硅鎂水泥竹刨花板制備及其性能研究

黃清華，趙星，鄭霞，李新功

（中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410004）

0 引言

竹子是常見的速生材，也是生長最快的植物之一，被譽(yù)為“世界第二大森林”[1]。目前我國的竹材總資源暫居世界前列，種類和面積約占1/4，竹材產(chǎn)量約占1/3。然而由于竹材本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)：如壁薄中空、尖削度大、組織結(jié)構(gòu)不均勻等，導(dǎo)致對其加工利用率低于50%，嚴(yán)重影響了對竹材資源的綜合利用[2-3]。長期以來，我國對竹材加工剩余物主要作為燃料使用，不僅附加值低還對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。利用竹材加工剩余物（竹刨花）制成水泥刨花板不僅可以達(dá)到節(jié)能利廢、可持續(xù)發(fā)展要求[4]，而且能實(shí)現(xiàn)竹材資源的高質(zhì)高效利用，在一定程度上可以有效緩解木材資源緊張的狀況[5]。目前，通過普通有機(jī)膠黏劑熱壓制備的竹刨花板存在甲醛污染或易燃等問題。而采用無機(jī)膠黏劑制備的竹刨花板又大都采用冷壓成型工藝，生產(chǎn)周期長、需要大量的模具和儲(chǔ)存場地、生產(chǎn)效率低等都制約了它的推廣應(yīng)用[6-7]。

王增等[8-9]研究了熱壓溫度、熱壓時(shí)間、灰木比、水灰比等工藝參數(shù)對氯氧鎂水泥竹刨花板性能的影響，結(jié)果表明，隨著熱壓時(shí)間延長、熱壓溫度升高，板材的強(qiáng)度不斷提高；隨著灰木比增大，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度逐漸提高，24h吸水厚度膨脹率、24 h吸水長度變化率、靜曲強(qiáng)度逐漸減小。

為使氯化鎂溶液與氧化鎂粉末充分反應(yīng)[10]，利用自主研發(fā)的無機(jī)膠黏劑為原料，研究施膠量、熱壓時(shí)間和熱壓溫度對板材密度及其性能的影響，獲得硅鎂水泥竹刨花板的優(yōu)化制板工藝參數(shù)，為硅鎂水泥竹刨花板工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原料及試劑

竹刨花：產(chǎn)自湖南桃花江，含水率約為10%，根據(jù)篩網(wǎng)篩分結(jié)果，竹刨花粒徑分布為：2 mm以下占14.2%，2～10 mm占33.1%，10～20mm占45.8%，20mm以上占6.9%。硅鎂系無機(jī)膠黏劑：主要由氧化鎂和氯化鎂自制而成，氧化鎂，白色粉末狀，粒徑200目，MgO含量85%以上，活性MgO含量50%；氯化鎂（MgCl2·6H2O），白色結(jié)晶狀，MgCl2·6H2O含量≥99%。添加劑：硅酸鈉、硫酸鎂、磷酸鈉和硫酸亞鐵、氯化鈣等，均為工業(yè)級。

1.2 板材制備

在一定量水中按比例加入硫酸鎂、硫酸鋁、硅酸鈉均勻攪拌5min，靜置，待固體全部溶解后加入氧化鎂、氯化鎂、磷酸鈉和硫酸亞鐵，繼續(xù)均勻攪拌，直至變?yōu)轲こ頎钊榘咨后w。根據(jù)設(shè)計(jì)密度，加入混合均勻的竹刨花，將上述材料整體混合攪拌5 min后人工均勻鋪裝至300 mm×300 mm×200 mm成型模具中；預(yù)壓后置于萬能試驗(yàn)機(jī)中，熱壓成型（其中厚度用12 mm厚度規(guī)控制）。由于硅鎂水泥早期的強(qiáng)度發(fā)展較慢，后期強(qiáng)度高，故選擇將其密封養(yǎng)護(hù)7 d后切割成規(guī)格為300 mm×50 mm×12mm和50mm×50mm×12mm試件進(jìn)行性能測試。

1.3 測試方法

利用日本津島公司的DCS-R-100萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T 24312—2009《水泥刨花板》測試尺寸為300 mm×50 mm×12 mm試件的靜曲強(qiáng)度、彈性模量；以及測試尺寸為50 mm×50 mm×12 mm試件的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度、24 h吸水厚度膨脹率和板材厚度反彈值等，每組3個(gè)試件，取其平均值。

XRD分析：將試件完全破碎磨細(xì)后，取0.075 mm篩篩取粉末樣品，采用北京普析通用儀器有限責(zé)任公司XD-2型X射線衍射儀進(jìn)行分析，電壓36 kV，電流20 mA，Cu Kα靶（λ=0.154 nm），掃描速度為 2θ=4°/min，掃描范圍為 5°～75 °。

2 結(jié)果與討論

2.1 施膠量對板材性能的影響

密度為1.1 g/cm3、熱壓時(shí)間為9 min、熱壓溫度為110℃時(shí)，施膠量對硅鎂水泥竹刨花板力學(xué)性能的影響見圖1。

圖1 施膠量對硅鎂水泥竹刨花板力學(xué)性能的影響

由圖1可見，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)施膠量為35%時(shí)，板材的靜曲強(qiáng)度、彈性模量較小。其原因可能是無機(jī)膠黏劑的水化產(chǎn)物較少，不能完全包覆竹刨花，二者的界面接合狀況差。竹刨花與無機(jī)膠黏劑的界面摩擦力較小[11]，外界較小破壞載荷使竹刨花從膠黏劑中拉脫，板材力學(xué)性能差。隨著施膠量由35%增大到45%，板材靜曲強(qiáng)度、彈性模量增幅為10.3%、7.06%，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度持續(xù)提高。這是因?yàn)?，隨著施膠量的增大，無機(jī)膠黏劑的水化產(chǎn)物增多，板坯中形成連續(xù)相，竹刨花包覆良好，竹刨花起到了良好的增強(qiáng)作用，板材能承受更大的彎曲破壞載荷。竹刨花板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度主要取決于無機(jī)膠黏劑的水化產(chǎn)物質(zhì)量與數(shù)量。隨著施膠量的增加，無機(jī)膠黏劑水化反應(yīng)更完全，水化產(chǎn)物質(zhì)量得到改善、數(shù)量增加，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度逐漸提高。內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度越高，對板材吸水厚度膨脹抑制力越大，因此板材的24 h吸水厚度膨脹率越小。

圖2為不同施膠量下硅鎂水泥竹刨花板的XRD圖譜。

圖2 不同施膠量下硅鎂水泥竹刨花板的XRD圖譜

由圖2可見，不同施膠量下的板材中無機(jī)膠黏劑水化產(chǎn)物基本相同，均為 5Mg（OH）2·MgSO4·8H2O[12-14]，且衍射峰的位置基本相同。但隨著施膠量增大，同位置的衍射峰強(qiáng)度變大。表明隨著施膠量的增加，板材內(nèi)部的水化產(chǎn)物增多，晶粒更大，結(jié)晶更完整，無機(jī)膠黏劑水化產(chǎn)物質(zhì)量得到改善、數(shù)量增加。

表1為不同施膠量對板坯密度的影響。

表1 不同施膠量下板坯的密度

由表1可知，試制得硅鎂水泥竹刨花板的實(shí)際密度與設(shè)計(jì)密度有一定的差距，在設(shè)計(jì)密度和刨花規(guī)格相同的條件下，實(shí)際密度隨著施膠量的增加而增大。這是因?yàn)榘宀男秹汉蟮姆磸椗c竹刨花含量有關(guān)，竹刨花含量越多，板材的回彈越大，導(dǎo)致體積增大。綜合考慮，45%施膠量為最佳工藝參數(shù)。

2.2 熱壓溫度對板材性能的影響

密度為1.1 g/cm3、熱壓時(shí)間為9 min、施膠量為45%時(shí)，不同熱壓溫度下硅鎂水泥竹刨花板的力學(xué)性能見圖3。

圖3 不同熱壓溫度下硅鎂水泥竹刨花板的力學(xué)性能

由圖3可見，隨著熱壓溫度由90℃上升到110℃，板材的靜曲強(qiáng)度由10.45 MPa提高到13.40 MPa，彈性模量由4235 MPa提高到4743MPa，增幅分別為28.2%、12.1%。這是由于在合適的溫度熱作用下，無機(jī)膠黏劑的水化反應(yīng)速度更快，反應(yīng)更完全[12]。溫度為110℃時(shí)可能比較適合無機(jī)膠黏劑的水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物更多，形成連續(xù)相，提高了板材承受破壞載荷的能力。隨著溫度由110℃上升到150℃，板材的靜曲強(qiáng)度由13.4 MPa下降到10.75 MPa，彈性模量由4743 MPa下降到3484 MPa，下降幅度分別為19.8%、36.1%。這是由于溫度繼續(xù)升高導(dǎo)致水化反應(yīng)程度下降，水化產(chǎn)物減少，不能形成連續(xù)的應(yīng)力傳遞界面，板材的力學(xué)性能下降。由于外界的熱量在板材內(nèi)部主要通過對流和熱傳導(dǎo)的方式傳遞，水分通過壓力梯度以層流和擴(kuò)散的方式傳遞[15]。當(dāng)溫度接近150℃時(shí)，無機(jī)膠黏劑可能快速固化成一個(gè)小薄層，影響熱量向內(nèi)傳播和內(nèi)部水蒸氣的排出，內(nèi)部水蒸氣壓力大于外界壓力，板材出現(xiàn)鼓泡分層。同時(shí)溫度過高會(huì)使已形成的膠層熱分解，使板材的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度逐漸降低。此外溫度上升，具有增強(qiáng)韌性作用的竹刨花受熱分解，增強(qiáng)作用下降；板材的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度逐漸降低，24h吸水厚度膨脹率逐漸增大。因此，熱壓溫度為110℃更有利于板材的性能。

2.3 熱壓時(shí)間對板材性能的影響

密度為1.1 g/cm3、施膠量為45%、熱壓溫度為110℃時(shí)，不同熱壓時(shí)間硅鎂水泥竹刨花板的力學(xué)性能見圖4。

圖4 不同熱壓時(shí)間下硅鎂水泥竹刨花板的力學(xué)性能

由圖4可見，當(dāng)熱壓時(shí)間從6 min增加到9 min時(shí)，板材的靜曲強(qiáng)度由12.8 MPa提高到13.40 MPa，彈性模量由3882 MPa提高到4743 MPa，增幅分別為4.69%、22.18%。這是因?yàn)椋寒?dāng)熱壓時(shí)間為6 min時(shí)，無機(jī)膠黏劑未能在加熱加壓的條件下充分水化。板材的厚度反彈，即使卸壓后無機(jī)膠黏劑下繼續(xù)水化，也不能消除厚度反彈影響，板材的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度因此較低。隨著熱壓時(shí)間由6 min增加到9 min時(shí)，由于板材中的無機(jī)膠黏劑受熱時(shí)間延長，能在加熱加壓的條件下充分水化，水化產(chǎn)物增多，無機(jī)膠黏劑與竹刨花結(jié)合更緊密，板材強(qiáng)度提高，承受外界破壞載荷能力加強(qiáng)。內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度越高，對板材吸水厚度膨脹抑制力越大，因此板材的24 h吸水厚度膨脹率越小。當(dāng)熱壓時(shí)間從9 min繼續(xù)延長至15 min，由于水化反應(yīng)已基本完成，板材的強(qiáng)度已經(jīng)基本形成；隨著時(shí)間的延長，竹刨花內(nèi)部可能發(fā)生降解反應(yīng)，使得竹刨花板的靜曲強(qiáng)度、彈性模量下降。

硅鎂水泥竹刨花板的設(shè)計(jì)密度為1.1 g/cm3，通過測試板材的實(shí)際厚度與12 mm厚度規(guī)之間差值得到板材厚度反彈值。表2為不同熱壓時(shí)間下硅鎂水泥竹刨花板的實(shí)際密度及厚度反彈值。

表2 不同熱壓時(shí)間下硅鎂水泥竹刨花板的實(shí)際密度及厚度反彈值

由表2可知，當(dāng)熱壓時(shí)間為6 min時(shí)，測得板材的實(shí)際密度比設(shè)定密度減小7.27%,板材的實(shí)際厚度比厚度規(guī)厚度增大3.56%。這是因?yàn)?，?dāng)熱壓時(shí)間為6 min時(shí)，無機(jī)膠黏劑未能在加熱加壓的條件下充分水化，使得板材厚度發(fā)生反彈；并且即使卸壓后無機(jī)膠黏劑在無壓條件下繼續(xù)水化，也不能消除這一現(xiàn)象。當(dāng)板材發(fā)生厚度反彈，會(huì)增大板材的孔隙率、降低密實(shí)度，因此板材的物理力學(xué)性能下降；又因?yàn)榘宀牡目紫堵试礁呤沟冒宀母孜?4 h吸水厚度膨脹率也就越大。當(dāng)熱壓時(shí)間不斷延長，實(shí)際密度逐漸增大，基本達(dá)到1.1 g/cm3。主要可能是隨著熱壓時(shí)間的延長，無機(jī)膠黏劑的水化反應(yīng)更加完全，提高了板材物理力學(xué)性能，從而能有效的抑制板材的厚度反彈值，使實(shí)際密度基本達(dá)到設(shè)定密度。這一結(jié)果與熱壓時(shí)間對硅鎂水泥竹刨花板的物理力學(xué)性的影響可以相互佐證。因此，熱壓時(shí)間9 min為最佳工藝參數(shù)。

2.4 密度對板材性能的影響

熱壓溫度為110℃、熱壓時(shí)間為9 min、施膠量為45%時(shí)，不同密度下硅鎂水泥竹刨花板的物理力學(xué)性能見圖5。

由圖5可見，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著密度從0.9 g/cm3增加到1.1 g/cm3，板材的靜曲強(qiáng)度由9.84 MPa提高到13.40 MPa，彈性模量由3087 MPa提高到4743 MPa，增幅分別為36.2%、53.6%。這是因?yàn)?，?dāng)板材密度增大時(shí)，板坯“密實(shí)度”增加使得板材孔隙率減小。竹刨花通過無機(jī)膠黏劑膠合面增大，板材受到外力時(shí)能形成連續(xù)應(yīng)力傳遞界面，竹刨花起到了良好的增強(qiáng)作用，能承受較大破壞載荷。24 h吸水厚度膨脹率與內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度具有一定的關(guān)聯(lián)性。在一定范圍內(nèi)，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度越大對吸水厚度膨脹率抑制力越大，24 h吸水厚度膨脹率就越小；此外，隨著板材“密實(shí)度增大”，竹刨花的內(nèi)部空隙大小和孔隙率會(huì)減小，導(dǎo)致吸水通道和途徑也減少，一定程度也降低了板材的24h吸水厚度膨脹率。綜合考慮，竹刨花板密度為1.1g/cm3時(shí)，板材性能最優(yōu)。

圖5 不同密度硅鎂水泥竹刨花板的物理力學(xué)性能

GB/T 24312—2009對水泥刨花板理化性能的要求見表3。

表3 水泥刨花板的理化性能指標(biāo)

根據(jù)優(yōu)化制板工藝：密度為1.1 g/cm3，施膠量為45%，熱壓溫度為110℃，熱壓時(shí)間為9 min，制得的板材性能最佳。其靜曲強(qiáng)度為13.4 MPa、彈性模量為4743 MPa、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度為0.55 MPa、24h吸水厚度膨脹率1.39%，符合GB/T 24312—2009優(yōu)等品要求。

3 結(jié)論

（1）隨著施膠量的增加，無機(jī)膠黏劑的水化產(chǎn)物增多，板坯中形成連續(xù)相，竹刨花包覆良好，當(dāng)施膠量為45%時(shí)，板材的靜曲強(qiáng)度、彈性模量和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到最大，分別為13.4、4743、0.55 MPa，24 h吸水厚度膨脹率最小，為1.39%；隨著熱壓溫度的升高，水化反應(yīng)速度加快，水化產(chǎn)物逐漸增多，板材靜曲強(qiáng)度、彈性模量是先增大后減少；隨著熱壓時(shí)間的延長，無機(jī)膠黏劑能在加熱加壓的條件下充分水化，水化產(chǎn)物增多，無機(jī)膠黏劑與竹刨花結(jié)合更緊密，板材的靜曲強(qiáng)度、彈性模量先急劇上升后緩慢下降，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度逐漸增大，24 h吸水厚度膨脹率逐漸減少；隨著密度的增加，板材的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度逐漸增大，24 h吸水厚度膨脹率逐漸減小，為了提高竹刨花的利用率，優(yōu)選密度為1.1g/cm3。

（2）根據(jù)優(yōu)化制板工藝：密度為1.1 g/cm3，施膠量為45%，熱壓溫度為110℃，熱壓時(shí)間為9 min，制得的板材性能最佳。其靜曲強(qiáng)度為13.4MPa、彈性模量為4743MPa、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度為0.55MPa、24 h吸水厚度膨脹率為1.39%，符合GB/T 24312—2009優(yōu)等品要求。