稻草基復(fù)合材料成型工藝試驗(yàn)及影響

楊 柳

（西安培華學(xué)院 建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，陜西 西安 710061）

引 言

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展增加了木材的需求量。木材資源匱乏已經(jīng)成了很多國(guó)家都需要面臨的問題。為緩解木材壓力，羅清?？偨Y(jié)了秸稈材料在傳統(tǒng)建筑中的應(yīng)用，提出以稻草秸稈為原材料制備板材[1]，既能緩解木材壓力，又能解決稻草秸稈焚燒污染問題。但傳統(tǒng)方法制備稻草刨花板力學(xué)性能低、產(chǎn)品終端利用方式少等問題，使得稻草基復(fù)合材料的應(yīng)用受到了很大的限制。因此，如何提高稻草基復(fù)合材料性能，增加其使用范圍是目前較為迫切需要解決的問題。夏琪琪等人嘗試用改性劑增加稻草基復(fù)合材料的性能，并針對(duì)幾種常用改性劑效果進(jìn)行探討[2]；劉紅光則研究了稻草秸稈復(fù)合材在建筑中的應(yīng)用[3]。以上的研究人員從改變性能到改變用途，對(duì)稻草基復(fù)合材料的應(yīng)用作出了一定貢獻(xiàn)，但仍舊沒有解決稻草基復(fù)合材料存在的問題?；诖?，本文嘗試用稻草刨花與楊木單板結(jié)合，制備一種用途較廣的復(fù)合材料。并對(duì)該材料制備的包裝盒進(jìn)行設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了其良好的視覺傳導(dǎo)效果。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

本試驗(yàn)所用材料為：楊木單板，（公稱厚度3mm），德州博億木業(yè)有限公司；異氰酸酯（MDI），密度1.220～1.250g/m3，江蘇圣侖化工科技有限公司；酚醛膠，河北錦虹工程材料有限公司；氫氧化鈉（分析純），福州利坤源化工有限公司。

本試驗(yàn)所用設(shè)備為：植物粉碎機(jī)（HT188），曲阜宏泰機(jī)械設(shè)備有限公司；對(duì)流鼓風(fēng)恒溫干燥箱（101-3），鄭州南北儀器設(shè)備有限公司；拌膠機(jī)（2-120），錫山區(qū)錫北鎮(zhèn)萬(wàn)方木制品廠；預(yù)壓機(jī)（MJ-50），曲阜市杉木機(jī)械設(shè)備有限公司；熱壓機(jī)（BLYL），鹽城市步龍電器有限公司；實(shí)驗(yàn)室剖面密度檢測(cè)儀（DAX5000），格雷康自動(dòng)檢測(cè)控制設(shè)備有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

稻草基復(fù)合材料成型工藝主要分為二次熱壓成型和一次熱壓成型方法。復(fù)合板材制備工藝為：在稻草板兩側(cè)復(fù)合一層楊木單板，板材公稱厚度為10mm。

1.2.1 材料預(yù)處理

（1）用HT188 型植物粉碎機(jī)將稻稈粉碎，并用網(wǎng)眼尺寸為10mm×10mm 鐵絲網(wǎng)進(jìn)行過濾，過濾后將濾網(wǎng)上得的稻稈再次進(jìn)行粉碎。

（2）用10 目網(wǎng)篩進(jìn)行篩選，取網(wǎng)格上方稻草刨花進(jìn)行堿工藝處理。堿處理流程為：按照10g∶50mL的料液比，根據(jù)稻草刨花質(zhì)量取濃度為1.5%的堿液適量。將稻草刨花置于堿液中浸泡，浸泡時(shí)間為12h。

（3）將處理好的稻草刨花放入101-3 型對(duì)流鼓風(fēng)恒溫干燥箱中烘干，烘干的溫度和程度為105℃，含水率6%±1%；

1.2.2 二次成型方法

（1）在拌膠機(jī)中放入經(jīng)堿處理后的稻草刨花。同時(shí)開啟拌膠機(jī)和空氣壓縮機(jī)，然后取3%的稻草刨花倒入噴槍中，進(jìn)行施加。然后再將14%的酚醛膠和適量液體石蠟倒入另一把噴槍中進(jìn)行噴膠。

（2）在一定速度下進(jìn)行攪拌，使刨花和膠粘劑也充分混合均勻。將成品置于模框箱中進(jìn)行手工鋪裝，得到板胚。在鋪裝時(shí)將四氟乙烯置于墊板與板胚間，防止熱壓后出現(xiàn)粘板現(xiàn)象。

（3）將板胚置于MJ-50 型預(yù)壓機(jī)中進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓時(shí)間為15～20s。預(yù)壓結(jié)束后取出板胚，拿掉模框箱，并在板胚上方再次放置一塊四氟乙烯膜和墊板。

（4）將板胚置于BLYL 型熱壓機(jī)中熱壓成型，熱壓時(shí)間和溫度分別為2.0min 和150℃。熱壓結(jié)束后，取出板胚，待其自然冷卻，使用100 目砂紙對(duì)板胚進(jìn)行砂光，將表面污染物和預(yù)固化層去除，使板胚表面光滑，厚度一致。

（5）將酚醛樹脂膠涂刷在楊木單板背面，然后在稻草板的兩側(cè)各粘貼一層楊木單板。粘貼時(shí)要注意楊木單板的正面向外，背面與稻草板粘結(jié)。放置30min 后進(jìn)行二次熱壓。涂膠量分為3 個(gè)水平，A：110g/m2；B：130g/m2；C：150g/m2。

（6）用厚度規(guī)進(jìn)行定厚，熱壓溫度和時(shí)間分別為150℃和10min。

具體制備流程如圖1 所示：

圖1 二次熱壓成型工藝流程圖Fig. 1 The process flow chart of two times hot pressing

1.2.3 一次成型方法

（1）按照1.2.2 節(jié)方法對(duì)經(jīng)過處理的稻草刨花施膠，在楊木單板背面涂膠。涂膠量的三個(gè)水平分別為：D：55g/m2；E：65g/m2；F：75g/m2。

（2）將單面涂膠的楊木單板鋪放在底層墊板上，將模框箱放在墊板上。將拌膠稻草刨花置于模框箱內(nèi)進(jìn)行手工鋪裝，在鋪裝時(shí)注意盡量使刨花均勻。

（3）完成后按照1.2.2 節(jié)步驟（3）進(jìn)行預(yù)壓。然后置于BLYL 型熱壓機(jī)中熱壓成型，熱壓時(shí)間和溫度分別為20min 和150℃。熱壓結(jié)束后冷卻。

具體制備流程如圖2 所示：

圖2 一次熱壓成型工藝流程圖Fig. 2 The process flow chart of one time hot pressing

1.3 性能測(cè)定

1.3.1 力學(xué)性能測(cè)定

參照《刨花板第4 部分：在干燥狀態(tài)下使用的結(jié)構(gòu)用板要求》、《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》及《膠合板》中有關(guān)膠合強(qiáng)度的檢測(cè)方法對(duì)制備的板材進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)定。具體步驟為：

（1）將復(fù)合板材從熱壓機(jī)中取出后，置于室溫條件下靜置24h，使其完全自然冷卻，根據(jù)檢測(cè)需求鋸成相應(yīng)尺寸的試件。

（2）將試件放置于溫度20℃，相對(duì)濕度65%條件下，直至質(zhì)量恒定后檢測(cè)其性能。根據(jù)規(guī)定，復(fù)合墻板內(nèi)強(qiáng)度（IB） 應(yīng)不小于0.40MPa；靜曲強(qiáng)度（MOR）不小于17MPa；彈性模量（MOE）不小于2.30GPa；吸水厚度膨脹率（24hTS）不大于16%；濕膠合強(qiáng)度（WBS） 和干膠合強(qiáng)度（DBS） 均不小于

0.7MPa；A 為沖擊韌性。

1.3.2 剖面密度檢測(cè)

用DAX5000 型實(shí)驗(yàn)室剖面密度檢測(cè)儀對(duì)原吸水厚度膨脹率試件進(jìn)行剖面密度檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 兩種成型方法的優(yōu)劣對(duì)比

表1、表2 分別為二次熱壓成型和一次熱壓成型復(fù)合板材的性能檢測(cè)結(jié)果。綜合表1、表2 可知，二次熱壓成型制備的復(fù)合板材內(nèi)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，而一次熱壓成型制備的復(fù)合板材內(nèi)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)標(biāo)。這是因?yàn)樵嚰茐奈恢冒l(fā)生在稻草芯層。稻草芯層作為弱結(jié)合層，膠接程度直接決定內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的狀態(tài)。在二次熱壓過程中，稻草板被進(jìn)一步壓縮，內(nèi)部已經(jīng)膠接好的單元遭受一定破壞，降低了復(fù)合板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度。而一次熱壓成型制備的復(fù)合板，楊木單板與稻草層一起受壓。受稻草松軟材質(zhì)的影響，在壓縮過程中，稻草芯層密度相對(duì)升高，在一定程度上增加了復(fù)合板材的內(nèi)強(qiáng)度。證明一次熱壓成型方法比二次熱壓成型方法更佳。

表1 二次熱壓成型復(fù)合板材的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度Table1 The internal bonding strength of composite board prepared by two times hot pressing

表2 一次熱壓成型復(fù)合板材的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度Table 2 The internal bonding strength of composite board prepared by one time hot pressing

2.2 涂膠量對(duì)復(fù)合材料性能影響

表3 為涂膠量對(duì)復(fù)合板材性能的顯著性，顯著性概率值小不大于0.05 時(shí)，該因素對(duì)復(fù)合板材的性能有較大影響。由表3 可知，在二次熱成型方法中，涂膠量?jī)H對(duì)彈性模量產(chǎn)生影響, 基本可認(rèn)定以二次成型方法制備復(fù)合涂料，涂膠量幾乎不對(duì)復(fù)合板材性能產(chǎn)生影響。在一次熱成型的過程中，涂膠量對(duì)多個(gè)性能都有顯著影響,這是因?yàn)樵谥苽溥^程中，稻草芯層與單板表層在一起鋪裝熱壓過程中，稻草刨花施加的膠粘劑與單板表面的膠粘劑相互滲透擴(kuò)散，均勻分布在兩者的內(nèi)部。膠粘劑固化后形成“膠釘”，從而表現(xiàn)出良好的粘結(jié)性能。因此單面最佳涂膠量為75g/m2。

成型方法性能 MOR MOE IB 24hTS A WBS DBS二次成型一次成型0.063 0.019 0.009 0.000 0.355 0.004 0.135 0.480 0.500 0.222 0.320 0.001 0.600 0.104

2.3 剖面密度對(duì)復(fù)合板材性能影響

表4 為復(fù)合板材芯層稻草板剖面密度檢測(cè)結(jié)果。由表4 可知，二次熱成型方法制備的復(fù)合板材平均厚度為5.08mm,一次熱成型方法制備的板材平均厚度為3.92mm；二次成型的厚度明顯大于一次成型。這是因?yàn)閺?fù)合板材在二次成型的過程中，再一次被壓縮，使稻草板內(nèi)部已經(jīng)固化的膠接結(jié)構(gòu)受到了破壞，進(jìn)而導(dǎo)致與膠接性能有關(guān)的性能變差。同時(shí)，二次成型復(fù)合板材芯層平均密度約為0.92g/cm3，一次成型復(fù)合板材芯層平均密度為1.15 g/cm3。這就說(shuō)明一次成型方法可使芯層稻草壓縮的較為緊密，提高稻草板的平均密度。

表4 復(fù)合板材芯層稻草板剖面密度檢測(cè)結(jié)果Table 4 The test results of sectional density of straw board in core layer of composite board

2.4 MDI 對(duì)復(fù)合板材性能的影響

復(fù)合板材性能受MDI 施膠量影響，以同等條件，將MDI 施膠量做為變量設(shè)計(jì)3 種水平試驗(yàn)。3 組試驗(yàn)分別為：G：MDI 含量2%；H：MDI 含量1%；K：MDI 含量0%。分別檢測(cè)該水平下，復(fù)合板材的性能，檢測(cè)結(jié)果如表5 所示。由表5 可知，三組試驗(yàn)濕強(qiáng)度均為達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)；1%和0%含量的復(fù)合板材內(nèi)強(qiáng)度也未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，其余性能指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 為通過研究MDI 施膠量對(duì)復(fù)合板材性能單因素方差分析，得到的顯著性概率值。由表6 可知，只有24h 吸水厚度膨脹率顯著性超過0.05.這就說(shuō)明MDI 施膠量對(duì)復(fù)合板材各個(gè)性能都有顯著影響。因此，在制備該復(fù)合板材時(shí)，需考慮使用環(huán)境，若在條件寬松的室內(nèi)環(huán)境下使用，則可不添加MDI 膠粘劑。若使用條件相對(duì)較嚴(yán)格，可以添加2%的MDI膠粘劑改善板材的各方面性能。

表5 不同MDI 施膠量復(fù)合板材性能測(cè)試結(jié)果Table 5 The performance test results of composite board with different MDI sizing amounts

表6 MDI 對(duì)復(fù)合板材性能影響的顯著性Table 6 The significance of MDI to the properties of composite board

3 結(jié) 論

本文分別使用一次熱壓成型和二次熱壓成型工藝制備稻草基楊木單板復(fù)合材料。并對(duì)兩種工藝制備的復(fù)合板材力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)，探討了成型方法、楊木單板涂膠量、剖面密度和MDI 膠粘劑含量對(duì)其性能的影響。得到的具體結(jié)論如下：

1）綜合考慮兩種成型工藝對(duì)性能影響可知。一次成型工藝制備的復(fù)合板材各方面性能皆優(yōu)于二次成型工藝。因此一次成型工藝為復(fù)合板材的較佳制備工藝。

2）一次成型工藝中，涂膠量對(duì)復(fù)合板材各方面性能皆有很多影響。綜合考慮，選擇75g/m2為楊木單板的最佳涂刷量。

3）二次成型熱壓工藝會(huì)破壞稻草內(nèi)部膠接結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致與復(fù)合板材膠接性能有關(guān)的各項(xiàng)性能變差。而一次成型方式能將稻草芯壓縮的更為緊密，此時(shí)的平均密度約為0.92g/m3。

4）MDI 含量對(duì)復(fù)合板材各方面性能皆有影響，在條件較為寬松的室內(nèi)環(huán)境可不添加MDI。若使用環(huán)境條件較為嚴(yán)格，則需要添加2%的MDI 膠粘劑增加其強(qiáng)度。

5）通過對(duì)復(fù)合板材進(jìn)行的設(shè)計(jì)，證實(shí)本文制備的復(fù)合板材有良好的視覺傳導(dǎo)，可直接用于生活包裝盒的制備。