金 淘，徐劍瑩*，曾 敏，李新功

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紅麻稈無(wú)膠碎料板的研究

金 淘，徐劍瑩，曾 敏，李新功

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

制定了紅麻稈（）材料在無(wú)任何添加劑的條件下制作無(wú)膠碎料板的相關(guān)工藝，探討了紅麻桿無(wú)膠碎料板的密度與其物理力學(xué)性能（靜曲強(qiáng)度、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度、吸水厚度膨脹率）間的關(guān)系，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4897.2-2003干燥狀態(tài)下使用的普通刨花板要求評(píng)價(jià)了紅麻桿無(wú)膠碎料板的性能，結(jié)果表明：當(dāng)密度大于0.7 g/cm時(shí)，紅麻稈無(wú)膠碎料板的性能即能夠滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。并使用傅里葉紅外光譜研究了其在熱壓過(guò)程中的官能團(tuán)變化，進(jìn)而初步分析紅麻稈無(wú)膠碎料板的膠合機(jī)理。

紅麻稈；無(wú)膠碎料板；傅里葉紅外光譜

紅麻（）也稱(chēng)作洋麻，是一種源于古非洲的一年生草本植物，迄今在世界各地廣泛栽培，我國(guó)紅麻資源豐富。紅麻是一種低投入高產(chǎn)出的經(jīng)濟(jì)作物。在結(jié)構(gòu)組成上，紅麻分為外層韌皮纖維及內(nèi)芯兩部分，其中外層韌皮纖維作為編織和造紙?jiān)弦呀?jīng)得到廣泛應(yīng)用，紅麻稈芯則可以替代木材用于制造人造板。

許多研究和試驗(yàn)表明，一些植物碎料及粉末材料可以在噴蒸或熱壓處理下無(wú)須施膠即能壓制成板材，這種工藝叫無(wú)膠膠合，或者自我膠合（self-bonding），主要是由于在噴蒸或熱壓的條件下材料本身發(fā)生了化學(xué)成分改變，包括植物材料自身的半纖維素以及部分纖維素水解成為了游離的低分子糖，此過(guò)程中木素的軟化降解有利于碎料自身膠粘反應(yīng)并可以與糠醛類(lèi)化合物生成樹(shù)脂聚合物。無(wú)膠膠合工藝具有無(wú)游離甲醛釋放的優(yōu)點(diǎn)，一直都受到研究人員的極大關(guān)注。

紅麻稈本身密度很小，且化學(xué)成分中半纖維素含量高于普通木材。本試驗(yàn)選用紅麻稈做原材料在熱壓條件下進(jìn)行無(wú)膠碎料板可行性的研究，并通過(guò)紅外光譜分析法試解釋紅麻稈無(wú)膠板無(wú)膠膠合的機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

剝麻后的紅麻稈：產(chǎn)地河南信陽(yáng)，稈長(zhǎng)約1.2 m，直徑為10 ~ 25 mm，含水率約為10%，氣干密度為0.15 g/cm。紅麻稈手工除髓，再使用粉碎機(jī)制成碎料。

1.2 制板工藝

制板工藝：碎料制備→碎料計(jì)量→含水率調(diào)節(jié)→手工鋪裝→預(yù)壓→熱壓→試件截取→性能檢測(cè)。

壓制無(wú)膠碎料板的規(guī)格為210 mm×210 mm×6 mm，目標(biāo)密度0.5 ~ 0.9 g/cm，板坯的含水率控制在20%左右。不添加任何添加劑，熱壓溫度設(shè)定為200℃、熱壓壓力3 ~ 5 MPa，熱壓10 min后，進(jìn)行分段降壓，以避免快速降壓出現(xiàn)的分層現(xiàn)象。

1.3 試件的測(cè)試

所有的紅麻稈無(wú)膠碎料板依照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4897.2-2003干燥狀態(tài)下使用的普通刨花板要求條件進(jìn)行試件的制作，然后進(jìn)行力學(xué)性能的測(cè)試。測(cè)試的主要指標(biāo)有：靜曲強(qiáng)度（）、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度（）、2 h吸水厚度膨脹率（）。

1.4 紅外光譜分析

分別將紅麻稈原料與無(wú)膠碎料板制成的粉末，篩選通過(guò)100目作為試樣，使用KBr（分析純）壓片法制樣，使用日本島津公司的IRAffinity-1傅里葉紅外光譜儀測(cè)其紅外光譜，依據(jù)譜峰位置和譜峰相對(duì)吸收強(qiáng)度的變化，分析和確定熱壓制板過(guò)程中紅麻稈的化學(xué)組分官能團(tuán)的變化，探索無(wú)膠膠合機(jī)理。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 靜曲強(qiáng)度

由圖1可以看出：在研究范圍內(nèi)，紅麻稈無(wú)膠板的靜曲強(qiáng)度隨著密度的增大呈上升趨勢(shì)，高密度條件下最大值可以達(dá)到20 MPa以上。這主要是由于隨著密度增大碎料板的壓縮比增大，碎料間壓縮更加緊密，為碎料和碎料之間、碎料與縮合物之間產(chǎn)生更多的氫鍵、化學(xué)鍵及范德華力提供必要條件。在高溫、較高板坯含水率的條件下，木素被軟化的同時(shí)半纖維素和部分纖維素水解成為游離低分子化合物，進(jìn)而參與無(wú)膠板的膠合。

圖1 紅麻稈無(wú)膠板靜曲強(qiáng)度

Figure 1 Bending strength of kenaf stalk particleboard

由圖1中可以看出當(dāng)密度大于0.7 g/cm即可達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4897.2-2003中的12 MPa的性能指標(biāo)。邵順流等利用毛竹為原料使用爆破法制作無(wú)膠板，竹材無(wú)膠板可以通過(guò)提高密度達(dá)到近30 MPa的靜曲強(qiáng)度，然而同為0.7 g/cm密度下，毛竹無(wú)膠蒸爆板的靜曲強(qiáng)度只有5 MPa左右。紅麻由于自身密度較小的原因，使其在較低密度條件下（0.7 g/cm左右時(shí)）無(wú)膠碎料板的靜曲強(qiáng)度性能具有一定的優(yōu)勢(shì)。

2.2 內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度

由圖2可見(jiàn)，紅麻稈無(wú)膠碎料板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度也是隨著板的密度的增大呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。無(wú)膠板膠合依靠自身物質(zhì)降解形成利于膠合的聚合物的交聯(lián)作用以及氫鍵間的相互結(jié)合力，通常制作無(wú)膠板都會(huì)將密度設(shè)定在1.0 g/cm甚至更高，這樣既可增大材料的壓縮比，增加碎料相互接觸面積又可使碎料之間的氫鍵、范德華力相互結(jié)合作用更加緊密。由圖2可以看出，紅麻稈制作無(wú)膠板在密度為0.5 g/cm時(shí)，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度超過(guò)了0.1 MPa，由于紅麻自身密度較低，所以在較低密度下壓縮時(shí)仍可以獲得緊密的結(jié)合。紅麻稈無(wú)膠板在密度為0.8 g/cm時(shí)，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度就可以達(dá)到0.6 MPa以上。但當(dāng)密度大于0.9 g/cm時(shí)，易出現(xiàn)分層現(xiàn)象。這是因?yàn)楦呙芏劝逶跓釅簵l件下，板內(nèi)的水蒸氣難以排出，造成板內(nèi)壓力過(guò)大，卸壓時(shí)當(dāng)板內(nèi)壓力高于其內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

Figure 2 Internal bonding strength of kenaf stalk particleboard

參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4897.2-2003，由圖2中可以看出當(dāng)密度在0.7 g/cm時(shí)內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度為0.35 MPa，超過(guò)了該條件下的0.28 MPa的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。與使用油棕爆破法制作無(wú)膠纖維板做比較，油棕?zé)o膠板密度為0.75g/cm時(shí)，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度只達(dá)到0.3 MPa。在0.7 g/cm左右的較低密度下，紅麻無(wú)膠板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)顯現(xiàn)出來(lái)。

Figure 3 Thickness swelling rate of kenaf stalk particleboard

2.3 2 h吸水厚度膨脹率

從圖3可以看出：隨著密度的增加，紅麻桿無(wú)膠碎料板吸水厚度膨脹率明顯下降。這是由于低密度的紅麻稈無(wú)膠板板內(nèi)空隙多，吸收較多的水份，此外低密度條件下碎料間膠合強(qiáng)度也較低，因而吸水厚度膨脹率較大（當(dāng)密度為0.5 g/cm時(shí)，在水中浸漬2 h后，無(wú)膠板碎料已經(jīng)散開(kāi)無(wú)法取得數(shù)據(jù)）。與普通施膠的刨花板相比，低密度紅麻無(wú)膠碎料板的吸水厚度膨脹率要大的多，其原因一方面是非木材植物原料通常具有高的吸水性特性，另一方面是無(wú)膠板膠合主要是通過(guò)自身物質(zhì)的降解形成結(jié)合力，一旦遇水在親水性的基團(tuán)作用下，這種自身的結(jié)合力極易遭到破壞。但隨著無(wú)膠板密度的增大，板內(nèi)空隙減少，碎料板內(nèi)部結(jié)合性能增強(qiáng)，所以吸水厚度膨脹率呈下降趨勢(shì)。圖3中，當(dāng)密度達(dá)到0.8 g/cm時(shí)，紅麻無(wú)膠碎料板吸水厚度膨脹率降低到20%以下；密度為0.9 g/cm時(shí)，吸水厚度膨脹率已接近10%。

當(dāng)密度大于0.8 g/cm時(shí)，紅麻無(wú)膠碎料板吸水厚度膨脹率下降的趨勢(shì)不明顯。在改進(jìn)無(wú)膠板吸水厚度膨脹率性能上除了單一的依賴(lài)于密度的控制，還可以通過(guò)添加一些憎水性的物質(zhì)來(lái)改善這項(xiàng)性能。

2.4 紅外光譜分析

比較圖4中兩條曲線，可以發(fā)現(xiàn)紅麻稈制板熱壓前后紅外光譜有幾處相對(duì)吸收強(qiáng)度有明顯變化，說(shuō)明紅麻稈在熱壓前后出現(xiàn)了化學(xué)結(jié)構(gòu)上的變化。1 035 cm波數(shù)處為芳香族愈瘡木酚型和環(huán)醚類(lèi)碳—氧伸縮振動(dòng)吸收峰，其峰強(qiáng)度減弱表明了紅麻稈的木素和多糖物質(zhì)在熱壓過(guò)程中發(fā)生了降解現(xiàn)象，通常我們認(rèn)為該過(guò)程中纖維素、半纖維素、木素等高聚物都發(fā)生了降解。1 250 cm波數(shù)附近表征木素芳香核吸收的譜峰，膠合成板后相對(duì)吸收強(qiáng)度有所減弱，反映了木素在催化和熱壓條件下一部分參與了轉(zhuǎn)化反應(yīng)，生成了新的穩(wěn)定的聚合物。說(shuō)明纖維素、半纖維素和木素降解后經(jīng)熱壓過(guò)程生成的新的穩(wěn)定聚合物具有類(lèi)似于“膠粘劑”的作用，使木質(zhì)纖維自身粘合成板。羥基氧—?dú)渖炜s振動(dòng)的吸收峰在3 407 cm波數(shù)位置吸收強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯的減弱，說(shuō)明在熱壓過(guò)程中活性“自由”羥基數(shù)量減少，羥基轉(zhuǎn)化并相互“結(jié)合”形成氫鍵。在無(wú)膠碎料板的熱壓過(guò)程中，羥基締合形成氫鍵增加了碎料之間的結(jié)合力，有利于紅麻稈碎料粘合成板。

Figure 4 FTIR spectrum of kenaf core and binderless particleboard

3 結(jié)論

（1）在熱壓條件下，不添加任何添加劑制作紅麻稈無(wú)膠碎料板的方法是可行的。制作工藝需要在高溫高壓以及適宜的含水率的條件下完成，在這種條件下利于紅麻碎料的自我膠合。

（2）隨著密度增大，紅麻稈無(wú)膠板的各方面力學(xué)性能都呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4897.2-2003干燥狀態(tài)下使用的普通刨花板要求相對(duì)比，在密度達(dá)到0.7 g/cm以上時(shí)，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度和靜曲強(qiáng)度都可以達(dá)到相應(yīng)的指標(biāo)，而吸水厚度膨脹率在板密度達(dá)到0.9 g/cm時(shí)已經(jīng)接近10%。

（3）利用紅外光譜分析，表明在熱壓制板過(guò)程中紅麻稈的纖維素、半纖維素、木素都有不同程度的降解，形成新的類(lèi)似“膠粘劑”聚合物。這類(lèi)代替膠粘劑的聚合物以及締合的氫鍵增加了紅麻碎料之間的結(jié)合力。

[1] 徐劍瑩，郭穎艷，尋覓. 紅麻輕質(zhì)復(fù)合板的研制[A]. 中國(guó)林學(xué)會(huì). 中國(guó)林學(xué)會(huì)木材科學(xué)分會(huì)第十一次學(xué)術(shù)會(huì)議研討會(huì)會(huì)論文集[C]. 昆明：西南林學(xué)院，2007. 479－483.

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Study on Binderless Particleboard from Kenaf Stalk

JIN Tao，XU Jian-ying，ZENG Min，LI Xin-gong

（）

Study was made on manufacture technology of binderless particleboard from kenaf () stalk without any additive under high temperature and pressure. The detection of tested boards demonstrated that mechanical properties, including bending strength, internal bond strength and thickness swelling rate increased with density of the board, and when board density reached 0.7 g/cm, it showed that the tested board met the requirements of the national standard. And change of functional groups during the hot press process was studied with the fourier transform infrared spectroscopy to discuss the self-bonding mechanism of kenaf stalk binderless particleboard.

kenaf stalk; binderless particleboard; fourier transform infrared (FTIR) spectra

1001-3776（2010）01-0053-04

S789.9

A

2009-09-24；

2009-11-10

中南林業(yè)科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（007sx04），湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目資助（CX2009B161），國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（30771681），湖南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（07A079）

金淘（1983－），男，浙江杭州人，碩士研究生，從事生物基復(fù)合材料研究；*通訊作者。