木材加工剩余物制備人造板性能表征?

李紅晨 楊 洋 何 盛 張仲鳳 陸銅華

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)，國家林業(yè)和草原局綠色家具工程技術(shù)研究中心，湖南省綠色家居工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410000；2.國家林業(yè)和草原局竹子研究開發(fā)中心，浙江 杭州 310012；3.千年舟新材科技集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 311112）

木材加工剩余物主要是大徑級木材在采伐和加工過程中產(chǎn)生的一些枝椏材、邊角料等。這些木材剩余物大部分材質(zhì)優(yōu)良，種類豐富，價格便宜，若直接丟棄不僅提高生產(chǎn)成本，而且造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。為充分利用木材，提高其附加值，目前對木材剩余物的回收利用主要用作燃料、園林庭院設(shè)計(jì)素材[1]、人造板原材料[2]以及與其他材料復(fù)合制備新型材料[3]等。然而，作為柴薪利用過于低值化，用作復(fù)合材料的生產(chǎn)原料，制備工藝相對復(fù)雜，生產(chǎn)成本增加，而將木材加工剩余物應(yīng)用于人造板生產(chǎn)中能夠有效提升其利用價值[4-5]。

Surdipg等[6]以亞馬遜地區(qū)的6種木材加工剩余物為原料制備刨花板，得到的板材密度為850 kg/m3，吸水厚度膨脹率最低為8.24%；Turgut等[7]將紅松加工剩余物及其松果混合在一起制備刨花板，制得的刨花板吸水厚度膨脹率為9.3%，靜曲強(qiáng)度最高為4.66 MPa；Ohijeagbon等[8]利用柚木及非洲刺槐的木材加工剩余物制備天花板用人造板，板材吸水厚度膨脹率最低為9%，抗壓強(qiáng)度最高為0.891 MPa，抗拉強(qiáng)度為1.039 MPa，抗彎強(qiáng)度達(dá)0.555 MPa；Bardak等[9]用臭椿不同部位（樹皮、樹枝、樹干）的加工剩余物制備人造板，其靜曲強(qiáng)度與彈性模量最小值分別為12.12、2 278.99 MPa。不同的原材料及其處理方式和加工方式對板材最終物理力學(xué)性能會產(chǎn)生重要影響。長久以來，研究者采用多種方法對木材加工剩余物進(jìn)行加工利用，本文選用完整度高的工廠單板加工剩余物為原材料，利用其較完整的木纖維，采用熱壓法制備人造板，并對所得板材的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、24 h吸水厚度膨脹率及剖面密度進(jìn)行分析研究，為木材加工剩余物的再利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

木材加工剩余物：速生楊（Populus tomentosaCarr.）；阿尤斯（Triplochitin scleroxylon’ ）。兩種材料規(guī)格相同，長度2 m，寬度5～10 cm，平均厚度1 mm；均為工廠染色單板加工剩余物，茂友木材股份有限公司提供。酚醛樹脂膠：固體含量51.29%，黏度330 mPa·s，pH11.5～13；外觀：棕紅色液體，德華兔寶寶裝飾新材股份有限公司提供。

1.2 設(shè)備

表1 主要試驗(yàn)設(shè)備名稱及型號Tab.1 Name and model of test equipment

1.3 板材制備

1） 制材：收集染色單板剩余物，并用鋸切機(jī)將其加工成長度為50～60 cm,寬度及厚度不變；按樹種的不同將材料分為A組（速生楊單板，灰色系，材質(zhì)細(xì)膩）、B組（阿尤斯單板，紅褐色，紋理明顯，管孔清晰）、C組（A、B組的混合材）。

2） 浸膠：浸膠池內(nèi)倒入酚醛樹脂膠液，將單板剩余物在浸膠池內(nèi)浸漬5～6 min，取出后瀝干。

3） 干燥：將浸膠池內(nèi)取出的單板剩余物放入干燥窯干燥30 min，然后氣干至含水率為6%～8%；干燥后，對其進(jìn)行整理與分組。

4） 單板組坯：預(yù)設(shè)板材密度為1.0 g/cm3，預(yù)設(shè)成板幅面為50 cm×50 cm×1 cm。上下各墊一張60 cm×60 cm×0.75 cm的木單板，將條狀單板剩余物順紋同向鋪裝，人工鋪裝密實(shí)后送入熱壓機(jī)內(nèi)進(jìn)行熱壓。

5） 熱壓：熱壓參數(shù)為熱壓溫度140 ℃，熱壓壓力2.5 MPa，加壓時間15 min，保壓時間為5 min，壓制完畢取出。

6） 板材裁剪：對制得的板材進(jìn)行裁邊處理，并根據(jù)試驗(yàn)需要制備不同規(guī)格的試樣。每組制備3個重復(fù)樣。

1.4 性能測試

1） 靜曲強(qiáng)度和彈性模量

參照GB/T 4897—2015《刨花板》、GB/T 11718—2009《中密度纖維板》和GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》，使用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對板材靜曲強(qiáng)度、彈性模量進(jìn)行檢測。

2） 24 h吸水厚度膨脹率

參照GB/T 17657—2013、GB/T 11718—2009、LY/T 1611—2011《地板基材用纖維板》進(jìn)行24 h吸水厚度膨脹率的檢測。

3） 剖面密度分布測試

取不同組試驗(yàn)試樣，截取50 mm×50 mm的樣品，采用剖面密度分布儀進(jìn)行剖面密度測試，步進(jìn)厚度0.05 mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 彈性模量和靜曲強(qiáng)度

彈性模量和靜曲強(qiáng)度是評價人造板力學(xué)性能的重要指標(biāo)，也是衡量人造板用途的重要參數(shù)。表2為根據(jù)GB/T 17657—2013檢測試驗(yàn)所制板材的彈性模量、靜曲強(qiáng)度以及國家標(biāo)準(zhǔn)中不同種類人造板彈性模量與靜曲強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值。

由表2可知， A、B、C三組板材的彈性模量分別為17 491.8、18 439.6、17 329.6 MPa，遠(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)中對厚度相近的刨花板和中密度纖維板的規(guī)定值1 800、2 400 MPa；靜曲強(qiáng)度分別為169.4、131.8、206.5 MPa，同樣優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)中對刨花板、中密度纖維板和地板基材用纖維板的規(guī)定值11、24、35 MPa，表明本試驗(yàn)中制得的板材性能優(yōu)良，可滿足一般人造板的使用要求。人造板的強(qiáng)度主要取決于木材纖維強(qiáng)度與膠合強(qiáng)度[10-13]，本試驗(yàn)采用的木材加工剩余物纖維完整度高，尤其在長度方向上纖維組織未經(jīng)人為破壞，保留了木材本身結(jié)構(gòu)的優(yōu)良性能，順紋鋪裝方式更凸顯了這種優(yōu)勢。其中B組板材的彈性模量高于A組和C組，由于B組采用的是阿尤斯單板剩余物，該種木材導(dǎo)管較速生楊的導(dǎo)管更明顯[14]，在浸膠過程中吸收的膠液充足，因此熱壓過程中膠合程度好，顯著提高了板材的力學(xué)性能。

表2 試驗(yàn)所制板材彈性模量和靜曲強(qiáng)度與不同種類人造板國標(biāo)值比較Tab.2 The elastic modulus and static flexural strength of the manufactured panels compared with the national standard values of di☆erent wood-based panels

2.2 24 h吸水厚度膨脹率

吸水厚度膨脹率是衡量人造板在使用過程中受空氣濕度影響的重要指標(biāo)，對人造板尺寸穩(wěn)定性具有重要影響[15]。表3為A、B、C三組試樣的24 h吸水厚度膨脹率及國家標(biāo)準(zhǔn)中對不同厚度人造板規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值。

表3 試驗(yàn)所制板材吸水厚度膨脹率與不同種類人造板國標(biāo)值比較Tab.3 The expansion rate of water absorption thickness compared with the national standard value of di☆erent kinds of wood-based panels

從表3中可以看出，A、B、C三組試樣的24 h吸水厚度膨脹率分別為7.5%、11.3%、8.65%，均小于國家標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)值?？梢姳狙芯坷玫哪静募庸U棄物制得的板材吸水厚度膨脹率小，具備良好的尺寸穩(wěn)定性。

對比發(fā)現(xiàn)，B組板材的吸水厚度膨脹率大于A組和C組。三組板材均采用同一種膠黏劑，可能是因?yàn)锽組采用的阿尤斯木材細(xì)胞腔壁大，導(dǎo)管通道通暢，因而更利于吸水吸濕，增大了木材的吸水厚度膨脹率。

從本研究中可以看出木材種類，即木材內(nèi)部結(jié)構(gòu)的致密性對最終板材吸水厚度膨脹率有顯著影響。有研究表明，使用的膠黏劑種類、施加的壓力對采用木材剩余物加工得到的刨花板吸濕性有重要影響[16-18]，但是否對本研究中的人造板吸濕性產(chǎn)生影響需進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

2.3 剖面密度分布曲線

剖面密度分布是人造板材的重要結(jié)構(gòu)特征，是影響板材各項(xiàng)物理力學(xué)性能的關(guān)鍵因素?；谌嗽彀迕芏确植记闆r可客觀評價板材質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)工藝的不足，并通過調(diào)整達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少生產(chǎn)成本的目的。圖1a、b、c分別為A、B、C三組人造板的密度分布曲線圖，為避免誤差，對A、B、C組板材每組分別取（1）（2）（3）3 個試樣，如圖1 所示。

圖1 三組人造板試樣的密度分布曲線圖Fig.1 Density distribution curve of three groups of woodbased panel samples

由圖可知，三組板材的密度分布呈現(xiàn)不規(guī)則趨勢，但密度范圍均在1 000～1 400 kg/m3之間，密度較高，表現(xiàn)出良好的彈性模量和靜曲強(qiáng)度。同時，由于熱壓過程中壓機(jī)溫度始終設(shè)置一致，故三組試樣的預(yù)固化層厚度均在1 mm左右。預(yù)固化層是人造板表面膠黏劑接觸壓機(jī)上下表面遇熱發(fā)生熔融固化時形成獨(dú)特的保護(hù)層，在本研究中，三組板材的預(yù)固化層厚度均偏厚，因此后期砂光的工作量會因此增加。研究表明，預(yù)固化層厚度與壓機(jī)表面溫度及壓力有直接關(guān)系，理論上，壓力越大溫度越高，預(yù)固化層厚度越小，板材的密度越大[19-21]。

對比圖1a和圖1c可以發(fā)現(xiàn)，A、C組試樣的剖面密度分布曲線重合度較高，說明這兩組板材密度變化趨勢較一致，但密度分布并不均勻，從板材表層到板材芯層密度呈現(xiàn)逐漸增長的趨勢，在距離板材正面（熱壓朝上面記為正）7 mm密度達(dá)到最大，A組平均密度為1 400 kg/m3，C組平均密度在1 300 kg/m3左右。

圖1b的B組剖面密度曲線相對分散，但趨勢更符合理想剖面密度曲線，即整個密度曲線可以分為五個區(qū)，分別為兩個預(yù)固化區(qū)，兩個高密度區(qū)，一個低密度區(qū)[22]，密度分布沿板厚中心呈對稱分布，呈現(xiàn)明顯的“馬鞍形”。其形成的主要原因?yàn)椋簾釅撼跗诎迮鞅韺优c熱壓板先接觸，在未受壓力及壓力很小的情況下板坯表面受熱發(fā)生固化，上下表面形成固化層；隨后熱壓板再施加力時，已固化部分密度基本不變，當(dāng)整個板坯處于熱壓過程中時，外側(cè)板材受熱與力，發(fā)生固化壓縮，預(yù)固化層內(nèi)側(cè)部分密度變大，形成高密度區(qū)；當(dāng)溫度傳至板材內(nèi)部時，其溫度已明顯小于壓板溫度，芯層木材纖維的塑性減小、壓縮程度也變小，形成低密度區(qū)[23-24]。

B組與A、C組的密度曲線差異由樹種不同所致，B組材料管孔清晰，便于膠液的滲入，因而在熱壓過程中膠合效果好，密度分布較A、C組均勻，密度曲線更符合預(yù)期。結(jié)合前述彈性模量與靜曲強(qiáng)度檢測結(jié)果， B組板材彈性模量大于A、C組，表明芯層密度偏低時，在受到外力作用情況下，芯層的剪切破壞會比表層先發(fā)生，導(dǎo)致靜曲強(qiáng)度偏小。這與陳玉竹、趙藝斐等的研究結(jié)果一致[25-26]。

3 結(jié)論

本研究利用工廠木材單板加工剩余物生產(chǎn)人造板，得出以下結(jié)論：用木材單板加工剩余物制得的板材性能優(yōu)良，三組板材彈性模量分別為17 491.8、18 439.6、17 329.6 MPa，靜曲強(qiáng)度分別為169.4、131.8、206.5 MPa；24 h吸水厚度膨脹率分別為7.5%、11.3%、8.65%，各項(xiàng)性能均優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)。分析人造板密度分布曲線可知，樹種對人造板的彈性模量、靜曲強(qiáng)度、吸水厚度膨脹率及密度分布均具有重要影響，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)粗糙的樹種木材因與膠黏劑接觸充分，膠合性能良好，具有更好的力學(xué)性能，但同時因木材內(nèi)部導(dǎo)管等孔隙粗大，使制得的人造板吸水性能有所下降。本試驗(yàn)中預(yù)固化層厚度偏厚，在后續(xù)研究中可結(jié)合剖面密度對熱壓溫度及熱壓壓力進(jìn)行調(diào)整改善，以獲得性能更加優(yōu)良的人造板材。