基于共磨技術(shù)制備無膠復(fù)合秸稈人造板的研究?

賈 翀 楊 蕊 湯正捷 董洪文

（南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210037）

無膠膠合是一種不用外加膠黏劑，不依賴易產(chǎn)生污染的石油產(chǎn)品作膠黏劑而實(shí)現(xiàn)木質(zhì)材料（生物質(zhì)）膠結(jié)，生產(chǎn)人造板的新技術(shù)[1]。無膠膠合的方法有多種，主要包括通過添加化工藥劑處理的方法，如氧化結(jié)合法、自由基引發(fā)法、酸催化縮聚法、堿溶液活化法和酶活化法；以及不添加化學(xué)試劑的方法，如天然物質(zhì)轉(zhuǎn)化法。近年來，隨著人們對(duì)環(huán)境安全意識(shí)的提高，木制品的無膠膠合技術(shù)也越來越受到研究者的關(guān)注[2-3]。

無膠膠合纖維板目前的研究重點(diǎn)主要在熱壓方式及原料預(yù)處理方面。熱壓方式的研究目前主要圍繞普通熱壓[3-5]和噴蒸熱壓[6-8]展開，但由于噴蒸熱壓需額外增加蒸汽發(fā)生器和噴蒸設(shè)備，相比于普通熱壓，不便于在工業(yè)化生產(chǎn)推廣。原料預(yù)處理方面的研究主要包括蒸汽爆破法[9-12]、酸[13]、堿[14]、氧化劑[15]處理法以及酶處理法[16-18]等，但蒸汽爆破法具有設(shè)備投資較大、能耗高且有一定的安全隱患等缺點(diǎn)，試劑預(yù)處理方法的成本和工序與施膠工藝相若，甚至更高，因此均不能得到很好推廣。

針對(duì)目前農(nóng)作物秸稈不當(dāng)處理如焚燒而造成的環(huán)境污染問題[19-20]，本研究結(jié)合無膠膠合技術(shù)，以一定比例的大豆、木片和秸稈經(jīng)熱磨機(jī)共磨獲得復(fù)合纖維，在不施加膠黏劑的工藝條件下，通過熱壓制成一種新型無膠復(fù)合秸稈人造板。該技術(shù)是基于共磨技術(shù)制備無膠纖維板的基礎(chǔ)上衍生的，所生產(chǎn)的板材可大量消耗農(nóng)作物剩余物秸稈，并可用于包裝材料、裝飾材料等領(lǐng)域。

1 材料與方法

1.1 材料

秸稈：產(chǎn)地江蘇連云港，稈長(zhǎng)約1 m，直徑約為3～5 mm，含水率約為10%。將秸稈先進(jìn)行截?cái)啵L(zhǎng)度約為5～10 mm。再使用刨片機(jī)制成碎料。秸稈碎料形態(tài)如圖1 所示，篩分值如表 1 所示。

圖1 秸稈刨花形態(tài)圖Fig.1 Straw particle form

表1 秸稈碎料篩分值Tab.1 Screening value of straw

楊木木片，長(zhǎng)18～32 mm、寬1～20 mm、厚2～4 m，來自大亞人造板集團(tuán)有限公司，木片含水率為25%，大豆為市場(chǎng)購(gòu)得。

1.2 設(shè)備

平板硫化機(jī)，型號(hào)XLB-1.00MND，青島壓機(jī)廠；萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，最大量程10 kN，深圳新三思機(jī)械有限公司；烘箱，型號(hào)DGX-9243B-1，上海福瑪實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；含水率測(cè)定儀，型號(hào)MCG-100W，上海雷若儀表科技有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

無膠復(fù)合秸稈人造板制備工藝流程如圖1 所示。

圖2 工藝流程圖Fig.2 Process flow chart

1.3.1 熱壓工藝優(yōu)化試驗(yàn) 采用三因素三水平正交試驗(yàn)方法進(jìn)行熱壓工藝優(yōu)化試驗(yàn)。以熱壓溫度、熱壓時(shí)間和預(yù)處理時(shí)間為試驗(yàn)三因素，彈性模量、靜曲強(qiáng)度以及24 h吸水厚度膨脹率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得出優(yōu)化工藝方案。試驗(yàn)參數(shù)的確定及試驗(yàn)方案參照表2 進(jìn)行，正交試驗(yàn)?zāi)酒奶砑恿繛?，熱磨的混合產(chǎn)物通過兌水吸濕后加入到秸稈碎料中進(jìn)行封閉儲(chǔ)存處理，然后用烘箱干燥至規(guī)定含水率（30%），用含水率測(cè)定儀測(cè)定含水率，如出現(xiàn)干燥過度現(xiàn)象，則通過噴水方式回調(diào)至含水率30%左右,備好的原料通過熱壓機(jī)熱壓成厚度為10 mm的板材，熱壓壓力為3 MPa。

表2 正交試驗(yàn)因素與水平表Tab.2 The factors and levels of orthogonal experiment

1.3.2 木片添加量?jī)?yōu)化試驗(yàn) 木片添加量?jī)?yōu)化試驗(yàn)采用單因素試驗(yàn)方法，分別加入復(fù)合板材（按絕干質(zhì)量算）總質(zhì)量的0%、10%、20%、30%、40%、50%的共磨復(fù)合纖維，熱壓參數(shù)參照試驗(yàn)方法1.3.1 中的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行。

1.3.3 復(fù)合材料性能測(cè)試 參照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》對(duì)復(fù)合材料的彈性模量、靜曲強(qiáng)度以及24 h吸水厚度膨脹率進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果通過綜合評(píng)價(jià)的方式進(jìn)行綜合判定。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與檢測(cè)結(jié)果

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與檢測(cè)結(jié)果見表3，正交試驗(yàn)極差分析見表4。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與檢測(cè)結(jié)果 Tab.3 Design and results of orthogonal experiment

表4 正交試驗(yàn)極差分析表 Tab.4 Range analysis table of orthogonal test

2.2 熱壓溫度對(duì)復(fù)合秸稈人造板性能的影響

圖3 熱壓溫度對(duì)復(fù)合秸稈人造板性能的影響Fig. 3 Effect of hot pressing temperature on properties of straw board composites

表3 為正交試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表，通過對(duì)每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行極差分析，結(jié)果如圖3 所示，反映了熱壓溫度對(duì)復(fù)合秸稈性能的影響。從圖中可以看出，當(dāng)熱壓溫度從140 ℃上升至160 ℃時(shí)，靜曲強(qiáng)度和彈性模量均有一定程度的升高，靜曲強(qiáng)度從7.16 MPa提升到8.06 MPa，彈性模量從2 212.54 MPa提升到2 597.96 MPa，24 h吸水厚度膨脹率從68.22%降低至50.02%。其主要原因是，在一定溫度條件下，部分半纖維素發(fā)生降解，降解產(chǎn)物可以與木素中的酚類發(fā)生縮聚反應(yīng)，從而生成類膠黏劑物質(zhì)，使秸稈單元之間膠合[2]。此外，熱磨后的大豆在高溫?zé)釅哼^程中水分蒸發(fā)，產(chǎn)生一定的自粘性，而當(dāng)溫度繼續(xù)升高至180℃時(shí)，性能出現(xiàn)降低，靜曲強(qiáng)度從8.06 MPa降低至7.30 MPa，彈性模量降低至 2 534.50 MPa，24 h吸水厚度膨脹率從50.02%上升至51.95%。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因可能是這種無膠膠合體系熱壓時(shí)間過長(zhǎng)，溫度過高，使秸稈中的木質(zhì)素軟化，破壞了穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，并且會(huì)使秸稈單元產(chǎn)生降解從而影響整體材料的性能。

2.3 熱壓時(shí)間對(duì)復(fù)合秸稈人造板性能的影響

圖4 熱壓時(shí)間對(duì)復(fù)合秸稈人造板性能的影響Fig. 4 Effect of hot pressing time on properties of straw board composites

由圖4 可以看出熱壓時(shí)間從3 min/mm提高到12 min/mm，隨著熱壓時(shí)間的延長(zhǎng)，復(fù)合秸稈人造板的性能明顯提升，由于板坯含水率本身較高，較長(zhǎng)的熱壓時(shí)間可以充分釋放板坯中的水汽，同時(shí)可以促進(jìn)膠黏物質(zhì)大豆蛋白的充分固化，宏觀體現(xiàn)為靜曲強(qiáng)度的明顯增加。當(dāng)熱壓時(shí)間從3 min/mm提升至12 min/mm時(shí)，靜曲強(qiáng)度從6.29 MPa提升至8.38 MPa，彈性模量從 1 979.27 MPa提升至2 899.29 MPa，24 h吸水厚度膨脹率從61.50%降低到53.75%。

2.4 預(yù)處理時(shí)間對(duì)復(fù)合秸稈人造板性能的影響

圖5 預(yù)處理時(shí)間對(duì)復(fù)合秸稈人造板性能的影響Fig. 5 Effect of pretreatment time on properties of straw board composites

原料預(yù)處理可以更好地混合大豆和秸稈纖維，使得大豆與秸稈纖維之間形成良好的結(jié)合，甚至可能在大豆蛋白的長(zhǎng)時(shí)間作用下，導(dǎo)致秸稈表面特性變化。當(dāng)預(yù)處理時(shí)間從2 d提高到4 d時(shí)，靜曲強(qiáng)度從 7.11 MPa降低到6.51 MPa，彈性模量從2 350.33 MPa降低到2 233.41 MPa，24 h吸水厚度膨脹率從53.5%降低至52.03%；而當(dāng)繼續(xù)處理至8 d時(shí)，靜曲強(qiáng)度提升至8.90 MPa，彈性模量提升至2 761.05 MPa，24 h吸水厚度膨脹率上升至64.66%。說明預(yù)處理時(shí)間可以使秸稈纖維中的水分更好地與大豆和纖維混合，形成水橋，促進(jìn)纖維之間形成膠黏物質(zhì)，然而由于水分的充分滲透，在熱壓時(shí)的水汽排放過程中容易導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，從而降低復(fù)合秸稈人造板的靜曲強(qiáng)度，而更長(zhǎng)的預(yù)處理時(shí)間可能改變秸稈的表面特性，使得大豆單板的自黏性增加，從而利于秸稈之間的膠合。而24 h吸水厚度膨脹率一方面反映了膠合情況，另一方面，可以反映界面之間的防水情況，雖然預(yù)處理時(shí)間可增強(qiáng)復(fù)合秸稈人造板的彈性模量和靜曲強(qiáng)度，但對(duì)24 h吸水厚度膨脹率的影響并不明顯，需進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

2.5 木片添加量對(duì)復(fù)合秸稈人造板性能的影響

表5 木片添加量對(duì)無膠復(fù)合秸稈人造板性能的影響 Tab.5 The effect of the amount of wood chips added on the properties of glue-free straw board composites

由于單純的秸稈碎料中存在硅物質(zhì)和蠟質(zhì)層，不利于膠合，通常秸稈人造板的制造都需要采用異氰酸酯膠黏劑進(jìn)行膠合，因此本研究通過添加共磨纖維的方式提高無膠復(fù)合秸稈人造板的物理力學(xué)性能。表5為木片添加量對(duì)無膠復(fù)合秸稈人造板性能的影響，從表中可知：隨著添加木片比例的提高，靜曲強(qiáng)度、彈性模量都呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢(shì)。當(dāng)木片添加量達(dá)到50%時(shí)，壓制的復(fù)合秸稈人造板靜曲強(qiáng)度可達(dá)13.88 MPa，彈性模量達(dá)到3 777 MPa；同時(shí)隨著木片含量的增加，24 h吸水厚度膨脹率也相應(yīng)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，從45.31%降低至20.62%；可見隨著木片含量的增加，板材性能得到明顯優(yōu)化。原因在于通過大豆和木片共磨的復(fù)合纖維，本身具有一定的自黏特性，從而可以在秸稈膠接過程中充當(dāng)膠黏劑的作用，另一方面，木材纖維自身在高溫下的物質(zhì)轉(zhuǎn)化也具有膠黏作用，從而改善秸稈復(fù)合人造板整體性能。

3 結(jié)論

1)以熱壓溫度、熱壓時(shí)間、預(yù)處理時(shí)間為正交試驗(yàn)三因素，以靜曲強(qiáng)度、彈性模量和24 h吸水厚度膨脹率為考核指標(biāo)進(jìn)行熱壓工藝優(yōu)化試驗(yàn)，結(jié)果表明：在秸稈人造板坯含水率30%時(shí)，理想的熱壓溫度為160 ℃，熱壓時(shí)間參數(shù)為12 min/mm，預(yù)處理時(shí)間為8 d。

2)通過單因素試驗(yàn)對(duì)木片添加量進(jìn)行研究，結(jié)果表明：木片添加量為30%～50%時(shí)，可以獲得較好的綜合性能。