黃海兵等

摘要 [目的]研究了密度對(duì)稻殼-木質(zhì)剩余物包裝箱用復(fù)合板性能的影響。[方法]采用混合水平均勻設(shè)計(jì)的方法，以稻殼與木質(zhì)剩余物為原料制備包裝箱用復(fù)合板。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，討論密度對(duì)復(fù)合板2 h吸水厚度膨脹率、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度、靜曲強(qiáng)度和彈性模量的影響，同時(shí)結(jié)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(shí)間6因素間的交互效應(yīng)進(jìn)行分析。[結(jié)果]在優(yōu)化其他工藝的同時(shí)，使復(fù)合板在較低密度0.75～0.78 g/cm3時(shí)各項(xiàng)性能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。 [結(jié)論]該研究為稻殼-木質(zhì)剩余物包裝箱用復(fù)合板的研制提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞 稻殼；包裝箱；復(fù)合板；密度；性能

中圖分類號(hào) S784 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 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(chǎn)時(shí)的主要副產(chǎn)品，資源豐富且價(jià)格低廉，其自身結(jié)構(gòu)組成決定了稻殼可作木材的替代材料應(yīng)用于木質(zhì)復(fù)合板的生產(chǎn)。國(guó)際上關(guān)于稻殼板的研究始于20世紀(jì)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(lái)，許多國(guó)家的科研人員嘗試采用碾磨、蒸煮或化學(xué)試劑改性等方法對(duì)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(fù)合板的研制[2-3]，取得了一定成果。但稻殼二次加工過(guò)程繁雜且效率普遍偏低，在實(shí)際工業(yè)化生產(chǎn)中極少得到推廣與應(yīng)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(jià)格偏高，但由于稻殼具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性，可通過(guò)對(duì)異氰酸酯用量的合理規(guī)劃，進(jìn)而達(dá)到對(duì)復(fù)合板整體的成本控制，最終仍可獲得較低的生產(chǎn)成本，相較于傳統(tǒng)刨花板仍具備成本優(yōu)勢(shì)。由于稻殼自身纖維較短，制得稻殼板力學(xué)性能普遍不高，在靜曲強(qiáng)度和彈性模量上很難達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于普通刨花板的要求，特選取木質(zhì)剩余物作為增強(qiáng)材料，旨在改善復(fù)合板的力學(xué)性能，以滿足一般產(chǎn)品的包裝要求[4-6]。試驗(yàn)選用稻殼與木質(zhì)剩余物為原料，脲醛樹(shù)脂與異氰酸酯為膠黏劑，采用特定工藝制備稻殼-木質(zhì)剩余物包裝箱用復(fù)合板。

在復(fù)合板制備工藝中，密度是最重要的技術(shù)指標(biāo)之一。在一定范圍內(nèi)，增大密度有利于改善復(fù)合板的尺寸穩(wěn)定性、提升復(fù)合板的各項(xiàng)力學(xué)性能，但同時(shí)會(huì)造成原料和能源消耗的增加，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)成本和使用成本（如裝卸成本、運(yùn)輸成本等）的增加，加大了生產(chǎn)與使用的難度。因此，需結(jié)合復(fù)合板性能、生產(chǎn)成本等因素對(duì)密度加以控制。在密度單因素試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，探究密度與其他工藝參數(shù)間的交互效應(yīng)對(duì)復(fù)合板性能指標(biāo)的影響，同時(shí)結(jié)合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)包裝箱用復(fù)合板制備工藝進(jìn)行優(yōu)化、選取，旨在為提高復(fù)合板性能、降低復(fù)合板生產(chǎn)成本提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1.1

試驗(yàn)材料。稻殼，黑龍江省五?？h，由當(dāng)年生產(chǎn)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(shù)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(yè)品；異氰酸酯，選用多苯基多亞甲基多異氰酸酯（PAPI），市售工業(yè)品；固化劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的NH4Cl水溶液，實(shí)驗(yàn)室配制。

1.1.2

試驗(yàn)設(shè)備。熱壓機(jī)（KU-HPD-1515），日本；拌膠機(jī)（VR-22），德國(guó)；立式裁板鋸（SZ3-600D），日本；萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（UTM-10T-PL），日本；恒溫水槽（BK-53），日本；恒溫干燥箱（DX-58），日本；振動(dòng)篩（HC-400-2P），中國(guó)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1

包裝箱用復(fù)合板結(jié)構(gòu)。包裝箱用復(fù)合板結(jié)構(gòu)如圖1所示，稻殼位于復(fù)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(fù)合板的靜曲強(qiáng)度和彈性模量，置于表層，尺寸控制在20+目。復(fù)合板厚度20 mm，幅面405 mm×405 mm。

平均勻設(shè)計(jì)，將試驗(yàn)方案定為21組，重復(fù)系數(shù)m=3。復(fù)合板制備后將其置放在溫度20 ℃、濕度65%的環(huán)境條件下72 h，以平衡復(fù)合板內(nèi)部應(yīng)力，使其充分穩(wěn)定，然后進(jìn)行試件制備及測(cè)試。由于我國(guó)沒(méi)有木質(zhì)包裝箱板制備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，而該研究的包裝箱用復(fù)合板的制備技術(shù)與刨花板相近，故試件的裁制及測(cè)試方法依照我國(guó)現(xiàn)行的GB/T4897-2003《刨花板》的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)方案與結(jié)果見(jiàn)表2。采用均勻設(shè)計(jì)v4.0注冊(cè)版對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(yàn)因子對(duì)包裝箱用復(fù)合板性能的影響規(guī)律。在滿足性能要求的前提下，綜合考慮生產(chǎn)成本、生產(chǎn)周期和甲醛釋放量等因素，對(duì)復(fù)合板制備的優(yōu)化工藝進(jìn)行確定[7-9]。

2.2 密度對(duì)復(fù)合板力學(xué)性能的影響

2.2.1

內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度。密度的變化對(duì)包裝箱用復(fù)合板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的影響如圖5所示。復(fù)合板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度隨密度的增大先增大后減小。當(dāng)密度在0.75～0.80 g/cm3時(shí)，復(fù)合板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度隨密度的增加而增大；當(dāng)密度≥0.80 g/cm3時(shí)，密度的增加反而導(dǎo)致復(fù)合板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度下降。由圖5可知，密度在試驗(yàn)范圍內(nèi)取值，復(fù)合板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度均能滿足國(guó)家對(duì)普通用板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度要求（≥0.24 MPa）。當(dāng)密度在0.77～0.83 g/cm3內(nèi)取值時(shí)，復(fù)合板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度>0.50 MPa的試驗(yàn)設(shè)計(jì)值。復(fù)合板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度主要受芯層膠合強(qiáng)度的影響。在內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度達(dá)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(fù)合板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度。當(dāng)密度≥0.80 g/cm3時(shí)，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度隨密度的增加呈顯著下降趨勢(shì)。通過(guò)查閱文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，稻殼的實(shí)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(fù)合板表層密度大于芯層密度。當(dāng)復(fù)合板整體密度≥0.80 g/cm3時(shí)，芯層密度大于稻殼自身的實(shí)際密度，在熱壓干燥的狀態(tài)下，密度的繼續(xù)增大會(huì)造成稻殼纖維結(jié)構(gòu)的過(guò)度破壞，從而導(dǎo)致復(fù)合板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度下降。

密度與其他因素對(duì)復(fù)合板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)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(qū)間與其他因素對(duì)復(fù)合板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的交互效應(yīng)等值圖進(jìn)行分析。通過(guò)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(shí)間（圖6d）的交互效應(yīng)等值圖可知，在0.75～0.80 g/cm3的密度區(qū)間，增加芯層比例和芯層施膠量、降低熱壓溫度、減少熱壓時(shí)間均有利于提高復(fù)合板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度。從節(jié)約成本、減少甲醛釋放量的角度考慮，在保證復(fù)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(shí)間均為可取措施，而在存在其他選擇的前提下，通過(guò)增加芯層施膠量來(lái)提升復(fù)合板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的措施不可取。當(dāng)芯層比例在60%～70%、芯層施膠量6%、熱壓溫度<190 ℃、熱壓時(shí)間<30 s/mm時(shí)，可優(yōu)先選擇0.77 g/cm3的密度值對(duì)復(fù)合板生產(chǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2.2

靜曲強(qiáng)度和彈性模量。

密度的變化對(duì)包裝箱用復(fù)合板靜曲強(qiáng)度和彈性模量的影響如圖7a和圖7b所示。復(fù)合板的靜曲強(qiáng)度和彈性模量整體表現(xiàn)為隨密度的增加而顯著增加，即增加復(fù)合板密度有利于提高復(fù)合板的靜曲強(qiáng)度和彈性模量。由圖7可知，當(dāng)密度在試驗(yàn)范圍內(nèi)取值時(shí)，復(fù)合板的靜曲強(qiáng)度和彈性模量均可達(dá)到國(guó)家對(duì)于結(jié)構(gòu)用板的要求。當(dāng)密度在0.75～0.82 g/cm3取值時(shí)，復(fù)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(dāng)密度≥0.82 g/cm3時(shí)，復(fù)合板的彈性模量隨密度的增大而小幅度下降。當(dāng)密度≥0.77 g/cm3時(shí)，可以確保復(fù)合板的靜曲強(qiáng)度>18 MPa、彈性模量>3 000 MPa的試驗(yàn)設(shè)計(jì)值。密度對(duì)于復(fù)合板力學(xué)性能的改善作用主要是由于刨花板在成板過(guò)程中，隨著密度的增大，復(fù)合板中的纖維結(jié)構(gòu)增多，壓縮程度加大，原料間的交聯(lián)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(qiáng)度相應(yīng)增加。

密度與其他因素對(duì)包裝箱用復(fù)合板靜曲強(qiáng)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(qū)間與其他因素對(duì)復(fù)合板靜曲強(qiáng)度和彈性模量的交互效應(yīng)等值圖進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)密度與熱壓溫度（圖8a和圖9a）、熱壓壓力（圖8b和圖9b）、熱壓時(shí)間（圖8c和圖9c）的交互效應(yīng)等值圖可知，在0.75～0.80 g/cm3的密度區(qū)間，增加熱壓壓力有利于提高復(fù)合板的靜曲強(qiáng)度，但同時(shí)會(huì)增加能耗成本；而降低熱壓溫度和熱壓時(shí)間可以在提高復(fù)合板靜曲強(qiáng)度和彈性模量的同時(shí)，減少生產(chǎn)成本與生產(chǎn)周期，有利于復(fù)合板的市場(chǎng)化生產(chǎn)。當(dāng)熱壓溫度≤185 ℃、熱壓時(shí)間≤28 s/mm時(shí)，0.75 g/cm3的密度值足以使復(fù)合板具備較高的強(qiáng)度。

3 結(jié)論

該文主要探討了密度對(duì)稻殼-木質(zhì)剩余物包裝箱用復(fù)合板性能的影響，通過(guò)試驗(yàn)研究可以得到如下結(jié)論。

（1）復(fù)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(fù)合板的尺寸穩(wěn)定性。密度在0.80～0.85 g/cm3時(shí)，可滿足2 h吸水厚度膨脹率≤8%的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng)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(shí)，可優(yōu)先選擇0.78 g/cm3的密度值。

（2）復(fù)合板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度隨密度的增大先增大后減小。當(dāng)密度在0.77～0.83 g/cm3內(nèi)取值時(shí)，復(fù)合板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度≥0.50 MPa的試驗(yàn)設(shè)計(jì)值。當(dāng)芯層比例在60%～70%取值、芯層施膠量6%、熱壓溫度<190 ℃、熱壓時(shí)間<30 s/mm時(shí)，可優(yōu)先選擇0.77 g/cm3的密度值。

（3）復(fù)合板的靜曲強(qiáng)度和彈性模量整體表現(xiàn)為隨密度的增加而顯著增加，即增加復(fù)合板密度有利于提高復(fù)合板的靜曲強(qiáng)度和彈性模量。當(dāng)密度≥0.77 g/cm3時(shí)，可以確保復(fù)合板的靜曲強(qiáng)度>18 MPa、彈性模量>3 000 MPa的試驗(yàn)設(shè)計(jì)值。當(dāng)熱壓溫度≤185 ℃、熱壓時(shí)間≤28 s/mm時(shí)，可優(yōu)先選擇0.75 g/cm3的密度值。

（4）對(duì)于稻殼-木質(zhì)剩余物包裝箱用復(fù)合板性能的改善可通過(guò)優(yōu)化其他工藝以獲得較低的復(fù)合板密度值：0.75～0.78 g/cm3。為降低復(fù)合板的生產(chǎn)成本、提高復(fù)合板的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，可根據(jù)復(fù)合板的具體使用環(huán)境與其對(duì)尺寸穩(wěn)定性和力學(xué)性能的要求，優(yōu)先選擇較低密度。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉繼延，劉學(xué)清.稻殼二氧化硅的表面改性及結(jié)構(gòu)分析[J].化學(xué)生物工程，2010，27（12）：15-17.

[2] NDAZI B S，KARLSSON S，TESHA J V，et al.Chemical and physical modifications of rice husks for use as composite panels[J].Composites，2007，38：925-935.

[3] CIANNAMEA E M，STEFANI P M，RUSECKAITE R A.Medium-density particleboards from modified rice husks and soybean protein concentratebased adhesives[J].Bioresource Technology，2010，101：818-825.

[4] JIN HEON KWON，NADIR AYRILMIS，TAE HYUNG HAN.Enhancement of flexural properties and dimensional stability of rice husk particleboard using wood strands in face layers[J].Composites，2013，44：728-732.

[5] NADIR AYRILMIS，JIN HEON KWON，TAE HYUNG HAN.Effect of resin type and content on properties of composite particleboard made of a mixture of wood and rice husk[J].International Journal of Adhesion & Adhesives，2012，38：79-83.

[6] 祁桂蘭，肖生苓.利用木質(zhì)剩余物和向日葵秸稈制作外包裝材料的研究[J].森林工程，2011，27（4）：3-6.

[7] 沈雋，劉玉，朱曉冬.熱壓工藝對(duì)刨花板甲醛及其他有機(jī)揮發(fā)物釋放總量的影響[J].林業(yè)科學(xué)，2009，45（10）：130-133.

[8] 王敬賢，沈雋.熱壓工藝和環(huán)境參數(shù)對(duì)刨花板TVOC和甲醛釋放量的影響[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，39（7）：71-73.

[9] 陳宏剛，孫剛，張樹(shù)東.人造板中甲醛的危害及降醛措施[J].木材工業(yè)，2006，20（5）：36-38.

[10] 王培元.關(guān)于刨花板質(zhì)量的幾個(gè)基本問(wèn)題[J].林業(yè)科學(xué)，1986，22（1）：71-77.

[11] 顧繼友，高振華，譚海彥.制造工藝因素對(duì)刨花板2 h吸水厚度膨脹率的影響[J].林業(yè)科學(xué)，2003，39（1）：132-139.