油茶果殼碎料板制造工藝及其性能研究

胡孔飛，馬曉偉，莫小勤

（1. 湖南林之神生物科技有限公司，湖南 長沙 410004； 2. 湖南省林業(yè)科學院，湖南 長沙 410004；3. 邵陽縣林業(yè)局，湖南 邵陽 422100）

油茶果殼碎料板制造工藝及其性能研究

胡孔飛1，馬曉偉2，莫小勤3

（1. 湖南林之神生物科技有限公司，湖南 長沙 410004； 2. 湖南省林業(yè)科學院，湖南 長沙 410004；3. 邵陽縣林業(yè)局，湖南 邵陽 422100）

開展油茶果殼碎料板原材料資源化利用，既有益于促進我國油茶產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，又可提高經(jīng)濟效益。本研究采用全因子試驗法探討了膠粘劑種類、碎料形態(tài)及堿處理對油茶果殼碎料板物理力學性能的影響。實驗結(jié)果表明：其產(chǎn)品抗彎彈性模量和靜曲強度未達到國家普通刨花板的標準要求。為了充分利用油茶果殼作為復(fù)合材料原料，旨在緩解森林資源匱乏的現(xiàn)狀，構(gòu)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，將來的研究可以進一步考慮利用油茶果殼質(zhì)輕的特點制備力學強度要求不高的輕質(zhì)刨花板。

油茶果殼；熱壓工藝；碎料板；物理力學性能

油茶（Camellia oleifera Abel.）作為我國特有木本食用油料的樹種，已具有兩千多年的種植歷史，截止至 2016 年 12 月底，我國油茶林總面積達 433.33 萬 hm2，蓄勢增長的油茶資源為我國食用油安全提供了堅實的保障［1-2］。油茶果殼作為剝離茶籽后的副產(chǎn)品，約占茶果鮮重的 50% ～60%［3］，其處置給廣大種植戶帶來了煩惱，當前的處理方式非常粗放，或是被丟棄，或是被焚燒，對環(huán)境造成了污染，又嚴重浪費了植物基資源，因此，在朝陽的油茶產(chǎn)業(yè)中帶了不良影響［5］。根據(jù)近期全國森林資源清查結(jié)果顯示，我國是一個森林資源貧乏的國家，森林資源總量不足，質(zhì)量不高，要從根本上解決我國木材供需矛盾，滿足國內(nèi)木材需求，大力推行木材節(jié)約和代用是重要的解決方法之一。已有研究表明［5-6］，油茶果殼作為一種植物基原料，可以適度開發(fā)來替代木材資源而利用，這樣，可以大大解決油茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的瓶頸。

碎料板是以木材或者其他纖維植物為原料，經(jīng)專門設(shè)備加工成碎料，施加膠粘劑（或不施加膠粘劑），經(jīng)過鋪裝、熱壓而制成的板材［7］。碎料板是人造板的主要產(chǎn)品之一，是目前世界上年產(chǎn)量和消耗量最大的人造板產(chǎn)品［8-9］。氣干后的油茶果殼表面呈弧形，碎片大小面積一般在 6-15 cm2，密度約為 0.3 g/cm3，纖維長約1 297.27 um，寬度約為 129.73 um，油茶果殼纖維屬于中等纖維，而長寬比較小，屬于長而粗的纖維［10-11］。近年來，根據(jù)國家油茶產(chǎn)業(yè)政策的規(guī)劃和引導(dǎo)，油茶產(chǎn)業(yè)布局相對比較集中，油茶果殼收取方便，季節(jié)性的油茶果殼能成為碎料板加工企業(yè)理想的補充原料之一。

本研究選用植物基油茶果殼為原料，自制脲醛膠和酚醛膠，選用合適的熱壓工藝制備均質(zhì)碎料板。利用全因子試驗方法探討膠粘劑種類、果殼碎料大小以及堿處理對油茶果殼碎料板力學性能的影響，參照相關(guān)國家標準來評估利用油茶果殼制備碎料板的可行性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

（1）油茶果殼來自湖南林之神生物科技有限公司湘潭縣油茶基地，去除雜質(zhì)，采用氣干方法干燥后備用，一部分果殼整殼利用，一部分通過粉碎機打碎成 4 mm 左右的顆粒后過篩去除粉末。

（2）碎料版選用自制的三聚氰胺脲醛樹脂膠黏膠（MUF）和酚醛樹脂膠粘劑（PF），膠粘劑的原料甲醛、尿素、三聚氰胺、苯酚、甲酚、間苯二酚、氯化銨、氫氧化鈉等均選購自上海國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 試驗方法

研究中的油茶果殼碎料板的制備工藝流程圖如圖 1 所示：

圖1 油茶果殼碎料板制備工藝流程圖Fig.1 The technological processes of Camellia shell particle board

碎料板的密度設(shè)定為 0.8 g/m3，幅面為 350 mm×350 mm，厚度為 12 mm。利用全因子試驗方法，在施膠量（重量比：16%）和熱壓工藝（熱壓時間 12 min，熱壓壓力 3～5 MPa，脲醛膠熱壓溫度 130 ℃，酚醛膠熱壓溫度 170 ℃）一定的條件下，探討膠粘劑種類、碎料大小和堿處理對油茶果殼碎料板力學性能的影響（見表 1）。

表1 油茶果殼碎料板全因子試驗設(shè)計Tab.1 The full factorial experiment design of Camellia shell particle board

參照國家標準 GB/T17657-1999 4.9、GB/T17657-199，分別測試油茶果殼碎料板的抗彎彈性模量、靜曲強度、內(nèi)結(jié)合強度、吸水厚度膨脹率與 24 小時吸水率等物理力學指標。

1.3 主要試驗儀器與設(shè)備

熱壓機（Y33-50），500 KN 四軸油壓機（萍鄉(xiāng)九州精密壓機有限公司）；碎料機（東莞市拓鑫機械有限公司）；恒溫鼓風干燥箱（DHG-9240A）（杭州藍天化驗儀器廠）；萬能力學試驗機（MWD-W10）（濟南試金集團有限公司）。

2 結(jié)果與分析

2.1 油茶果殼碎料板物理力學性能

在油茶果殼碎料板生產(chǎn)過程中，對油茶果殼在施膠、鋪裝、預(yù)壓、熱壓工段的含水率都有嚴格要求。由于板材原料不同，并受季節(jié)、存放條件、存放時間等因素的影響，碎料堿處理后的濕油茶果殼含水率很高且差異較大，為了保證碎料板產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定、提高生產(chǎn)率，需要對濕油茶果殼進行干燥并且達到規(guī)定的、均勻一致的含水率。如果含水率偏高，在正常的熱壓工藝參數(shù)下，板坯容易發(fā)生分層和鼓泡，嚴重的甚至可能會“放炮”［12］；若延長放氣時間，不但會增加熱壓周期，降低生產(chǎn)效率，而且成品板表面質(zhì)量不佳。如果含水率偏低，油茶果殼產(chǎn)生“吸膠”現(xiàn)象，使碎料板強度下降；同時，在板坯運輸、裝板入熱壓機的過程中，會增加板坯的破損率；若表層含水率偏低的話，會減慢熱壓機內(nèi)表層到芯層的熱傳導(dǎo)，降低板材的內(nèi)結(jié)合強度［13-15］。

采用國家標準對獲得的油茶果殼碎料板進行相關(guān)的物理力學性能檢測，實驗數(shù)據(jù)見表 2。

表2 物理性能測試試驗結(jié)果Tab.2 The results of the physical property testing

2.2 全因子對抗彎彈性模量的影響

抗彎彈性模量是物體 t 變難易程度的表征。從圖 2 中可以看出，堿處理有利于提高碎料板的彈性模量，原因是堿處理后增加了油茶果殼與膠粘劑的膠合強度。遺憾的是：試驗結(jié)果顯示，試制的油茶果殼碎料板板材的抗彎彈性模量性能均未達到國家普通刨花板的標準要求（彈性模量≥1 500 MPa），影響碎料板力學性能的因素很多，綜合油茶果殼本身硬度較大、吸濕性好、半纖維素含量高和纖維素含量少以及纖維長度短等特性，在很大程度上都制約了油茶果殼碎料板的彈性模量性能。

圖2 全因子對抗彎彈性模量的影響 Fig.2 The effects of full factorial on the modulus of elasticity

圖3 全因子對靜曲強度的影響Fig.3 The effects of full factorial on the modulus of rupture

2.3 全因子對靜曲強度的影響

靜曲強度反映了人造板抗彎曲變形的能力，是人造板重要力學性能指標之一。圖 3 顯示了全因子對油茶果殼碎料板的靜曲強度的影響，可以發(fā)現(xiàn)膠粘劑對靜曲強度影響較明顯，酚醛膠明顯優(yōu)于于脲醛膠制備的油茶果殼碎料板。同樣遺憾的是：所有油茶果殼碎料板的靜曲強度均未達到國家普通刨花板的標準要求（靜曲強度≥12.5 Mpa）。

2.4 全因子對內(nèi)結(jié)合強度的影響

內(nèi)結(jié)合強度是反映基材內(nèi)部纖維之間膠合質(zhì)量好壞的關(guān)鍵，是人造板物理力學性能重要指標之一。油茶果殼半纖維素含量高，纖維很短，實驗結(jié)果證實油茶果殼碎料板的內(nèi)結(jié)合強度較差。從圖 4 中看出，經(jīng)造粒后制備的油茶果殼碎料板內(nèi)結(jié)合強度略強于整殼制備的板材，原因是造粒打碎后的油茶果殼膠粘劑結(jié)接觸面積大大增加，油茶果殼碎料單元更容易相互膠粘在一起，從而提高了油茶果殼碎料板的內(nèi)結(jié)合強度。

圖4 全因子對內(nèi)結(jié)合強度的影響Fig.4The effects of full factorial on the internal bond strength

2.5 全因子對吸水厚度膨脹率與 24 小時吸水率的影響

吸水厚度膨脹率反映產(chǎn)品的耐水性能和尺寸穩(wěn)定性，此值越小，則其耐水性和尺寸穩(wěn)定性越佳。從圖 5 和圖 6 的數(shù)據(jù)可知，堿處理后的制備的油茶果殼碎料板厚度膨脹率和 24 h 吸水率均增大。

圖5 全因子對吸水膨脹率的影響Fig.5 The effects of full factorial on the soaking swell rate

圖6 全因子對24 h吸水率的影響Fig.6 The effects of full factorial on the 24-hour water absorption

分析原因，堿處理后增加了油茶果殼與膠粘劑的膠合強度，但堿處理也改善了油茶果殼的親水性繼而增大了板材的孔隙度；經(jīng)造粒后制備的油茶果殼碎料板厚度膨脹率和 24 h 吸水率有一定程度增大，油茶果殼本身孔隙較大，造粒后與水的接觸面積加大。

3 結(jié)論與討論

本試驗通過前期對原材料油茶果殼形態(tài)、膠粘劑種類、選擇一定的熱壓參數(shù)，再利用全因子因素進行制備油茶果殼碎料板，得到了 8 種不同的油茶果殼碎料板，研究油茶果殼碎料板的力學性能。以酚醛膠為膠粘劑制備的油茶果殼碎料板性能普遍優(yōu)于利用脲醛膠制備的板材；堿處理有利于提高碎料板的彈性模量，但厚度膨脹率和 24 h 吸水率均增大；經(jīng)造粒后制備的油茶果殼碎料板力學性能略強于整殼制備的板材，厚度膨脹率和 24 h 吸水率也有一定程度增大；油茶果殼碎料板靜曲強度和抗彎彈性模量未達到國家普通刨花板的標準要求。

分析該研究的結(jié)果可以看出：堿處理和碎料單元大小都能影響油茶果殼碎料板的性能；堿處理改善了油茶果殼的親水性，也溶出了果殼空隙中的堿性物質(zhì)，疏通了膠粘劑在果殼中滲透的通道；小粒徑的油茶果殼增加了膠粘劑的結(jié)合面，更有利于板材的膠合；因此，經(jīng)過預(yù)處理對油茶果殼碎料板性能有一定程度的改善；然而這兩種改進油茶果殼碎料單元方法度致吸水厚度膨脹率和 24 h 吸水率有一定程度增大，這是由于這些原料預(yù)處理方式讓碎料板與水的接觸面積加大，加速了膠接面的破壞。

綜觀國內(nèi)外研究，影響碎料板物理力學性能的因素很多［7-8］，油茶果殼資源化利用的研究正處于起步階段，基于材料利用的角度要開發(fā)利用好油茶果殼任重而道遠［4-6］。綜合分析油茶果殼碎料板產(chǎn)品，由于油茶果殼原料自身的特性，如硬度較大、吸濕性好、半纖維素含量高和纖維素含量少以及纖維長度短等等，在一定程度上都制約了油茶果殼碎料板性能，然而，很多實際的應(yīng)用場合中并不要求人造板具有高的力學強度反而要求板材質(zhì)輕，未來仍可在制備油茶果殼碎料板方面進一步開展深入研究，可以考慮將其制備成輕質(zhì)碎料板滿足市場的多方面需求。

［1］趙樹叢．在全國油茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)場會上的講話［R］．國家林業(yè)局會議資料，2013，11.

［2］全國油茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃［R］．國家林業(yè)局，2009，7.

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（文字編校：楊 駿）

Study on process and performance of Camellia shell particle board

HU Kongfei1，MA Xiaowei2，MO Xiaoqin3

（1. Hunan Linzhishen Biotech Co.Ltd，Changsha 410004，China；2. Hunan Academy of Forestry，Changsha 410004，China；

3. Forestry Bureau of Shaoyang County，Shaoyang 422100，China）

To carry out the Camellia fruit shell particle board recycling use of raw material，is not only beneficial to promote the sustainable development of Camelliaamelliacamellia industry in China，but also improve the its economic benefit.amelliaAdopts full factorial experiment method，discusses the types of adhesive，broken material form and alkali treatment on the mechanical behavior of Camelliaamelliacamellia camellia fruit shell particle board.CamelliaamelliaCamellia shell particle board preparation test showed that the mechanical properties of product failed to meet national standards for the average particle board，but in the future can consider to use Camellia shell light of the characteristics of the preparation of the mechanical strength requirement is not high light particle board.

Camellia shell；hot-pressing process；particle board；physical and mechanical properties

TS 653.5

A

1003-5710（2017）04-0059 -05

10.3969 / j.issn. 1003-5710.2017.04.012

2017-05-29

國家油茶工程技術(shù)研究中心開放基金項目（2014CY02）

胡孔飛（1984-），男，安徽省樅陽縣人，碩士，工程師，主要從事油茶栽培與生產(chǎn)加工的研究；E-mail：554276113@qq.com

馬曉偉（1983-），女，山東省濟南市人，碩士，工程師；E-mail：534179201@qq.com