新型低密度纖維板生產工藝研究

摘 要：低密度纖維板開發(fā)及其應用研究能有效解決我國木材短缺的問題，但由于低密度纖維板密度低，板材物理性能要求較高，使生產工藝成為難題。為此，本文首先介紹了一種新型低密度纖維板的技術指標及熱壓試驗，然后詳細闡述這種低纖維板的生產工藝及纖維板專用膠粘劑生產工藝流程，以期為其他學者的研究提供借鑒。

關鍵詞：低密度纖維板;生產工藝;熱壓試驗

中圖分類號：TS653.6 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）19-0044-04

Abstract： The development of low-density fiberboard and its application can effectively solve the problem of wood shortage in China. However， due to the low density of low-density fiberboard and high physical properties of the board， the production process becomes a difficult problem. To this end， this paper first introduced the technical index and hot pressing test of a new type of low-density fiberboard， and then elaborated on the production process of this low-fiber board and the production process of special adhesive for fiberboard， in order to provide reference for the research of other scholars.

Keywords： low density fiberboard;production process;hot pressing test

1 研究背景

木材是十分珍貴的資源。但從目前我國木材生產情況來看，依然處于十分短缺的狀態(tài)，這直接影響下游中密度纖維板企業(yè)的發(fā)展。部分纖維板生產企業(yè)由于木材價格持續(xù)攀升而陷入經營困境。黨的十九大報告中指出：“堅持人與自然和諧共生，必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，堅持節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策。”新時代，創(chuàng)新發(fā)展我國人造板工業(yè)，根本出路還在于探索走出低密度纖維板制造路子[1-4]。纖維板生產消耗主要有木材、膠料、添加劑及能耗等，降低木材消耗對降低生產成本具有舉足輕重的作用。例如，生產密度為500kg/m3的板材比正常750kg/m3的板材降低木材、膠料等消耗25%，節(jié)約能源16%，提高產量20%，這樣的輕質板材做成家具，可以節(jié)省運輸成本，省工省力，便于拆裝和擺設移動，且不易變形，很受人們的歡迎;同時，對我國林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展也具有積極作用，每年將減少7億m3枝椏材的消耗。生產低密度纖維板（LDF）在技術上還有不少難點，主要是：①由于板的密度低，內結合力和握釘力達到標準要求比較難;②板的密度低，組織比較松軟，板面往往產生較多軟層，即使砂光板面仍然粗糙。這種工藝一旦突破，將是纖維板生產史上的重大飛躍。

2 新型低密度纖維板技術指標及熱壓試驗

首先，進行單因素試驗，總結分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)后，采用正交試驗法，探討施膠量、密度、熱壓壓力、加熱加壓時間等因素對低密度纖維板材性能的影響。15mm厚低密度纖維板基本參數(shù)為：施膠量60kg，含水率9%～14%，密度450～650kg/m3，每毫米板熱壓時間為8～10s，熱壓壓力2.8MPa。設計率密度分別為480、500、520、540、560、580、600g/cm3和620g/cm3，加熱時間為170、180s和190s，加熱溫度分別為180、190、200、210、220℃和230℃，施膠量分別為8%、9%、10%、11%、12%和13%，含水率分別為8%、9%、10%、11%、12%、13%和14%。每組試驗重復3次，得到的檢測結果取平均值，如表1所示。

試驗結果如下。①施膠量的大小對產品的性能影響較大，但當施膠量達到一定添加量后影響不顯著，用12%施膠量壓制出的低密度纖維板具有較佳的力學性能。②在一定范圍內，低密度纖維板的含水率越高，對熱的傳導作用就越好，則產品固化程度越高，其力學強度就越好;當含水率超過14%時，板材制造困難，發(fā)生分層，當含水率為12%時，所產板的各項性能指標最佳。③低密度纖維板的密度越高，單位體積內的組織實質質量就越高，在同樣用膠量情況下，纖維之間的相互膠合越好，其各項性能指標就越高。因此，在客戶無特別要求下，選擇密度為0.55～0.57kg/m3最佳。④加熱溫度的高低對低密度纖維板膠合強度沒有明顯的影響;在加熱溫度為200℃時，產品的各項性能最佳，當溫度過低時，會導致膠粘劑不能完全固化，溫度過高時則會使板材預固化層偏厚。

熱壓試驗采用正交試驗法，分別考慮熱壓三要素（熱壓壓力、熱壓溫度和熱壓時間）對低密度纖維板材物理、力學和化學性能指標的影響。在試驗時，取熱壓壓力分別為2.6、2.8MPa和3.0MPa;熱壓溫度分別為180、200℃和220℃;熱壓時間分別為8、10s和12s。

通過熱壓試驗可以得出以下結論：熱壓壓力對低密度纖維板材靜曲強度、彈性模量影響較大，對吸水厚度膨脹率影響較小;當壓力小于2.8MPa時，低密度纖維板材的彈性模量等性能指標隨著壓力的增大而增強，當壓力大于2.8MPa后，低密度纖維板材的彈性模量等性能指標隨著壓力的繼續(xù)增大而減弱;隨著壓力的增大，吸水厚度膨脹率和靜曲強度等性能指標逐漸增強，但當壓力大于3.0MPa時，這些性能指標隨著壓力的繼續(xù)增大而增強的趨勢變緩。在試驗的熱壓溫度范圍內，對于所研發(fā)的低密度纖維板，二次加壓區(qū)熱壓溫度對產品的內結合強度的影響較小。在滿足纖維板生產芯層完全固化的條件下，板的內結合強度指標并不會隨著加熱板溫度的變化而有較大變化，只會隨著板密度的減小而降低。正交試驗結果如表2所示。

通過正交試驗的極差分析和方差分析，綜合考慮熱壓三要素對低密度纖維板材各種性能的影響，從低密度纖維板材強度方面考慮出發(fā)，得出低密度纖維板材綜合的較優(yōu)熱壓工藝條件為：壓力2.8MPa，溫度200℃，時間12s。采用這一生產工藝可提高生產效率與降低生產能耗[1，2]。

熱壓是低密度纖維板制造的一道重要工序，對產品質量起決定性作用。在熱量和壓力的聯(lián)合作用下，板坯中的水分汽化、蒸發(fā)、密度增加、膠粘劑固化、防水劑重新分布，原料中的各組分發(fā)生一系列物理和化學變化，從而使纖維間產生各種結合力，形成符合質量要求的纖維板制品。本課題對公司常規(guī)的中密度纖維板生產工藝進行自行改良，通過鋪裝熱壓工段生產工藝改進與優(yōu)化，調整預壓機的預壓壓力，使鋪裝好的低密度板坯具有較好的預壓密實性，使產品進入壓機后，排氣順暢。這種低密度纖維板熱壓工序的工藝參數(shù)為：熱壓溫度為150～210℃，熱壓時間為60～100s，熱壓壓力為0～2.8MPa，熱壓系數(shù)為6～10s/mm。熱壓工序在連續(xù)熱壓機內完成，分5段控制，熱壓溫度也為五段控制，分別為（205±5）℃、（200±5）℃、（200±5）℃、（200±5）℃、（180±5）℃，熱壓采用高壓-低壓-中壓的熱壓工藝。在熱壓過程中，板坯進入壓機后，在第一段溫度的作用下，熱壓壓力迅速上升到最高壓力2.0～2.8MPa;之后，隨著第二段到第四段熱壓溫度的下降，熱壓壓力也平緩下降到最低壓力0.1～0.3MPa;最后，在第五段溫度的作用下，熱壓壓力保持在0.5～0.8MPa，直到熱壓過程結束。整個熱壓過程，每毫米板熱壓時間為12s。

經國家人造板及林化工產品質量監(jiān)督檢驗中心檢測，本項目生產的15mm厚低密度纖維板產品所有的技術指標均達到預期目標，其剖面結構如圖1所示。

3 新型低密度纖維板生產工藝流程

3.1 低密度纖維板生產工藝流程

3.1.1 備料、水洗工段。原料從原料堆場運至備料工段上料臺，然后根據(jù)所需的尺寸切削成木片。之后，木片通過傳動帶進入木片倉。木片倉內的木片由料倉出料裝置定量均勻出料后，經皮帶運輸機和除鐵器送至木片篩選機篩選。合格木片經皮帶運輸機進入木片水洗系統(tǒng)，水洗后的木片經脫水螺旋分離后再進入（或由木片泵提升至）熱磨系統(tǒng)木片預熱倉預熱。

3.1.2 纖維制備、干燥工段。木片在預熱倉內由蒸汽預熱至一定溫度，使其溫度與含水率趨于均勻，然后經進料螺旋進入垂直蒸煮器，在一定溫度和壓力下蒸煮軟化。蒸煮后的木片經計量出料、螺旋定量出料后，由熱磨及帶狀螺旋進料器送入熱磨機分離成合格的纖維，熱磨纖維在磨體室內蒸汽壓力作用下，經纖維噴管噴入干燥機干燥，干燥纖維含水率由干燥旋風分離器排氣溫度控制。纖維干燥的熱源為煙氣。熱磨機啟動階段，纖維的質量及含水率不穩(wěn)定，不能達到生產產品的要求。因此，通過三通排料閥排至起始分離器排出，此部分纖維送熱油爐用作燃料。干燥纖維經旋風分離器與空氣分離后，經防火螺旋運輸機、纖維分選機和氣力輸送系統(tǒng)送入纖維料倉。纖維干燥系統(tǒng)設置了火花螺旋動輸機，將著火的纖維排出生產線。

3.1.3 調施膠工段。調施膠系統(tǒng)由石蠟熔化及施加設備、膠料調配設備、膠料噴施設備組成。根據(jù)設定的各組分施加比率，熔融石蠟加入熱磨機帶狀進料螺旋，脲醛樹脂及其他組分加入纖維噴管。

3.1.4 鋪裝熱壓工段。纖維由纖維料倉出料裝置均勻出料，經過氣流風選機進行風選，去除粗纖維、纖維團等，然后送入鋪裝機鋪裝成均勻板坯，板坯經掃平裝置刮去多余的纖維，使板坯更均勻。板坯運輸線上設置板坯含水率測定儀，自動檢測板坯含水率，并設板坯秤控制鋪裝纖維量和掃平裝置的位置。板坯經預壓、齊邊、橫截、金屬探測后，經板坯運輸機直接連續(xù)送入壓機，在溫度和壓力作用下熱壓成板。

3.1.5 毛板處理工段。熱壓后的毛板連續(xù)出板，經橫截鋸鋸成符合要求的大板后，經冷卻板運輸機進入冷卻翻板機，冷卻至70℃以下，由冷卻出板運輸機運出，堆垛到2.5～3m，由衛(wèi)星定位小車運到中間貯存庫貯存。經中間存放穩(wěn)定處理的板垛用衛(wèi)星定位小車送往砂光輥臺，進入堆垛液壓升降臺。推扳機將板逐張送入砂光機輥臺運輸機，然后進入砂光機砂光。砂光線設置2臺四頭寬帶砂光機，第一臺用于厚粗砂光，第二臺用于精砂，使砂光后的板厚度均勻、表面光潔。砂光后的板由橫向輥筒運輸機運出[3]。

3.2 纖維板專用膠粘劑生產工藝流程

低密度纖維板主要使用的膠種是脲醛樹脂膠和三聚氰胺甲醛樹脂膠，是由尿素和甲醛與三聚氰胺在催化劑、高溫作用下合成的樹脂膠。甲醛與尿素、三聚氰胺的摩爾比在1.4以下，尿素三四批加料，反應溫度控制在75～95℃，反應液的pH為堿-酸-堿工藝。樹脂的固化速度在170℃以上時，固化時間不超過1min。外觀透明乳白色固體含量為47～65%，黏度（25℃）25～400cP，貯存期（25℃）2個月。

膠粘劑生產工藝流程如圖2所示。

從圖2可知，主要生產過程：制膠所需原料主要是甲醛溶液、尿素（固體）、三聚氰胺及各種添加劑，這些原料按照工藝要求所需配比，經過準確計量后在規(guī)定時間內投入反應釜內，甲醛溶液是通過甲醛泵輸送至計量罐，然后添加至反應釜;尿素則通過人工投加至加料斗，通過螺旋輸送至反應釜內。在反應釜內，根據(jù)制膠工藝進行升溫或者降溫控制，期間，還需要通過添加如片堿、甲酸等調節(jié)pH值。加熱熱源采用蒸汽，蒸汽通過管道輸送至制膠車間。冷卻采用循環(huán)冷卻水，循環(huán)使用。制作好的膠水通過泵輸送至膠池暫存，根據(jù)生產需要再次通過泵輸送至車間，供生產所用。

關鍵技術為：使用三聚氰胺改性脲醛樹脂膠粘劑，在纖維施膠工序中，纖維和膠粘劑的質量份比為10∶1.2～2，膠粘劑由按質量計的90%～99%的三聚氰胺改性脲醛樹脂膠粘劑和1%～10%的三聚氰胺甲醛樹脂膠粘劑混合組成（或一次按配比化合而成），并且三聚氰胺改性脲醛樹脂膠粘劑中甲醛與尿素的摩爾比為1.2∶1，三聚氰胺甲醛樹脂膠粘劑中三聚氰胺與甲醛質量比為0.9∶1。

3.3 新型低密度纖維板成本構成

新型低密度纖維板生產消耗主要有木材、膠料、添加劑及能耗等。在多年的刻苦攻關研發(fā)下，木材單耗水平從原來的1.7m3/m3以上下降到1.3m3/m3以下，能源消耗可降低16%以上。具體消耗情況如表3所示。

4 結論

現(xiàn)階段技術條件下，較佳的新型低密度纖維板的生產工藝如下。

建議1：引進現(xiàn)代創(chuàng)新方法研究理論和方法，實現(xiàn)最終的理想結果，繼續(xù)開發(fā)新型生產工藝，逐步降低產品密度。這不僅能發(fā)節(jié)約大量的資源和能源消耗，而且能降低產品運輸費用，對我國林業(yè)產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的顯示意義。

建議2：繼續(xù)開發(fā)廉價適用的膠粘劑，并不斷提高現(xiàn)有膠黏劑的技術指標，實現(xiàn)較低密度纖維板的制備。

建議3：提高設備的自動化程度和設備開機率，降低企業(yè)生產成本，提高產品附加值。

參考文獻：

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