黃頂菊秸稈制備刨花板工藝研究

魏立婷， 楊 松， 韓淑偉， 黃 茹， 閆 薇， 孫照斌

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河北 保定 071000；2.河北省涉縣林業(yè)局，河北 涉縣 056400)

研究與設(shè)計(jì)

黃頂菊秸稈制備刨花板工藝研究

魏立婷1， 楊 松1， 韓淑偉2， 黃 茹1， 閆 薇1， 孫照斌1

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河北 保定 071000；2.河北省涉縣林業(yè)局，河北 涉縣 056400)

對黃頂菊秸稈制備刨花板工藝進(jìn)行研究。結(jié)果表明：密度、施膠量、配比(楊木刨花與黃頂菊秸稈刨花的配比)對板材性能均有影響；隨著密度、施膠量及配比的增大，板材的MOR值、MOE值及IB值均呈增大趨勢。綜合考慮，制板的較優(yōu)工藝參數(shù)為：熱壓溫度120 ℃、熱壓壓力4 MPa、時(shí)間5 min、密度0.7 g/cm3、施膠量10%、楊木刨花與黃頂菊秸稈比5：5，此條件下制備的復(fù)合板各項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)到國標(biāo)GB/T 4897.2-2003的要求。

黃頂菊；秸稈；刨花板；工藝

黃頂菊為一年生草本植物，其根系發(fā)達(dá)，耐鹽堿、耐瘠薄、抗逆性強(qiáng)，繁殖速度驚人，是典型的入侵物種，對農(nóng)業(yè)和生態(tài)平衡危害很大[1]。每到收獲的季節(jié)，無論是秸稈的焚燒或是推入河塘，均構(gòu)成對社會和環(huán)境的危害[2-3]。我國在20世紀(jì)90年代末期開始進(jìn)行麥/稻秸稈人造板的工業(yè)化生產(chǎn)，已經(jīng)取得多項(xiàng)成果[4]。據(jù)資料介紹，我國是世界上秸桿人造板產(chǎn)量最大的國家，目前在線運(yùn)行的生產(chǎn)線有6條，每條生產(chǎn)線按年產(chǎn)量5萬m3計(jì)算，總計(jì)30萬m3。在建的生產(chǎn)線中，除2條計(jì)劃采用國外進(jìn)口的生產(chǎn)線以外，其余均為采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的秸稈材國產(chǎn)化生產(chǎn)線[5]。

對黃頂菊的研究主要集中在黃頂菊的分布[6]、化學(xué)成分[7]、潛在危險(xiǎn)性評估及防除對策[8]、黃頂菊染色體數(shù)目及核型分析[9]、黃頂菊種子萌發(fā)特性研究[10]等幾個(gè)方面。利用黃頂菊秸稈制造刨花板，既可高效綜合利用黃頂菊秸稈，化害為寶，又能保護(hù)生態(tài)環(huán)境。本文著重研究密度、施膠量、楊木刨花與黃頂菊秸稈刨花配比對板材性能的影響，以期得到最優(yōu)的工藝參數(shù)，為下一步制板工藝研究提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

(1)黃頂菊秸稈：經(jīng)粉碎機(jī)粉碎，篩選出長10～20 mm、寬2.5～5 mm的單體，含水率10%左右，備用。

(2)楊木刨花：保定某膠合板廠所制廢單板，用粉碎機(jī)粉碎后進(jìn)行篩選、干燥、備用。刨花形態(tài)長10～20 mm、寬1～2.5 mm、厚0.6～0.8 mm、含水率10%左右備用。

(3)膠黏劑：外購脲醛膠(UF樹脂膠)，固含量48.6%，pH值7.5，黏度290 mPa.s。

(4)添加劑：氯化銨、面粉。

(5)水：民用自來水。

1.2 儀器設(shè)備

平板硫化熱壓機(jī)，XLB-500×500×2型；電子式人造板萬能試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司生產(chǎn)；高速混合攪拌機(jī)，北京新華塑料機(jī)械有限公司生產(chǎn)；高精度木工圓鋸機(jī)；鼓風(fēng)式干燥箱；電子天平，精度0.001 g ；游標(biāo)卡尺，精度0.01 mm；螺旋測微計(jì)，精度0.01 mm。

1.3 試驗(yàn)方案

在實(shí)際生產(chǎn)中，對板材性能有影響的因素包括密度、施膠量、原料配比、含水率、形態(tài)、膠黏劑、熱壓工藝等。本次試驗(yàn)由于時(shí)間、原料等諸多因素的限制，對含水率、熱壓工藝、原料形態(tài)、膠黏劑種類等影響因素暫不考慮，而只考量密度、施膠量、原料配比對板材性能的影響。先預(yù)制純黃頂菊秸稈刨花板(簡稱純草板)。

預(yù)設(shè)板尺寸 300 mm×300 mm×10 mm；熱壓工藝參數(shù)為溫度120 ℃、熱壓壓力4 MPa、時(shí)間5 min，黃頂菊秸稈刨花含水率12%。在上述工藝條件下做如下實(shí)驗(yàn)。

①考查密度對板材性能的影響：施膠量、配比一致，選取密度分別為0.6 g/cm3、0.7 g/cm3、0.8 g/cm3的板材進(jìn)行試驗(yàn)；②考查施膠量對板材性能的影響：密度、配比一致，選取施膠量分別為 8%、10%、12%的板材進(jìn)行試驗(yàn)；③考查楊木刨花與黃頂菊秸稈刨花配比對板材性能的影響：密度、施膠量一致，選取配比分別為1：9、2：8、3：7、4：6、5：5的板材進(jìn)行試驗(yàn)。

1.4 原料計(jì)算

1.4.1 刨花板質(zhì)量

G= DV(100+W1)/10(100+W2)(100+P)

式中：W2為刨花板含水率(%)；W1為刨花含水率(%)；D為板絕干密度(g/cm3)；V為板體積(cm3)；P為膠的固體重量與絕干刨花重量之比

1.4.2 楊木刨花和黃頂菊秸稈刨花的需用量

W=G·B(1+MC)

式中：W為刨花(楊木刨花和黃頂菊秸稈刨花)的總用量；MC為刨花使用時(shí)的含水率；B為刨花與藥渣比。

1.4.3 膠黏劑需用量

膠黏劑需用量=板絕干重量×施膠量百分比

1.4.4 面粉需用量

面粉需用量=固體施膠量×10%

1.4.5 固化劑需用量

固化劑需用量=固體施膠量×1%

1.5 工藝流程

黃頂菊秸稈制備刨花板的工藝如下：秸稈/楊木單板→粉碎→干燥→篩選→施膠→鋪裝→預(yù)壓→熱壓→冷卻。

1.6 試件截取

由于所制板的幅面尺寸(300 mm×300 mm)有限，為兼顧試件尺寸和保證有足夠的重復(fù)數(shù)，參考刨花板有關(guān)試件取樣標(biāo)準(zhǔn)，確定本實(shí)驗(yàn)的試件截取方案如圖1所示。

圖1 試件截取方案/mm1.靜曲強(qiáng)度、彈性模量；2.內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度；3.密度和含水率；4.吸水厚度膨脹率

1.7 試件各性能計(jì)算

按照GB/T4897.2-2003 進(jìn)行密度(D)、含水率(MC)、2 h吸水厚度膨脹率(TS)、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度(IB)、抗彎靜曲強(qiáng)度(MOR)及抗彎彈性模量(MOE)的計(jì)算[11]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 密度對板材性能的影響

A1、A2、A3號板材的熱壓工藝參數(shù)為溫度120 ℃、熱壓壓力4 MPa、時(shí)間5 min，黃頂菊刨花板含水率12%，施膠量為12%，配比(楊木刨花：秸稈)為0∶1(純黃頂菊秸稈板)。

密度對板材各項(xiàng)性能的影響見表1。

表1 密度對板材各項(xiàng)性能的影響

試驗(yàn)號預(yù)設(shè)密度/g·cm-3實(shí)測密度/g·cm-3MOR/MPaMOE/MPaIB/MPaMC/%A10600611021268480191573A20700721118788280501328A308008113781228650631594

由表1可知，隨著密度的增大，板材的MOR、MOE、IB值均呈增大趨勢。密度為0.81 g/cm3、施膠量為12%的純草板，MOR最大值為13.78 MPa、MOE最大值為1 228.65 MPa、IB最大值為0.63 MPa。

在試驗(yàn)所取區(qū)間內(nèi)，隨著板材密度的提高，所需的熱壓壓力逐漸加大，使黃頂菊秸稈之間的接觸越趨緊密，從而有利于相互之間的結(jié)合，使黃頂菊秸稈刨花板的性能提高。

2.2 施膠量對板材性能的影響

B1、B2、B3號板材的熱壓工藝參數(shù)為溫度120 ℃、熱壓壓力4 MPa、時(shí)間5 min，黃頂菊秸稈刨花板含水率12%，密度為0.7 g/cm3，配比(楊木刨花：黃頂菊秸稈)為0∶1(純黃頂菊秸稈刨花板)。

施膠量對板材各項(xiàng)性能的影響見表2。

表2 施膠量對板材各項(xiàng)性能的影響

試驗(yàn)號施膠量/%實(shí)測密度/g·cm-3MOR/MPaMOE/MPaIB/MPaMC/%B18071683836720431104B210069828934950701123B3120679311018960691118

由表2可知，隨著施膠量的增大，板材的MOR、MOE、IB值均呈增大趨勢。密度為0.67 g/cm3、施膠量為12%的純草板，MOR最大值為9.31 MPa，MOE最大值為1 018.96 MPa；密度為0.69 g/cm3、施膠量為10%的純草板，IB最大，其值為0.70 MPa。

理論上隨著施膠量的增大，IB值也隨之增大，但實(shí)測結(jié)果是在10%時(shí)達(dá)到了最大值0.7 MPa，原因是板材的實(shí)測密度有差異，施膠量10%的板材實(shí)測密度為0.69 g/cm3，施膠量12%的板材實(shí)測密度為0.67 g/cm3。

2.3 配比對板材性能的影響

C1、C2、C3、C4、C5號板材的熱壓工藝參數(shù)為溫度120 ℃、熱壓壓力4 MPa、時(shí)間5 min，黃頂菊秸稈刨花含水率12%，密度為0.7 g/cm3，施膠量為10%。

不同配比對板材各項(xiàng)性能的影響見表3。

表3 不同配比對板材各項(xiàng)性能的影響

試驗(yàn)號配比量實(shí)測密度/g·cm-3MOR/MPaMOE/MPaIB/MPaMC/%C11∶90691248538150421527C22∶80691319664020431492C33∶706713291581730561422C44∶606915781691680651293C55∶506514782005340661298

由表3可知，隨著配比的增大，C1～C5號復(fù)合板的各項(xiàng)力學(xué)性能隨之增強(qiáng)。

(1)配比為1∶9的復(fù)合板，在實(shí)測密度為0.69 g/cm3、施膠量為10%時(shí)，MOR平均值為12.48 MPa，MOE平均值為538.15 MPa，IB平均值為0.42 MPa，含水率平均值為15.27%。

(2)配比為4∶6的復(fù)合板，在實(shí)測密度為0.69 g/cm3、施膠量為10%時(shí)，MOR平均值為15.78 MPa，MOE平均值為1 691.68 MPa，IB平均值為0.65 MPa，含水率平均值為12.93%。

(3)配比為5∶5的復(fù)合板，在實(shí)測密度為0.65 g/cm3、施膠量10%時(shí)、MOR平均值為14.78 MPa，MOE平均值為2 005.34 MPa，IB平均值為0.66 MPa，含水率平均值為12.98%。

黃頂菊復(fù)合板的MOR值高于純草板的MOR值，主要原因是黃頂菊秸稈表面光滑，富有蠟狀物質(zhì)，使得脲醛樹脂膠難以浸潤和滲入，不利于刨花與刨花之間的膠合?；旌显现袚饺氲哪举|(zhì)刨花越多，即木/草混合比例越高，在鋪裝后的板坯中木刨花和木刨花之間直接接觸的幾率就越大，使發(fā)生在草與草或草與木之間的膠合數(shù)量減少，從而使板材的膠合強(qiáng)度增大，故復(fù)合板的MOR值比純草板的MOR值大[12-13]。另外，纖維長度也影響刨花板的MOR值，黃頂菊秸稈的纖維長度平均值為0.6 mm，屬于短纖維，木質(zhì)材料的纖維長度一般大于1 mm，屬于中長纖維。

2.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)上述試驗(yàn)確定最佳工藝參數(shù)為：熱壓溫度120 ℃，壓力4 MPa，時(shí)間5 min，密度0.7 g/cm3，楊木刨花與黃頂菊秸稈比5∶5，施膠量10%時(shí)的三組復(fù)合板板材進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

表4 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)號實(shí)測密度/g·cm-3施膠量/%配比量MOR/MPaMOE/MPaIB/MPaMC/%D1071105：513792124200701527D2069105：513252054170661492D3068105：512961902640561422

密度為0.7 g/cm3、楊木刨花與黃頂菊秸稈比5∶5、施膠量10%時(shí)復(fù)合板的各項(xiàng)性能均能達(dá)到國標(biāo)GB/T 4897.2-2003的要求。

3 結(jié)論

(1)密度、施膠量、配比(楊木刨花與黃頂菊秸稈刨花的配比)對板材性能均有影響。隨著密度、施膠量及配比的增大，MOR值、MOE值、IB值均呈增大趨勢。

(2)對于純黃頂菊秸稈板，在熱壓溫度120 ℃、壓力4 MPa、時(shí)間5 min、不同密度和不同施膠量的情況下，MOR值、IB值部分指標(biāo)可以達(dá)到國標(biāo)GB/T 4897.2-2003的要求，而MOE值則達(dá)不到國標(biāo)GB/T 4897.2-2003的要求。

(3)對于楊木刨花與黃頂菊秸稈復(fù)合板，在熱壓溫度120 ℃、壓力4 MPa、時(shí)間5 min、密度0.7 g/cm3、施膠量10%、改變配比的條件下，只有MOR值、IB值能達(dá)到國標(biāo)GB/T4897.2-2003要求，MOE值達(dá)不到國標(biāo)GB/T 4897.2-2003的要求，MOR、MOE、IB最高分別為15.78 MPa(C4)、2005.34 MPa(C5)、0.66 MPa(C5)。

(4)綜合考慮，制板的較優(yōu)工藝參數(shù)為：熱壓溫度120 ℃、壓力4 MPa、時(shí)間5 min、密度0.7g/cm3、施膠量10%、楊木刨花與黃頂菊秸稈比5∶5。此條件下制備的復(fù)合板各項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)到國標(biāo)GB/T 4897.2-2003的要求。MOR、MOE、IB最高分別為13.79 MPa(D1)、2 124.20 MPa(D1)、0.70 MPa(D1)。

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(責(zé)任編輯 張雅芳)

Study on the Technology for Manufacturing Particleboardfrom Flaveria Bidentis Straw

WEI Li-ting1， YANG Song1， HAN Shu-wei2， HUANG Ru1， YAN Wei1， SUN Zhao-bin1

(1.School of Forestry，Agricultural University of Hebei，Baoding Hebei 071000，China；2.Shexian Forestry Bureau of Hebei Province，Shexian Hebei 056400，China)

The technology for manufacturing particleboard from flaveria bidentis straw is studied.The results show that：density，adhesive application amount and ratio(ratio of poplar particle to flaveria bidentis straw particle)have effect on board properties；theMOR，MOEandIBvalues of board increase with the density，adhesive application amount and ratio ；through overall consideration，the optimal board manufacturing parameters include hot pressing temperature of 120 ℃；hot pressing pressure of 4 MPa；time of 5 min，density of 0.7 g/cm3，adhesive application amount of 10%，ratio 5：5 of poplar wood particle to flaveria bidentis straw particle；all indicators of the composite board manufactured under such conditions can meet the requirements in GB/T 4897.2-2003.

flaveria bidentis；straw；particleboard；technology

2017-05-19

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)項(xiàng)目“入侵植物綜合防控技術(shù)研究與示范推廣”(201103027)；河北農(nóng)業(yè)大學(xué)“木材學(xué)”精品課程項(xiàng)目

魏立婷(1996-)，女，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院木材科學(xué)與工程2014級本科生，研究方向?yàn)槟静目茖W(xué)與工程，E-mail：632468556@qq.com。

TS653.5

A

2095-2953(2017)09-0024-04