不同工藝參數對竹造紙固剩物/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（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。

關鍵詞竹造紙固剩物；漂珠；力學性能；導熱系數

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新創業訓練項目（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：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、成紙表面平滑等優點[2]，同時也是解決造紙產業對木材原料需求壓力的有效途徑。然而，竹漿造紙產業的發展不可避免地給環境帶了污染問題。根據目前我國技術狀況， 造紙行業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、漂珠污染環境等現實問題，可以將其生態效益、社會效益和經濟效益有機統一起來。

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。根據前期研究，每個工藝參數取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《絕熱材料穩態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。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，復合板的導熱系數呈現增大的趨勢，復合板傳熱主要是固體—氣體兩相傳熱，當復合板在穩定的導熱狀態時，周圍環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，導熱系數呈上升的趨勢。

（2）竹造紙固剩物/漂珠復合板材的導熱系數為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，為進一步開發新型墻體隔熱材料提供一定的支持。