不同工藝參數(shù)對竹造紙固剩物/漂珠復合板性能的影響

趙東　王傳貴　王翔等

摘要[目的]研究不同工藝參數(shù)（竹造紙固剩物粒度、固剩物與漂珠配比、板材厚度）對復合板材各種性能的影響。[方法]采用正交試驗設計，利用竹造紙固剩物和漂珠制造復合板材，并通過對力學性能和導熱系數(shù)的測定，探討固剩物粉末粒度、固剩物與漂珠配比、板材厚度對板材性能的影響。[結果]隨著粒度和板材厚度的增大，板材的物理力學性能MOE、24 h TS呈現(xiàn)下降趨勢；隨著配比的增大，MOR、MOE增大，24 h TS減小。[結論]最佳工藝為固剩物粒度為20～40目、固剩物與漂珠配比為8∶2、板材厚度為14 mm時，此時板材的各種性能達到最優(yōu)。

關鍵詞竹造紙固剩物；漂珠；力學性能；導熱系數(shù)

中圖分類號S795文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）12-03604-02

基金項目安徽省省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目（AH201310364025）；“十二五”農村領域國家科技計劃課題（2012BAD23B0204）。

作者簡介趙東（1992-），男，安徽六安人，本科生，專業(yè)：材料科學與工程。*通訊作者，副教授，博士生，從事人造板及其復合材料研究。

我國有竹類植物約43屬700余種，全國竹林和毛竹林面積約720萬hm2[1]，資源十分豐富，素有“竹子王國”之稱。采用竹材制漿具有來源豐富、容易成漿、成本低廉、成紙表面平滑等優(yōu)點[2]，同時也是解決造紙產業(yè)對木材原料需求壓力的有效途徑。然而，竹漿造紙產業(yè)的發(fā)展不可避免地給環(huán)境帶了污染問題。根據目前我國技術狀況， 造紙行業(yè)能達到污水排放標準， 但問題是處理產生的固剩物隨意丟棄會產生二次污染。如何合理利用和無害化處置造紙固剩物是亟需解決的問題。目前， 國內外在造紙固剩物資源化方面做了許多研究，包括土地利用[3-6]、肥料利用[7-11]、制造各種材料[12-14]，但利用漂珠高強、耐高溫、保溫阻燃性能[15-16]和固剩物進行復合制備功能性材料仍不多見。該研究選取竹造紙固剩物和漂珠為材料，制備復合板材，不僅可以提高固剩物、漂珠的附加值，擴大了其利用途徑，而且可以解決固剩物難處理、漂珠污染環(huán)境等現(xiàn)實問題，可以將其生態(tài)效益、社會效益和經濟效益有機統(tǒng)一起來。

1 材料與方法

1.1 材料及處理竹造紙固剩物：試驗所用固剩物是由貴州省赤天化集團紙業(yè)股份有限公司的竹漿紙污水處理后產生的次級固剩物，經過干燥機干燥后含水率在50%～60%，pH為6.86，固剩物呈中性。竹造紙固剩物中元素分析如下：C 35.68%，H 6.40%，N 3.27%，S 1.21%，Al 1.34%，Ca 0.93%，P 0.83%。竹漿造紙固剩物中其他元素（Mg、Cu、Fe、Ni、Pb等）含量均遠低于1%。

將竹造紙固剩物在103 ℃烘箱烘到絕干，再用微型粉碎機磨成細小顆粒，用20目、40目、60目和80目篩網分級，選擇20～40目、40～60目、60～80目顆粒備用。使用前再次將備用粉末在103 ℃烘箱烘到絕干，裝入密封袋，1 d內用完，使用時的含水率為3%～5%。

漂珠：漂珠是一種能浮于水面的粉煤灰空心球，呈灰白色，壁薄中空，重量輕，表面封閉而光滑，是優(yōu)良的保溫耐火材料，化學成分以二氧化硅和三氧化二鋁為主。

膠黏劑：脲醛樹脂（UF）膠黏劑，固含量約為50%，黏度為50 cp，pH值為7.7。

固化劑：固化劑為氯化銨（NH4Cl），分析純，市購，添加量為脲醛樹脂膠固體含量的1%。

1.2試驗設備試驗設備如表1所示。

1.3試驗方法

1.3.1板材制造方法。使用厚度規(guī)控制厚度分別為14、16、20 mm，幅面為320 mm×250 mm，單位壓力1 MPa，設計密度0.8 g/cm3。重點研究固剩物顆粒粒度、配比和厚度3個工藝參數(shù)。根據前期研究，每個工藝參數(shù)取3個水平（表2）。采用L9（34）正交試驗設計（表3），每個條件重復3次。

1.3.2板材性能評價指標及方法。參照國家標準GB/T 11718-2009 《纖維板及飾面纖維板理化性能試驗方法》和GB10294-2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關特性的測定防護熱辦法》來測試板材的各項性能，包括靜曲強度（MOR）、彈性模量（MOE）、24 h 吸水厚度膨脹率（TS）、導熱系數(shù)。板材放置72～96 h 后開始測試，此時含水率為7%～8%。使用Excel進行分析。

2 結果與分析

2.1不同固剩物粒度對板材性能的影響由表4可知，隨著竹造紙固剩物粒度的增大，板材的MOR、MOE呈下降趨勢，在20～40目時，MOE達到峰值1 119.7 MPa；在40～60目時，MOR達到峰值為3.43 MPa。此外，隨著粒度的增大，復合板的TS呈先增大后減小趨勢，但所有的吸水厚度膨脹率均低于國家標準的要求。隨著粒度的增大，板材的導熱系數(shù)先增大后減小，顆粒越小，材料成型后，內部相對更加密實，復合板在熱傳導過程中，材料內部孔隙中空氣的導熱也具有比較重要的作用，內部比較密實的復合板，材料孔隙較小，從而導致空氣導熱作用減小，因此導熱系數(shù)增大。

2.2不同配比（竹造紙固剩物∶漂珠）對板材性能的影響由表5可知，隨著竹造紙固剩物與漂珠的配比的增加，材料的MOR、MOE呈現(xiàn)增大的趨勢，這是由于漂珠主要是由Si的氧化物組成，其自身的力學性能要優(yōu)于竹造紙固剩物，所以代替一部分竹造紙固剩物，隨著含量的增多，對復合板的MOR、MOE會有增大的作用；在竹造紙固剩物和漂珠的配比為8∶2時，板材的MOR、MOE均達到峰值，分別為3.17、1 070.7 MPa。此外，板材的吸水厚度膨脹率隨著固剩物與漂珠配比的增大，出現(xiàn)下降的趨勢。這是由于漂珠代替了一部分竹造紙固剩物，而漂珠本身不具備吸水膨脹的特性，這是漂珠自身性質決定的，其主要成分為Si的氧化物，具有憎水性。同時隨著配比的增加，導熱系數(shù)呈增大的趨勢，這是因為漂珠填充了復合板中的孔隙，其導熱性能要大于空氣及竹造紙固剩物本身，從而導致復合板導熱系數(shù)的增加。

2.3不同厚度對板材性能的影響由表6可知，隨著厚度的增加，材料的MOE呈現(xiàn)下降趨勢，這是由于厚度越大，板材內部芯層的膠沒有完全固化，導致力學性能的下降。在板材的厚度為14 mm時，板材的MOR、MOE分別為2.73、981.7 MPa。此外，隨著厚度的增加，復合板的TS呈下降趨勢，這是由于板材厚度越小，其水分滲透到板子芯層所需要的時間越短，因此吸水產生的膨脹率就越大。

隨著厚度的增加，復合板的導熱系數(shù)呈現(xiàn)增大的趨勢，復合板傳熱主要是固體—氣體兩相傳熱，當復合板在穩(wěn)定的導熱狀態(tài)時，周圍環(huán)境溫度及壓力保持不變，因此板坯內部空氣溫度、定比熱容、氣體密度也不變，材料氣孔內部的空氣導熱系數(shù)僅與氣體分子之間的碰撞的自由程有很大關系，因此，復合板越厚，氣體分子2次碰撞的自由程越大，導熱系數(shù)也隨之增大。

3 結論

（1）隨著固剩物粒度的增大，板材的MOR、MOE呈下降趨勢，板材的導熱系數(shù)先增大后減小；此外隨著漂珠與固剩物配比的增大，板材的MOR、MOE呈上升趨勢，24 h TS呈下降趨勢，導熱系數(shù)呈上升趨勢；隨著厚度的增大，MOE和24 h TS呈下降的趨勢，導熱系數(shù)呈上升的趨勢。

（2）竹造紙固剩物/漂珠復合板材的導熱系數(shù)為0.120～0.165 W/m·k，平均值為0.135 W/m·k，具有很好的防火保溫的性質，為進一步開發(fā)新型墻體隔熱材料提供一定的支持。