稻草碎料板熱壓工藝研究

嚴永林，李新功，劉曉榮

稻草碎料板熱壓工藝研究

嚴永林，李新功，劉曉榮

(中南林業(yè)科技大學 機電工程學院，湖南 長沙 410004)

采用異氰酸酯和脲醛樹脂混合膠粘劑通過熱壓工藝制備了低成本稻草碎料板。研究了熱壓溫度、熱壓時間、板材密度以及異氰酸酯膠黏劑用量對稻草碎料板力學性能的影響。研究表明，在一定范圍內(nèi)，隨著熱壓溫度、熱壓時間、板材密度以及異氰酸酯膠黏劑用量的增大，稻草碎料板物理學性能得到改善。合理的低成本稻草碎料板熱壓工藝是：熱壓時間為40 s/mm ，MDI施加量為3%，密度為0.7 g/cm3，熱壓溫度為180 ℃。

稻草碎料板；熱壓工藝；力學性能

我國是農(nóng)業(yè)大國，稻草、麥秸資源豐富，價格低廉[1-2]。稻草中纖維素含量在40%左右，是一種優(yōu)質(zhì)的人造板生產(chǎn)原料。以稻草、麥秸等非木質(zhì)原料替代木材生產(chǎn)人造板對解決我國木材資源匱乏意義重大[3]。但是，稻草不同于其他非木質(zhì)材料，其表層存在蠟質(zhì)層和硅類化合物，一般的脲醛樹脂膠黏劑難以對其進行膠合[4-5]。目前，稻草碎料板生產(chǎn)多采用異氰酸酯膠粘劑，由于異氰酸酯膠黏劑價格昂貴，稻草碎料板生產(chǎn)成本很高，限制了稻草碎料板的發(fā)展[6]。以部分改性脲醛樹脂膠代替異氰酸酯膠黏制備稻草碎料板，降低稻草碎料板加工成本，是一種稻草制備碎料板的新思路。本研究采用改性脲醛樹脂和異氰酸酯混合膠粘劑制備稻草碎料板，研究不同熱壓工藝對稻草碎料板性能的影響，為稻草碎料板的發(fā)展提供技術(shù)支撐。

1 試驗材料與設(shè)備

1.1 試驗材料

稻草碎料，購自湖北基立環(huán)保板材有限公司，規(guī)格如表1所示。

膠黏劑：脲醛樹脂膠，固體含量為50%，購于湖南省長沙市。

異氰酸酯：純度99.9%，購于湖南省長沙市。

丙酮：化學純，株洲市化學工業(yè)研究所。

表1 稻草碎料規(guī)格Table 1 Specification of straw debris

1.2 試驗設(shè)備

電熱恒溫干燥箱(SKFG-01)，湖北黃石醫(yī)療器械廠；拌膠機(BS-40S)，桂林華德木業(yè)機械有限公司生產(chǎn)；實驗熱壓機(Y33-50)，上海人造板機器廠生產(chǎn)；萬能力學試驗機(MWD-50)，濟南試金集團有限公司。

2 試驗方法

2.1 試驗設(shè)計

本試驗采用4因素3水平正交試驗(L9(34)，各因子水平如表2所示。

表2 試驗的因素和水平Table 2 Factor and level of test

2.2 板材制備

將稻草碎料送入電熱恒溫干燥箱在100 ℃溫度下干燥至含水率為9%左右，備用。將異氰酸酯膠黏劑加入到丙酮溶液中配成2%的異氰酸酯膠黏劑丙酮溶液。利用噴槍將2%的異氰酸酯膠黏劑丙酮溶液均勻的噴散到干燥好的稻草碎料表面，然后再用噴槍將改性脲醛樹脂膠均勻的噴散到稻草碎料表面。噴膠后的稻草碎料送入拌膠機攪拌5 min中后手工鋪裝成300 mm×300 mm×12 mm稻草碎料板板坯。板坯陳放10 min后送入熱壓機熱壓成型。

2.3 性能檢測

按照按照GB/T 4897-2003制備試件并進行力學性能檢測，檢測項目包括靜曲強度(MOR)、彈性模量(MOE)、內(nèi)結(jié)合強度(IB)與吸水厚度膨脹率(TS)。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 力學性能檢測結(jié)果

稻草碎料板的力池性能檢測結(jié)果見表3。

表3 稻草碎料板的力學性能Table 3 Mechanical properties of straw particle board

3.2 直觀分析

采用綜合平衡法將各個指標按單指標進行計算與分析，再將各指標的分析結(jié)果進行綜合平衡，進而得到“最優(yōu)”試驗方案。根據(jù)表3分別計算出各因素的K、K、R值(見表4～7)。

表4 靜曲強度(MOR)分析結(jié)果Table 4 Results of MOR analysis

表5 彈性模量(MOE)分析結(jié)果Table 5 Results of MOE analysis

表6 吸水厚度膨脹率(TS)分析結(jié)果Table 6 Results of TS analysis

表7 內(nèi)結(jié)合強度(IB)分析結(jié)果Table 7 Results of IB analysis

根據(jù)力學性能分析結(jié)果以及各個因子的4個指標計算結(jié)果表繪出各因子、水平與力學強度的關(guān)系，結(jié)果如圖1～4所示。

圖1 因子與水平對板材靜曲強度的影響Fig. 1 Influence of factors and levels on MOR

圖2 因子與水平對板材彈性模量的影響Fig. 2 Influence of factors and levels on MOE

圖3 因子與水平對板材吸水厚度膨脹率的影響Fig. 3 Influence of factors and levels on TS

圖4 因子與水平對板材內(nèi)結(jié)合強度的影響Fig. 4 Influence of factors and levels on IB

根據(jù)上述結(jié)果可以得出3個因素對4個指標的主次順序(主→次)為BCDA，即熱壓溫度＞施膠量(MDI/UF)＞熱壓時間＞熱壓溫度。根據(jù)直觀分析確定各因素的最優(yōu)有水平組合為：B3C3D3A2，即熱壓時間為40 s/mm ，MDI施加量為3%，UF的施加量為10%，密度為0.7 g/cm3，熱壓溫度180 ℃。

4 結(jié)論與分析

4.1 MDI用量對板材力學性能的影響

MDI用量對稻草碎料板的力學性能影響較為顯著，稻草碎料板的靜曲強度、彈性模量及內(nèi)結(jié)合強度均隨著MDI施加量的增加而增加，吸水厚度膨脹率則降低。這是由于MDI分子存在兩個端－N=C=O，通過熱壓成型 MDI分子一端的－N=C=O可與稻草碎料表面的－OH發(fā)生了反應(yīng)，另一端的－N=C=O可與相鄰的稻草碎料表面的－OH發(fā)生了反應(yīng)，MDI在稻草碎料間可以形成牢固“鍵合”作用。隨著MDI用量的增加這種“鍵合”作用就越強烈，膠合強度越大。所以稻草碎料板的彈性模量、靜曲強度和內(nèi)結(jié)合強度提高，吸水厚度膨脹率降低。MDI施加量為3%稻草碎料板物理力學性能最優(yōu)。

4.2 熱壓時間對板材性能的影響

在一定熱壓時間范圍內(nèi)，稻草碎料板靜曲強度、彈性模量及內(nèi)結(jié)合強度都隨熱壓時間延長而增大，吸水厚度膨脹率隨熱壓時間的延長而減小。其原因是，熱壓時間延長，板坯溫度均勻性增加，膠粘劑固化更完全，整個板材膠合強度更大更均勻。但是熱壓時間不能過長，時間過長可能引起膠粘劑和稻草的熱降解，從而影響板材的強度[7]。同時，熱壓時間過長還會儀器熱壓能耗的增加和生產(chǎn)效率的降低。合適的熱壓時間為40 s/mm。

4.3 熱壓溫度對板材性能的影響

在一定熱壓溫度范圍內(nèi)，稻草碎料板靜曲強度、彈性模量及內(nèi)結(jié)合強度都隨熱壓溫度的升高而增大，吸水厚度膨脹率隨熱壓溫度的增加而減小。這是因為在一定范圍內(nèi)熱壓溫度越高膠粘劑固化速度和固化率就越高；溫度升高可以顯著提高稻草碎料的塑化程度，熱壓過程中稻草碎料變形就越大，稻草之間的接觸面也越大，在膠粘劑足夠的情況下稻草碎料間形成的膠合面就越大；溫度越高，膠粘劑的粘度越低，膠粘劑流動性增加，膠粘劑在稻草碎料板內(nèi)分布的更均勻[8]。這些因素都有利于提高稻草碎料板膠合強度。合理的熱壓溫度是180 ℃。

4.4 密度對板材性能的影響

稻草碎料板靜曲強度、彈性模量及內(nèi)結(jié)合強度都隨著板材密度的增大而增大，吸水厚度膨脹率隨板材密度的增大而減小。這是因為板材密度增加熱壓過程中膠粘劑的流動性就越好，膠粘劑在板坯中分布就越均勻[9]。同時板材密度越大，稻草碎料板密實度增加，稻草間的接觸面積也相應(yīng)增加，孔隙率降低。理想的稻草碎料板密度為密度為0.7 g/cm3。

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Study on hot-pressing process of straw particle board

YAN Yong-lin, LI Xin-gong, LIU Xiao-rong
(School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004,Hunan,China)

The mixture of isocyanate and urea-formaldehyde adhesive resin was used to manufacture low-cost straw particle board by hot-pressing process. The influences of hot-pressing temperature, hot-pressing time, board density and the amount of isocyanate adhesive on the mechanical properties of straw particle board were studied. The results show that in certain extent, the straw particle board’s physics performance was improved with the increase of hot-pressing temperature, hot-pressing time, board density and the amount of isocyanate adhesive. The proper hot-pressing process of cost-straw particle board is: hot-pressing time for 40 s/mm, MDI applied amount of 3%, density of 0.7 g/cm3, hot-pressing temperature of 180 ℃.

straw particle board; hot-pressing process; mechanical properties

S784

A

1673-923X(2012)01-0126-04

2011-11-20

國家“十二五”科技計劃課題(2012BAD24B03)；國家林業(yè)公益性行業(yè)科研重大專項 (201204704)；湖南省科技重大專項(2011FJ1006)；湖南省科技廳科技計劃項目(2010NK3034)；中南林業(yè)科技大學木材科學與技術(shù)國家重點學科資助項目

嚴永林(1963—)，男，黑龍江哈爾濱人，教授，博士，主要從事復(fù)合材料研究；E-mail：yyl646@126.com

[本文編校：歐陽欽]