王永閩，陳建新，吳祖順，阮國棟，羅健林，葉新強(qiáng)

(福建省永安林業(yè)(集團(tuán))股份有限公司，福建 永安 366000)

連續(xù)平壓法生產(chǎn)低密度纖維板的工藝研究

王永閩，陳建新，吳祖順，阮國棟，羅健林，葉新強(qiáng)

(福建省永安林業(yè)(集團(tuán))股份有限公司，福建 永安 366000)

在連續(xù)平壓法生產(chǎn)線上進(jìn)行制備低密度纖維板試驗，分別探討板材密度、二次加壓區(qū)熱壓溫度對板材主要力學(xué)性能的影響，并通過正交試驗分析板材密度、二次加壓區(qū)熱壓壓力、施膠量、鋼帶運(yùn)行速度4個因素對低密度纖維板主要性能的影響，結(jié)果表明：各因素對板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度與靜曲強(qiáng)度影響大小順序為：板材密度、二次加壓區(qū)熱壓壓力、施膠量、熱壓時間；其中，密度對板材性能的影響極顯著。采用二次加壓區(qū)熱壓壓力0.4 MPa，施膠量16%，熱壓時間10.5 s·mm-1，二次加壓區(qū)熱壓溫度190 ℃的工藝組合采用連續(xù)平壓法生產(chǎn)厚度18 mm的低密度纖維板，密度為563.56 kg·m-3、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度為0.46 MPa、靜曲強(qiáng)度為24.5 MPa、彈性模量為2356 MPa、吸水厚度膨脹率為10.8%，達(dá)到GB/T 11718—2009中干燥狀態(tài)下使用的普通型中密度纖維板性能要求。

低密度纖維板；生產(chǎn)工藝；連續(xù)平壓法

人造板工業(yè)的發(fā)展大大地緩解了我國木材供需矛盾，成為節(jié)約木材資源的重要途徑，順應(yīng)了加快建立資源節(jié)約型社會的要求。但纖維板工業(yè)迅速發(fā)展、產(chǎn)能大幅度提高的同時，也出現(xiàn)了日益嚴(yán)重的木材資源緊缺問題。中密度纖維板生產(chǎn)主要消耗有木材、膠料及添加劑、能耗等，降低木材消耗對降低生產(chǎn)成本具有舉足輕重的作用，因為木材成本占MDF總成本的第一位，占35%～40%。當(dāng)前纖維板產(chǎn)品多以密度在650 kg·m-3以上的中、高密度纖維板為主，密度在450～650 kg·m-3范圍的低密度纖維板卻鮮有企業(yè)生產(chǎn)。早在20 a前，不少人造板專家就在探討如何生產(chǎn)板面具有高密度層、板總體平均密度為400～600 kg·m-3(質(zhì)量指標(biāo)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)70型的要求)的產(chǎn)品；由于板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度與密度是呈線性相關(guān)關(guān)系[1]，高強(qiáng)度的低密度纖維板生產(chǎn)一直無法實現(xiàn)，低密度纖維板的生產(chǎn)就成為廣大人造板研究工作者和生產(chǎn)者的一個夢想。成功研制出密度在400～600 kg·m-3的纖維板，不但降低木材、膠料等單位消耗，而且提高產(chǎn)量；同時，以這種的輕質(zhì)板材做成家具更便于拆裝、擺設(shè)移動，倍受用戶的歡迎，可見，低密度纖維板具有很好的市場前景。但是，生產(chǎn)低密度纖維板(LDF)在板材密度低的條件下，不僅要解決內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度和握釘力難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，而且要解決板子組織比較松軟、出現(xiàn)板面較厚的軟層而導(dǎo)致砂光后板面仍然粗糙等關(guān)鍵技術(shù)。這些關(guān)鍵技術(shù)一旦突破，將賦予LDF的廣闊騰飛空間[2]。

我國干法中密度纖維板制造從1985年引進(jìn)發(fā)展至今已走過28個年頭，無論是多層熱壓還是連續(xù)熱壓的生產(chǎn)，施膠量、熱壓工藝參數(shù)以及產(chǎn)品密度都影響著產(chǎn)品的物理力學(xué)性能[3]。從2008年進(jìn)入連續(xù)平壓法時代以來[4]，行業(yè)已進(jìn)入微利時代，生產(chǎn)線都已采用高溫、高壓、高速的極限生產(chǎn)方法，可見，低密度纖維板熱壓工藝研究自然成為當(dāng)前纖維板的研究重點。連續(xù)平壓熱壓機(jī)的熱壓壓力分區(qū)通常分為高壓區(qū)、低壓區(qū)、保壓區(qū)(即二次加壓區(qū))3個區(qū)，頭部的高壓區(qū)保證板材的表面密度，中間的低壓區(qū)主要負(fù)責(zé)板坯加熱與排氣，尾部的保壓區(qū)主要負(fù)責(zé)板材的定厚和保證板材芯層質(zhì)量[5]。在連續(xù)平壓法生產(chǎn)中密度纖維板的熱壓工藝研究方面，在設(shè)定板的目標(biāo)密度越低，二次加壓區(qū)采用相對較小的壓力獲得中密度纖維板的性能更佳[6]。本研究采用中密度纖維板的生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)低密度纖維板試驗，并對熱壓工藝進(jìn)行研究，以獲得連續(xù)平壓法生產(chǎn)低密度纖維板的依據(jù)。

1 試驗材料

1.1 主要試驗材料

木纖維：由雜木片(由福建省三明市當(dāng)?shù)氐能涬s和硬雜組成混合木片)熱磨而成；膠粘劑：三聚氰胺改性UF膠(固體含量50%，25 ℃時的粘度35 cP)；石蠟：58號全精煉石蠟。

1.2 主要試驗設(shè)備

Dax 5000 斷面密度儀GreCon；MWD-W10-10KN電子式人造板試驗機(jī)(濟(jì)南時代試金儀器有限公司生產(chǎn))；CPS 295-33M/THDF連續(xù)平壓法熱壓機(jī)(德國迪芬巴赫機(jī)械制造有限公司生產(chǎn))。

2 試驗方法

圖1 連續(xù)平壓熱壓機(jī)各框架單元壓力分布

試驗所用生產(chǎn)設(shè)備為永林集團(tuán)的年生產(chǎn)能力達(dá)21萬m3的連續(xù)平壓法中高密度纖維板生產(chǎn)線，熱壓部分依次分為：高壓區(qū)、低壓區(qū)、保壓區(qū)，共有23個框架，其中：高壓區(qū)由13個框架，低壓區(qū)由4個框架組成，二次加壓區(qū)由6個框架組成。熱壓過程中，熱壓壓力與溫度分為5段控制，前4段的熱壓溫度在240～250 ℃，第5段熱壓溫度在170～240 ℃，采用高壓—低壓—保壓的熱壓工藝，板坯在進(jìn)入壓機(jī)后，在高溫的作用下，熱壓高壓區(qū)最高壓力控制在2.8～3.5 MPa，之后進(jìn)入低壓區(qū)傳熱段和二次加壓區(qū)定厚段，低壓區(qū)傳熱段壓力控制在0.1～1.0 MPa，二次加壓區(qū)定厚段壓力控制在0.1～1.2 MPa，通常熱壓時間為8～14 s·mm-1。直到熱壓過程結(jié)束，壓機(jī)的各框架單元壓力分布見圖1。通過單因素板材密度、熱壓溫度進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上綜合考察熱壓時間、施膠量、板材密度、熱壓壓力等因素進(jìn)行正交試驗，熱壓時間的設(shè)定通過調(diào)整鋼帶運(yùn)行速度而實現(xiàn)，熱壓壓力主要考察二次加壓段的最高壓力值。

2.1 單因素試驗

2.1.1 板材密度試驗 由于板材的表面密度主要是滿足客戶如上油漆技術(shù)指標(biāo)等要求，在低密度纖維板生產(chǎn)時也同樣要滿足此要求，故在連續(xù)平壓法生產(chǎn)低密度纖維板的工藝研究時就不用考慮高壓區(qū)熱壓壓力的設(shè)置變化，主要考慮二次加壓區(qū)的熱壓參數(shù)設(shè)置問題。在現(xiàn)有生產(chǎn)18 mm MDF產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝條件下，熱磨工藝、纖維篩分值、石蠟施加量、施膠量等工藝參數(shù)均保持不變，其中：鋪裝纖維含水率約為12%、二次加壓區(qū)熱壓溫度190 ℃、熱壓時間、二次加壓區(qū)熱壓最高壓力為0.8 MPa、施膠量為14%。選擇密度在500～640 kg·m-3范圍內(nèi)，產(chǎn)品密度差依次取20 kg·m-3進(jìn)行試驗。

2.1.2 熱壓溫度試驗 在板材密度單因素試驗的基礎(chǔ)上，通過改變二次加壓區(qū)熱壓溫度進(jìn)行試驗，在180～230 ℃范圍內(nèi)，溫差依次取10 ℃進(jìn)行試驗。

2.2 正交試驗

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以板材密度、二次加壓區(qū)熱壓最高壓力、施膠量、熱壓時間為考察因素進(jìn)行正交試驗L9(34)見表1。

3 結(jié)果與分析

3.1 板材密度單因素試驗結(jié)果與分析

表1 L9(34)正交試驗設(shè)計

通過改變板材密度進(jìn)行的單因素試驗所得到產(chǎn)品的物理力學(xué)性能見表2。

表2 不同密度的LDF主要物理力學(xué)性能

*：18 mm厚的LDF，板材剖面密度測試中表層厚度為6 mm(上下2表層各占3 mm)、芯層厚度12 mm；比例為芯層密度占板材平均密度的百分比。

圖2 板材內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度與靜曲強(qiáng)度隨密度的變化趨勢

從表2、圖2可以直觀看出，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，隨著板密度的減小，板材的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度、靜曲強(qiáng)度、彈性模量均逐漸減小，特別是密度在560 kg·m-3以下時，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度降低的幅度更大；從板材剖面密度分布情況看，密度梯度更大且整體松軟現(xiàn)象嚴(yán)重?？梢?，纖維板的密度太低，可能導(dǎo)致其力學(xué)性能難以達(dá)到使用要求。

3.2 熱壓溫度單因素試驗結(jié)果與分析

在保持鋼帶運(yùn)行速度、熱壓壓力及其它工藝參數(shù)不變的條件下，通過改變二次加壓區(qū)熱壓溫度，進(jìn)行生產(chǎn)不同密度的LDF，檢測其內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度見表3。試驗結(jié)果表明，在試驗的熱壓溫度范圍內(nèi)，對于同一種密度的LDF產(chǎn)品，二次加壓區(qū)熱壓溫度對產(chǎn)品的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的影響較小。此外，對于相同的熱壓溫度條件下，不同密度的LDF產(chǎn)品其內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度差異很大。在滿足纖維板生產(chǎn)芯層完全固化的條件下，板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度指標(biāo)變化不大，并不會隨著加熱板溫度的變化而有較大變化，只會隨著板密度的減小而降低?，F(xiàn)代的連續(xù)壓機(jī)生產(chǎn)線都是采用高溫高壓高速工藝來實現(xiàn)的，熱壓板溫度在滿足膠粘劑固化溫度并達(dá)到膠粘劑在固化溫度所需的固化時間后，纖維板坯內(nèi)的膠粘劑已完成固化并實現(xiàn)纖維之間良好的膠合。實現(xiàn)固化后多余的加熱熱能是一種浪費(fèi)，在生產(chǎn)時應(yīng)盡量達(dá)到最佳的熱壓工藝組合。

3.3 正交試驗結(jié)果與分析

根據(jù)18 mm板生產(chǎn)線連續(xù)壓機(jī)單因素試驗結(jié)果表明，由于板材密度對產(chǎn)品的物理力學(xué)性能影響很大，將作為一個影響因素；通常影響人造板產(chǎn)品性能的主要因素中，熱壓3要素與施膠量是主要的影響因素，但進(jìn)行熱壓溫度的單因素實驗，其影響效果不明顯，因此，正交試驗考察板材密度、熱壓時間、二次加壓區(qū)熱壓壓力、施膠量4個因素安排了L9(34)試驗，正交試驗結(jié)果具體及極差分析見表4。從表4極差分析的結(jié)果可見，在4個因素中，低密度纖維板的密度對產(chǎn)品的內(nèi)在結(jié)合強(qiáng)度與靜曲強(qiáng)度的影響最大，其后依次是二次加壓區(qū)熱壓壓力、施膠量、熱壓時間。對正交實驗結(jié)果進(jìn)行方差分析(表5)結(jié)果表明，板材密度對內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度與靜曲強(qiáng)度的影響極顯著，其次是二次加壓區(qū)熱壓壓力，再次是施膠量，最后是熱壓時間?？梢姌O差分析結(jié)果與方差分析的結(jié)果是一致的。綜合各因素對板材內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度與靜曲強(qiáng)度的影響，其影響主次基本一致，只有熱壓時間的影響略有不同，但其影響不顯著，所以考慮到實際生產(chǎn)的效率，選擇熱壓時間10.5 s·mm-1，優(yōu)化出進(jìn)行生產(chǎn)低密度纖維板的因子水平組合為：二次加壓區(qū)熱壓壓力為0.4 MPa、施膠量為16%、熱壓時間10.5 s·mm-1。

表3 二次加壓區(qū)不同熱壓溫度下的LDF內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度

表4 正交試驗結(jié)果與極差分析

*：K1、K2、K3、R為內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度極差；k1、k2、k3、r為靜曲強(qiáng)度極差。

3.4 驗證實驗

為了達(dá)到降低纖維板密度的目的，綜合單因素試驗與正交實驗結(jié)果，選定板材密度560 kg·m-3、二次加壓區(qū)熱壓壓力為0.4 MPa、施膠量為16%、二次加壓區(qū)熱壓溫度為190 ℃、熱壓時間10.5 s·mm-1因素組合，進(jìn)行生產(chǎn)18 mm的低密度纖維板，板材主要性能如下：密度為563.56 kg·m-3、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度為0.46 MPa、靜曲強(qiáng)度為24.5 MPa、彈性模量為2356 MPa、吸水厚度膨脹率為10.8%，該產(chǎn)品達(dá)到GB/T 11718—2009中干燥狀態(tài)下使用的普通型中密度纖維板性能要求[8]。18 mm低密度纖維板斷面密度分布情況見圖3，芯層密度達(dá)到板材平均密度的85%。

表5 正交試驗結(jié)果方差分析表

*：F0.1(2，2)= 9.00；F0.01(2，2)=99.0。

圖3 18 mm低密度纖維板斷面密度分布圖

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

在主要工藝條件相同的前提下，低密度纖維板隨著密度的減少，其內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度、靜曲強(qiáng)度等主要物理力學(xué)性能降低。在一定的熱壓時間范圍內(nèi)，能夠滿足低密度纖維板坯芯層膠粘劑所需的固化溫度，熱壓溫度對低密度纖維板性能的影響不大。正交試驗結(jié)果表明板材密度、二次加壓區(qū)熱壓壓力、施膠量、鋼帶運(yùn)行速度4個因素，對低密度纖維板性能的影響大小順序為：板材密度、二次加壓區(qū)熱壓壓力、施膠量、熱壓時間，其中板材密度對板材性能的影響極顯著。同時，進(jìn)行生產(chǎn)低密度纖維板的最佳因子組合為：二次加壓區(qū)熱壓壓力為0.4MPa、施膠量為16%、熱壓時間10.5s·mm-1、熱壓溫度為190℃。以該因素組合進(jìn)行生產(chǎn)厚18mm、密度為560kg·m-3的低密度纖維板性能達(dá)到GB/T11718—2009中密度纖維板中干燥狀態(tài)下使用的普通型中密度纖維板主要物理力學(xué)性能要求，可見連續(xù)平壓法生產(chǎn)低密度纖維板是可行的。

4.2 討論

連續(xù)平壓熱壓機(jī)理不同于傳統(tǒng)熱壓工藝?yán)碚?，是一個精確控制的工藝過程，以一個時點板坯厚度主導(dǎo)的熱壓工藝修正壓力主導(dǎo)的熱壓工藝，壓力曲線被分解為多個區(qū)段(相對應(yīng)每一個壓機(jī)框架)，通過用LVDT等傳感器厚度控制裝置對壓機(jī)上下各框架間距調(diào)整位移，毛板坯在鋼帶的輸送下進(jìn)入連續(xù)平壓熱壓機(jī)，可靈活地控制加壓速度、框架壓力、熱壓溫度、熱壓時間(調(diào)整鋼帶運(yùn)行速度)，合理組織熱壓工藝、提高生產(chǎn)效率，形成目標(biāo)剖面密度和板材的目標(biāo)性能。以生產(chǎn)密度為560 kg·m-3的低密度纖維板為例，每立方米板重量減輕160 kg，降低木材消耗20%達(dá)到230 kg，同時節(jié)約大量的能源，對我國林業(yè)的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有現(xiàn)實和歷史意義。本研究中未對產(chǎn)品甲醛釋放量進(jìn)行研究，將在后階段進(jìn)行深入研究，以期低密度纖維板沿著低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展之路越走越遠(yuǎn)。

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Study on Manufacturing Processing of Low Density of Fibreboard by Continuous Hot-Press Method

WANG Yong-min, CHEN Jian-xin, WU Zu-shun, RUAN Guo-dong, LUO Jian-lin, YE Xin-qiang

(FujianProvincialYonganForestry(Group)CO.,LTD.,Yongan366000,Fujian,China)

The low density of fibreboard(LDF) was prepared through continuous hot-press method, and the effects of density and hot-pressing temperature of second pressurized area on main performances of LDF was discussed. Meanwhile, the effects of 4 factors of density, hot-pressing pressure of second pressurized area, glue consumption, steel belt running speed on main performances of LDF was analyzed by orthogonal design. The results showed that the sequencing of 4 factors affecting IB and MOR of LDF was density, hot-pressing pressure of second pressurized area, glue consumption, hot-pressing time, and there was significant effect of density on main performances of LDF. It was feasible that LDF with the density of 563.56 kg·m-3was manufactured under the technological conditions as follows: hot-pressing pressure of two pressurized area of 0.4 MPa, glue consumption of 16%, hot-pressing time of 10.5 s·mm-1, hot-pressing temperature of 190 ℃ at second pressurized area, Art combination used the continuous pressing method to produced 18 mm thick low density of fiberboard with the density of 563.56 kg·m-3, internal bond strength of 0.46 MPa, static music intensity was 24.5 MPa, modulus of elasticity was 2356 MPa, bibulous ply expands rate was 10.8%, which reached the ordinary medium density of fiberboard performance requirements in dry condition in GB/T 11718-11718.

low density fiberboard；manufacturing processing；continuous press method

10.13428/j.cnki.fjlk.2014.01.003

2013-08-30；

2013-10-02

科技部國際科技合作與交流專項計劃項目資助(2011DFA33030)

王永閩(1963—)，男，福建永泰人，福建省永安林業(yè)(集團(tuán))股份有限公司高級工程師，碩士，從事人造板生產(chǎn)技術(shù)研究。E-mail：yonganwangyongmin@163.com。

TS653.6

A

1002-7351(2014)01-0009-05