水泥刨花板快速固化技術研究進展

李新功，吳義強,2

水泥刨花板快速固化技術研究進展

李新功1，吳義強1,2

( 1.中南林業科技大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410004；2. 竹業湖南省工程研究中心，湖南 長沙 410004)

水泥刨花板傳統的冷壓法成型工藝生產周期長，需要的養護設備多，能耗高。近些年來，國內外學者對水泥刨花板快速固化成型技術進行了研究，取得了一些可喜的研究成果。概述了水泥刨花板快速成型工藝及國內外研究現狀，提出了水泥刨花板快速固化成型技術的研究方向，以期為水泥刨花板快速成型工藝的進一步研究提供參考。

水泥刨花板； 快速固化；研究進展

水泥刨花板是一種無機人造板，它是以水泥和植物(木材、竹材以及農作物秸桿等)增強碎料等為主要原料，輔之以特殊的添加劑，經一定的工藝加工而成的一種人造板材[1-2]。它具有強度高、防火、防腐、防蟲的優點，又有防潮、隔音、隔熱、質輕、易進行各種機械加工等良好性能，而且在使用過程中不會釋放出甲醛等有害氣體，可廣泛應用于建筑、室內裝修以及家具等行業，是一種綠色環保型板材。隨著我國經濟的迅速發展和人民生活水平的不斷提高，人們對綠色環保型板材需求量越來越大，水泥刨花板迎來了巨大發展契

機。目前，水泥刨花板是國家建設部墻體材料改革重點推廣的新材料[3-5]。由于水泥刨花板具有優良的性能及廣闊的應用前景，國內外專家都十分關注和重視水泥刨花板工藝技術的研究。但是，傳統的水泥刨花板成型采用冷壓法工藝，這種方法生產周期長，通常板坯冷壓后需要在蒸汽養護室內保壓熱養護至少 8 h 以上，然后再在自然環境中養護4周左右。冷壓法工藝(見圖1)需要的保壓鎖緊架等養護設施多，養護占地面積大，能耗高，勞動生產率低[6-12]。因此，水泥刨花板加工新工藝新技術的研究，特別是水泥刨花板快速固化成型工藝的研究是當前國內外從事人造板研究的學者必須面臨和解決的重大課題。

圖1 冷壓法工藝流程Fig. 1 Technology flow of cold pressing

1 水泥刨花板快速固化成型工藝

水泥刨花板快速固化成型工藝主要有3種：一是CO2氣體噴射法快速成型工藝(見圖2)。該工藝是在冷壓板坯的同時通過特定的裝置向板坯噴射CO2氣體，從而使板坯中水泥初始硬化時間減少，使板坯在幾分鐘時間內迅速獲得脫模硬化強度(板材脫模可搬運的最小強度，一般要求靜曲強度達到0.3～0.35 MPa，靜曲強度越大對板材自然養護后的終強度形成越有利[13])。二是熱壓法快速成型工藝(見圖3)。該工藝是利用熱壓機提供的高溫作用來縮短水泥初始硬化時間，從而使板坯快速達到脫模硬化強度。三是噴蒸熱壓法快速成型工藝(見圖4)。該工藝是板坯加壓的同時從壓機上、下壓板或側面向板坯噴射高溫高壓水蒸汽，在蒸汽噴射的瞬間，蒸汽即會到達板坯芯層，使芯層溫度迅速達到100 ℃以上，從而使板坯中水泥初始硬化時間大大減少，縮短水泥刨花板達到脫模硬化強度的時間。另外，該工藝還具有使板坯在厚度方向上均勻受熱的優點，在壓制厚板方面該優點更明顯。與傳統的冷壓法相比，上述3種固化成型工藝大大縮短了水泥刨花板的生產周期[14]。

圖2 CO2氣體噴射法工藝流程Fig. 2 Technology flow of CO2 injection

圖3 熱壓法工藝流程Fig. 3 Technology flow of hot pressing

圖4 蒸汽噴射法工藝流程Fig. 4 Technology flow chart of steam injection

2 水泥刨花板快速固化成型工藝研究進展

2.1 CO2氣體噴射快速成型工藝研究進展

水泥刨花板生產技術源于20世紀30年代，經過多年的不斷改進和完善，在70年代最終形成了水泥刨花板的冷壓法成型工藝[8]。80年代末匈牙利人發明了CO2氣體噴射法成型工藝[13]。隨后國內外學者對這一成型工藝進行了大量研究。

Geimer等[14]采用CO2氣體噴射法對松木水泥刨花板快速成型工藝進行了研究，研究發現冷壓同時向板坯噴射CO2氣體，4.5 min內板材(目標厚度為14 mm)的脫模硬化強度已經滿足要求；而且，用該方法加工的板材其彈性模量(MOE)和靜曲強度(MOR)分別是常規冷壓法工藝加工的板材的1.9倍和2.5倍多。Dede Hermawan等[15]利用CO2噴射法研究了雪松水泥刨花板板的工藝，研究發現，CO2氣體噴射法改善了水泥初始水化速度，使板坯溫度迅速升高，板材在5 min左右迅速達到脫模硬化強度，而且提高了板材最終的力學強度，改善了板材尺寸的穩定性。他們認為，向板坯噴射CO2氣體之所以能夠加速水泥的初始水化速度、縮短加壓周期，原因是CO2氣體進入板坯使反應1和2的進程加速(式1和式2)。力學性能得到改善的原因是CO2使板坯在較短的時間內產生大量水化產物，這些水化產物又迅速在木質增強材料的裂紋和細胞腔內產生很多“膠釘”，“膠釘”與木質增強材料產生了互鎖作用，使板坯形成較高的脫模硬化強度。如圖5[16]所示，板材斷裂面掃描電鏡照片可以清晰看出用CO2氣體噴射工藝制備的板材a產生的“膠釘”明顯比冷壓工藝制備的板材b多。

Parviz Soroushian等[12]也采用CO2噴射法(CO2氣體濃度分別為100%和25%)對楊木水泥刨花板快速固化成型工藝進行了研究，研究發現，2種不同濃度的CO2氣體噴射都能迅速提高板材的脫模硬化強度，而且效果幾乎沒有區別。他們認為產生這種結果的原因是：盡管噴射濃度為100%CO2氣體能使水泥水化速度更快，但是板坯表層水泥固化太快，板坯表層迅速形成的固化層又會阻礙CO2氣體進入板坯內部，從而降低了板坯內層水泥水化速度。Parviz Soroushian等[11]采用CO2氣體噴射法對麥秸水泥刨花板快速成型工藝進行了研究。研究發現，盡管麥秸桿中含有較多的阻礙或延緩水泥水化凝固成分，但是采用該工藝時，在這些阻凝成分對水泥產生阻凝或延緩效果之前板坯中的水泥因CO2氣體的作用已經大部分水化凝固，從而使板材迅速達到脫模硬化強度。

我國對水泥刨花板CO2氣體噴射法快速固化成型工藝研究起步比較晚，而且從事這方面研究的學者也比較少。劉義海等[2]以毛白楊、興安落葉松和普通硅酸鹽水泥為主要原料，采用CO2氣體噴射法研究水泥刨花板的快速固化工藝。研究發現，CO2氣體的噴射能夠迅速提高板材的初始脫模硬化強度。而且，后養護條件與板的最終性能關系密切，充足的水分和堿性環境可以改善水泥刨花板性能。同時，通過對板坯進行CO2氣體噴射可以減少或消除木材內含物對水泥固化的阻礙或延緩作用。

從上述國內外研究情況可以發現，近些年來，國內外部分人造板學者對水泥刨花板CO2氣體噴射法成型工藝進行了大量的研究，取得了一些富有價值的研究成果。CO2氣體噴射法成型工藝不僅能夠大大縮短水泥刨花板的加壓周期，一定程度上改善了板材的力學性能，而且提高了水泥和增強材料的相適性。可見，CO2氣體噴射法是一種較為有效的快速成型法。但是，從CO2氣體噴射快速成型的過程和機理分析，CO2氣體噴射法成型工藝加工的板材材質存在一定不均勻性，這是因為無論CO2氣體是從板材的正面噴入還是從板材的側面噴入，都很難控制CO2在板材中分布的均勻性。實際上，在水泥刨花板加工原料中添加可溶性碳酸鹽或碳酸氫鹽(如碳酸鈉或碳酸氫鈉等)替代加壓過程中向板坯噴射CO2氣體是一個不錯的選擇。因為在加工過程中它們會釋放出CO2氣體，CO2氣體在板材中的均勻性可通過原料的混合得到控制。國外一些學者已經開始對此技術進行了初步研究。研究發現可溶性碳酸鹽或碳酸氫鹽的用量對水泥刨花板的力學性能存在一定的影響，而且加入可溶性碳酸鹽或碳酸氫鹽的混合坯料的存放時間受到一定限制，該技術還不能用于工業化生產，有待于作進一步的研究。

2.2 熱壓快速成型工藝研究進展

Eusebio等[17]對水泥刨花板熱壓快速成型工藝進行了研究。制板時向混合原料中加入一定量的異氰酸酯樹脂作為膠粘劑，研究發現在熱壓溫度為60 ℃時，加壓1 h后板材的脫模硬化強度達到了要求，而且自然養護后板材各項力學性能均要好于冷壓法制得的水泥刨花板。盧曉寧等[15]對水泥刨花板普通熱壓法和冷壓法兩種成型工藝進行了對比性研究。研究發現，選取熱壓溫度120 ℃、熱壓時間1.3 min/mm的熱壓工藝參數，卸壓時板材靜曲強度達到1.5～2.0 MPa。熱壓法水泥刨花板不但能達到冷壓法水泥刨花板性能標準，而且縮短了板材加壓時間，制造過程中不需要鎖緊架。但是，為了使板材中水泥后期充分水化，使板材達到最大終強度，卸壓后的板材應進行一段時間的等濕處理。嚴建敏等[16]以速生杉木加工剩余物為主要原料、Na2SiO3為快速固化添加劑研究了水泥刨花板熱壓成型工藝。研究發現，當熱壓溫度為95 ℃、熱壓時間為1.2 min/mm時制得的水泥刨花板靜曲強度達到冷壓板強度的90%，熱壓后用2%的MgCl2溶液對板材進行后期浸泡處理，板材尺寸穩定性和力學性改善明顯，可生產出力學性能和尺寸穩定性與傳統生產方式相媲美的產品。

以上的研究表明熱壓法適用于水泥刨花板制造。不過，熱壓溫度等熱壓參數的合理選擇以及采取一些輔助措施(如加入一定量的添加劑和對板材進行后處理等)對水泥刨花板性能的改善非常有好處。如圖6所示，經過增濕處理的板材靜曲強度明顯好于未經增濕處理的板材。但是，也有研究發現冷壓法水泥刨花板和熱壓法水泥刨花板性質上存在一定的區別。比如前者平面抗拉強度高，后者的靜曲強度高，但斷面密度不均勻。如圖7所示，冷壓法水泥刨花板密度在設計密度1.2 g/m3上下小幅度的波動，而熱壓法水泥刨花板密度在板材厚度方向變化較大，兩表層和中心層密度較小。表層密度低的原因是壓機剛閉合時板坯所受壓力較小，由于表層直接與熱壓板接觸，溫度迅速升高，導致表層水泥迅速硬化。當壓機完全閉合壓力達到設計壓力時，表層的密度幾乎不會再發生變化。導致芯層密度低的原因是加壓過程中從表層到芯層溫度逐漸降低，芯層水泥水化速度、程度以及增強材料塑化速度和程度都較小。

圖6 后期處理對板材性能的影響Fig. 6 Effects of post treatment on CBP performance

圖7 冷壓工藝和熱壓工藝制備的水泥刨花板斷面密度Fig. 7 Density profiles of CBP with cold-pressing andhot-pressing technology

2.3 噴蒸熱壓快速成型工藝研究進展

Eusebio和 Nagadomi分別對水泥刨花板噴蒸熱壓工藝進行了研究。Eusebio認為，制板時在混合原料中添加了5%的NaHCO3(占水泥絕干重量的百分比)作為固化劑，發現板坯熱壓3 min(蒸汽噴射2 s)后初始脫模硬化強度達到了卸壓搬運的要求，該工藝不需要鎖緊架。但是，板材終強度比冷壓工藝制備的水泥刨花板低[17]。Nagadomi認為，制板時在混合原料中添加了15%～20%的NaHCO3作為固化劑，噴蒸熱壓能夠明顯地縮短加壓周期。但是，板材終強度也低于冷壓工藝制備的水泥刨花板。他認為產生這種結果的原因是NaHCO3百分比過大，產生了過多的CaCO3附在水泥表面[18]。Nagadomi等隨后分別選用MgCl2、CaCl2、AlCl3和NH4Cl作為固化劑對水泥刨花板噴蒸熱壓工藝進行了研究，研究結果表明，與采用NaHCO3作為固化劑制得的板材相比，采用 MgCl2、CaCl2、AlCl3和 NH4Cl作為固化劑不僅縮短加壓周期，而且可以顯著改善板材力學性能。我國從事水泥刨花板噴蒸熱壓工藝研究的學者比較少，起步也比較晚[19]。馬靈飛分別采用NaHCO3、Na2SiO3和Na2CO3作為固化劑對竹材水泥刨花板噴蒸熱壓工藝進行了研究，研究發現噴蒸熱壓能夠大幅度地縮短加壓周期，而且添加不同種類的固化劑會對竹材水泥刨花板性能產生不同的影響，其中Na2SiO3對提高水泥刨花板性能的效果最明顯[10-11]。上述關于噴蒸熱壓工藝的研究僅僅局限于固化劑種類和數量對板材性能的影響，沒有涉及到噴蒸方式和噴蒸熱壓工藝參數對板坯內溫度的分布、水泥水化速度和程度以及板材力學性能等方面影響的研究[20-21]。

3 結論與展望

水泥刨花板快速固化成型工藝可以顯著縮短水泥刨花板的加壓周期，降低加工能耗，提高生產效率。同時，還可以提高水泥刨花板原料的相適性。但是，水泥刨花板快速固化成型工藝的研究大多數還處在實驗室階段，上述3種快速固化成型工藝在國內外很少甚至幾乎沒有實現工業化生產。其原因是無論上述哪種快速固化成型工藝都存在一定程度的缺陷或限制，如設備的設計成本較高及水泥刨花板性能的不穩定等。因此，水泥刨花板快速固化成型工藝還有待于更進一步的研究。

筆者認為當前水泥刨花板快速固化成型工藝需要從以下幾個方面作重點研究：(1)加強噴蒸熱壓工藝對增強材料的塑化以及水泥水化過程影響機制的研究，揭示水泥刨花板噴蒸熱壓成型的機理，避免研究的盲目性。(2)對不同快速成型工藝進行組合研究，實現優勢技術的互補。如CO2氣體噴射法與熱壓法的組合、CO2氣體噴射法與噴蒸熱壓的組合等。(3)借鑒普通木質刨花板連續熱壓成型工藝，研究水泥刨花板連續加壓快速成型工藝，進一步改善水泥刨花板性能，提高生產效率，降低生產成本。

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Research progress on rapid curing of cement-bonded particleboard

LI Xin-gong1, WU Yi-qiang1,2
(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China；2. Hunan Provincial Engineering Research Center of Bamboo Industry,Changsha 410004, Hunan,China)

Abtract: Conventional cold-pressing technique in manufacturing of cement-bonded particleboard needed a long manufacturing period,more curing equipments and high energy consumption. In recent years some researchers have studied cement-bonded particleboard rapid curing techniques and have acquired some good research results. To provide reference for further study on cement-bonded particleboard rapid curing techniques, the current researches in this area are summarized and the general trends in the developmental of the techniques are put forward.

cement-bonded particleboard(CBP); rapid curing; research progress

S784；TS653

A

1673-923X(2012)01-0161-05

2011-10-19

國家“十二五”科技計劃課題(2012BAD24B03)；國家林業公益性行業科研重大專項(201204704)；湖南省科技廳科技計劃項目(2010NK3034)；中南林業科技大學青年基金項目(101-0833)；中南林業科技大學木材科學與技術國家重點學科資助項目

李新功(1970—)，男，河南固始人，副教授，博士，主要從事木質與非木質復合材料的研究；E-mail：lxgwood@163.com

吳義強(1967—)，男，河南固始人，教授，博士，博士生導師，主要從事木材材性、木材功能性改良、生物質復合材料方面的研究； E-mail: wuyiqiang@csuft.edu.cn

[本文編校：謝榮秀]