棉稈碎料輕質(zhì)保溫板性能研究

李賜生，宋 健

（中南林業(yè)科技大學(xué) 家具與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

棉稈碎料輕質(zhì)保溫板性能研究

李賜生，宋 健

（中南林業(yè)科技大學(xué) 家具與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

以棉稈為原料，經(jīng)浸泡、蒸煮、搓磨分絲成纖維束，選擇不同規(guī)格的棉稈碎料和不同比例的脲醛樹脂膠，按照不同的目標(biāo)密度，在設(shè)定的熱壓膠合條件下進(jìn)行正交試驗(yàn)。通過KHQ-002H木材和人造板自動(dòng)萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)和FWDR準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀進(jìn)行檢測(cè)，得到靜曲強(qiáng)度、彈性模量和導(dǎo)熱系數(shù)等相關(guān)參數(shù)，再對(duì)其進(jìn)行方案優(yōu)化，得出工藝參數(shù)為密度0.4 g/cm3、施膠量10%、棉稈絲長(zhǎng)度規(guī)格為10～15mm的輕質(zhì)碎料保溫板的靜曲強(qiáng)度、彈性模量和導(dǎo)熱系數(shù)分別為13.3 MPa 、1 353 MPa 和0.134 w/m·℃。結(jié)果表明，低密度的棉稈碎料保溫板導(dǎo)熱系數(shù)接近或低于常用的建筑板材，具有良好的隔熱保溫性能，而且其力學(xué)性能能夠滿足墻體內(nèi)襯保溫材料以及非承重墻的隔墻材料的強(qiáng)度要求。

棉稈碎料；輕質(zhì)保溫板；靜曲強(qiáng)度；彈性模量；導(dǎo)熱系數(shù)

我國是世界產(chǎn)棉大國，有著極其豐富的棉稈資源。一年生的棉稈具有生長(zhǎng)周期短、來源豐富、價(jià)格低廉、保溫隔熱、無毒無害的特點(diǎn)。雖然棉稈生產(chǎn)刨花板實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，但仍然有大量的棉稈被廢棄，利用棉稈生產(chǎn)輕質(zhì)碎料保溫板，具有保溫隔熱、質(zhì)輕吸音的特點(diǎn)，可替代木質(zhì)人造板滿足建筑保溫隔熱節(jié)能的需求，而且棉稈類廢棄物生產(chǎn)棉稈碎料輕質(zhì)保溫板具有經(jīng)濟(jì)環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。

李權(quán)等[1]介紹了輕質(zhì)纖維板中國標(biāo)準(zhǔn)的理化性能指標(biāo)和日本輕質(zhì)創(chuàng)花板標(biāo)準(zhǔn)中主要技術(shù)指標(biāo)，論述了國內(nèi)外輕質(zhì)人造板的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)；馬紅霞等[2]論述了以棉稈為原料的中密度纖維板生產(chǎn)的最佳工藝參數(shù)；黃步庭等[3]采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法，研究了秸稈輕質(zhì)墻體材料的導(dǎo)熱系數(shù)和不同組合墻體的熱阻；嚴(yán)永林等[4]研究了熱壓工藝參數(shù)和異氰酸酯膠黏劑用量對(duì)稻草碎料板力學(xué)性能的影響。

筆者將在前期研究的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)通過不同棉稈絲長(zhǎng)度規(guī)格、不同密度和施膠量3個(gè)工藝因素，每個(gè)因素選取3個(gè)水平，壓制棉稈碎料輕質(zhì)保溫板，并對(duì)其主要物理力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能進(jìn)行測(cè)試分析。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

棉稈：產(chǎn)于湖南常德，高度1.5 m左右，主莖直徑2.0 cm左右。

膠黏劑：脲醛樹脂膠，固體含量49%，黏度52S（4號(hào)涂料杯）。

固化劑：固化劑為氯化銨（NH4Cl），分析純，添加量為脲醛樹脂膠固體含量的1%。

設(shè)備：搓磨分絲機(jī)、DGG-9203A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、150 T萬能試驗(yàn)壓機(jī)、KHQ-002H木材和人造板自動(dòng)萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、FWDR準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)方案

利用搓磨分絲機(jī)將浸泡軟化的棉稈進(jìn)行搓磨分絲。根據(jù)棉稈材料特點(diǎn)和試驗(yàn)條件，得到最佳含水率為4%～6%的棉稈絲碎料，噴膠手工攪拌均勻待用。板面幅面設(shè)為300mm×300mm，將施膠的棉稈絲碎料手工鋪裝先預(yù)壓。然后送入熱壓機(jī)熱壓，使用厚度規(guī)控制厚度（20mm）。

筆者在前期類似研究的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)考察棉稈絲長(zhǎng)度規(guī)格、板密度、施膠量3個(gè)工藝因素，每個(gè)因素選取3個(gè)水平（如表1所示）。

表1 工藝因素和水平Table 1 Technological factors and levels

按多因素正交試驗(yàn)法，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案如表2所示。

1.2.2 熱壓工藝

棉稈碎料輕質(zhì)保溫板與刨花板相近，經(jīng)前期研究，采用與刨花板相近的熱壓條件為最佳，具體的熱壓工藝參數(shù)為：熱壓溫度170 ℃，時(shí)間480 s，設(shè)定棉稈碎料輕質(zhì)保溫板的目標(biāo)密度分別為0.3、0.4、0.5 g/cm3，板材厚度20mm。

采用帶微機(jī)控制的150 T萬能試驗(yàn)壓機(jī)進(jìn)行熱壓，熱壓采用熱進(jìn)熱出工藝，為兩段式熱壓曲線，熱壓工藝曲線如圖1所示。

表2 正交試驗(yàn)方案Table 2 The orthogonal experiment scheme

圖1 熱壓工藝曲線Fig. 1 Hot-pressing process curve

1.3 檢 測(cè)

根據(jù)GB/T 4897.3—2003國家標(biāo)準(zhǔn)，采用KHQ-002H木材和人造板自動(dòng)萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)棉桿碎料輕質(zhì)保溫板的彈性模量和靜曲強(qiáng)度力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)。

選取試件100mm×100mm×20mm棉稈輕質(zhì)保溫板，使用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀（FWDR）進(jìn)行測(cè)試，通過測(cè)試得到的電流、電壓和棉稈碎料輕質(zhì)保溫板的接觸面積先計(jì)算出熱流密度，再測(cè)試準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)下棉稈板上下表面溫差，計(jì)算出導(dǎo)熱系數(shù)[5]。

熱流密度計(jì)算公式為：

式中：qc為熱流密度（w/m2）；I為測(cè)試電流值（A）；U為測(cè)試電壓值（V）；F為棉稈板接觸面積（m2）。

導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算公式為：

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)（w/m·k）；δ為棉桿板厚度（mm）；?t為棉稈板上下表面準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫差（℃）。

導(dǎo)熱系數(shù)是指在穩(wěn)定傳熱條件下，1 m厚的材料，兩側(cè)表面的溫差為1℃,在1 s內(nèi)，通過1 m2面積傳遞的熱量。導(dǎo)熱系數(shù)反映材料的熱量傳遞能力，導(dǎo)熱系數(shù)越大，其材料的隔熱保溫性能越差；反之，導(dǎo)熱系數(shù)越小，其隔熱保溫性能越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 檢測(cè)結(jié)果

采用正交試驗(yàn)法，按表2的試驗(yàn)方案，根據(jù)GB/T 4897.3—2003國家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)板材的彈性模量和靜曲強(qiáng)度力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)。使用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀（FWDR）測(cè)試計(jì)算得出其導(dǎo)熱系數(shù)值（如表3所示）。

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1 檢測(cè)結(jié)果的極差分析

從表4的極差分析可以看出，影響棉稈碎料輕質(zhì)保溫板的靜曲強(qiáng)度和彈性模量的主要因子是板的密度，影響靜曲強(qiáng)度和彈性模量的因子順序是密度＞棉稈絲長(zhǎng)度規(guī)格＞施膠量，影響棉稈碎料輕質(zhì)保溫板導(dǎo)熱系數(shù)的因子順序同樣是密度＞棉稈絲長(zhǎng)度規(guī)格＞施膠量。

表3 棉稈碎料輕質(zhì)保溫板檢測(cè)結(jié)果Table 3 Cotton sliver of lightweight insulation board test results

表4 檢測(cè)結(jié)果極差分析Table 4 Poor test results analysis

2.2.2 方案優(yōu)化

試驗(yàn)指標(biāo)中靜曲強(qiáng)度和彈性模量是越大越好，而導(dǎo)熱系數(shù)則越小越好。對(duì)于靜曲強(qiáng)度和彈性模量而言，其優(yōu)選方案分別是A3B2C2和A3B3C3。而對(duì)于導(dǎo)熱系數(shù)而言，其優(yōu)選方案是A1B3C1。綜合考慮板的強(qiáng)度和保溫性能，選定其最優(yōu)選方案為A2B2C2。

根據(jù)A2B2C2確定工藝參數(shù)為：密度0.4 g/cm3、施膠量10%、棉稈絲長(zhǎng)度規(guī)格10～15mm，采用上述的熱壓工藝曲線和參數(shù)壓制棉稈碎料輕質(zhì)保溫板，具體參數(shù)如表5所示。

根據(jù)日本JISA5908輕質(zhì)刨花板標(biāo)準(zhǔn)，密度為0.4 g/cm3輕質(zhì)刨花板的靜曲強(qiáng)度和彈性模量分別為10、1 700 MPa[6]。從表5可看出，棉稈碎料輕質(zhì)保溫板靜曲強(qiáng)度和彈性模量與日本JISA5908輕質(zhì)刨花板標(biāo)準(zhǔn)接近。作為保溫板的主要性能指標(biāo)導(dǎo)熱系數(shù)可參照表6 所列的幾種常用建筑板材進(jìn)行對(duì)照[7]，棉稈碎料輕質(zhì)保溫板導(dǎo)熱系數(shù)接近或低于常用的膠合板、纖維板、石棉水泥隔熱板、石膏板等建筑板材，具有良好的隔熱保溫性能，所以可以作為墻體內(nèi)襯保溫材料以及非承重墻的隔墻材料。

表5 輕質(zhì)棉稈碎料保溫板優(yōu)化方案的性能Table 5 Light cotton broken material performance of insulation board optimization scheme

表6 幾種常用建筑板材與棉稈板導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)照Table 6 Several kinds of commonly used material and cotton board heat conduction coefficient

3 結(jié)論和討論

研究得到密度0.4 g/cm3、施膠量10%、棉稈絲長(zhǎng)度規(guī)格為10～15mm的輕質(zhì)碎料保溫板的靜曲強(qiáng)度、彈性模量和導(dǎo)熱系數(shù)分別為13.3 MPa、1 353 MPa 和0.134 w/m·℃。其彈性模量和靜曲強(qiáng)度的主要力學(xué)指標(biāo)接近日本JISA5908輕質(zhì)刨花板標(biāo)準(zhǔn)要求。作為墻體內(nèi)襯保溫材料以及非承重墻的隔墻材料，能滿足其使用強(qiáng)度要求。棉稈碎料輕質(zhì)保溫板導(dǎo)熱系數(shù)接近或低于常用的膠合板、纖維板、石棉水泥隔熱板、石膏板等建筑板材，具有良好的隔熱保溫性能。所以開發(fā)以棉稈為原料的輕質(zhì)保溫綠色環(huán)保材料，是建筑保溫隔熱材料的發(fā)展趨勢(shì)之一。

棉稈纖維等價(jià)于針葉材纖維與闊葉材纖維混合的效果，所以棉稈材料具有良好的利用價(jià)值，但由于人工成本較高，原材料的收集成本較高。另外本研究只對(duì)棉稈輕質(zhì)碎料保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了初步研究，未對(duì)其不同組合墻體的熱阻做相關(guān)研究，可對(duì)其做進(jìn)一步研究。

鑒于棉稈類人造板防水性較低的特性，可通過添加石蠟類防水劑來提高棉稈碎料輕質(zhì)保溫板的防水性能，還可通過添加發(fā)泡劑降低棉稈碎料輕質(zhì)保溫板的密度，進(jìn)一步提高其保溫性能。

[1]李 權(quán),丁滬閩,張惠敏. 輕質(zhì)人造板的研究現(xiàn)狀及展望[J].林業(yè)科技, 2010, 35(5): 50-54.

[2]馬紅霞,于文吉,任丁華.棉稈中密度纖維板工藝技術(shù)的研究[J]. 木材工業(yè), 2006(3): 4-7.

[3]黃步庭,俆 青,褚文龍.秸稈輕質(zhì)墻體保溫性能的研究[J].林產(chǎn)工業(yè), 2011(4): 20-22.

[4]嚴(yán)永林,李新功,劉曉榮.稻草碎料板熱壓工藝研究[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 32(1): 126-129.

[5]王明光,石淑杰,劉 誠,等.輕質(zhì)刨花板的研制與開發(fā)[J].林產(chǎn)工業(yè), 1995, 22(1): 3 -5.

[6]GB50176-93. 民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范附錄四[S].

Study on thermal insulation property of lightweight cotton stalk particle board

LI Ci-sheng, SONG Jian
(College of Furniture & Art Design, Central South University of Forestry & Technology, Chansgha 410004, Hunan, China)

As a raw material, the cotton stalks are soaked, cooked, and ground to make fi ne fi ber bundles. Particles of different sizes made from cotton stalks are chosen and mixed with formaldehyde resin adhesive of different proportion. Orthogonal test is done under the setting of hot press gluing conditions according to different densities. Through the KHQ-002H wood and arti fi cial board automatic universal mechanical testing machine and FWDR quasi steady thermal conductivity test instrument for testing, the static bending strength, elastic modulus and heat conduction coef fi cient and other related parameters are obtained. By scheme optimization the process parameters are obtained for density, 0.4 g/cm3applying glue quantity 10%, cotton stalk silk length speci fi cations for 10～15mm light broken material thermal insulation board of the static bending strength, elastic modulus and thermal conductivity were 13.3 MPa,1 353 MPa and 0.134 w/m. degrees. The results show that thermal insulation plate heat conduction coef fi cient of the low density cotton stalk particle board is close to or lower than the commonly used construction materials, has good performance of heat insulation and heat preservation, and its mechanical properties can meet the wall lining insulation materials and non-load bearing wall of wall material strength requirements.

cotton stalk particles; lightweight heat insulation board; static bending strength; modulus of elasticity; thermal conductivity

S781；S562

A

1673-923X(2016)09-0123-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.09.023

2015-10-26

湖南省科技廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013NK3129）

李賜生，教授；E-mail：1124007513@qq.com

李賜生，宋 健. 棉稈碎料輕質(zhì)保溫板性能研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016, 36(9): 123-126.

[本文編校：謝榮秀]