一種蘆葦秸稈板的研究

陳 玲， 尹子康， 雒 鷹， 李繼平， 崔鐵花， 付曉霞， 劉 冰

(吉林省林業(yè)科學(xué)研究院，吉林 長春 130033)

隨著國民經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展和人民群眾生活水平的提高，人們對木材的需求量不斷上升。近年來，我國人造板產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，成為全球人造板產(chǎn)量增長最迅速的國家。人造板產(chǎn)業(yè)屬于資源依賴型產(chǎn)業(yè)，其快速發(fā)展所面臨的最主要問題是原料的供應(yīng)問題。資源短缺是木材供需矛盾的根本原因，特別是人口、經(jīng)濟的高增長對森林資源造成巨大消耗并將形成更大的壓力[1-9]。

中國是農(nóng)業(yè)大國，擁有豐富的農(nóng)業(yè)剩余物資源，每年產(chǎn)生大量的農(nóng)作物秸稈是豐富可供選擇的植物纖維資源。利用麥秸、稻草秸稈生產(chǎn)人造板，是一種具有重要經(jīng)濟價值和環(huán)境效益的農(nóng)業(yè)剩余物資源合理利用途徑。近幾年來，采用秸稈生產(chǎn)的板材相繼問世，并已廣泛應(yīng)用于建筑、家具等行業(yè)。利用麥秸和稻草作為原材料生產(chǎn)人造板的技術(shù)難題已經(jīng)基本解決[10-18]。

蘆葦也是一種秸稈材料，蘆葦?shù)那o稈可作為制造人造板材料。蘆葦在全球分布廣泛，資源豐富，多生于草原、沼澤、溪邊濕地及地下水位較高的沙地或堿灘上。在我國，蘆葦主要分布在湖南、湖北、江蘇、黑龍江等地，主要培育繁殖基地有江蘇、浙江、安徽等。第一年繁殖成功后，蘆葦每年都會持續(xù)不斷地重新生長，保證產(chǎn)量。生產(chǎn)蘆葦板不僅拓寬了秸稈的使用途徑，同樣也能夠緩解森林資源緊張的現(xiàn)狀，符合國家可持續(xù)發(fā)展的道路和政策[19-22]。

以農(nóng)作物秸稈為原料生產(chǎn)人造板的技術(shù)關(guān)鍵在于解決秸稈表面硅酸鹽、蠟質(zhì)薄層的有效膠合。常規(guī)的脲醛樹脂、酚醛樹脂對該層薄膜都不具有滲透力，因而難以形成有效的膠合，需要對秸稈原料進行處理，使其表面利于膠合。本文采用自行研發(fā)的處理劑對蘆葦秸稈刨花進行攪拌處理，有效減少原料中的非極性物質(zhì)，改善材料表面活性，干燥后采用脲醛樹脂膠黏劑拌膠，組坯熱壓，制得蘆葦秸稈板。蘆葦秸稈板產(chǎn)品開發(fā)不僅給企業(yè)帶來經(jīng)濟效益，同時也會產(chǎn)生巨大的社會效益。

1 試驗材料及主要設(shè)備

1.1 試驗材料

①處理劑：自制；②蘆葦秸稈：取自吉林省白城市；③脲醛樹脂膠：黏度90 mPa·s，固含量65%，吉林省松江粘合劑有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗主要設(shè)備

①粉碎機：定制，哈爾濱東大林業(yè)技術(shù)裝備有限公司生產(chǎn)；②篩選機：同①；③拌膠機：同①；④壓機：同①；⑤干燥箱：定制，吳江同豐烘箱電爐有限公司生產(chǎn)；⑥電子萬能試驗機：DDL20，長春機械科學(xué)研究院有限公司提供。

2 蘆葦秸稈板制備

①將由吉林省白城地區(qū)采購的蘆葦秸稈用定制的粉碎機進行粉碎；②將粉碎好的蘆葦秸稈用定制的篩選機進行篩分，留取6～12目篩網(wǎng)之間的刨花作為芯層刨花，留取12～25目篩網(wǎng)之間的刨花作為表層刨花；③將留用的蘆葦秸稈刨花與制備的處理劑放入定制的拌膠機攪拌90 s；④對處理劑處理過的蘆葦秸稈刨花進行干燥，使其含水率達到5%左右；⑤對干燥后的蘆葦秸稈刨花進行拌膠、組坯、熱壓；⑥對熱壓后的蘆葦秸稈板進行砂光。

3 蘆葦秸稈板生產(chǎn)工藝優(yōu)化

3.1 試驗方案

生產(chǎn)工藝上，采用厚度規(guī)控制板材厚度為15 mm，熱壓壓力定為5 MPa(三段降壓)，根據(jù)大量的探索試驗，選定不同的處理劑加量、板材密度、施膠量、熱壓溫度和熱壓時間進行單因素試驗，對蘆葦秸稈板的物理力學(xué)性能(靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強度、表面膠合強度、2 h吸水厚度膨脹率和板面握釘力)進行測定，以確定蘆葦秸稈板的最佳工藝。

具體選定的因素和水平見表1。

當探討一種因素的影響時，其他因素均選擇水平3的試驗條件。

3.2 試驗結(jié)果與分析

3.2.1 處理劑加量對物理力學(xué)性能的影響

處理劑加量對各參數(shù)的影響見表2。

表1 生產(chǎn)工藝因素——水平表

水平處理劑加量/%板材密度/g·cm-3施膠量/%熱壓溫度/℃熱壓時間/s1200.65101501802300.70121602103400.75141702404500.80161802705600.8518190300

表2 處理劑加量對各參數(shù)的影響

處理劑加量/%2030405060靜曲強度/MPa11.313.815.514.513.0彈性模量/MPa3 0203 2303 5103 3703 280內(nèi)結(jié)合強度/MPa0.320.380.420.390.34表面膠合強度/MPa0.850.911.020.980.912 h吸水厚度膨脹率/%4.324.053.774.014.04板面握釘力/N9501 0401 1501 0901 010

從表2可以看出，在試驗范圍內(nèi)，隨著處理劑加量的增加，蘆葦秸稈板的靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強度、表面膠合強度和板面握釘力呈先增加后下降趨勢，2 h吸水厚度膨脹率呈先下降后上升趨勢。這主要是由于使用處理劑對蘆葦秸稈表面進行了處理，利于蘆葦秸稈之間的膠合，隨著處理劑加量的增加，蘆葦秸稈板的物理力學(xué)性能逐漸增加，但當處理劑過多時，對蘆葦秸稈本身的強度產(chǎn)生了一定的不利影響，物理力學(xué)性能下降。

3.2.2 板材密度對物理力學(xué)性能的影響

板材密度對各參數(shù)的影響見表3。

表3 板材密度對各參數(shù)的影響

板材密度/g·cm-30.650.700.750.800.85靜曲強度/MPa10.513.115.515.715.4彈性模量/MPa2 6503 1003 5103 6003 510內(nèi)結(jié)合強度/MPa0.260.350.420.430.40表面膠合強度/MPa0.780.891.021.010.972 h吸水厚度膨脹率/%4.454.033.773.743.91板面握釘力/N9401 0101 1501 1701 090

從表3可以看出，在試驗范圍內(nèi)，隨著板材密度的增加，蘆葦秸稈板的靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強度、表面膠合強度和板面握釘力呈先增長后趨于平緩再略有下降的趨勢，2 h吸水厚度膨脹率呈先下降后趨于平緩再略有上升的趨勢。這主要是由于隨著板材密度的增加，單位體積內(nèi)的實質(zhì)性物質(zhì)增加，同時在壓力作用下秸稈之間的接觸更加緊密，物理力學(xué)性能提高。同時，秸稈在不同壓縮程度下，細胞形態(tài)變化存在差異。板材密度低時，細胞變形幅度小，細胞間產(chǎn)生的滑動或錯位較少，保留了更多的彈性，也導(dǎo)致吸水厚度膨脹率大。但由于秸稈板的堆積密度較大，當密度過大時不利于熱壓過程中蒸汽的排出，導(dǎo)致卸壓后發(fā)生鼓泡現(xiàn)象，物理力學(xué)性能下降。

3.2.3 施膠量對物理力學(xué)性能的影響

施膠量對各參數(shù)的影響見表4。

表4 施膠量對各參數(shù)的影響

施膠量/%1012141618靜曲強度/MPa11.412.715.515.614.9彈性模量/MPa2 4802 8903 5103 5503 400內(nèi)結(jié)合強度/MPa0.320.380.420.410.39表面膠合強度/MPa0.770.841.020.990.922 h吸水厚度膨脹率/%4.684.083.773.673.92板面握釘力/N9501 0201 1501 2001 070

從表4可以看出，在試驗范圍內(nèi)，隨著施膠量的增加，蘆葦秸稈板的靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強度、表面膠合強度和板面握釘力呈先升高后略有下降的趨勢，2 h吸水厚度膨脹率呈先下降后略有升高的趨勢。這主要是由于隨著施膠量的增加，秸稈之間的膠合更加緊密，物理力學(xué)性能提高。施膠量過大，膠固化后內(nèi)應(yīng)力增大，物理力學(xué)性能下降，同時也使甲醛釋放量增加，且增加了成本。

3.2.4 熱壓溫度對物理力學(xué)性能的影響

熱壓溫度對各參數(shù)的影響見表5。

表5 熱壓溫度對各參數(shù)的影響

熱壓溫度/℃150160170180190靜曲強度/MPa12.113.715.515.915.7彈性模量/MPa2 4502 9203 5103 6803 540內(nèi)結(jié)合強度/MPa0.320.370.420.440.42表面膠合強度/MPa0.790.841.021.231.052 h吸水厚度膨脹率/%0.790.841.021.231.05板面握釘力/N8909701 1501 2301 170

從表5可以看出，在試驗范圍內(nèi)，隨著熱壓溫度的升高，蘆葦秸稈板的靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強度、表面膠合強度和板面握釘力呈先增長后略有下降的趨勢，2 h吸水厚度膨脹率呈先下降后略有上升的趨勢。這主要是由于隨著熱壓溫度的升高，加快了板坯內(nèi)部的熱傳導(dǎo)，促進了秸稈之間的膠合，秸稈之間的膠合更加緊密，物理力學(xué)性能提高。熱壓溫度過高，膠過度固化，導(dǎo)致膠變脆，甚至熱解，而且容易導(dǎo)致秸稈本身成分分解，使得基材強度降低，物理力學(xué)性能下降，同時使熱壓機的生產(chǎn)率降低。另外，隨著熱壓溫度升高，膠固化充分，甲醛釋放量降低。

3.2.5 熱壓時間對物理力學(xué)性能的影響

熱壓時間對各參數(shù)的影響見表6。

表6 熱壓時間對各參數(shù)的影響

熱壓時間/s180210240270300靜曲強度/MPa13.815.215.515.314.6彈性模量/MPa2 8003 4303 5103 4503 390內(nèi)結(jié)合強度/MPa0.330.410.420.400.38表面膠合強度/MPa0.820.981.020.950.912 h吸水厚度膨脹率/%4.623.853.773.833.95板面握釘力/N9201 1001 1501 0901 010

從表6可以看出，在試驗范圍內(nèi)，隨著熱壓時間的延長，蘆葦秸稈板的靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強度、表面膠合強度和板面握釘力呈先增長后略有下降趨勢，2 h吸水厚度膨脹率呈先下降后略有增長的趨勢。這主要是由于隨著熱壓時間的延長，增加了板坯內(nèi)部的熱傳導(dǎo)時間，促進了秸稈之間的膠合，秸稈之間的膠合更加緊密，物理力學(xué)性能提高。熱壓時間太長，膠過度固化，導(dǎo)致膠變脆，甚至熱解，而且容易導(dǎo)致秸稈本身成分分解，使得基材強度降低，物理力學(xué)性能下降，同時使熱壓機的生產(chǎn)率降低。

4 結(jié)論

綜合考慮蘆葦秸稈板的物理力學(xué)性能指標及成本問題，根據(jù)以上分析，確定蘆葦秸稈板較優(yōu)的處理劑加量為40%、板材密度為0.75 g/cm3、施膠量為14%、熱壓溫度為180 ℃、熱壓時間為210 s。

制備的蘆葦秸稈板，靜曲強度為15.8 MPa，彈性模量為3 600 MPa，內(nèi)結(jié)合強度為0.43 MPa，表面膠合強度為1.20 MPa，2 h吸水厚度膨脹率為3.6%，板面握釘力為1 200 N，符合國家標準GB/T 4897-2015 《刨花板》中對干燥狀態(tài)下使用的家具型刨花板(P2型)的要求；同時，對其甲醛釋放量進行檢測，檢測結(jié)果為0.014 mg/m3，達到E1級(限量值為0.124 mg/m3)標準。