廖 瑞，徐劍瑩，唐忠榮，鐘 柱，吳新鳳，尤 悅

（中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410004）

輕質(zhì)無膠蔗渣板的研究

廖 瑞，徐劍瑩，唐忠榮，鐘 柱，吳新鳳，尤 悅

（中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410004）

以蔗渣為原料，不采用合成樹脂，而是加入少量環(huán)保型添加劑（有機(jī)酸或糖）壓制輕質(zhì)無膠蔗渣板。探討了板的密度，以及防水劑的有無對輕質(zhì)無膠蔗渣板的物理力學(xué)性能及熱學(xué)性能的影響。采用X射線衍射儀（XRD）、傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）初步分析了加入添加劑、防水劑對板的物理力學(xué)性能及膠合機(jī)理的影響，結(jié)果表明：隨著密度增大，板的導(dǎo)熱性能，MOR值和TS值上升；加入添加劑后，板的纖維素結(jié)晶度增大；加入少量防水劑（石蠟）后，板的纖維素結(jié)晶度沒有明顯變化，—OH吸收峰強(qiáng)度下降，TS下降明顯；在研究范圍內(nèi)，板的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到國家林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1718-2007所要求的保溫材料的要求。本研究既擴(kuò)大了人造板生產(chǎn)的原料來源，又解決了人造板產(chǎn)品的游離甲醛釋放問題。

輕質(zhì)無膠蔗渣人造板；膠合機(jī)理；熱學(xué)性能；物理力學(xué)性能

隨著人類環(huán)保意識的逐漸增強(qiáng)，成本低廉、性能優(yōu)良，低毒甚至無毒的制品將是國內(nèi)外研究的主流目標(biāo)。在面對日趨激烈的市場競爭、日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)和消費(fèi)者對產(chǎn)品越來越嚴(yán)格的質(zhì)量要求，無游離醛的新型人造板作為一種環(huán)保型建材勢必成為未來發(fā)展的新趨勢。而無膠人造板因整個加工過程中不使用任何膠粘劑，無游離甲醛的釋放，故所制得的產(chǎn)品是一種無污染的環(huán)境友好型的材料。

目前國內(nèi)外許多學(xué)者致力于無膠人造板的研究，且無膠人造板以無膠纖維板較多見，無膠刨花板研究較少，無膠板一般密度較大，主要用于家具材料。而室內(nèi)隔音、隔熱材料一般采用輕質(zhì)人造板，若能研制出輕質(zhì)無膠刨花板代替普通產(chǎn)品，則不但能消除室內(nèi)空氣污染，而且可擴(kuò)大無膠刨花板的應(yīng)用范圍[1-5]。

本研究以蔗渣為原料，研制輕質(zhì)無膠碎料板，在制板過程中加入少量的添加劑和防水劑，初步探討輕質(zhì)無膠蔗渣板的制板工藝和成型機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 材 料

（1）蔗渣Ferrum Juan Fu取自湖南常德，含水率為13%；蔗渣碎料規(guī)格：小于10目占24%，10～30目占42%，30～80目占28%，大于80目占6%。

（2）添加劑A和B，分別為有機(jī)酸和糖。按比例配制成水溶液。

（3）防水劑：石蠟乳液。

1.2 試驗設(shè)備

四柱油壓機(jī)，萬能力學(xué)試驗機(jī)，護(hù)熱平板導(dǎo)熱儀，日本島津公司的IRAff i nity-1傅里葉紅外光譜儀，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司XD-2型自動多晶粉末X射線衍射儀等。

1.3 碎料板制備

制備無膠蔗渣板規(guī)格為210 mm×210 mm×6 mm，采用厚度規(guī)控制板的厚度，板的目標(biāo)密度為 0.3、0.35、0.4、0.45、0.5 g/cm3；熱壓時間為7 min，板面單位熱壓壓力3.6 MPa，熱壓溫度為180 ℃，添加劑含量為15%（A∶B=1∶1)，防水劑石蠟乳液的施加量分別為0與1.5%兩組。制板時，根據(jù)板的密度將碎料稱重，然后加入添加劑與石蠟乳液，借助成型框手工鋪裝成板坯。此外，壓制密度為0.4 g/cm3，不加添加劑和防水劑的板作為對照。對所有板材進(jìn)行MOR，TS檢測；對加入添加劑條件下的板材進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)檢測；對密度為0.4 g/cm3條件下的板材進(jìn)行XRD和FTIR檢測。

1.4 性能檢測

壓制好的輕質(zhì)無膠蔗渣板經(jīng)調(diào)溫調(diào)濕處理后，參照國家林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1718-2007要求（見表1）進(jìn)行靜曲強(qiáng)度(MOR) 檢測、吸水厚度膨脹率（TS）檢測、導(dǎo)熱系數(shù)（λ）檢測以及XRD檢測、FTIR檢測。

（1）含水率

根據(jù)GB 1931-1991《木材含水率測定方法》進(jìn)行測定。

表1 《輕質(zhì)纖維板》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的理化性能Table 1 Physical and chemical properties formulated by National Standard of Ultra-low Density Fiberboard

（2）導(dǎo)熱系數(shù)

儀器參考標(biāo)準(zhǔn)：GB/T3392-82《塑料導(dǎo)熱系數(shù)試驗方法，護(hù)熱平板法》，GB 10294-88，ISO/DIS《絕熱—測定穩(wěn)態(tài)熱阻和有關(guān)特性—防護(hù)熱板裝置》。

將所壓制的輕質(zhì)無膠蔗渣板，取均質(zhì)部位加工成200 mm×200 mm的試樣，取樣后將試樣表面平整處理，檢測端面4個點，取平均值為厚度。測試導(dǎo)熱系數(shù)時，將板子進(jìn)行測試。

式（1）中，I為熱極電流（A）；U為熱極加熱電壓（V）；d為試樣厚度（m）；S為試樣有效受面積（m2）；ΔZ為測定時間間隔（h）；ΔT為冷熱極板間（試樣兩平面）平均溫差（K）。

（3）靜曲強(qiáng)度

用力學(xué)性能試驗機(jī)測試板材的靜曲強(qiáng)度，

（4）吸水厚度膨脹率

依據(jù)下面公式2計算試件的吸水厚度膨脹率

式（2）中：D—吸水厚度膨脹率（%）；h1—試件吸水前厚度（mm）；h2—試件吸水后厚度(mm)。

（5）XRD試驗

實驗所用儀器是X射線衍射儀，使用XRD分析時，銅靶輻射(λ=0.154 06 nm)，電壓36.0 kV，電流20.0 mA，掃描速度2 °/min，掃描角度5～50 °。蔗渣纖維素相對結(jié)晶度根據(jù)Segal法[6]計算：

式（3）中：Cr為相對結(jié)晶度，I002為(002)晶格衍射角的極大強(qiáng)度，即結(jié)晶區(qū)的衍射強(qiáng)度，Iam是2θ=18 °時非結(jié)晶背景衍射的散射強(qiáng)度。

（6） FTIR試驗

采用粉末制樣法，利用日本島津公司的IRAff i nity-1傅里葉紅外光譜儀對熱壓后的板材樣品進(jìn)行掃描，分析加入添加劑和防水劑熱壓成板后化學(xué)官能團(tuán)的變化。測試采用溴化鉀壓片法，掃描范圍：400～4 000 cm-1，分辨率：2 cm-1，掃描次數(shù)：32次，重復(fù)做3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 密度對輕質(zhì)無膠蔗渣板材各性能的影響

2.1.1 熱學(xué)性能

導(dǎo)熱系數(shù)表征物體以傳導(dǎo)方式傳遞熱量的能力，是極為重要的物理參數(shù)。圖1為密度對無膠蔗渣板導(dǎo)熱系數(shù)的影響圖，從圖中可看出隨著密度的增大，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大。試驗所研究密度范圍內(nèi)的板材導(dǎo)熱系數(shù)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)的保溫材料，故低密度的無膠蔗渣板是較優(yōu)的保溫隔熱材料。密度為0.35 g/cm3，板材導(dǎo)熱系數(shù)為0.070 9 W/(m·k)，當(dāng)密度為0.4 g/cm3時，板材導(dǎo)熱系數(shù)為0.080 8 W/(m·k)，比0.35 g/cm3密度下的板材導(dǎo)熱系數(shù)增大了14%，而密度為0.45 g/cm3下的導(dǎo)熱系數(shù)比密度為0.35 g/cm3的導(dǎo)熱系數(shù)增大了51%。板材的導(dǎo)熱系數(shù)和密度有直接的關(guān)系，主要是因為蔗渣板是多孔性材料，熱流要通過其實體物質(zhì)（細(xì)胞壁物質(zhì)）和空隙（細(xì)胞腔、細(xì)胞間隙等）兩部分傳遞，但空隙中空氣的導(dǎo)熱系數(shù)（0.023 9 W/(m·k)）遠(yuǎn)小于板材實體物質(zhì)，因而板材的導(dǎo)熱系數(shù)隨著密度的增大而增大[7]。

圖1 密度對輕質(zhì)無膠蔗渣板導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.1 Effects of density on thermal conductivity coeff i cient of ultra-low density bagasse binderless particleboard

2.1.2 物理力學(xué)性能

圖2為添加劑含量為15%條件下板的密度對輕質(zhì)無膠蔗渣板靜曲強(qiáng)度的影響。從圖2中可以看出，隨著密度的增大，MOR呈上升趨勢，當(dāng)板的平均密度從0.3 g/cm3增大到0.5 g/cm3時，MOR從1.17 MPa增大到6.71 MPa，提高了473%。這是因為隨著密度的增大，碎料板的壓縮比增大，碎料相互接觸面積增大，膠合面積也隨之增大，碎料間空隙率低，壓縮更為緊密，最終使得碎料間結(jié)合強(qiáng)度增大。當(dāng)密度為0.4 g/cm3時，板的MOR為3.28 MPa，而未施添加劑的對照板的MOR僅為2.2 MPa，參照國家林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1718～2007的要求， 對照板未達(dá)標(biāo)而加入添加劑后的板能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。主要是因為加入添加劑，添加劑起到膠黏的作用，使板的強(qiáng)度增大。當(dāng)密度低于0.4 g/cm3時，添加劑條件下的無膠蔗渣板的靜曲強(qiáng)度也未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 密度對輕質(zhì)無膠蔗渣板靜曲強(qiáng)度的影響Fig.2 Effects of density on modulus of rupture (MOR) of ultra-low density bagasse binderless particleboard

從圖3可以看出，在試驗研究范圍內(nèi)，隨著密度增大，吸水厚度膨脹率（TS）呈增大趨勢。密度從0.3 g/cm3增大到0.5 g/cm3，吸水厚度膨脹率從3.5%上升至7.3%增大了108%。究其原因，板材的吸水厚度膨脹率主要取決碎料本身膠合的強(qiáng)度和材料的回彈性能。一方面，隨著密度增大，碎料間自身的膠合強(qiáng)度增大使得碎料結(jié)合緊密，水分難以進(jìn)入，從而使吸水厚度膨脹率減??；而另一方面，隨著密度增大，板材內(nèi)部應(yīng)力隨之釋放，板的回彈也增大，導(dǎo)致吸水厚度膨脹率增大。綜合以上原因，材料回彈性能的影響比碎料自身膠合強(qiáng)度影響稍大致使TS值呈上升趨勢。與國家林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1718-2007比照，加入添加劑所制板的TS均能達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)的要求。未加添加劑的對照板TS為19.8%，未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 密度對輕質(zhì)無膠蔗渣板吸水厚度膨脹率的影響Fig.3 Effects of density on thickness swelling rate of ultralow density bagasse binderless particleboard

2.2 防水劑對輕質(zhì)無膠蔗渣板物理力學(xué)性能的影響

在人造板生產(chǎn)過程中，工廠一般都會用一定數(shù)量石蠟乳液與膠料一起摻入,使板材具有抗水性，同時也提高表面光潔度。

吸水厚度膨脹率（TS）反映了人造板產(chǎn)品的耐水性能和尺寸穩(wěn)定性。人造板TS越大，表明其耐水性越差，耐水性差的板材在潮濕環(huán)境下容易吸濕，體積膨脹尺寸大，強(qiáng)度下降快。

由圖 4中可看出：隨著密度的增大，板的靜曲強(qiáng)度呈增大趨勢。加入防水劑石蠟后，板材的靜曲強(qiáng)度下降范圍為1%～10%，下降不明顯。當(dāng)密度為0.4 g/cm3及以上時，MOR均能達(dá)到國家林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1718-2007的要求。從圖5中可以明顯的看出，加入防水劑后板的TS明顯下降。當(dāng)密度為0.3 g/cm3時，加入石蠟后比加入前TS值下降14.3%；當(dāng)密度達(dá)到0.35 g/cm3及以上時，TS下降很明顯，最大下降了46.6%。因此在無膠蔗渣板生產(chǎn)中若加入適量的防水劑，可以有效的降低板TS值，提高板的尺寸穩(wěn)定性。

圖4 石蠟對輕質(zhì)無膠蔗渣板靜曲強(qiáng)度的影響Fig.4 Effects of wax on MOR of ultra-low density bagasse binderless particleboard

2.3 XRD分析

從圖6中可以看出，與對照板相比，加入添加劑熱壓的板和加入添加劑兼防水劑熱壓的板的衍射強(qiáng)度發(fā)生了變化，但是各衍射峰位置基本相同，同樣分別在16 °，22 °，26 °附近出現(xiàn)了明顯的衍射峰。說明加入添加劑或者加入防水劑對原有結(jié)晶區(qū)沒有形成影響，即晶層的距離沒有發(fā)生變化，沒有使結(jié)晶區(qū)產(chǎn)生變化，從衍射強(qiáng)度來看，加入添加劑的板材的主峰強(qiáng)度與對照板相比發(fā)生了明顯的變化，這說明加入添加劑對板材纖維素的非結(jié)晶區(qū)產(chǎn)生了較大的影響。素板的結(jié)晶度為35.89%，加入添加劑后提高了3.5%。產(chǎn)生這種變化的原因是，在添加劑（有機(jī)酸、糖）的作用下，促使纖維素的結(jié)晶無定形區(qū)域內(nèi)纖維素分子鏈之間的羥基發(fā)生“架橋”反應(yīng)，使無定形區(qū)內(nèi)纖維素的排列向結(jié)晶區(qū)靠攏，從而使得板材纖維素的相對結(jié)晶度增加，纖維素相對結(jié)晶度的提高，有利于提高板材的彎曲性能和尺寸穩(wěn)定性。加入防水劑后板的結(jié)晶度與僅加入添加劑的板結(jié)晶度無明顯差異，衍射強(qiáng)度幾乎沒有變化。加入防水劑后，防水劑分子對結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)無影響，但是防水劑分子在晶區(qū)外面形成一層憎水性質(zhì)的保護(hù)層，不利于纖維素上基團(tuán)和水反應(yīng)，大大提高了板材的尺寸穩(wěn)定性，表現(xiàn)為TS下降明顯。

圖5 石蠟對輕質(zhì)無膠蔗渣板吸水厚度膨脹率的影響Fig.5 Effects of wax on thickness swelling rate of ultralow density bagasse binderless particleboard

圖6 無膠蔗渣板X射線衍射圖譜Fig.6 XRD analysis of bagasse binderless particleboard

表2 不同樣品的纖維素結(jié)晶度變化Table 2 Crystallinity change of cellulose from different samples

2.4 FTIR分析

從圖7中可以看出，經(jīng)過不同處理的3種板的FTIR圖譜的出峰位置基本一樣，說明在不同處理條件下，板內(nèi)官能團(tuán)沒有發(fā)生變化。波數(shù)在3 434 cm-1附近的吸收峰主要木素和綜纖維素羥基（O-H）伸縮振動峰，2 927 cm-1左右吸收峰是木素和綜纖維素的甲基、亞甲基和次甲基的（C-H）伸縮振動，1 742 cm-1附近是聚木糖的羰基（C=O）和羧基的伸縮振動峰，1 511 cm-1附近是木素芳香核的伸縮振動峰，1 240 cm-1是醇類和酚類物質(zhì)中（C-O-C）伸縮振動的特征吸收峰，1 050 cm-1是半縮醛所形成 （C-O-C）伸縮振動的特征吸收峰[8-11]。由圖7可見， a，b在3 434 cm-1附近具有較大的-OH的伸縮振動吸收峰，而c與a，b相比，-OH峰強(qiáng)有所下降。這是因為蔗渣板中本身含有一定量的蔗糖，而蔗糖分子上含有大量的羥基，且b板中加入了一定量的添加劑，添加劑的主要成分是有機(jī)酸和糖，而有機(jī)酸中含有羧基和羥基，糖中也含有一定量的羥基，游離-OH數(shù)目增多使得所以a，b中-OH吸收峰的峰強(qiáng)較大；c板中加入了少量的防水劑石蠟，石蠟是由幾種高級烷烴組成，而烷烴屬于憎水基團(tuán)，在制板過程中使一部分羥基封閉，從而使得-OH吸收峰強(qiáng)度減弱，進(jìn)而使得板的吸水性下降，有利于提高板的尺寸穩(wěn)定性。此外，與a相比，b和c的峰形變寬，表明氫鍵締合-OH 的數(shù)目增加。b的- CH2在2 927 cm-1左右的吸收峰變大，表明有更多的- CH2暴露在外。1 742 cm-1附近的羰基吸收峰，b比a的吸收強(qiáng)度大很多，是因在熱壓過程中，在有機(jī)酸添加劑作用下，纖維素和半纖維素降解可生成一系列含羰基的單糖，使得羰基含量增高，吸收強(qiáng)度增大，而石蠟加入后會使部分的基團(tuán)被石蠟分子包裹起來從而降低羰基的數(shù)量，使得c的吸收強(qiáng)度減弱。b板在1 050 cm-1附近具有比a和c都強(qiáng)的吸收峰，說明添加酸類物質(zhì)有助于半纖維素降解生成更多的的醛類水解產(chǎn)物。醛類水解產(chǎn)物可以進(jìn)行縮聚反應(yīng)生成更多的C-O-C鍵，使結(jié)合更牢固，板的膠合強(qiáng)度增強(qiáng)。

圖7 無膠蔗渣板傅立葉紅外光譜Fig.7 FTIR analysis of bagasse binderless particleboard

3 結(jié) 論

（1）加入添加劑后，無膠蔗渣板的MOR增大，TS減小。

（2）在試驗研究范圍內(nèi)，隨著密度的增大，板的MOR增大，TS增大，導(dǎo)熱系數(shù)（λ）增大。加入防水劑石蠟，板的TS下降，有利于提高板的尺寸穩(wěn)定性。

（3）板的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到國家林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1718-2007所要求的保溫材料的要求。

（4）加入添加劑后，板內(nèi)纖維素相對結(jié)晶度提高，有利于提高板的尺寸穩(wěn)定性和強(qiáng)度。

（5）由于添加劑的作用，無膠板中氫鍵締合-OH 的數(shù)目增加；添加劑中的有機(jī)酸類有助于半纖維素降解生成更多的醛類水解產(chǎn)物，醛類水解產(chǎn)物可以進(jìn)行縮聚反應(yīng)生成更多的C-O-C鍵，使結(jié)合更牢固，板的膠合強(qiáng)度增強(qiáng)。

（6）加入防水劑石蠟使板內(nèi)羥基數(shù)目減少，吸濕性能下降，表現(xiàn)為TS下降。

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Study on ultra-low density bagasse binderless particleboard

LIAO Rui, XU Jian-ying, TANG Zhong-rong, ZHONG Zhu, WU Xin-feng, YOU Yue
(School of Materials Science & Engineering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

By taking bagasse as the raw material, without using any synthetic resin, but adding a little environmental-friendly additives(organic acid or sugar), a kind of ultra-low density binderless bagasse particleboard was manufactured. The effects of board density,waterrepellent (wax) on physical and mechanical properties and thermal properties of binderless particleboard were studied. By adopting X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), the effects of mixing additives and water repellent on physical and mechanical properties and bonding mechanism of the bagasse boards were also investigated and analyzed. The results show that the thermal conductivity, TS value and MOR value increased with the increases of board density; The crystallinity of cellulose increased after added additives; By adding a small amount water repellent, though the cellulose crystallinity did not change signif i cantly, the intensity of-OH absorption peak decreased, and the TS value decreased signif i cantly; The thermal conductivity of binderless particleboard can meet the requirements of the National Standard LY/T 1718-2007. This study not only enlarged the raw materials sources of board production ,but also solved the problem of formaldehyde emission of wood-based panels.

ultra-low density binderless bagasse particleboard; bonding mechanism; thermal properties; physical and mechanical properties

S781.7

A

1673-923X(2015)02-0109-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.02.021

http: //qks.csuft.edu.cn

2014-04-21

國家林業(yè)局948項目（2011-4-22）；浙江省木材科學(xué)與技術(shù)重中之重學(xué)科開放基金項目；中南林業(yè)科技大學(xué)木材科學(xué)與技術(shù)國家重點學(xué)科資助項目

廖 瑞， 碩士研究生 通訊作者：徐劍瑩，博士，教授，博士生導(dǎo)師；E-mail：xjianying@hotmail.com

廖 瑞，徐劍瑩，唐忠榮，等. 輕質(zhì)無膠蔗渣板的研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2015,35(2):109-113,118.

[本文編校：文鳳鳴]