摘 要：低密度纖維板開發(fā)及其應(yīng)用研究能有效解決我國木材短缺的問題，但由于低密度纖維板密度低，板材物理性能要求較高，使生產(chǎn)工藝成為難題。為此，本文首先介紹了一種新型低密度纖維板的技術(shù)指標(biāo)及熱壓試驗，然后詳細闡述這種低纖維板的生產(chǎn)工藝及纖維板專用膠粘劑生產(chǎn)工藝流程，以期為其他學(xué)者的研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：低密度纖維板;生產(chǎn)工藝;熱壓試驗

中圖分類號：TS653.6 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）19-0044-04

Abstract： The development of low-density fiberboard and its application can effectively solve the problem of wood shortage in China. However， due to the low density of low-density fiberboard and high physical properties of the board， the production process becomes a difficult problem. To this end， this paper first introduced the technical index and hot pressing test of a new type of low-density fiberboard， and then elaborated on the production process of this low-fiber board and the production process of special adhesive for fiberboard， in order to provide reference for the research of other scholars.

Keywords： low density fiberboard;production process;hot pressing test

1 研究背景

木材是十分珍貴的資源。但從目前我國木材生產(chǎn)情況來看，依然處于十分短缺的狀態(tài)，這直接影響下游中密度纖維板企業(yè)的發(fā)展。部分纖維板生產(chǎn)企業(yè)由于木材價格持續(xù)攀升而陷入經(jīng)營困境。黨的十九大報告中指出：“堅持人與自然和諧共生，必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，堅持節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策?！毙聲r代，創(chuàng)新發(fā)展我國人造板工業(yè)，根本出路還在于探索走出低密度纖維板制造路子[1-4]。纖維板生產(chǎn)消耗主要有木材、膠料、添加劑及能耗等，降低木材消耗對降低生產(chǎn)成本具有舉足輕重的作用。例如，生產(chǎn)密度為500kg/m3的板材比正常750kg/m3的板材降低木材、膠料等消耗25%，節(jié)約能源16%，提高產(chǎn)量20%，這樣的輕質(zhì)板材做成家具，可以節(jié)省運輸成本，省工省力，便于拆裝和擺設(shè)移動，且不易變形，很受人們的歡迎;同時，對我國林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展也具有積極作用，每年將減少7億m3枝椏材的消耗。生產(chǎn)低密度纖維板（LDF）在技術(shù)上還有不少難點，主要是：①由于板的密度低，內(nèi)結(jié)合力和握釘力達到標(biāo)準要求比較難;②板的密度低，組織比較松軟，板面往往產(chǎn)生較多軟層，即使砂光板面仍然粗糙。這種工藝一旦突破，將是纖維板生產(chǎn)史上的重大飛躍。

2 新型低密度纖維板技術(shù)指標(biāo)及熱壓試驗

首先，進行單因素試驗，總結(jié)分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)后，采用正交試驗法，探討施膠量、密度、熱壓壓力、加熱加壓時間等因素對低密度纖維板材性能的影響。15mm厚低密度纖維板基本參數(shù)為：施膠量60kg，含水率9%～14%，密度450～650kg/m3，每毫米板熱壓時間為8～10s，熱壓壓力2.8MPa。設(shè)計率密度分別為480、500、520、540、560、580、600g/cm3和620g/cm3，加熱時間為170、180s和190s，加熱溫度分別為180、190、200、210、220℃和230℃，施膠量分別為8%、9%、10%、11%、12%和13%，含水率分別為8%、9%、10%、11%、12%、13%和14%。每組試驗重復(fù)3次，得到的檢測結(jié)果取平均值，如表1所示。

試驗結(jié)果如下。①施膠量的大小對產(chǎn)品的性能影響較大，但當(dāng)施膠量達到一定添加量后影響不顯著，用12%施膠量壓制出的低密度纖維板具有較佳的力學(xué)性能。②在一定范圍內(nèi)，低密度纖維板的含水率越高，對熱的傳導(dǎo)作用就越好，則產(chǎn)品固化程度越高，其力學(xué)強度就越好;當(dāng)含水率超過14%時，板材制造困難，發(fā)生分層，當(dāng)含水率為12%時，所產(chǎn)板的各項性能指標(biāo)最佳。③低密度纖維板的密度越高，單位體積內(nèi)的組織實質(zhì)質(zhì)量就越高，在同樣用膠量情況下，纖維之間的相互膠合越好，其各項性能指標(biāo)就越高。因此，在客戶無特別要求下，選擇密度為0.55～0.57kg/m3最佳。④加熱溫度的高低對低密度纖維板膠合強度沒有明顯的影響;在加熱溫度為200℃時，產(chǎn)品的各項性能最佳，當(dāng)溫度過低時，會導(dǎo)致膠粘劑不能完全固化，溫度過高時則會使板材預(yù)固化層偏厚。

熱壓試驗采用正交試驗法，分別考慮熱壓三要素（熱壓壓力、熱壓溫度和熱壓時間）對低密度纖維板材物理、力學(xué)和化學(xué)性能指標(biāo)的影響。在試驗時，取熱壓壓力分別為2.6、2.8MPa和3.0MPa;熱壓溫度分別為180、200℃和220℃;熱壓時間分別為8、10s和12s。

通過熱壓試驗可以得出以下結(jié)論：熱壓壓力對低密度纖維板材靜曲強度、彈性模量影響較大，對吸水厚度膨脹率影響較小;當(dāng)壓力小于2.8MPa時，低密度纖維板材的彈性模量等性能指標(biāo)隨著壓力的增大而增強，當(dāng)壓力大于2.8MPa后，低密度纖維板材的彈性模量等性能指標(biāo)隨著壓力的繼續(xù)增大而減弱;隨著壓力的增大，吸水厚度膨脹率和靜曲強度等性能指標(biāo)逐漸增強，但當(dāng)壓力大于3.0MPa時，這些性能指標(biāo)隨著壓力的繼續(xù)增大而增強的趨勢變緩。在試驗的熱壓溫度范圍內(nèi)，對于所研發(fā)的低密度纖維板，二次加壓區(qū)熱壓溫度對產(chǎn)品的內(nèi)結(jié)合強度的影響較小。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)合強度指標(biāo)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。正交試驗結(jié)果如表2所示。

通過正交試驗的極差分析和方差分析，綜合考慮熱壓三要素對低密度纖維板材各種性能的影響，從低密度纖維板材強度方面考慮出發(fā)，得出低密度纖維板材綜合的較優(yōu)熱壓工藝條件為：壓力2.8MPa，溫度200℃，時間12s。采用這一生產(chǎn)工藝可提高生產(chǎn)效率與降低生產(chǎn)能耗[1，2]。

熱壓是低密度纖維板制造的一道重要工序，對產(chǎn)品質(zhì)量起決定性作用。在熱量和壓力的聯(lián)合作用下，板坯中的水分汽化、蒸發(fā)、密度增加、膠粘劑固化、防水劑重新分布，原料中的各組分發(fā)生一系列物理和化學(xué)變化，從而使纖維間產(chǎn)生各種結(jié)合力，形成符合質(zhì)量要求的纖維板制品。本課題對公司常規(guī)的中密度纖維板生產(chǎn)工藝進行自行改良，通過鋪裝熱壓工段生產(chǎn)工藝改進與優(yōu)化，調(diào)整預(yù)壓機的預(yù)壓壓力，使鋪裝好的低密度板坯具有較好的預(yù)壓密實性，使產(chǎn)品進入壓機后，排氣順暢。這種低密度纖維板熱壓工序的工藝參數(shù)為：熱壓溫度為150～210℃，熱壓時間為60～100s，熱壓壓力為0～2.8MPa，熱壓系數(shù)為6～10s/mm。熱壓工序在連續(xù)熱壓機內(nèi)完成，分5段控制，熱壓溫度也為五段控制，分別為（205±5）℃、（200±5）℃、（200±5）℃、（200±5）℃、（180±5）℃，熱壓采用高壓-低壓-中壓的熱壓工藝。在熱壓過程中，板坯進入壓機后，在第一段溫度的作用下，熱壓壓力迅速上升到最高壓力2.0～2.8MPa;之后，隨著第二段到第四段熱壓溫度的下降，熱壓壓力也平緩下降到最低壓力0.1～0.3MPa;最后，在第五段溫度的作用下，熱壓壓力保持在0.5～0.8MPa，直到熱壓過程結(jié)束。整個熱壓過程，每毫米板熱壓時間為12s。

經(jīng)國家人造板及林化工產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢測，本項目生產(chǎn)的15mm厚低密度纖維板產(chǎn)品所有的技術(shù)指標(biāo)均達到預(yù)期目標(biāo)，其剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 新型低密度纖維板生產(chǎn)工藝流程

3.1 低密度纖維板生產(chǎn)工藝流程

3.1.1 備料、水洗工段。原料從原料堆場運至備料工段上料臺，然后根據(jù)所需的尺寸切削成木片。之后，木片通過傳動帶進入木片倉。木片倉內(nèi)的木片由料倉出料裝置定量均勻出料后，經(jīng)皮帶運輸機和除鐵器送至木片篩選機篩選。合格木片經(jīng)皮帶運輸機進入木片水洗系統(tǒng)，水洗后的木片經(jīng)脫水螺旋分離后再進入（或由木片泵提升至）熱磨系統(tǒng)木片預(yù)熱倉預(yù)熱。

3.1.2 纖維制備、干燥工段。木片在預(yù)熱倉內(nèi)由蒸汽預(yù)熱至一定溫度，使其溫度與含水率趨于均勻，然后經(jīng)進料螺旋進入垂直蒸煮器，在一定溫度和壓力下蒸煮軟化。蒸煮后的木片經(jīng)計量出料、螺旋定量出料后，由熱磨及帶狀螺旋進料器送入熱磨機分離成合格的纖維，熱磨纖維在磨體室內(nèi)蒸汽壓力作用下，經(jīng)纖維噴管噴入干燥機干燥，干燥纖維含水率由干燥旋風(fēng)分離器排氣溫度控制。纖維干燥的熱源為煙氣。熱磨機啟動階段，纖維的質(zhì)量及含水率不穩(wěn)定，不能達到生產(chǎn)產(chǎn)品的要求。因此，通過三通排料閥排至起始分離器排出，此部分纖維送熱油爐用作燃料。干燥纖維經(jīng)旋風(fēng)分離器與空氣分離后，經(jīng)防火螺旋運輸機、纖維分選機和氣力輸送系統(tǒng)送入纖維料倉。纖維干燥系統(tǒng)設(shè)置了火花螺旋動輸機，將著火的纖維排出生產(chǎn)線。

3.1.3 調(diào)施膠工段。調(diào)施膠系統(tǒng)由石蠟熔化及施加設(shè)備、膠料調(diào)配設(shè)備、膠料噴施設(shè)備組成。根據(jù)設(shè)定的各組分施加比率，熔融石蠟加入熱磨機帶狀進料螺旋，脲醛樹脂及其他組分加入纖維噴管。

3.1.4 鋪裝熱壓工段。纖維由纖維料倉出料裝置均勻出料，經(jīng)過氣流風(fēng)選機進行風(fēng)選，去除粗纖維、纖維團等，然后送入鋪裝機鋪裝成均勻板坯，板坯經(jīng)掃平裝置刮去多余的纖維，使板坯更均勻。板坯運輸線上設(shè)置板坯含水率測定儀，自動檢測板坯含水率，并設(shè)板坯秤控制鋪裝纖維量和掃平裝置的位置。板坯經(jīng)預(yù)壓、齊邊、橫截、金屬探測后，經(jīng)板坯運輸機直接連續(xù)送入壓機，在溫度和壓力作用下熱壓成板。

3.1.5 毛板處理工段。熱壓后的毛板連續(xù)出板，經(jīng)橫截鋸鋸成符合要求的大板后，經(jīng)冷卻板運輸機進入冷卻翻板機，冷卻至70℃以下，由冷卻出板運輸機運出，堆垛到2.5～3m，由衛(wèi)星定位小車運到中間貯存庫貯存。經(jīng)中間存放穩(wěn)定處理的板垛用衛(wèi)星定位小車送往砂光輥臺，進入堆垛液壓升降臺。推扳機將板逐張送入砂光機輥臺運輸機，然后進入砂光機砂光。砂光線設(shè)置2臺四頭寬帶砂光機，第一臺用于厚粗砂光，第二臺用于精砂，使砂光后的板厚度均勻、表面光潔。砂光后的板由橫向輥筒運輸機運出[3]。

3.2 纖維板專用膠粘劑生產(chǎn)工藝流程

低密度纖維板主要使用的膠種是脲醛樹脂膠和三聚氰胺甲醛樹脂膠，是由尿素和甲醛與三聚氰胺在催化劑、高溫作用下合成的樹脂膠。甲醛與尿素、三聚氰胺的摩爾比在1.4以下，尿素三四批加料，反應(yīng)溫度控制在75～95℃，反應(yīng)液的pH為堿-酸-堿工藝。樹脂的固化速度在170℃以上時，固化時間不超過1min。外觀透明乳白色固體含量為47～65%，黏度（25℃）25～400cP，貯存期（25℃）2個月。

膠粘劑生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。

從圖2可知，主要生產(chǎn)過程：制膠所需原料主要是甲醛溶液、尿素（固體）、三聚氰胺及各種添加劑，這些原料按照工藝要求所需配比，經(jīng)過準確計量后在規(guī)定時間內(nèi)投入反應(yīng)釜內(nèi)，甲醛溶液是通過甲醛泵輸送至計量罐，然后添加至反應(yīng)釜;尿素則通過人工投加至加料斗，通過螺旋輸送至反應(yīng)釜內(nèi)。在反應(yīng)釜內(nèi)，根據(jù)制膠工藝進行升溫或者降溫控制，期間，還需要通過添加如片堿、甲酸等調(diào)節(jié)pH值。加熱熱源采用蒸汽，蒸汽通過管道輸送至制膠車間。冷卻采用循環(huán)冷卻水，循環(huán)使用。制作好的膠水通過泵輸送至膠池暫存，根據(jù)生產(chǎn)需要再次通過泵輸送至車間，供生產(chǎn)所用。

關(guān)鍵技術(shù)為：使用三聚氰胺改性脲醛樹脂膠粘劑，在纖維施膠工序中，纖維和膠粘劑的質(zhì)量份比為10∶1.2～2，膠粘劑由按質(zhì)量計的90%～99%的三聚氰胺改性脲醛樹脂膠粘劑和1%～10%的三聚氰胺甲醛樹脂膠粘劑混合組成（或一次按配比化合而成），并且三聚氰胺改性脲醛樹脂膠粘劑中甲醛與尿素的摩爾比為1.2∶1，三聚氰胺甲醛樹脂膠粘劑中三聚氰胺與甲醛質(zhì)量比為0.9∶1。

3.3 新型低密度纖維板成本構(gòu)成

新型低密度纖維板生產(chǎn)消耗主要有木材、膠料、添加劑及能耗等。在多年的刻苦攻關(guān)研發(fā)下，木材單耗水平從原來的1.7m3/m3以上下降到1.3m3/m3以下，能源消耗可降低16%以上。具體消耗情況如表3所示。

4 結(jié)論

現(xiàn)階段技術(shù)條件下，較佳的新型低密度纖維板的生產(chǎn)工藝如下。

建議1：引進現(xiàn)代創(chuàng)新方法研究理論和方法，實現(xiàn)最終的理想結(jié)果，繼續(xù)開發(fā)新型生產(chǎn)工藝，逐步降低產(chǎn)品密度。這不僅能發(fā)節(jié)約大量的資源和能源消耗，而且能降低產(chǎn)品運輸費用，對我國林業(yè)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的顯示意義。

建議2：繼續(xù)開發(fā)廉價適用的膠粘劑，并不斷提高現(xiàn)有膠黏劑的技術(shù)指標(biāo)，實現(xiàn)較低密度纖維板的制備。

建議3：提高設(shè)備的自動化程度和設(shè)備開機率，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品附加值。

參考文獻：

[1]王永閩，陳建新，吳祖順，等.連續(xù)平壓法生產(chǎn)低密度纖維板的工藝研究[J].福建林業(yè)科技，2014（1）：9-13.

[2]楊越飛，葉新強，陳祖貴.高性能低密度纖維板熱壓工藝研究[J].中國人造板，2014（6）：8-10.

[3]徐詠蘭.中密度纖維板制造[M].北京：中國林業(yè)出版社，1995.

[4]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準化管理委員會.中密度纖維板：GB/T 11718—2009[S].北京：中國標(biāo)準出版社，2010.