纖維目數(shù)對纖維板力學性能和成本的影響研究*

張成旭 花 軍 陳光偉

（東北林業(yè)大學，哈爾濱 150040）

纖維板是人造板中的主要板種之一，應(yīng)用十分廣泛[1]。纖維板是將木材或其他植物纖維原料分離成纖維，利用纖維之間的交織及其自身固有的粘結(jié)物質(zhì)，或施加膠黏劑，在加熱和（或）加壓條件下制成的人造板材[2]。

近年來，國內(nèi)外學者對纖維形態(tài)、熱磨參數(shù)等因素對產(chǎn)品力學性能和成本的影響進行了大量理論研究與試驗分析[3-4]。何爽爽等[5]以竹柳小徑材、枝丫材為原料，對其進行纖維形態(tài)分析，對比兩種原料制備的纖維板力學性能差異，結(jié)果表明：同等條件下用小徑材制備的纖維板力學性能較好。郜云波等[6]研究了熱磨過程中基于改進粒子群-支持向量機（IPSO-SVM）算法優(yōu)化纖維制備質(zhì)量及能耗，并建立了模型，結(jié)果表明：利用該算法獲得的優(yōu)化熱磨參數(shù)，誤差小于其他算法，可較好地應(yīng)用到實際生產(chǎn)過程中。婁衡等[7]以異氰酸酯為膠黏劑制備低密度纖維板，并對其力學性能進行測試，探究了細纖維比例等工藝參數(shù)對板材力學性能的影響，結(jié)果表明：細纖維質(zhì)量分數(shù)為60%時，板材力學性能較佳。Чистовa等[8]建立了纖維板生產(chǎn)過程中能耗的實驗和理論模型，研究了熱磨參數(shù)對于纖維板質(zhì)量、能耗的影響，結(jié)果表明：在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，纖維研磨度為18.5 μm（厚度）時，能耗較低。Benthien等[9]研究了纖維分離條件、纖維長度和中密度纖維板（MDF）性能之間的相互關(guān)系，結(jié)果表明：樹種和磨片間隙是影響纖維尺寸的主要參數(shù)；纖維尺寸直接影響中密度纖維板的物理及力學性能。Evon等[10]以油麻秸稈為原料，對比了粗纖維、木質(zhì)素添加量對兩種預(yù)處理板材質(zhì)量的影響，結(jié)果表明：在不添加木質(zhì)素、纖維素的條件下仍能制備出性能較佳的P1型板（可以在干燥條件下使用的普通板）。

本文結(jié)合纖維板實際生產(chǎn)情況，研究纖維目數(shù)區(qū)間變化對纖維板力學性能和成本的影響。首先確定纖維目數(shù)區(qū)間，對其合理性進行驗證；然后利用確定的纖維目數(shù)區(qū)間進行密度和施膠量的單因素對比分析，分析其對力學性能和成本的影響，實現(xiàn)纖維目數(shù)區(qū)間與制品質(zhì)量等級的合理匹配，以達到合理應(yīng)用提質(zhì)降耗的效果，為我國纖維板生產(chǎn)行業(yè)技術(shù)進步提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

木片原料及纖維篩分：木片原料以楊木(PopulusL.)為主，含有少量柳木(Salix babylonica)；利用振篩儀對纖維進行篩分，參考LY/T 1005—2016 《熱磨機》[11]，將纖維細分為粗纖維（10～20目），正常纖維（20～120目），細纖維（120～130目）。

膠黏劑：脲醛樹脂膠粉（固體含量98%），廣東東莞市龍大膠黏制品有限公司。

1.2 設(shè)備

纖維制備裝置：削片機（型號2113-13），江蘇青山機械有限公司；熱磨機（48-EX系列1115），江蘇鎮(zhèn)江中福馬機械有限公司；振篩儀（XSB-88型），篩具最大直徑200 mm，紹興市拓展儀器設(shè)備有限公司；多功能拌膠機，東北林業(yè)大學自制；干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 纖維篩分目數(shù)區(qū)間確定

依據(jù)相關(guān)標準和纖維板生產(chǎn)工藝要求[12]，以及參考國內(nèi)學者近些年在纖維形態(tài)相關(guān)領(lǐng)域的研究成果[13-14]，在常規(guī)相對合理的纖維目數(shù)區(qū)間20～120目的基礎(chǔ)上適當放大或縮小纖維目數(shù)區(qū)間范圍，增設(shè)40～100目及10～130目兩種纖維目數(shù)區(qū)間，在密度和施膠量均相同的條件下分別對所確定的這三種纖維目數(shù)區(qū)間的試件進行力學性能對比分析，進一步確定纖維目數(shù)區(qū)間合理性。

1.3.2 不同目數(shù)纖維配比設(shè)置

綜合考慮不同纖維形態(tài)對試件力學性能的影響、不同目數(shù)纖維質(zhì)量差異及纖維篩分實際情況，以40～100目纖維100%為基準，增加或減少粗細纖維比例，按一定梯度設(shè)計出三種區(qū)間不同目數(shù)纖維配比方案進行研究，見表1。

表1 三種區(qū)間不同目數(shù)纖維配比方案Tab.1 Three fiber proportion schemes with different meshes

1.3.3 試驗方案設(shè)計

根據(jù)產(chǎn)品標準[15]和工藝要求[16]，中密度纖維板密度通常在0.585 ～0.880 g/cm3之間，施膠量通常在12%～15%之間?？紤]到纖維形態(tài)、密度及施膠量均對力學性能有較大影響，因此對設(shè)計的三種纖維目數(shù)區(qū)間合理性進行驗證，然后采用單因素試驗設(shè)計方法研究密度和施膠量對力學性能的影響，分析其對力學性能和成本的影響。

步驟一：在確定的三種纖維目數(shù)區(qū)間方案下，基于生產(chǎn)實際情況考慮，確定制作密度均為0.70 g/cm3、施膠量均為15%的試件，根據(jù)力學性能對比試驗結(jié)果，驗證設(shè)計的纖維目數(shù)區(qū)間的合理性。

步驟二：對確定的纖維目數(shù)區(qū)間進行密度和施膠量的單因素試驗，即在設(shè)定的試驗條件下，改變密度或施膠量，其他工藝條件不變，分別探究密度和施膠量對力學性能的影響。根據(jù)力學性能試驗的結(jié)果，實現(xiàn)纖維目數(shù)區(qū)間與制品質(zhì)量的合理匹配；通過成本分析確定優(yōu)化合理的纖維目數(shù)區(qū)間，尋求實現(xiàn)較好生產(chǎn)經(jīng)濟效益的途徑。

1.3.4 試件制備

采用拌膠機對干燥后的纖維進行施膠，膠黏劑為脲醛樹脂（膠液固體濃度50%，含固體濃度為20%的NH4Cl溶液為固化劑；NH4Cl含量為固體樹脂的1%）[17-18]；利用干燥箱對纖維進行干燥，干燥后纖維含水率為6.83%；手工鋪裝，三種纖維目數(shù)區(qū)間的鋪裝板坯規(guī)格均為340 mm×320 mm×12 mm；對板坯進行預(yù)壓和熱壓：根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗設(shè)定預(yù)壓壓力范圍為3～4 MPa；預(yù)壓時間15～30 s；采用熱壓板接觸加熱方式，上下壓板溫度取160 ℃；壓力范圍取9～10 MPa；板厚取12 mm；熱壓時間取5～6 min。

1.3.5 力學性能測試

按照試驗方案與相關(guān)標準，每一方案制作5塊試件，用于測試其力學性能。試件密度（ρ）、靜曲強度（MOR）、彈性模量（MOE）、內(nèi)結(jié)合強度（IB）、含水率（MC）及24 h吸水厚度膨脹率（TS）的測定參照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》[19-20]。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維目數(shù)區(qū)間合理性驗證

根據(jù)試驗設(shè)計步驟一，在預(yù)設(shè)密度均為0.70 g/cm3、施膠量均為15%的條件下，分別利用40～100目，20～120目，10～130目纖維制備試件，根據(jù)力學性能對比試驗的結(jié)果，確定纖維目數(shù)區(qū)間設(shè)定的合理性，試驗結(jié)果見表2。

表2 三種纖維目數(shù)區(qū)間試件的力學性能Tab.2 Mechanical properties of specimens of three kinds of fiber mesh intervals

根據(jù)GB/T 11718—2018 《中密度纖維板》，對利用不同纖維目數(shù)區(qū)間制備的試件進行評價，試件均為合格產(chǎn)品。由表2可知，40～100目纖維形態(tài)好，試件的力學性能較好；20～120目纖維形態(tài)一般，試件的力學性能次之；10～130目纖維形態(tài)較差，但試件的力學性能也能達到合格品要求。隨著纖維目數(shù)區(qū)間增大，力學性能指標MOR、MOE及IB值減??；ρ、MC值變化較??；20～120目、10～130目區(qū)間制備的試件TS值大于40～100目纖維試件。上述結(jié)果表明：在工藝條件相同時，纖維目數(shù)區(qū)間不同對制品的力學性能有較大影響，40～100纖維目數(shù)區(qū)間制品力學性能較好；其力學性能隨著纖維目數(shù)區(qū)間增大而降低。

上述對比試驗結(jié)果表明：三個目數(shù)區(qū)間纖維均可以應(yīng)用于實際生產(chǎn)，可根據(jù)實際生產(chǎn)需要、不同的工藝條件要求選取合理的目數(shù)區(qū)間纖維。用40～100目纖維制備的試件力學性能較佳，但原料損耗率較高，在對制品質(zhì)量要求較高的情況下，選用此纖維目數(shù)區(qū)間具有較大的優(yōu)越性；用20～120目纖維制備的試件力學性能趨中，原料損耗率較前者降低，在對制品質(zhì)量要求中等水平的工藝條件下實用性較強；用10～130目纖維制備的試件力學性能可達到合格品要求，且纖維利用率較高，在對制品質(zhì)量要求較低的工藝條件下可以選用，以降低原料損耗。

2.2 纖維目數(shù)區(qū)間單因素試驗分析

2.2.1 密度對力學性能的影響

根據(jù)試驗設(shè)計方案步驟二，設(shè)定施膠量不變均為15%，對確定的纖維目數(shù)區(qū)間（40～100目、20～120目、10～130目）進行密度變化的單因素試驗，改變不同纖維目數(shù)區(qū)間試件的密度，探究密度變化對試件力學性能的影響。40～100目纖維形態(tài)較佳，將密度設(shè)定為0.65 g/cm3；20～120 目纖維形態(tài)次之，密度設(shè)定為0.70 g/cm3；10～130目纖維形態(tài)較差，密度設(shè)定為0.75 g/cm3，測得力學性能結(jié)果見表3。

表3 改變密度三種纖維目數(shù)區(qū)間試件的力學性能Tab.3 Mechanical properties of specimens of three kinds of fiber mesh intervals with different densities

分析表3可知：相對于步驟一而言，40～100目試件ρ減小，其力學性能略有下降，其MOR、MOE及IB值減小，MC和TS值變化較小，但均在合格范圍之內(nèi)，說明在纖維形態(tài)好的條件下，試件ρ可以適當降低。10～130目試件ρ增大，其力學性能增強，MOR、MOE及IB值增大；MC和TS值變化較小，說明纖維形態(tài)差的條件下，可通過改變試件密度來改善其力學性能。試驗結(jié)果表明：在施膠量相同時，合理確定制品試件密度，可獲得質(zhì)量合格的制品。40～100目試件密度的減小降低了纖維原料的用量，其力學性能下降但不明顯；20～120目試件預(yù)設(shè)密度和步驟一中的相同，壓制的試件密度、力學性能基本無變化；10～130目試件考慮纖維形態(tài)較差，增加制品試件密度，其力學性能略有提高，達到合格品要求。

2.2.2 施膠量對力學性能的影響

預(yù)設(shè)密度不變，均為0.70 g/cm3，用確定的纖維目數(shù)（40～100目、20～120目、10～130目）進行施膠量變化的單因素試驗，改變不同纖維目數(shù)區(qū)間試件的施膠量，探究施膠量變化對試件力學性能的影響。40～100目纖維形態(tài)較佳，因此將施膠量設(shè)定為13%；對于20～120目和10～130目纖維，基于生產(chǎn)實際情況考慮，施膠量增加對試件力學性能指標的影響并不明顯，且會導(dǎo)致成本增加，因此這兩個區(qū)間的纖維施膠量不變，仍設(shè)定為15%。試驗結(jié)果見表4。

表4 改變施膠量三種纖維目數(shù)區(qū)間試件的力學性能Tab.4 Mechanical properties of specimens of three kinds of fiber mesh intervals with different resin contents

從表4可知：相對于步驟一而言，40～100目試件施膠量減小，其力學性能有所下降，MOR、MOE及IB值減小，ρ、MC值變化較小，TS值略有增加，但仍在合格范圍之內(nèi)，說明纖維形態(tài)好的條件下，試件施膠量可以適當減??；20～120目、10～130目試件施膠量未變化，力學性能未變化。分析結(jié)果表明：在密度相同時，合理確定制品試件施膠量，可獲得質(zhì)量合格的制品。

3 制備成本分析

基于本研究確定的纖維目數(shù)區(qū)間，及工藝參數(shù)對纖維板試件性能影響的分析，在保證制品質(zhì)量要求的前提下，綜合考慮成本和價格因素，對制品生產(chǎn)成本進行分析，以尋找較佳的纖維制備方案，實現(xiàn)纖維目數(shù)區(qū)間與制品質(zhì)量等級的合理匹配，達到合理利用原材料、提質(zhì)降耗、降低生產(chǎn)成本的目的。

以某企業(yè)產(chǎn)品為例，木片價格為475元/t，脲醛樹脂膠價格為1.6元/kg（含固化劑），纖維板優(yōu)等品（2 440 mm×1 220 mm ×12 mm）售價為1 480元/m3，一等品售價為1 340元/m3，二等品售價為1 200元/m3，合格品售價為1 060元/m3。

根據(jù)試驗分析結(jié)果，參考相關(guān)標準和企業(yè)價格信息，獲得不同纖維目數(shù)區(qū)間制品不同品質(zhì)等級和價格，見表5。

表5 三種纖維目數(shù)區(qū)間對應(yīng)纖維板的品質(zhì)等級和價格Tab.5 Quality grades and prices of three kinds of fiber mesh intervals corresponding to fiberboard

不同纖維目數(shù)區(qū)間纖維板制備過程中，根據(jù)設(shè)定密度和施膠量，計算樹脂用量（包括纖維板試件實際消耗加損耗）；根據(jù)設(shè)定密度、施膠量和原料損耗率，計算實際纖維及木片用量。根據(jù)實際樹脂及木片用量、脲醛樹脂和木片的價格核算制備1 m3纖維板（2 440 mm×1 220 mm ×12 mm）的原料成本（包括膠和木片的成本）見表6。

表6 1 m3纖維板制備成本Tab.6 Costs of 1m3 fiberboard preparation

根據(jù)1 m3纖維板制作成本和不同品質(zhì)纖維板售價，綜合分析可得出：

1）不同纖維目數(shù)區(qū)間1 m3纖維板制作成本。

（1）密度、施膠量均相同的條件下，40～100目纖維板的原料消耗較大，木片用量比20～120目纖維板增加0.24 t/m3，比10～130 目纖維板增加0.31 t/m3；成本比20～120目纖維板高114.00元/m3，比10～130目纖維板高147.25 元/m3；

（2）改變密度，施膠量相同的條件下，40～100目纖維板原料消耗減少，木片用量減少0.10 t /m3，樹脂用量減少6.5×10-3g /cm3；成本降低57.90元/m3，比20～120目纖維板高46.60元/m3，比10～130目纖維板高69.45 元/m3；

（3）改變施膠量，密度相同的條件下，40～100目纖維板原料消耗減少，木片用量略有增加，樹脂用量減少1.08×10-2g /cm3；成本降低7.78 元/m3，比20～120 目纖維板高101.47元/m3，比10～130目纖維板高144.22元/m3。

2）不同品質(zhì)纖維板售價。

（1）密度、施膠量均相同的條件下，40～100目纖維板力學性能較好，為優(yōu)等品，其價格為1 480元/m3，比20～120目纖維板售價高280元/m3，比10～130目纖維板售價高420元/m3；

（2）單一改變密度，合理降低密度，試驗表明40～100目纖維板力學性能略有下降，為一等品，其價格為1 340元/m3，銷售價格相對降低140元/m3，但品質(zhì)仍優(yōu)于20～120目和10～130目的纖維板，其售價比20～120目和10～130目纖維板分別高出140元/m3和280 元/m3（見表5）；

（3）單一改變施膠量，合理降低施膠量，試驗表明40～100目纖維板力學性能略有下降，為一等品，價格為1 340元/m3，價格相對降低140元/m3，但仍優(yōu)于20～120目和10～130目的纖維板，但其價格比20～120目和10～130目纖維板分別高出140元/m3和280元/m3。

3）制作和銷售成本綜合分析。

綜合考慮制作和銷售成本，對不同纖維目數(shù)區(qū)間1m3纖維板收益進行核算后進一步分析可知：

（1）在密度、施膠量均相同的條件下，40～100目纖維板綜合收益比20～120目纖維板高32.69%，比10～130目纖維板高68.00%；

（2）改變密度，施膠量相同的條件下，40～100目纖維板綜合收益比20～120目纖維板高18.74%，比10～130目纖維板高55.24%；

（3）改變施膠量，密度相同的條件下，40～100目纖維板綜合收益比20～120目纖維板高7.66%，比10～130目纖維板高33.46%。

綜上所述，同等條件下40～100目纖維板制備過程原料成本雖然相對較高，但可以在保證力學性能達標的前提下適當降低密度或施膠量以節(jié)約原材料，彌補目數(shù)區(qū)間不同帶來的成本增加；另外，還可將纖維廢料作為燃料進行二次利用，為干燥、熱壓等流程提供熱能；部分纖維廢料可作為制備低檔制品的原料，以減低原材料的損耗，且40～100目纖維板品質(zhì)較好，在價格方面優(yōu)勢較大。在20萬m3/a的生產(chǎn)規(guī)模下，采用40～100目纖維制備纖維板能帶來顯著的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

采用熱磨法研磨纖維，研究不同纖維目數(shù)對纖維板力學性能和成本的影響，得出如下結(jié)論：

1）不同纖維目數(shù)區(qū)間在密度、施膠量均相同的條件下，40～100目纖維區(qū)間試件力學性能較佳，但原材料消耗較大，在對制品質(zhì)量要求較高的工藝條件下選用此區(qū)間具有較大的優(yōu)越性；20～120目纖維區(qū)間試件力學性能次之，原材料消耗次之，在對制品質(zhì)量要求處于中等水平的工藝條件下選用此區(qū)間實用性較強；10～130目纖維區(qū)間試件力學性能可達到合格品要求，且纖維利用率較高，在對制品質(zhì)量要求較低的工藝條件下可以選用此區(qū)間，以降低原料損耗。

2）單因素對比試驗分析結(jié)果表明：在纖維形態(tài)較好（40～100目）的條件下，改變密度或施膠量單一因素，適當降低試件密度或減小施膠量對其力學性能的影響較小，可通過單一因素的優(yōu)化減少原料成本增加帶來的不利影響。綜合考慮成本及銷售價格因素可知：40～100目纖維板制品銷售可實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)優(yōu)價，收益明顯高于其他兩種纖維目數(shù)區(qū)間纖維板制品，可實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化。

3）從纖維板制備成本和銷售價格綜合分析得出：根據(jù)上述三種纖維目數(shù)區(qū)間，可實現(xiàn)纖維目數(shù)區(qū)間與制品質(zhì)量等級的合理匹配，達到合理利用原材料降低生產(chǎn)成本的效果。