陳 涵，劉曉輝，宋孝金

(福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福建 福州 350012)

竹屑/粉煤灰復(fù)合板制造工藝研究

陳 涵，劉曉輝，宋孝金

(福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福建 福州 350012)

以竹材加工剩余物(竹屑)和火力發(fā)電廠排出的固體廢棄物(粉煤灰)為原料，研制竹屑/粉煤灰復(fù)合板。參照刨花板生產(chǎn)工藝，在熱壓溫度140 ℃，最高壓力2.5 MPa條件下，探討灰/竹質(zhì)量比，施膠量以及設(shè)定的產(chǎn)品密度等3個(gè)因素對竹屑/粉煤灰復(fù)合板靜曲強(qiáng)度(MOR)的影響，得出制備竹屑/粉煤灰復(fù)合板的較佳工藝參數(shù)為灰/竹質(zhì)量比4/6，施膠量21%，產(chǎn)品密度1.0 g·cm-3。生產(chǎn)的竹屑/粉煤灰復(fù)合板的力學(xué)性能(靜曲強(qiáng)度)達(dá)到結(jié)構(gòu)刨花板的要求。

粉煤灰；竹屑；復(fù)合板；靜曲強(qiáng)度

粉煤灰是燃煤電廠排出的固體廢棄物，也是我國工業(yè)領(lǐng)域中排放量最大的固體工業(yè)廢棄物，我國是世界上最大的產(chǎn)煤國，每年產(chǎn)煤量達(dá)20億t，其中大部分用于發(fā)電，電廠年排出粉煤灰3～4億t。粉煤灰的排放不僅侵占大量土地，而且嚴(yán)重污染環(huán)境，對生態(tài)和環(huán)境構(gòu)成雙重破壞，因此，開展粉煤灰的綜合利用具有重要的戰(zhàn)略意義[1]。粉煤灰是結(jié)晶體、玻璃體以及少量未燃燒碳組成的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的復(fù)合體，在干燥狀態(tài)時(shí)呈灰色或灰白色，含水量大時(shí)呈灰黑色。我國火電廠粉煤灰的化學(xué)組成為：SiO238%～54%、Al2O323%～38%、Fe2O34%～6%、CaO 3%～10%、MgO 0.5%～4%、SO30.1%～1.2%。

目前粉煤灰已在建筑工業(yè)、建材工業(yè)、農(nóng)業(yè)、化學(xué)工業(yè)等方面得到開發(fā)利用。本文擬研究利用粉煤灰與竹材加工剩余物(竹屑)混合，通過施加一定量的膠粘劑壓制竹屑/粉煤灰復(fù)合板。利用現(xiàn)行的人造板試驗(yàn)設(shè)備，參照刨花板生產(chǎn)工藝，通過探索性試驗(yàn)初步擬定熱壓溫度為140 ℃、熱壓壓力為3 MPa，試樣名義厚度10 mm，幅面40 cm×40 cm。探討灰/竹質(zhì)量比，拌膠量以及壓制的產(chǎn)品密度等3個(gè)因子對竹屑/粉煤灰復(fù)合板主要力學(xué)性能靜曲強(qiáng)度(MOR)的影響，探索竹屑/粉煤灰復(fù)合板生產(chǎn)的最佳工藝。產(chǎn)品力學(xué)性能與竹木質(zhì)刨花板相當(dāng)，更具有隔音、防潮、不燃等優(yōu)異性能，在建筑工程領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景，另外粉煤灰的多孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積以及粉煤中大量Al、Si等活性位能，使之有強(qiáng)大的吸附能力，利用此特性，本項(xiàng)目擬進(jìn)一步擴(kuò)展使用范圍，以該復(fù)合板為原料制備炭質(zhì)復(fù)合吸附板，應(yīng)用于廢水處理領(lǐng)域[3]?？蔀榉勖夯以趶?fù)合材料方面開發(fā)利用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

竹屑：為建甌市竹材加工企業(yè)生產(chǎn)過程的剩余物，經(jīng)干燥并揀去過長的竹絲，干燥后竹屑含水率為8%～10%。竹屑顆粒大小及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：長度>5 mm占8.6%；長度3～5 mm占47.1%；長度2～3 mm占18.3%；1～2 mm占13.4%；長度<1 mm占12.6%。

粉煤灰：由福建省龍能粉煤灰綜合利用有限公司提供，為龍巖火力發(fā)電廠排出的固體廢棄物。篩分值為325目通過率80%，其中0～1 μm占4%；1～5 μm占11%；5～10 μm占27%；10～20 μm占33%；20～46 μm占20%；46 μm以上占5%。膠粘劑：為建甌市三森竹木有限公司提供的水溶性酚醛樹脂，樹脂固含量50%，粘度860 mPa·s，pH值7.0。

1.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

KSH-100T熱壓試驗(yàn)機(jī)、DHG-9070A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥機(jī)、AGS-X 10KN材料試驗(yàn)機(jī)、分樣篩等。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 正交試驗(yàn) 考察灰/竹質(zhì)量比(A)、施膠量(B)、擬壓制的復(fù)合板名義密度(C)對竹屑/粉煤灰復(fù)合板力學(xué)性能(MOR)的影響，每個(gè)因素取3種水平(表1)，壓制的樣板幅面為400 mm×400 mm，名義厚度10 mm，正交試驗(yàn)方案見表2。

表1 因素水平表

1.3.2 單因素試驗(yàn) 上述正交試驗(yàn)確定對竹屑/粉煤灰復(fù)合板靜曲強(qiáng)度影響最大的因素以及最佳工藝，進(jìn)一步通過單因素試驗(yàn)評價(jià)各個(gè)因素對竹屑/粉煤灰復(fù)合板靜曲強(qiáng)度的影響。

1.3.3 試驗(yàn)工藝及參數(shù) 探討主要實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)(粉煤灰/竹屑質(zhì)量比、施膠量、復(fù)合板密度)對竹屑/粉煤灰復(fù)合板靜曲強(qiáng)度的影響。其熱壓工藝與竹材碎料板的生產(chǎn)工藝類似，采用壓力遞減的三段式加壓法。設(shè)計(jì)幅面400 mm×400 mm，厚度10 mm，熱壓溫度140 ℃，三段熱壓單位壓力分別為2.5 MPa、1.5 MPa、0.6 MPa；熱壓時(shí)間25 min。

1.4 測定方法

竹屑/粉煤灰復(fù)合板靜曲強(qiáng)度的檢測方法，參照GB/T 17657—2013人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法[4]中4.8的規(guī)定進(jìn)行檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

正交試驗(yàn)結(jié)果(表3)表明，三因素對復(fù)合板的力學(xué)性能(MOR)影響大小依次為B>A>C。最優(yōu)工藝參數(shù)為A1B3C2，即灰/竹比3/7，施膠量21%，密度1.2 g·cm-3。方差分析結(jié)果(表4)表明，粉煤灰/竹屑質(zhì)量比對復(fù)合板的力學(xué)性能(MOR)影響高度顯著，施膠量對復(fù)合板MOR影響顯著，而板材密度對復(fù)合板MOR影響甚微。粉煤灰/竹屑質(zhì)量比越小(即竹/灰質(zhì)量比越大)、施膠量越大，板材的力學(xué)性能(MOR)越大。在后續(xù)的單因素試驗(yàn)中，為了提高粉煤灰的用量在保證力學(xué)性能(MOR)滿足要求的前提下，適當(dāng)提高灰/竹質(zhì)量比，確定灰/竹質(zhì)量比為4/6，密度定位1.2 g·cm-3，這樣不僅可以減少產(chǎn)品的原料消耗，還能減輕產(chǎn)品的重量，有利于板材的使用。

表2 L9(34)正交試驗(yàn)方案

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

表4 試驗(yàn)結(jié)果方差分析(MOR)

*：F0.01(2，4)=18.0高度顯著；**為F0.05(2，4)=6.94顯著；*為F0.10(2，4)=4.32有一定影響。

2.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1 灰/竹質(zhì)量比對復(fù)合板MOR的影響

2.2.1 灰/竹質(zhì)量比對復(fù)合板材靜曲強(qiáng)度的影響 施膠量21%，密度1.2 g·cm-3條件下，灰/竹質(zhì)量比對復(fù)合板材靜曲強(qiáng)度(MOR)的影響見圖1。由圖1可以看出，復(fù)合板的靜曲強(qiáng)度隨著灰/竹比例的增大而降低，灰/竹比4/6時(shí)，板材靜曲強(qiáng)度達(dá)到24 MPa，遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)使用刨花板的靜曲強(qiáng)度的規(guī)定指標(biāo)，因此為了提高粉煤灰用量，較佳的灰/竹質(zhì)量比宜確定為4/6。試驗(yàn)結(jié)果表明，竹屑在復(fù)合板結(jié)構(gòu)中起著加強(qiáng)筋的作用，所以增加竹屑用量，有利于板材力學(xué)性能的提高。

圖2 施膠量對復(fù)合板(MOR)的影響

2.2.2 施膠量對復(fù)合板靜曲強(qiáng)度的影響 在灰/竹質(zhì)量比(A)為4/6，密度(C)1.2 g·cm-3條件下，施膠量(B)對復(fù)合板材靜曲強(qiáng)度(MOR)的影響見圖2。由圖2可以看出，隨著用膠量增加，板材的靜曲強(qiáng)度明顯提高，但施膠量達(dá)到21%時(shí)，板材的靜曲強(qiáng)度稍有下降。施膠量15%時(shí)，板材靜曲強(qiáng)度最低。施膠量過小，兩者之間缺少黏性，無法使粉煤灰充分包裹住竹屑，形不成緊密結(jié)合，板材強(qiáng)度降低；施膠量過大出現(xiàn)過厚的膠層，由于膠層本身強(qiáng)度不高，最終影響了復(fù)合板材的靜曲強(qiáng)度?？紤]產(chǎn)品成本，在保證板材力學(xué)性能的前提下，施膠量確定為21%。

圖3 設(shè)定密度對復(fù)合板材MOR的影響

2.2.3 產(chǎn)品密度大小對復(fù)合板的靜曲強(qiáng)度的影響 在灰/竹比(A)為4/6，施膠量(B)21%條件下，密度(C)大小對復(fù)合板材靜曲強(qiáng)度的影響見圖3。由圖3可以看出，產(chǎn)品設(shè)定的密度對復(fù)合板材的靜曲強(qiáng)度影響甚小，但密度設(shè)定1.0 g·cm-3、1.2 g·cm-3時(shí)，板材的靜曲強(qiáng)度分別為26.1 MPa、26.5 MPa幾乎無差別，而設(shè)定密度為1.4 g·cm-3時(shí)，板材靜曲強(qiáng)度反而降低到22.5 MPa，但也降低不大。設(shè)定的密度對板材靜曲強(qiáng)度影響甚小的原因，主要是粉煤灰的密度較小，試驗(yàn)中按設(shè)定的產(chǎn)品密度配料，名義密度大的(如1.4 g·cm-3)就比名義密度小的(如1.0 g·cm-3)多了640 g干物質(zhì)(其中粉煤灰多了256 g，竹屑多了384 g)，在同樣壓力、溫度條件下，板子熱壓成型后的厚度均超過原來設(shè)定的厚度(10 mm)，造成所壓板子實(shí)際密度低于1.0 g·cm-3的情況，所以出現(xiàn)名義密度1.4 g·cm-3的板材靜曲強(qiáng)度卻比名義密度1.0 g·cm-3的板材低的試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果以及節(jié)省原料角度考慮，復(fù)合板材的密度確定1.0 g·cm-3比較適宜。

3 結(jié)論

竹屑/粉煤灰復(fù)合板材中，灰/竹質(zhì)量比對復(fù)合板材的靜曲強(qiáng)度(MOR)影響高度顯著。竹屑/粉煤灰復(fù)合板材中，竹屑所占的比例越高，MOR就越高，反之，粉煤灰所占比例越高，MOR越低。竹屑/粉煤灰復(fù)合板的靜曲強(qiáng)度隨著施膠量增加而提高，本試驗(yàn)施膠量21%時(shí)，板材的MOR達(dá)到最高值，而后增加施膠量，MOR沒有提高，從試驗(yàn)結(jié)果來看施膠量也不宜低于18%。粉煤灰密度相對較小，基本屬于輕質(zhì)材料，試驗(yàn)過程中，不易壓制出較高密度的復(fù)合板材。本試驗(yàn)較為合適的復(fù)合板材密度確定為1.0 g·cm-3。

在本試驗(yàn)熱壓條件下生產(chǎn)的竹屑/粉煤灰復(fù)合板，其力學(xué)性能(靜曲強(qiáng)度)達(dá)到結(jié)構(gòu)刨花板的要求，較佳工藝參數(shù)：灰/竹質(zhì)量比(A)為4/6，施膠量(B)21%，產(chǎn)品密度(C)為1.0 g·cm-3。

[1]劉厚貴.電廠灰渣庫粉煤灰綜合利用探討[J].制冷與空調(diào)，2014，28(4)：487-490.

[2]曹德生，魏榮杰.粉煤灰綜合利用概述[J].河南建材，2014(2)：100-105.

[3]李乃霞，韓飛.粉煤灰的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].廣東化工，2014，41(5)：101-102.

[4]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 17677—2013.人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

Study on Manufacturing Technology of Bamboo Sawdust /Fly Ash Composite Board

CHEN Han，LIU Xiao-hui，SONG Xiao-jing

(FujianAcademyofForestry，F(xiàn)uzhou350012，F(xiàn)ujian，China)

This paper investigated the bamboo sawdust/fly ash composite board prepared by bamboo processing residue and fly ash as a raw material.According to particleboard production technology with the hot-pressing temperature 140 ℃ and the highest pressure 2.5 MPa，the effect of the fly ash mass ratio of bamboo sawdust， resin content and density on bending strength (MOR) of the bamboo sawdust /fly ash composite board were discussed to get better process parameters.when tthe fly ash mass ratio of bamboo sawdust was 4/6，resin content was 21%，density was 1.0 g·cm-3，MOR of the composite board meet the load-bearing particleboard standard requirement.

fly ash；bamboo sawdust；composite board；bending strength

2015-03-05；

2015-05-18

福建省屬公益類科研院所基本科研專項(xiàng)項(xiàng)目(閩林研〔2012〕25號)；福建省森林培育與林產(chǎn)品加工利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助

陳涵(1969—)，男，福建永泰人，福建省林業(yè)科學(xué)研究院教授級高級工程師，從事竹木復(fù)合材料研究。E-mail：31836938@qq.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2015.04.016

TS653

A

1002-7351(2015)04-0076-04