楊志慧，程利娟，孫照斌，徐鳳娟

(1.河北隆化國有林場管理處茅荊壩林場，河北 隆化 068150；2.河北農業(yè)大學，河北 保定 071000)

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研究與設計

楊樹樹皮刨花板工藝與性能研究

楊志慧1，程利娟1，孫照斌2，徐鳳娟2

(1.河北隆化國有林場管理處茅荊壩林場，河北 隆化 068150；2.河北農業(yè)大學，河北 保定 071000)

研究了以脲醛樹脂膠為膠黏劑的楊樹樹皮刨花板的加工工藝和性能。結果表明：樹皮與楊木刨花配比為6∶4、密度為0.8 g/cm3，施膠量為12%、熱壓時間為8 min時，樹皮刨花板的各項物理性能最優(yōu)并達到了GB/T 4897.3-2003普通刨花板國家標準的要求。

楊樹樹皮；脲醛樹脂膠；刨花板；工藝參數；板材性能

在森林采伐、貯木場作業(yè)、木材加工等過程中，往往有大量的樹皮被丟掉。除了一些特殊的樹皮用于特殊用途外，其余樹皮往往被看成是廢料，而且處理這些廢料費時費力。過去有些國家用樹皮做燃料或堆肥，利用率最高的也只達到50%。20世紀60年代以來，前蘇聯(lián)、德國、加拿大、美國和我國的一些學者都相繼對樹皮的利用進行了深入研究，為樹皮的綜合利用提供了多種途徑[1-10]。楊樹樹皮約占木材材積的12%～15%，若能將其充分利用，則能大大提高林業(yè)生產的經濟效益。目前針對楊樹樹皮開發(fā)利用的研究報道相對較少，本研究以楊樹樹皮為主要原料制備樹皮刨花板，旨在為楊樹樹皮的綜合利用提供參考[11-12]。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

(1)楊樹樹皮：采自河北保定涿州地區(qū)的741轉抗蟲基因和741非轉抗蟲基因兩種楊樹，樹皮風干后打碎；形態(tài)為長2～10 mm、寬1～2.5 mm、厚0.6～0.8 mm，含水率為6%。

(2)楊木刨花：新鮮楊木單板用粉碎機粉碎成刨花后，進行篩選、干燥，備用。刨花形態(tài)為長2～15 mm、寬1～3 mm、厚0.5～0.8 mm，含水率為5.5%；

(3)膠黏劑：外購脲醛膠(UF樹脂膠)，固含量48.6%，pH 7.5，黏度：涂4杯，52s；

(4)固化劑：氯化銨(分析純)；

(5)填料：面粉。

1.2 儀器設備

①平板硫化機(XLB-500×500)、②電子式人造板萬能試驗機(MND-10B)、③鼓風式干燥箱、④高速混合機(SHR-10DY)、⑤電子天平、⑥粉碎機。

1.3 試驗方法

工藝流程如下：楊樹刨花與楊樹樹皮混合→施膠→攪拌→鋪裝→陳化→預壓→熱壓→冷卻→后期處理。

實驗采用L9(34)正交試驗法，研究材料密度、配比、施膠量、熱壓時間對樹皮刨花板性能的影響。

刨花板的主要工藝參數為：尺寸300 mm×300 mm×10mm；單層結構；熱壓溫度120 ℃；單位壓力3 MPa；固化劑氯化銨用量為樹脂膠用量的1%。

1.4 板材性能測試

根據GB/T 17657-2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》[13]和GB/T 4897.2-2003《干燥狀態(tài)下使用的普通刨花板》[14]，檢測板材的密度(ρ)、含水率(M.C)、靜曲強度(MOR)、靜曲彈性模量(MOE)、內結合強度(IB)、吸水厚度膨脹率(TS)等指標。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

L9(34)正交試驗安排及試驗結果見表1，方差分析匯總見表2。

表1 L9(34)正交試驗安排及試驗結果

表2 方差分析匯總

注：***表示影響高度顯著，**影響顯著，*有影響但不顯著。

根據極差R和水平K分析，可得直觀分析圖如圖1所示。

通過直觀分析圖和方差分析可以看出：

(1)影響板材性能的主要因素從主到次順序為：A→B→D→C，即密度→配比→施膠量→熱壓時間。

(2)在實驗參數范圍內，方差分析顯示密度對靜曲強度和靜曲彈性模量影響高度顯著，木塑配比對靜曲強度、靜曲彈性模量、內結合強度的影響顯著，施膠量對吸水厚度膨脹率的影響高度顯著，熱壓時間對各項性能有影響但不顯著。

(3)綜合分析，較佳的工藝參數為：A3B1C2D3，即板材的預設密度為0.8 g/cm3，樹皮與楊木刨花的配比為3∶2，熱壓時間為8 min，施膠量為14%。但在表1中4號板材和7號板材的各項性能基本可以達到或接近干燥狀態(tài)下使用的普通刨花板GB/T 4897.2-2003性能指標中所列的標準要求。

(a)正交試驗MOR直觀分析

(b)正交試驗MOE直觀分析

(c)正交試驗M.C直觀分析

(d)正交試驗TS直觀分析

2.2 結果分析

2.2.1 密度對板材各項性能的影響

從表1、表2和圖1可知，在試驗區(qū)間內，隨著板材密度的增大，其靜曲強度和靜曲彈性模量均呈增大趨勢，而24 h吸水厚度膨脹率變化不大。方差分析顯示，密度對其靜曲強度和靜曲彈性模量影響高度顯著，對24 h吸水厚度膨脹率影響不顯著。這是因為密度增加，板材中的木刨花和碎樹皮的整體壓縮率提高，使木刨花之間、碎樹皮之間，以及木刨花和碎樹皮之間在膠黏劑的作用下能夠更好地結合，從而使板材抵御正應力和剪應力的能力增強。此外，隨著密度的增加，板材的吸水厚度膨脹率呈下降趨勢。這主要是木刨花和碎樹皮的整體壓縮率提高以后會使板材中的吸水基團和吸水通道減少，板材的耐水性能提高。從整體看，在試驗區(qū)間內，密度越高越好，但考慮到成本，密度取0.7 g /cm3左右即可，此時板材性能可達到刨花板的國標要求。

2.2.2 木刨花/樹皮配比對板材性能的影響

木刨花與碎樹皮的比值是指在一定板坯重量的前提下，兩種原料的絕干物質質量比。由于木刨花和碎樹皮自身密度及堆積密度的差別，以及在板坯中所處的位置不同，獲得的熱量有差異，在同樣壓力下，比值不同，對刨花板的性能影響也不同。

從表1、表2和圖1還可以看出，材料配比(樹皮：刨花)中隨著楊木刨花用量的增大，其靜曲強度和靜曲彈性模量呈增大趨勢，24 h吸水厚度膨脹率也呈增大趨勢。方差分析顯示，材料配比(樹皮：刨花)對其靜曲強度、靜曲彈性模量和24 h吸水厚度膨脹率影響顯著。木刨花/樹皮配比為6∶4的1號、4號和7號板材的靜曲強度、靜曲彈性模量比木刨花/樹皮配比為7∶3和8∶2的板材要高。

單一變量材料配比在刨花板性能影響的試驗中也顯示了相似的結果。單因素試驗設置密度為0.7 g/cm3、施膠量12%、熱壓時間8 min，熱壓溫度120 ℃，樹皮/刨花配比分別為0∶1、1∶1、3∶1、1∶0。材料配比對刨花板各項性能的影響見表3。

表3 材料配比對刨花板各項性能的影響

由表3可知，材料配比(樹皮：刨花)為1∶0時，刨花板的性能與國家標準要求相差較大，材料配比為3∶1時，刨花板的各項性能指標均達到或接近國家標準，完全用樹皮為原料制備的刨花板性能指標偏低，達不到國家刨花板標準要求。由于樹皮本身的強度低于木材，因此楊木刨花含量越高刨花板的性能越好。

2.2.3 熱壓時間對板材各項性能的影響

從表1、表2和圖1中可知，在本試驗參數范圍內，隨著熱壓時間的增大，其靜曲強度、靜曲彈性模量、24 h吸水厚度膨脹率變化不明顯。方差分析顯示，熱壓時間對其靜曲強度、靜曲彈性模量和24 h吸水厚度膨脹率的影響也不顯著。

熱壓時間的確定必須保證芯層刨花上的膠黏劑達到必要的固化程度，同時還要保證表層上的膠黏劑不能脆化。熱壓時間過短，芯層部位的膠黏劑未能很好地固化，致使該部位的刨花間不能產生良好的結合，從而降低了抵御剪應力的能力。而熱壓時間過長，則表層膠黏劑脆化，使刨花間的膠合強度降低，致使抵御正應力的能力下降。對本次試驗的樹皮刨花板來說，熱壓時間為8 min左右比較合適。

2.2.4 施膠量對板材各項性能影響

從表1、表2和圖1可知，隨著施膠量的增大，其靜曲強度和靜曲彈性模量變化不明顯，24 h吸水厚度膨脹率呈降低趨勢。方差分析顯示，施膠量對其靜曲強度、靜曲彈性模量影響不顯著，而對24 h吸水厚度膨脹率影響高度顯著。

從表2和圖1可知，在本試驗范圍內，施膠量對板材24 h吸水厚度膨脹率影響顯著，隨著施膠量的增大，其24 h吸水厚度膨脹率逐步降低，但其靜曲強度、靜曲彈性模量變化不大。

采用單一變量法進行施膠量對板性能影響的補充試驗。設置密度為0.7 g/cm3、配比為3∶1、熱壓時間8 min，熱壓溫度為120 ℃，施膠量分別為10%、12%、14%，考查施膠量對刨花板各項性能的影響，結果見表4。

表4 施膠量對刨花板性能的影響

由表4可知，施膠量為10%時，刨花板的性能未達到國家標準要求，施膠量為12%時，刨花板的各項性能指標均達到或接近于國家標準。隨著施膠量增大，其靜曲強度、靜曲彈性模量、內結合強度逐步增大，吸水厚度膨脹率逐步減小。

原料用量一定時，施膠量小會造成部分原料施膠不均勻，在熱壓過程中部分刨花結合松散；而施膠量大，在攪拌過程中又會使刨花結團或鋪裝不勻，在熱壓過程中會有膠液溢出，造成膠的浪費，同時施膠量過大甲醛含量也會增加。在本試驗中，比較合適的施膠量為12%。

2.3 工藝參數優(yōu)化及驗證

根據正交實驗和單因素試驗結果，設置板材的預設密度為0.7 g/cm3、樹皮與木刨花配比為6∶4、熱壓時間為8 min、施膠量為12%進行優(yōu)化試驗，結果見表5。從表5可知，按該優(yōu)化工藝條件制備的刨花板性能可達到干燥狀態(tài)下使用的普通刨花板GB/T 4897.2-2003的性能指標要求。

表5 工藝參數優(yōu)化試驗結果

3 結論

(1)完全用楊樹樹皮制備刨花板，其性能指標達不到普通刨花板國家標準的要求，添加一定比例的木質刨花后可以明顯地改善樹皮刨花板的性能。

(2)本試驗范圍內，密度對刨花板的靜曲強度、靜曲強度模量影響顯著，木刨花/樹皮配比對刨花板的靜曲強度、靜曲強度模量、吸水厚度膨脹率影響顯著，施膠量對刨花板吸水厚度膨脹率影響顯著，而熱壓時間對各性能影響均不顯著。

(3)各因素對刨花板性能影響的主次關系為：密度→施膠量→配比→熱壓時間。最優(yōu)工藝參數為：密度0.7 g/cm3，樹皮與木刨花配比為6：4，熱壓時間為8 min，施膠量為12%，該工藝條件下所制備的刨花板性能指標可滿足GB/T 4897.2-2003干燥狀態(tài)下使用的普通刨花板性能指標的要求。

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(責任編輯 張雅芳)

Study on Poplar Bark-based Particleboard Technology and Properties

YANG Zhi-hui1，CHENG Li-juan1，SUN Zhao-bin2，XU Feng-juan2

(1.Maojingba Forest Farm，Hebei Longhua State-owned Forest Farm Management Office，Longhua Hebei 068150，China；2.Agricultural University of Hebei，Baoding Hebei 071000，China)

The processing technology and properties of poplar bark-based particleboard with urea formaldehyde(UF)resin as adhesive are studied，with the result showing the ratio of bark to poplar particle of 4∶1，density of 0.8 g/cm3，glue consumption of 12%，and hot press time of 8 min，with all physical properties of the bark-based particleboard realizing the optimum level and meeting the requirements in the natonal standard GB/T 4897.3-2003 for ordinary particleboard.

poplar tree bark；UF-resin；particleboard；technical parameters；board properties

2017-03-10

林業(yè)行業(yè)標準項目“廢棄木材保管規(guī)范”(2014-LY-068)

楊志慧(1981-)，男，工程師，本科，主要從事森林經營與管理、森林培育經營技術的研究，E-mail：yangzhihui1982@126.com。