枝椏材制備木質(zhì)刨花板成板工藝及性能研究*

周志芳　黃海兵　趙思淼　李晨琦　何金存　王宏棣**（.黑龍江省木材科學(xué)研究所，哈爾濱　5008；2.黑龍江省木材科學(xué)研究所國家林業(yè)局制材研究實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱　5008；3.黑龍江省木材科學(xué)研究所省木材綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱　5008；4.黑龍江省人造板及原木鋸材產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站，哈爾濱　5008）

枝椏材制備木質(zhì)刨花板成板工藝及性能研究*

周志芳1，2黃海兵1，4趙思淼1，3李晨琦1何金存1，3王宏棣1，3**
（1.黑龍江省木材科學(xué)研究所，哈爾濱150081；2.黑龍江省木材科學(xué)研究所國家林業(yè)局制材研究實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150081；3.黑龍江省木材科學(xué)研究所省木材綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150081；4.黑龍江省人造板及原木鋸材產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站，哈爾濱150081）

采用柳樹枝椏材制得的片狀刨花制備木質(zhì)刨花板；通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究施膠量、預(yù)設(shè)密度以及石蠟添加量對(duì)板材物理力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，預(yù)設(shè)密度對(duì)靜曲強(qiáng)度和靜曲彈性模量均有顯著的正相關(guān)線性影響，對(duì)內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度有顯著影響；施膠量對(duì)靜曲彈性模量和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度有一定的正相關(guān)影響；所有試驗(yàn)因素對(duì)2 h吸水厚度膨脹率均有一定影響。從板材性能和成本角度考慮，確定柳樹枝椏材制備木質(zhì)刨花板的最佳工藝為：施膠量7%，預(yù)設(shè)密度0.7 g/cm3，石蠟添加量4%。

枝椏材；木質(zhì)刨花板；制備工藝

枝椏材主要來自于森林撫育間伐，是林區(qū)木質(zhì)剩余物的一種。國內(nèi)外均已開始研究如何高效利用枝椏材。當(dāng)前國內(nèi)外最常見的枝椏材利用方式是制漿造紙，但枝椏材并不是適合制漿造紙的優(yōu)良原料，因此學(xué)者們開始研究利用枝椏材制備刨花板的可行性。Rios P.D.等人［2］用整體南美杉枝椏材與巨桉木粉按照不同比例混合制備刨花板，結(jié)果表明，完全用枝椏材制備的刨花板也能達(dá)到普通商用刨花板的性能。Duarte dasilva等人［3］用兩種不同樹種的撫育剩余物經(jīng)過粉碎后制備刨花板并檢測(cè)相關(guān)性能，證明其中有一種原料制備的板材性能更為優(yōu)越。John A.Barboutis等人［4］用五種地中海常綠闊葉樹種的木材、枝椏和葉子等生物質(zhì)原料通過粉碎后制備刨花板，結(jié)果表明制備的板材物理力學(xué)性能明顯差于常規(guī)刨花板，但尺寸穩(wěn)定性較優(yōu)。國內(nèi)學(xué)者李凱夫、董葛平等人［5-6］均提出了用枝椏材制備刨花板，并完成了多指標(biāo)的性能檢測(cè)。張厚友等人［7］研究了毛枝椏的生產(chǎn)過程，揭示了當(dāng)前林區(qū)進(jìn)行枝椏材收集和交易的現(xiàn)狀。前人的研究結(jié)果表明，用枝椏材制備木質(zhì)刨花板是可行的，但其物理力學(xué)強(qiáng)度不太理想［8］。本研究以柳樹枝椏材為原料，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法研究了成板工藝參數(shù)與成板性能之間的關(guān)系，進(jìn)而確定較優(yōu)的柳樹枝椏材制備刨花板成板工藝。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料及設(shè)備

帶皮柳樹枝椏，采自黑龍江省綏棱林業(yè)局，3年樹齡，株高約2.5m，直徑約2cm，經(jīng)過長期自然放置后與大氣平衡含水率一致；異氰酸酯膠黏劑，黑龍江佰嘉生物質(zhì)材料有限公司提供；液體石蠟，分析純，天津化學(xué)試劑廠。

試驗(yàn)設(shè)備有：自制實(shí)驗(yàn)型灌木枝椏材刨片機(jī)；KUHPD-1515型單層試驗(yàn)用熱壓機(jī)，產(chǎn)地日本；MW-4型木材萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，產(chǎn)地日本；IA-61型恒溫恒濕箱；CS871型熱風(fēng)循環(huán)干燥箱，產(chǎn)地中國吳江；游標(biāo)卡尺。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1刨花的制備

將氣干后的柳樹枝椏鋸成長約90cm的短料，放入自制刨片機(jī)制成一定規(guī)格尺寸的刨花，人工過8目篩子；將自制刨花放進(jìn)熱風(fēng)循環(huán)干燥箱中，在102℃烘干4 h后裝入塑料袋中密封備用。用烘干法測(cè)定刨花的終含水率為3.5%±0.3%。

1.2.2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選用正交表L9（34）安排試驗(yàn)，試驗(yàn)因素為施膠量、預(yù)設(shè)密度、石蠟添加量，每個(gè)因素考察3個(gè)水平，具體試驗(yàn)方案見表1。熱壓工藝參數(shù)設(shè)定為：熱壓溫度150℃，預(yù)壓壓力1mPa，預(yù)壓時(shí)間30s；熱壓壓力4mPa，熱壓時(shí)間8min。

表1　試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.2.3板材的壓制

首先，根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)確定的配方，計(jì)算每組所需的原料量。將計(jì)量后的刨花放入拌膠機(jī)中，啟動(dòng)拌膠機(jī)，噴施異氰酸酯膠黏劑，混合10min左右后加入液體石蠟，繼續(xù)混合10min后將刨花移出進(jìn)行手工鋪裝，經(jīng)預(yù)壓、熱壓工藝制備尺寸為400mm×400mm×12mm的刨花板。

1.2.4板材物理力學(xué)性能測(cè)試

按照GB/T 17657-2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》測(cè)試，包括靜曲強(qiáng)度（MOR）、靜曲彈性模量（MOE）、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度（IB）、2 h吸水厚度膨脹率（TS）、密度（D）和含水率（WC）。

2　結(jié)果與分析

2.1物理力學(xué)性能測(cè)定結(jié)果

測(cè)定結(jié)果（表2）顯示，試樣的最終密度與預(yù)設(shè)密度之間出現(xiàn)了小幅度偏差，這是由于試樣制備過程中的計(jì)量和鋪裝環(huán)節(jié)由人工完成。表2表明，試樣的含水率與試驗(yàn)因子的相關(guān)性不大，含水率最大值和最小值的差距為2%，平均含水率為4.67%，即不同試驗(yàn)號(hào)制得的試樣其含水率差距并不大。板材含水率直接取決于原材料的干燥程度以及膠黏劑用量，原料的干燥程度是相似的，刨花的初始含水率是3.5%±0.3%，膠黏劑是異氰酸酯且添加量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于刨花板常用的脲醛樹脂。由此得出，膠黏劑對(duì)板材含水率的影響不大。

表2　試樣各項(xiàng)物理力學(xué)性能測(cè)定結(jié)果

2.2試驗(yàn)因素對(duì)靜曲強(qiáng)度的影響

由表3前三行可以看出，3個(gè)因素的F值均未達(dá)到F0.05的臨界值，這說明3個(gè)因素對(duì)靜曲強(qiáng)度均無顯著影響，導(dǎo)致這種結(jié)果的原因主要是誤差的自由度較小進(jìn)而使F值較小，無法達(dá)到臨界值，這就降低了方差分析的靈敏度。此時(shí)需進(jìn)一步觀察3個(gè)因素的F值，其中，因素B即預(yù)設(shè)密度的F值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他因素，因此把其他因素放入誤差中單獨(dú)計(jì)算因素B對(duì)靜曲強(qiáng)度影響的顯著性（表3后兩行），此時(shí)因素B的F值明顯大于臨界值，可見因素B對(duì)試樣的靜曲強(qiáng)度是有顯著影響的，顯著性水平為0.05。預(yù)設(shè)密度是保證足夠數(shù)量的刨花能在壓力作用下形成內(nèi)部結(jié)合的主要保障，因此也是決定試樣靜曲強(qiáng)度的主要因素。

表3　靜曲強(qiáng)度方差分析

從圖1中可以看出，隨著試樣密度增加，MOR也明顯升高，且兩者之間呈近似線性的正相關(guān)關(guān)系。進(jìn)一步進(jìn)行線性擬合得到的線性模型為y=84.38x-36.76，相關(guān)系數(shù)R2為0.97，線性模型的擬合顯著性檢驗(yàn)結(jié)果為顯著，即模型能在該密度區(qū)間內(nèi)擬合得較好，該模型可用于預(yù)測(cè)該密度區(qū)間內(nèi)試樣的MOR值。當(dāng)試樣密度大于0.6 g/cm3時(shí)其MOR值就能達(dá)到GB/T 4897-2015中干燥狀態(tài)下使用的家具型刨花板的相關(guān)要求，試樣密度為0.7 g/cm3時(shí)的MOR值可達(dá)到干燥狀態(tài)下重承載型刨花板的要求；而若密度進(jìn)一步增加，相應(yīng)的制造成本也會(huì)明顯增加。當(dāng)試樣密度為0.5 g/cm3時(shí)，MOR值不合格?？梢姡芏仁菦Q定板材靜曲強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，且預(yù)設(shè)密度越高則靜曲強(qiáng)度越大。

2.3試驗(yàn)因素對(duì)靜曲彈性模量的影響

從表4可以看出，因素B的F值大于F0.05，另外2個(gè)因素的F值均小于F0.05，可見預(yù)設(shè)密度顯然對(duì)靜曲彈性模量有明顯影響；因素C的F值小于因素A，因此將因素C歸入誤差項(xiàng)進(jìn)一步做二次方差分析。結(jié)果表明，因素B仍對(duì)靜曲彈性模量有極顯著的影響，而因素A對(duì)靜曲彈性模量有一定影響，因?yàn)橐蛩谹的F值在F0.1到F0.2之間，此時(shí)誤差的自由度小于5，而誤差自由度過小會(huì)嚴(yán)重影響方差分析的準(zhǔn)確度，所以此時(shí)應(yīng)放寬判定值，即鑒于F0.1到F0.2之間可認(rèn)為因素對(duì)指標(biāo)有一定影響。施膠量的大小將會(huì)直接影響刨花之間的膠合面積以及膠合強(qiáng)度，而預(yù)設(shè)密度的作用仍是保證刨花之間能在物理距離上緊密接觸，這2個(gè)因素共同影響試樣的靜曲彈性模量。

圖1　密度與MOR的關(guān)系

圖2　密度、施膠量與MOE的關(guān)系

表4　 靜曲彈性模量方差分析

從圖2（a）中可看出，隨著試樣密度增加，MOE呈線性上升。同樣，進(jìn)行線性模型擬合得到模型y=10.39x-4.42，相關(guān)系數(shù)R2為0.99，線性模型的擬合顯著性檢驗(yàn)結(jié)果為顯著，即模型能在該密度區(qū)間內(nèi)擬合較好，該模型可用于預(yù)測(cè)該密度區(qū)間內(nèi)試樣的MOE值。施膠量與MOE之間存在一定的正相關(guān)性圖，圖2（b）顯示，在本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的施膠量范圍內(nèi)，MOE隨著施膠量的增加而提高，因?yàn)槟z黏劑是刨花之間形成結(jié)合力的媒介，在一定范圍內(nèi)施膠量越多則板材的物理力學(xué)性能越好。此外，隨著施膠量增加，MOE測(cè)定的偏差變大，說明施膠量為10%時(shí)試樣的強(qiáng)度均勻性變差，這可能是由于施膠量較大導(dǎo)致板材內(nèi)部出現(xiàn)過度吸膠的膠塊，進(jìn)而導(dǎo)致試樣在受力時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn)，宏觀上表現(xiàn)為MOE的測(cè)定偏差較大，因此施膠量的確定原則是既保證板材強(qiáng)度且添加量最低。

2.4試驗(yàn)因素對(duì)內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的影響

從表5可以看出，3個(gè)因素的F值均未達(dá)到F0.05的臨界值，這同樣是因?yàn)檎`差的自由度較小進(jìn)而降低了方差分析的靈敏度，因此將均方和最小的因素C歸入誤差中再次進(jìn)行方差分析，相關(guān)結(jié)果見表5。此時(shí)因素B即預(yù)設(shè)密度的F值達(dá)到了F0.05，這說明預(yù)設(shè)密度對(duì)內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度有顯著影響；因素A即施膠量的F值在F0.1到F0.2之間，即施膠量對(duì)內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度有一定的影響。

表5　內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度方差分析

由圖3（a）可看出，隨著密度增加，試樣的IB顯著升高，當(dāng)試樣密度大于0.6時(shí)IB值出現(xiàn)了質(zhì)的提高。這說明試樣密度是保證刨花碎料充分接觸并在膠黏劑作用下形成內(nèi)部結(jié)合的關(guān)鍵因素。從圖3（a）還可看出，在本試驗(yàn)考察的密度范圍內(nèi)內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度與密度之間顯然不是線性增長關(guān)系，試樣密度從0.6 g/cm3增加到0.7 g/cm3的過程中，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度出現(xiàn)了倍數(shù)級(jí)的增加，可見板材的預(yù)設(shè)密度在0.6～0.7 g/cm3之間是合理的。由圖3（b）可看出，隨著施膠量增加，IB呈線性增加，線性擬合模型y=0.02x-0.03，相關(guān)系數(shù)R2為0.98，線性模型的擬合顯著性檢驗(yàn)結(jié)果為顯著，即模型能在該施膠量區(qū)間內(nèi)擬合較好，該模型可用于預(yù)測(cè)該施膠量區(qū)間內(nèi)試樣的IB值。

2.5試驗(yàn)因素對(duì)2 h吸水厚度膨脹率的影響

表6顯示，3個(gè)因素的F值比較接近，但是均未達(dá)到F0.05的臨界值，這也是因?yàn)檎`差的自由度過小而大大降低了方差分析的靈敏度。此時(shí)仍采取放寬臨界值的方法，3個(gè)因素的F值均在F0.1到F0.2范圍內(nèi)，這說明3個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)2 h吸水厚度膨脹率均有一定影響。

圖3　密度、施膠量與IB的關(guān)系

表6　2 h吸水厚度膨脹率方差分析

圖4　施膠量、密度、石蠟添加量與2hTS的關(guān)系

圖4（a）表明，當(dāng)施膠量為4%時(shí)試樣的2hTS值最大，施膠量為7%時(shí)試樣的2hTS值最小，而施膠量為10%時(shí)的2hTS值略高于施膠量為7%時(shí)的試樣?？梢?，2hTS隨著施膠量的增加而呈下降趨勢(shì)，施膠量越大，板材內(nèi)部的結(jié)合強(qiáng)度越高，在短期吸水過程中仍能較好保持外觀尺寸；而施膠量足夠多時(shí)，即使繼續(xù)增加施膠量，試樣的2hTS值也不會(huì)繼續(xù)降低，這是因?yàn)槟举|(zhì)材料自身就具有吸水性。由此，確定施膠量為7%較為合理。

由圖4（b）可看出，隨著試樣密度的增加，2hTS出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。理論上講，2hTS應(yīng)該隨著試樣密度增加而持續(xù)降低，因?yàn)樵嚇用芏仍酱髣t試樣內(nèi)部存在的微觀孔隙數(shù)量會(huì)明顯下降，這些微觀孔隙將為水分進(jìn)入試樣內(nèi)部提供毛細(xì)管類通道，微觀孔隙越少則試樣在同樣時(shí)間內(nèi)的吸水率自然就下降了。但實(shí)際結(jié)果表明，試樣密度為0.6 g/cm3時(shí)的2hTS值高于密度為0.5 g/cm3的試樣，這從側(cè)面說明密度從0.5 g/cm3增加到0.6 g/cm3的過程中，試樣內(nèi)部的密室并未出現(xiàn)質(zhì)的改變，即2種試樣內(nèi)部存在的微觀孔隙數(shù)量差異不大；而當(dāng)試樣密度繼續(xù)升高到0.7 g/cm3時(shí)，試樣2hTS值則明顯下降，此時(shí)試樣內(nèi)部緊實(shí)度達(dá)到最高，刨花之間實(shí)現(xiàn)了物理上的緊密接觸，這就大大減少了試樣內(nèi)部微觀孔隙形成的可能性。

從圖4（c）可看出，隨著石蠟添加量逐漸增加，試樣的2hTS值也出現(xiàn)了先增加后降低的現(xiàn)象。添加石蠟的作用主要是使其附著在刨花表面并提供一定的拒水特性，即石蠟的添加量應(yīng)該與刨花的比表面積之間互相匹配。相對(duì)于刨花巨大的比表面積，讓石蠟完全覆蓋所有刨花的表面是不現(xiàn)實(shí)的。圖4（c）中，石蠟添加量為2.5%時(shí)試樣2hTS值最大，石蠟添加量為4%時(shí)試樣2hTS值最小，同樣這也是因?yàn)槭炋砑恿繛?%和2.5%時(shí)的差異并不大，所以2種條件下試樣的2hTS差異較小，甚至出現(xiàn)石蠟添加量為2.5%的試樣2hTS更大的現(xiàn)象。當(dāng)石蠟添加量達(dá)到4%時(shí)，試樣的拒水性能出現(xiàn)顯著提高，即2 h吸水厚度膨脹率明顯下降。

3　結(jié)　論

3.1試樣的最終密度基本與預(yù)設(shè)密度相當(dāng)，且終含水率也基本一致。預(yù)設(shè)密度對(duì)試樣MOR有顯著影響，兩者為線性相關(guān)關(guān)系；預(yù)設(shè)密度對(duì)靜曲彈性模量也有顯著影響，即MOE隨著試樣密度增加而呈線性增加；此外，施膠量對(duì)MOE有一定影響，MOE隨著施膠量增加而呈線性增加。

3.2預(yù)設(shè)密度對(duì)試樣IB也有顯著影響，隨著試樣密度增加IB出現(xiàn)倍數(shù)級(jí)的增長，兩者并不是線性正相關(guān)關(guān)系；施膠量對(duì)IB有一定影響，兩者存在線性正相關(guān)趨勢(shì)。

3.3施膠量、預(yù)設(shè)密度以及石蠟添加量均對(duì)2hTS有一定影響，其中2hTS隨著施膠量增加而明顯降低并趨于穩(wěn)定、隨著試樣密度的增加而波動(dòng)性下降、隨著石蠟添加量增加而波動(dòng)性下降。

3.4從板材性能和成本角度可確定，最佳的制備工藝是施膠量為7%，預(yù)設(shè)密度為0.7 g/cm3，石蠟添加量為4%。

［1］謝佳利，亢新剛，孔雷，杜志.2020年我國的木材需求預(yù)測(cè)［J］.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（12）：154-158.

［2］Rios Polliana D'Angelo，Vieira Helenacristina，Stupp Angelamaria，et al.Physical andmechanical review of particleboardcomposed of dry particles of branches of Araucaria angustifolia （Bertol.）Kuntze and wood of Eucalyptus grandis Hill exmaiden［J］.Scientia Forestalis，2015，43（106）：283-289.

［3］Duarte dasilvamanuel Joaquim，Bezerra Barbarastolte，Gomes Battistelle Rosane Aparecida，et al.Prospects for the use ofmunicipal tree pruning wastes in particleboard production［J］. Wastemanagement&research：the journal of the Internationalsolid Wastes and Publiccleansing Association，ISWA，2013，31 （9）：960-965.

［4］John A.Barboutis，John L.Philippou.Evergreenmediterranean hardwoods as particleboard rawmaterial［J］.Building and Environment，2007（42）：1183-1187.

［5］李凱夫.白樺枝椏材制造刨花板的優(yōu)化工藝［J］.木材工業(yè)，2000，14（5）：6-9.

［6］董葛平，鄧玉和，王新洲等.竹柳材性及其刨花板制造工藝研究［J］.西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，23（3）：92-96.

［7］張厚友，成林芝，李胤等.毛枝椏生產(chǎn)工藝［J］.吉林林業(yè)科技，2013，42（2）：58-59.

［8］黃海兵，張長武，孫建飛等.制造工藝對(duì)稻殼——木質(zhì)剩余物復(fù)合板吸水厚度膨脹率的影響［J］.森林工程，2014，30 （5）：36-41.

第1作者簡介：周志芳（1981-），女，助理研究員，主要從事生物質(zhì)復(fù)合材料的研究。

（責(zé)任編輯：潘啟英）

The Preparation and Properties of Wooden Particleboard Fabricated by Wood Branches

ZHOU Zhifang
（Heilongjiang Institute of Woodscience，Harbin150081）

Willow wood branches arechipped as flakeshavings used to fabricate wooden particleboard. Orthogonal testmethod was designed to research the influence of experimental factors（adhesive addition，designed density，wax addition）onmechanical properties.The resultsshowed that the predesigned density hadsignificant influences onmOR andmOE both behaving positive linecorrelation.The predesigned density hadsignificant influences on IB.Adhesive addition hassome positive effects tomOE and IB.All experimental factors have influences on TS at acertain degree.Aftercomprehensivelyconsidering themechanical properties andcost，the optimum preparation technology parameters of particleboard produced by wood branches are adhesive addition7%，predesigned density0.7 g/cm3 and wax addition 4%.

Wooden branches；Wooden particleboard；Preparation

S784，TS653.5

A

1001-9499（2016）05-0020-05

王宏棣（1961-），男，研究員，主要從事木質(zhì)重組材料的研究。

2016-07-04

* 黑龍江省森林工業(yè)總局科技計(jì)劃項(xiàng)目（sgzjY2013011）；黑龍江省林業(yè)科學(xué)院面上青年基金項(xiàng)目（2015Q02）