密度對稻殼—木質剩余物包裝箱用復合板性能的影響

黃海兵等

摘要 [目的]研究了密度對稻殼-木質剩余物包裝箱用復合板性能的影響。[方法]采用混合水平均勻設計的方法，以稻殼與木質剩余物為原料制備包裝箱用復合板。對試驗結果進行回歸分析，討論密度對復合板2 h吸水厚度膨脹率、內結合強度、靜曲強度和彈性模量的影響，同時結合密度與芯層比例、表層施膠量、芯層施膠量、熱壓溫度、熱壓壓力和熱壓時間6因素間的交互效應進行分析。[結果]在優化其他工藝的同時，使復合板在較低密度0.75～0.78 g/cm3時各項性能達到國家標準。 [結論]該研究為稻殼-木質剩余物包裝箱用復合板的研制提供了依據。

關鍵詞 稻殼；包裝箱；復合板；密度；性能

中圖分類號 S784 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）13-03983-05

Abstract [Objective] To study the effects of density on properties of the ricehusk/woodresidues packing composite particleboard. [Method] Based on mixed levels uniform design method， the paper used rice husk and wood residues as raw materials for the preparation of packing composite particleboard. Through the regression analysis of experimental results， mainly discussed the effects of density on the thickness swelling， internal bond， modulus of rupture and modulus of elasticity. It also combined density with other main factors such as core layer ratio， surface layer resin consumption， core layer resin consumption， hotpressing temperature， hotpressing pressure and hotpressing time. [Result] It optimized other manufacturing processes， and then made the performance of the composite particleboard reach the national standard at low density， such as 0.75-0.78 g/cm3. [Conclusion] This research provided reference for the development of rice-husk/wood-residues packing composite particleboard.

Key words Rice husk； Packing box； Composite particleboard； Density； Properties

稻殼是稻谷加工生產時的主要副產品，資源豐富且價格低廉，其自身結構組成決定了稻殼可作木材的替代材料應用于木質復合板的生產。國際上關于稻殼板的研究始于20世紀50年代，但由于諸多原因[1]，稻殼板的研制一直停滯不前。近年來，許多國家的科研人員嘗試采用碾磨、蒸煮或化學試劑改性等方法對稻殼表面二氧化硅膜加以破壞或去除，并將二次加工后的稻殼用于稻殼板或復合板的研制[2-3]，取得了一定成果。但稻殼二次加工過程繁雜且效率普遍偏低，在實際工業化生產中極少得到推廣與應用。

異氰酸酯作為膠黏劑，活性高，膠合效果好，可與稻殼接合獲得理想界面。雖然相較于脲醛膠和酚醛膠價格偏高，但由于稻殼具有較強的經濟性，可通過對異氰酸酯用量的合理規劃，進而達到對復合板整體的成本控制，最終仍可獲得較低的生產成本，相較于傳統刨花板仍具備成本優勢。由于稻殼自身纖維較短，制得稻殼板力學性能普遍不高，在靜曲強度和彈性模量上很難達到國家標準對于普通刨花板的要求，特選取木質剩余物作為增強材料，旨在改善復合板的力學性能，以滿足一般產品的包裝要求[4-6]。試驗選用稻殼與木質剩余物為原料，脲醛樹脂與異氰酸酯為膠黏劑，采用特定工藝制備稻殼-木質剩余物包裝箱用復合板。

在復合板制備工藝中，密度是最重要的技術指標之一。在一定范圍內，增大密度有利于改善復合板的尺寸穩定性、提升復合板的各項力學性能，但同時會造成原料和能源消耗的增加，進而導致產品生產成本和使用成本（如裝卸成本、運輸成本等）的增加，加大了生產與使用的難度。因此，需結合復合板性能、生產成本等因素對密度加以控制。在密度單因素試驗分析的基礎上，探究密度與其他工藝參數間的交互效應對復合板性能指標的影響，同時結合相關國家標準，對包裝箱用復合板制備工藝進行優化、選取，旨在為提高復合板性能、降低復合板生產成本提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設備

1.1.1

試驗材料。稻殼，黑龍江省五常縣，由當年生產水稻脫殼所得，尺寸在20+～8-目；刨花，由混雜木剩余物削片制得；脲醛樹脂膠，固體含量58.5%，黏度大于100 mPa·s，pH7.96，游離甲醛1.52%，市售工業品；異氰酸酯，選用多苯基多亞甲基多異氰酸酯（PAPI），市售工業品；固化劑，質量分數為20%的NH4Cl水溶液，實驗室配制。

1.1.2

試驗設備。熱壓機（KU-HPD-1515），日本；拌膠機（VR-22），德國；立式裁板鋸（SZ3-600D），日本；萬能力學試驗機（UTM-10T-PL），日本；恒溫水槽（BK-53），日本；恒溫干燥箱（DX-58），日本；振動篩（HC-400-2P），中國。

1.2 試驗方法

1.2.1

包裝箱用復合板結構。包裝箱用復合板結構如圖1所示，稻殼位于復合板中間，作為芯層，尺寸在20+～8-目（占稻殼總量的92.4%～94.7%），木刨花主要用于提升復合板的靜曲強度和彈性模量，置于表層，尺寸控制在20+目。復合板厚度20 mm，幅面405 mm×405 mm。

平均勻設計，將試驗方案定為21組，重復系數m=3。復合板制備后將其置放在溫度20 ℃、濕度65%的環境條件下72 h，以平衡復合板內部應力，使其充分穩定，然后進行試件制備及測試。由于我國沒有木質包裝箱板制備相關標準，而該研究的包裝箱用復合板的制備技術與刨花板相近，故試件的裁制及測試方法依照我國現行的GB/T4897-2003《刨花板》的國家標準，試驗方案與結果見表2。采用均勻設計v4.0注冊版對試驗數據進行逐步回歸分析，并以曲線圖和等值圖的形式直觀表示試驗因子對包裝箱用復合板性能的影響規律。在滿足性能要求的前提下，綜合考慮生產成本、生產周期和甲醛釋放量等因素，對復合板制備的優化工藝進行確定[7-9]。

2.2 密度對復合板力學性能的影響

2.2.1

內結合強度。密度的變化對包裝箱用復合板內結合強度的影響如圖5所示。復合板內結合強度隨密度的增大先增大后減小。當密度在0.75～0.80 g/cm3時，復合板的內結合強度隨密度的增加而增大；當密度≥0.80 g/cm3時，密度的增加反而導致復合板內結合強度下降。由圖5可知，密度在試驗范圍內取值，復合板的內結合強度均能滿足國家對普通用板的內結合強度要求（≥0.24 MPa）。當密度在0.77～0.83 g/cm3內取值時，復合板的內結合強度>0.50 MPa的試驗設計值。復合板的內結合強度主要受芯層膠合強度的影響。在內結合強度達到峰值之前，密度的增加使稻殼的壓縮率增加，減小了稻殼間空隙，改善了稻殼與稻殼之間的交織狀況和稻殼與膠之間的膠合效果，從而提高了復合板的內結合強度。當密度≥0.80 g/cm3時，內結合強度隨密度的增加呈顯著下降趨勢。通過查閱文獻可以發現，稻殼的實際密度約為0.735 g/cm3[4]。通常，刨花板存在密度曲線，一般情況下復合板表層密度大于芯層密度。當復合板整體密度≥0.80 g/cm3時，芯層密度大于稻殼自身的實際密度，在熱壓干燥的狀態下，密度的繼續增大會造成稻殼纖維結構的過度破壞，從而導致復合板的內結合強度下降。

密度與其他因素對復合板內結合強度的交互影響等值圖如圖6所示。選擇0.75～0.80 g/cm3密度區間與其他因素對復合板內結合強度的交互效應等值圖進行分析。通過密度與芯層比例（圖6a）、芯層施膠量（圖6b）、熱壓溫度（圖6c）、熱壓時間（圖6d）的交互效應等值圖可知，在0.75～0.80 g/cm3的密度區間，增加芯層比例和芯層施膠量、降低熱壓溫度、減少熱壓時間均有利于提高復合板的內結合強度。從節約成本、減少甲醛釋放量的角度考慮，在保證復合板性能的前提下，增加芯層比例、降低熱壓溫度、減少熱壓時間均為可取措施，而在存在其他選擇的前提下，通過增加芯層施膠量來提升復合板內結合強度的措施不可取。當芯層比例在60%～70%、芯層施膠量6%、熱壓溫度<190 ℃、熱壓時間<30 s/mm時，可優先選擇0.77 g/cm3的密度值對復合板生產進行設計。

2.2.2

靜曲強度和彈性模量。

密度的變化對包裝箱用復合板靜曲強度和彈性模量的影響如圖7a和圖7b所示。復合板的靜曲強度和彈性模量整體表現為隨密度的增加而顯著增加，即增加復合板密度有利于提高復合板的靜曲強度和彈性模量。由圖7可知，當密度在試驗范圍內取值時，復合板的靜曲強度和彈性模量均可達到國家對于結構用板的要求。當密度在0.75～0.82 g/cm3取值時，復合板的彈性模量隨密度的增大而增大，但增幅逐漸趨于緩慢；當密度≥0.82 g/cm3時，復合板的彈性模量隨密度的增大而小幅度下降。當密度≥0.77 g/cm3時，可以確保復合板的靜曲強度>18 MPa、彈性模量>3 000 MPa的試驗設計值。密度對于復合板力學性能的改善作用主要是由于刨花板在成板過程中，隨著密度的增大，復合板中的纖維結構增多，壓縮程度加大，原料間的交聯作用更為明顯，與膠黏劑之間的膠合效果也可在一定程度上得到改善，致使板的強度相應增加。

密度與其他因素對包裝箱用復合板靜曲強度和彈性模量的交互影響如圖8、9所示。選擇0.75～0.80 g/cm3密度區間與其他因素對復合板靜曲強度和彈性模量的交互效應等值圖進行分析。通過對密度與熱壓溫度（圖8a和圖9a）、熱壓壓力（圖8b和圖9b）、熱壓時間（圖8c和圖9c）的交互效應等值圖可知，在0.75～0.80 g/cm3的密度區間，增加熱壓壓力有利于提高復合板的靜曲強度，但同時會增加能耗成本；而降低熱壓溫度和熱壓時間可以在提高復合板靜曲強度和彈性模量的同時，減少生產成本與生產周期，有利于復合板的市場化生產。當熱壓溫度≤185 ℃、熱壓時間≤28 s/mm時，0.75 g/cm3的密度值足以使復合板具備較高的強度。

3 結論

該文主要探討了密度對稻殼-木質剩余物包裝箱用復合板性能的影響，通過試驗研究可以得到如下結論。

（1）復合板2 h吸水厚度膨脹率隨密度的增大而減小，即增加密度有利于改善復合板的尺寸穩定性。密度在0.80～0.85 g/cm3時，可滿足2 h吸水厚度膨脹率≤8%的國家標準要求。當芯層比例為58%～62%、表層施膠量≥12%、熱壓溫度<190 ℃、熱壓壓力≥3.1 MPa時，可優先選擇0.78 g/cm3的密度值。

（2）復合板內結合強度隨密度的增大先增大后減小。當密度在0.77～0.83 g/cm3內取值時，復合板的內結合強度≥0.50 MPa的試驗設計值。當芯層比例在60%～70%取值、芯層施膠量6%、熱壓溫度<190 ℃、熱壓時間<30 s/mm時，可優先選擇0.77 g/cm3的密度值。

（3）復合板的靜曲強度和彈性模量整體表現為隨密度的增加而顯著增加，即增加復合板密度有利于提高復合板的靜曲強度和彈性模量。當密度≥0.77 g/cm3時，可以確保復合板的靜曲強度>18 MPa、彈性模量>3 000 MPa的試驗設計值。當熱壓溫度≤185 ℃、熱壓時間≤28 s/mm時，可優先選擇0.75 g/cm3的密度值。

（4）對于稻殼-木質剩余物包裝箱用復合板性能的改善可通過優化其他工藝以獲得較低的復合板密度值：0.75～0.78 g/cm3。為降低復合板的生產成本、提高復合板的市場競爭力，可根據復合板的具體使用環境與其對尺寸穩定性和力學性能的要求，優先選擇較低密度。

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