廢紙漿原料家具產(chǎn)品的成型與增強(qiáng)處理研究

萬輝　顧繼友

摘要 以廢紙回收再利用為目的進(jìn)行了廢紙漿原料應(yīng)用于家具產(chǎn)品領(lǐng)域的相關(guān)性及適用性試驗(yàn)，開展了廢紙漿原料家具產(chǎn)品的成型與增強(qiáng)處理研究，獲得了廢紙漿原料家具產(chǎn)品的成型方式、結(jié)構(gòu)性能和工藝方法，確定了賦予此類產(chǎn)品最佳的材料性能參數(shù)與依據(jù)，以期最大限度地回收再利用此類材料。

關(guān)鍵詞：廢紙漿；家具產(chǎn)品；增強(qiáng)處理；低碳環(huán)保

中圖分類號(hào)：S784 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2015）08-123-03

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)用紙量迅速增加，廢紙資源回收再利用的重要性也更加突顯。盡管國(guó)內(nèi)外一些科研機(jī)構(gòu)做過相關(guān)研究，但關(guān)于廢紙漿原料在家具產(chǎn)品領(lǐng)域中的應(yīng)用研究尚無實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展?；诖耍P者研究了利用廢紙漿原料制備家具產(chǎn)品的成型工藝及增強(qiáng)處理技術(shù)，以期提高廢紙漿原料的強(qiáng)度、防潮及表面性能等，從而最大限度地回收再利用廢紙漿原料。

1 廢紙漿原料應(yīng)用于家具產(chǎn)品領(lǐng)域的相關(guān)性研究

1.1 材料選用 廢紙漿是由廢紙?jiān)偕频玫募垵{原料，也稱再生漿（recycled pulp），即由植物纖維原料制得的新漿料。實(shí)踐證明，廢紙利用率最高的產(chǎn)品是紙板和新聞紙。其中，新聞紙的廢紙漿回收利用率高達(dá)75%，具有高使用率、高得漿率的優(yōu)勢(shì)，且舊報(bào)紙中的機(jī)械漿的高得率漿再生后強(qiáng)度特性變化不大，甚至可以有所升高[1]。該研究以國(guó)產(chǎn)廢舊報(bào)紙為原料，在臥式連續(xù)水力碎漿機(jī)中進(jìn)行碎漿處理，漿料濃度2.5%，碎解時(shí)間10 min，經(jīng)過疏解、過濾、壓榨、解離后，貯存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 纖維重組 對(duì)選用材料進(jìn)行碎漿，讓廢紙纖維進(jìn)行充分的疏解和潤(rùn)脹，使纖維能較好地分裂和細(xì)纖維化，盡量避免纖維橫向切斷。采用長(zhǎng)纖維半粘狀打漿方式，廢紙纖維縱向分裂，帚化和壓漬效果顯著，細(xì)纖維化程度高，均一性好[2]。試驗(yàn)過程中，將纖維長(zhǎng)度控制在1.25～1.50 mm范圍內(nèi)，以提供更多的交織結(jié)合點(diǎn)，同時(shí)長(zhǎng)纖維本身具有較高的強(qiáng)度，有利于應(yīng)力的均勻分布。

在廢紙漿原料應(yīng)用于家具產(chǎn)品領(lǐng)域的初始性能研究中，暫不進(jìn)行廢紙漿的脫墨處理，而是在后期利用一定的手段改善廢紙漿的外觀質(zhì)量和光學(xué)性能。

2 廢紙漿原料應(yīng)用于家具產(chǎn)品領(lǐng)域的適用性研究

2.1 密度要求 用特定的模具通過冷壓工藝方法壓制1塊32.0 cm×32.0 cm×1.5 cm的紙漿試驗(yàn)樣板。試驗(yàn)過程中不添加任何化學(xué)藥劑。壓制過程中緩慢地由低向高加壓。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)證明，在一定的壓制時(shí)間下，壓強(qiáng)為5 MPa時(shí)，紙漿板的質(zhì)量最優(yōu)。在一定的壓強(qiáng)下，壓制時(shí)間在6～8 h時(shí)，裝飾板的質(zhì)量最優(yōu)。

成型樣品在沒有添加任何化學(xué)制劑的前提下，測(cè)定其密度值為0.78 g/cm3，符合家具材料的密度大致為0.30～0.80 g/cm3的要求。

2.2 色澤與紋理 廢紙漿原料未進(jìn)行脫墨處理，干燥后呈灰白色，無光澤且色感柔和，極符合東方美學(xué)中“含蓄美”的審美標(biāo)準(zhǔn)。此外，也可以在脫墨后添加染色劑，可任意調(diào)配顏色并且附著力強(qiáng)，能夠滿足不同的審美需求。同時(shí)紙漿原料制品具有良好的觸感，柔軟溫和，手感極佳。為了達(dá)到良好的表面紋理效果，還可以用特定紋理的上壓板壓制出條式、塊式、花紋式、凹凸式等類型圖案，使其顯示出自然舒適的紙漿紋理和質(zhì)感。

2.3 工藝性 紙漿原料的加工性能良好，可鋸，易切。最重要的是紙漿原料可模塑成型，既可以通過加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)獨(dú)立成型，也可以與其他材料結(jié)合成型，加工方式靈活。并且紙漿原料保留了木質(zhì)纖維的管狀細(xì)胞，具有一定的吸濕能力[3]，因此對(duì)涂料的吸附力強(qiáng)，易于著色和涂飾。

2.4 力學(xué)性質(zhì) 紙漿材料雖然沒有木材那么高的強(qiáng)度，但由于形態(tài)與結(jié)構(gòu)的不同，也具有一定的各向異性[4]，是家具制造領(lǐng)域一種強(qiáng)度尚好的材料。紙漿原料還具有很強(qiáng)的彈性，能夠減弱外力的沖擊作用。但紙漿材料硬度低，耐磨性較差，因此在使用過程中應(yīng)運(yùn)用恰當(dāng)?shù)募庸し绞郊氨砻嫣幚砑夹g(shù)達(dá)到最終使用的目的。

3 廢紙漿原料家具產(chǎn)品的成型研究

3.1 成型試驗(yàn) 紙質(zhì)原料碎解后的纖維可塑性極強(qiáng)，筆者從家具產(chǎn)品的造型特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合紙漿材料的性能進(jìn)行了平面和曲面2種形式的成型試驗(yàn)。

（1）平面成型試驗(yàn)。平面成型試驗(yàn)制作了固定式擱架（圖1）。

擱架的主體造型是一個(gè)黃金矩形。制作過程中先將濕度為75%的紙漿倒入模具當(dāng)中，利用與模具空隙寬度相等的鋼板層層施加壓力，少量并均勻注水，目的是讓紙纖維能夠更緊密的結(jié)合。這一過程不添加任何化學(xué)制劑，以便為今后試驗(yàn)提供最原始的數(shù)據(jù)。紙胚自然干燥后脫模待用。

（2）曲面成型試驗(yàn)。曲面成型試驗(yàn)制作了兒童坐凳。

兒童紙漿坐凳成型試驗(yàn)采用了最安全的無棱角曲面形態(tài)。一方面，此造型承載力足夠大；另一方面，此造型可以堆垛擺放。在設(shè)計(jì)上為了兒童搬移坐凳的便利，在凳面上預(yù)先留有1個(gè)圓孔。試驗(yàn)制作過程中，依舊沒有添加任何化學(xué)制劑，旨在測(cè)試此種情形下曲面紙漿材料家具樣品的強(qiáng)度，以便為今后此類產(chǎn)品的進(jìn)一步研發(fā)提供參考。坐凳自然干燥成型后，分別進(jìn)行了200 N和500 N的壓力測(cè)試（圖2），在未添加任何化學(xué)制劑的情況下，制成的坐凳基本達(dá)到了兒童家具的使用需求。

3.2 結(jié)構(gòu)性能研究 為了使紙漿原料家具能夠達(dá)到一定的強(qiáng)度與支撐度，針對(duì)平面成型和曲面成型的不同方式，分別對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了2種形式的探究：一種是內(nèi)部加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)。在坐凳的成型過程中考慮了力學(xué)上的支撐，根據(jù)紙漿小凳的功能需求在內(nèi)部加入了加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)，使紙漿小凳有足夠的支撐強(qiáng)度，并得出此方法非常適合制作單體小型化家具產(chǎn)品的結(jié)論；另一種是用于小型桌面、擱板和裝飾板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別進(jìn)行了3種結(jié)構(gòu)形式的試驗(yàn)：①采用鐵釘結(jié)合法，主要包括明釘結(jié)合法、暗釘結(jié)合法和扎釘結(jié)合法等；②采用連接件結(jié)合法，主要包括直角式連接件結(jié)合法、直角式倒刺螺母結(jié)合法、膨脹螺母與螺釘結(jié)合法以及偏心連接件結(jié)合法等；③采用膠粘劑結(jié)合法，就是利用環(huán)保高強(qiáng)度膠粘劑，對(duì)紙漿模塑制件進(jìn)行粘合。根據(jù)試驗(yàn)樣品是固定式家具的特點(diǎn)，同時(shí)考慮到加工性與經(jīng)濟(jì)性，最后采用了膠粘劑結(jié)合法結(jié)構(gòu)。

3.3 家具樣品制作工藝 小型家具樣品制作工藝流程包括廢紙?jiān)系幕厥仗幚怼⒓垵{制備、纖維重組、模壓成型、干燥和切邊整飾等環(huán)節(jié)。其中，廢紙回收處理采用人工分選的方式將回收的廢報(bào)紙進(jìn)行適當(dāng)分類處理，并將分類的廢紙進(jìn)行消毒處理，以便消除廢紙攜帶的細(xì)菌、病毒，使成品達(dá)到安全使用的目的[5]。在纖維重組的過程中為使疏解制漿的效果達(dá)到最佳，先將碎紙放入水中浸泡24～36 h，讓紙完全浸濕，然后使用水力碎漿機(jī)進(jìn)行水力疏解。碎紙與紙漿通過合理配比，漿料濃度達(dá)到5%～8%，使紙纖維末端蓬松和分散以利于紙漿纖維的結(jié)合，然后置入已準(zhǔn)備好的模具中分別進(jìn)行濕部成型和模塑成型。成型后的制件含水率為65%～75%，此后進(jìn)行自然干燥和微波加熱干燥2種試驗(yàn)。自然干燥受時(shí)間限制，干燥周期長(zhǎng)，樣品易變形。微波加熱干燥由于是從制品內(nèi)部直接加熱，所以避免了自然干燥過程中出現(xiàn)的表面硬化、內(nèi)部干燥不均勻而產(chǎn)生的翹曲變形現(xiàn)象，干燥時(shí)間短、速度快。

干燥后的樣品表面會(huì)有凹凸不平、形狀不規(guī)整的現(xiàn)象，于是采用滾動(dòng)式切邊機(jī)對(duì)其加以修正，達(dá)到表面平滑、整齊的效果。具體試驗(yàn)工藝見圖3。

4 廢紙漿原料家具產(chǎn)品的增強(qiáng)處理研究

4.1 增加廢紙漿家具產(chǎn)品的強(qiáng)度性能 在廢紙漿原料無膠成型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)秉承避免使用化學(xué)試劑以達(dá)到綠色環(huán)保目的的原則，進(jìn)行了加強(qiáng)紙漿原料強(qiáng)度的試驗(yàn)。在漿料中適當(dāng)添加面粉類植物纖維膠質(zhì)材料以提高其強(qiáng)度性能，并在水力碎漿機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)當(dāng)中，加入已碎解的秸稈、木屑、玻璃、石片等其他纖維。在攪拌器中讓混合以上材料的紙漿高速處理3～6 min，同時(shí)，在加工過程中根據(jù)漿料質(zhì)量適當(dāng)加入清水，使紙漿上料濃度保持在1%～ 2%之間，以增加強(qiáng)度和改善表面紋理。

4.2 增強(qiáng)廢紙漿家具產(chǎn)品的表面性能 在廢紙漿家具產(chǎn)品強(qiáng)度改性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步加強(qiáng)材料性能研究，分別進(jìn)行了紙漿原料添加助劑的改性試驗(yàn)和表面美化試驗(yàn)。

4.2.1 原漿材料添加助劑試驗(yàn)。

添加膠粘劑，目的是為了提高材料的耐水與抗水性能；添加挺硬劑使材料具有一定的挺度和拉力，并進(jìn)一步提高材料表面的平整度與光滑度；添加增強(qiáng)劑，目的在于提高材料的抗壓、抗折能力；添加彈性劑，為了增強(qiáng)紙漿模塑制件的彈性和力度以提高其加工性能和使用壽命；添加防蟲劑，主要起到預(yù)防蟲蛀的作用。

4.2.2 表面美化試驗(yàn)。

主要包括壓花法和刻花法。

4.2.2.1 壓花法。預(yù)先根據(jù)需要，雕刻出凹形花紋圖案模具，然后將75%濕度的紙漿傾覆在模具上施加壓力并加以固定（圖4）。干燥后花紋圖樣自然成型，模具可反復(fù)多次使用，充分體現(xiàn)了紙漿材料的性能優(yōu)勢(shì)。

4.2.2.2 刻花法。在紙漿制件的表面用電動(dòng)機(jī)械刻刀進(jìn)行各種圖案雕刻，實(shí)際操作時(shí)需要注意的是掌握刻刀的深淺，以不影響板面強(qiáng)度為佳（圖5）。試驗(yàn)證明適合于紙漿模塑制件表面裝飾的雕刻形式主要有線雕和平雕2種形式。

5 結(jié)論

該研究立足于傳統(tǒng)家具制造原理，進(jìn)行了適用于廢紙漿家具的材料性能、適用性、成型和機(jī)理增強(qiáng)等各項(xiàng)試驗(yàn)，確定了紙漿與水含量的配比值，并通過強(qiáng)度測(cè)試得出最適合于紙漿材料成型的形式，確定了紙漿材料家具制品的結(jié)構(gòu)方式，開發(fā)了廢紙漿原料家具產(chǎn)品的工藝流程，實(shí)施了廢紙漿原料的機(jī)理增強(qiáng)研究，以期最大限度地回收利用廢紙漿原料，并為今后的同類課題研究做鋪墊。

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