓時(shí)間為8 min左右比較合適。

2.2.4 施膠量對(duì)板材各項(xiàng)性能影響

從表1、表2和圖1可知，隨著施膠量的增大，其靜曲強(qiáng)度和靜曲彈性模量變化不明顯，24 h吸水厚度膨脹率呈降低趨勢(shì)。方差分析顯示，施膠量對(duì)其靜曲強(qiáng)度、靜曲彈性模量影響不顯著，而對(duì)24 h吸水厚度膨脹率影響高度顯著。

從表2和圖1可知，在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，施膠量對(duì)板材24 h吸水厚度膨脹率影響顯著，隨著施膠量的增大，其24 h吸水厚度膨脹率逐步降低，但其靜曲強(qiáng)度、靜曲彈性模量變化不大。

采用單一變量法進(jìn)行施膠量對(duì)板性能影響的補(bǔ)充試驗(yàn)。設(shè)置密度為0.7 g/cm3、配比為3∶1、熱壓時(shí)間8 min，熱壓溫度為120 ℃，施膠量分別為10%、12%、14%，考查施膠量對(duì)刨花板各項(xiàng)性能的影響，結(jié)果見表4。

表4 施膠量對(duì)刨花板性能的影響

由表4可知，施膠量為10%時(shí)，刨花板的性能未達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求，施膠量為12%時(shí)，刨花板的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或接近于國家標(biāo)準(zhǔn)。隨著施膠量增大，其靜曲強(qiáng)度、靜曲彈性模量、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度逐步增大，吸水厚度膨脹率逐步減小。

原料用量一定時(shí)，施膠量小會(huì)造成部分原料施膠不均勻，在熱壓過程中部分刨花結(jié)合松散；而施膠量大，在攪拌過程中又會(huì)使刨花結(jié)團(tuán)或鋪裝不勻，在熱壓過程中會(huì)有膠液溢出，造成膠的浪費(fèi)，同時(shí)施膠量過大甲醛含量也會(huì)增加。在本試驗(yàn)中，比較合適的施膠量為12%。

2.3 工藝參數(shù)優(yōu)化及驗(yàn)證

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)和單因素試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)置板材的預(yù)設(shè)密度為0.7 g/cm3、樹皮與木刨花配比為6∶4、熱壓時(shí)間為8 min、施膠量為12%進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，結(jié)果見表5。從表5可知，按該優(yōu)化工藝條件制備的刨花板性能可達(dá)到干燥狀態(tài)下使用的普通刨花板GB/T 4897.2-2003的性能指標(biāo)要求。

表5 工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

(1)完全用楊樹樹皮制備刨花板，其性能指標(biāo)達(dá)不到普通刨花板國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，添加一定比例的木質(zhì)刨花后可以明顯地改善樹皮刨花板的性能。

(2)本試驗(yàn)范圍內(nèi)，密度對(duì)刨花板的靜曲強(qiáng)度、靜曲強(qiáng)度模量影響顯著，木刨花/樹皮配比對(duì)刨花板的靜曲強(qiáng)度、靜曲強(qiáng)度模量、吸水厚度膨脹率影響顯著，施膠量對(duì)刨花板吸水厚度膨脹率影響顯著，而熱壓時(shí)間對(duì)各性能影響均不顯著。

(3)各因素對(duì)刨花板性能影響的主次關(guān)系為：密度→施膠量→配比→熱壓時(shí)間。最優(yōu)工藝參數(shù)為：密度0.7 g/cm3，樹皮與木刨花配比為6：4，熱壓時(shí)間為8 min，施膠量為12%，該工藝條件下所制備的刨花板性能指標(biāo)可滿足GB/T 4897.2-2003干燥狀態(tài)下使用的普通刨花板性能指標(biāo)的要求。

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(責(zé)任編輯 張雅芳)

Study on Poplar Bark-based Particleboard Technology and Properties

YANG Zhi-hui1，CHENG Li-juan1，SUN Zhao-bin2，XU Feng-juan2

(1.Maojingba Forest Farm，Hebei Longhua State-owned Forest Farm Management Office，Longhua Hebei 068150，China；2.Agricultural University of Hebei，Baoding Hebei 071000，China)

The processing technology and properties of poplar bark-based particleboard with urea formaldehyde(UF)resin as adhesive are studied，with the result showing the ratio of bark to poplar particle of 4∶1，density of 0.8 g/cm3，glue consumption of 12%，and hot press time of 8 min，with all physical properties of the bark-based particleboard realizing the optimum level and meeting the requirements in the natonal standard GB/T 4897.3-2003 for ordinary particleboard.

poplar tree bark；UF-resin；particleboard；technical parameters；board properties

2017-03-10

林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目“廢棄木材保管規(guī)范”(2014-LY-068)

楊志慧(1981-)，男，工程師，本科，主要從事森林經(jīng)營與管理、森林培育經(jīng)營技術(shù)的研究，E-mail：yangzhihui1982@126.com。