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        纖維目數(shù)對纖維板力學(xué)性能和成本的影響研究*

        2020-04-13 07:39:04張成旭陳光偉
        林產(chǎn)工業(yè) 2020年3期
        關(guān)鍵詞:目數(shù)施膠纖維板

        張成旭 花 軍 陳光偉

        (東北林業(yè)大學(xué),哈爾濱 150040)

        纖維板是人造板中的主要板種之一,應(yīng)用十分廣泛[1]。纖維板是將木材或其他植物纖維原料分離成纖維,利用纖維之間的交織及其自身固有的粘結(jié)物質(zhì),或施加膠黏劑,在加熱和(或)加壓條件下制成的人造板材[2]。

        近年來,國內(nèi)外學(xué)者對纖維形態(tài)、熱磨參數(shù)等因素對產(chǎn)品力學(xué)性能和成本的影響進(jìn)行了大量理論研究與試驗分析[3-4]。何爽爽等[5]以竹柳小徑材、枝丫材為原料,對其進(jìn)行纖維形態(tài)分析,對比兩種原料制備的纖維板力學(xué)性能差異,結(jié)果表明:同等條件下用小徑材制備的纖維板力學(xué)性能較好。郜云波等[6]研究了熱磨過程中基于改進(jìn)粒子群-支持向量機(IPSO-SVM)算法優(yōu)化纖維制備質(zhì)量及能耗,并建立了模型,結(jié)果表明:利用該算法獲得的優(yōu)化熱磨參數(shù),誤差小于其他算法,可較好地應(yīng)用到實際生產(chǎn)過程中。婁衡等[7]以異氰酸酯為膠黏劑制備低密度纖維板,并對其力學(xué)性能進(jìn)行測試,探究了細(xì)纖維比例等工藝參數(shù)對板材力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明:細(xì)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時,板材力學(xué)性能較佳。Чистовa等[8]建立了纖維板生產(chǎn)過程中能耗的實驗和理論模型,研究了熱磨參數(shù)對于纖維板質(zhì)量、能耗的影響,結(jié)果表明:在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下,纖維研磨度為18.5 μm(厚度)時,能耗較低。Benthien等[9]研究了纖維分離條件、纖維長度和中密度纖維板(MDF)性能之間的相互關(guān)系,結(jié)果表明:樹種和磨片間隙是影響纖維尺寸的主要參數(shù);纖維尺寸直接影響中密度纖維板的物理及力學(xué)性能。Evon等[10]以油麻秸稈為原料,對比了粗纖維、木質(zhì)素添加量對兩種預(yù)處理板材質(zhì)量的影響,結(jié)果表明:在不添加木質(zhì)素、纖維素的條件下仍能制備出性能較佳的P1型板(可以在干燥條件下使用的普通板)。

        本文結(jié)合纖維板實際生產(chǎn)情況,研究纖維目數(shù)區(qū)間變化對纖維板力學(xué)性能和成本的影響。首先確定纖維目數(shù)區(qū)間,對其合理性進(jìn)行驗證;然后利用確定的纖維目數(shù)區(qū)間進(jìn)行密度和施膠量的單因素對比分析,分析其對力學(xué)性能和成本的影響,實現(xiàn)纖維目數(shù)區(qū)間與制品質(zhì)量等級的合理匹配,以達(dá)到合理應(yīng)用提質(zhì)降耗的效果,為我國纖維板生產(chǎn)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。

        1 材料與方法

        1.1 材料

        木片原料及纖維篩分:木片原料以楊木(PopulusL.)為主,含有少量柳木(Salix babylonica);利用振篩儀對纖維進(jìn)行篩分,參考LY/T 1005—2016 《熱磨機》[11],將纖維細(xì)分為粗纖維(10~20目),正常纖維(20~120目),細(xì)纖維(120~130目)。

        膠黏劑:脲醛樹脂膠粉(固體含量98%),廣東東莞市龍大膠黏制品有限公司。

        1.2 設(shè)備

        纖維制備裝置:削片機(型號2113-13),江蘇青山機械有限公司;熱磨機(48-EX系列1115),江蘇鎮(zhèn)江中福馬機械有限公司;振篩儀(XSB-88型),篩具最大直徑200 mm,紹興市拓展儀器設(shè)備有限公司;多功能拌膠機,東北林業(yè)大學(xué)自制;干燥箱,上海一恒科學(xué)儀器有限公司。

        1.3 試驗方法

        1.3.1 纖維篩分目數(shù)區(qū)間確定

        依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和纖維板生產(chǎn)工藝要求[12],以及參考國內(nèi)學(xué)者近些年在纖維形態(tài)相關(guān)領(lǐng)域的研究成果[13-14],在常規(guī)相對合理的纖維目數(shù)區(qū)間20~120目的基礎(chǔ)上適當(dāng)放大或縮小纖維目數(shù)區(qū)間范圍,增設(shè)40~100目及10~130目兩種纖維目數(shù)區(qū)間,在密度和施膠量均相同的條件下分別對所確定的這三種纖維目數(shù)區(qū)間的試件進(jìn)行力學(xué)性能對比分析,進(jìn)一步確定纖維目數(shù)區(qū)間合理性。

        1.3.2 不同目數(shù)纖維配比設(shè)置

        綜合考慮不同纖維形態(tài)對試件力學(xué)性能的影響、不同目數(shù)纖維質(zhì)量差異及纖維篩分實際情況,以40~100目纖維100%為基準(zhǔn),增加或減少粗細(xì)纖維比例,按一定梯度設(shè)計出三種區(qū)間不同目數(shù)纖維配比方案進(jìn)行研究,見表1。

        表1 三種區(qū)間不同目數(shù)纖維配比方案Tab.1 Three fiber proportion schemes with different meshes

        1.3.3 試驗方案設(shè)計

        根據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)[15]和工藝要求[16],中密度纖維板密度通常在0.585 ~0.880 g/cm3之間,施膠量通常在12%~15%之間??紤]到纖維形態(tài)、密度及施膠量均對力學(xué)性能有較大影響,因此對設(shè)計的三種纖維目數(shù)區(qū)間合理性進(jìn)行驗證,然后采用單因素試驗設(shè)計方法研究密度和施膠量對力學(xué)性能的影響,分析其對力學(xué)性能和成本的影響。

        步驟一:在確定的三種纖維目數(shù)區(qū)間方案下,基于生產(chǎn)實際情況考慮,確定制作密度均為0.70 g/cm3、施膠量均為15%的試件,根據(jù)力學(xué)性能對比試驗結(jié)果,驗證設(shè)計的纖維目數(shù)區(qū)間的合理性。

        步驟二:對確定的纖維目數(shù)區(qū)間進(jìn)行密度和施膠量的單因素試驗,即在設(shè)定的試驗條件下,改變密度或施膠量,其他工藝條件不變,分別探究密度和施膠量對力學(xué)性能的影響。根據(jù)力學(xué)性能試驗的結(jié)果,實現(xiàn)纖維目數(shù)區(qū)間與制品質(zhì)量的合理匹配;通過成本分析確定優(yōu)化合理的纖維目數(shù)區(qū)間,尋求實現(xiàn)較好生產(chǎn)經(jīng)濟效益的途徑。

        1.3.4 試件制備

        采用拌膠機對干燥后的纖維進(jìn)行施膠,膠黏劑為脲醛樹脂(膠液固體濃度50%,含固體濃度為20%的NH4Cl溶液為固化劑;NH4Cl含量為固體樹脂的1%)[17-18];利用干燥箱對纖維進(jìn)行干燥,干燥后纖維含水率為6.83%;手工鋪裝,三種纖維目數(shù)區(qū)間的鋪裝板坯規(guī)格均為340 mm×320 mm×12 mm;對板坯進(jìn)行預(yù)壓和熱壓:根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗設(shè)定預(yù)壓壓力范圍為3~4 MPa;預(yù)壓時間15~30 s;采用熱壓板接觸加熱方式,上下壓板溫度取160 ℃;壓力范圍取9~10 MPa;板厚取12 mm;熱壓時間取5~6 min。

        1.3.5 力學(xué)性能測試

        按照試驗方案與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),每一方案制作5塊試件,用于測試其力學(xué)性能。試件密度(ρ)、靜曲強度(MOR)、彈性模量(MOE)、內(nèi)結(jié)合強度(IB)、含水率(MC)及24 h吸水厚度膨脹率(TS)的測定參照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》[19-20]。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 纖維目數(shù)區(qū)間合理性驗證

        根據(jù)試驗設(shè)計步驟一,在預(yù)設(shè)密度均為0.70 g/cm3、施膠量均為15%的條件下,分別利用40~100目,20~120目,10~130目纖維制備試件,根據(jù)力學(xué)性能對比試驗的結(jié)果,確定纖維目數(shù)區(qū)間設(shè)定的合理性,試驗結(jié)果見表2。

        表2 三種纖維目數(shù)區(qū)間試件的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of specimens of three kinds of fiber mesh intervals

        根據(jù)GB/T 11718—2018 《中密度纖維板》,對利用不同纖維目數(shù)區(qū)間制備的試件進(jìn)行評價,試件均為合格產(chǎn)品。由表2可知,40~100目纖維形態(tài)好,試件的力學(xué)性能較好;20~120目纖維形態(tài)一般,試件的力學(xué)性能次之;10~130目纖維形態(tài)較差,但試件的力學(xué)性能也能達(dá)到合格品要求。隨著纖維目數(shù)區(qū)間增大,力學(xué)性能指標(biāo)MOR、MOE及IB值減?。沪?、MC值變化較小;20~120目、10~130目區(qū)間制備的試件TS值大于40~100目纖維試件。上述結(jié)果表明:在工藝條件相同時,纖維目數(shù)區(qū)間不同對制品的力學(xué)性能有較大影響,40~100纖維目數(shù)區(qū)間制品力學(xué)性能較好;其力學(xué)性能隨著纖維目數(shù)區(qū)間增大而降低。

        上述對比試驗結(jié)果表明:三個目數(shù)區(qū)間纖維均可以應(yīng)用于實際生產(chǎn),可根據(jù)實際生產(chǎn)需要、不同的工藝條件要求選取合理的目數(shù)區(qū)間纖維。用40~100目纖維制備的試件力學(xué)性能較佳,但原料損耗率較高,在對制品質(zhì)量要求較高的情況下,選用此纖維目數(shù)區(qū)間具有較大的優(yōu)越性;用20~120目纖維制備的試件力學(xué)性能趨中,原料損耗率較前者降低,在對制品質(zhì)量要求中等水平的工藝條件下實用性較強;用10~130目纖維制備的試件力學(xué)性能可達(dá)到合格品要求,且纖維利用率較高,在對制品質(zhì)量要求較低的工藝條件下可以選用,以降低原料損耗。

        2.2 纖維目數(shù)區(qū)間單因素試驗分析

        2.2.1 密度對力學(xué)性能的影響

        根據(jù)試驗設(shè)計方案步驟二,設(shè)定施膠量不變均為15%,對確定的纖維目數(shù)區(qū)間(40~100目、20~120目、10~130目)進(jìn)行密度變化的單因素試驗,改變不同纖維目數(shù)區(qū)間試件的密度,探究密度變化對試件力學(xué)性能的影響。40~100目纖維形態(tài)較佳,將密度設(shè)定為0.65 g/cm3;20~120 目纖維形態(tài)次之,密度設(shè)定為0.70 g/cm3;10~130目纖維形態(tài)較差,密度設(shè)定為0.75 g/cm3,測得力學(xué)性能結(jié)果見表3。

        表3 改變密度三種纖維目數(shù)區(qū)間試件的力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of specimens of three kinds of fiber mesh intervals with different densities

        分析表3可知:相對于步驟一而言,40~100目試件ρ減小,其力學(xué)性能略有下降,其MOR、MOE及IB值減小,MC和TS值變化較小,但均在合格范圍之內(nèi),說明在纖維形態(tài)好的條件下,試件ρ可以適當(dāng)降低。10~130目試件ρ增大,其力學(xué)性能增強,MOR、MOE及IB值增大;MC和TS值變化較小,說明纖維形態(tài)差的條件下,可通過改變試件密度來改善其力學(xué)性能。試驗結(jié)果表明:在施膠量相同時,合理確定制品試件密度,可獲得質(zhì)量合格的制品。40~100目試件密度的減小降低了纖維原料的用量,其力學(xué)性能下降但不明顯;20~120目試件預(yù)設(shè)密度和步驟一中的相同,壓制的試件密度、力學(xué)性能基本無變化;10~130目試件考慮纖維形態(tài)較差,增加制品試件密度,其力學(xué)性能略有提高,達(dá)到合格品要求。

        2.2.2 施膠量對力學(xué)性能的影響

        預(yù)設(shè)密度不變,均為0.70 g/cm3,用確定的纖維目數(shù)(40~100目、20~120目、10~130目)進(jìn)行施膠量變化的單因素試驗,改變不同纖維目數(shù)區(qū)間試件的施膠量,探究施膠量變化對試件力學(xué)性能的影響。40~100目纖維形態(tài)較佳,因此將施膠量設(shè)定為13%;對于20~120目和10~130目纖維,基于生產(chǎn)實際情況考慮,施膠量增加對試件力學(xué)性能指標(biāo)的影響并不明顯,且會導(dǎo)致成本增加,因此這兩個區(qū)間的纖維施膠量不變,仍設(shè)定為15%。試驗結(jié)果見表4。

        表4 改變施膠量三種纖維目數(shù)區(qū)間試件的力學(xué)性能Tab.4 Mechanical properties of specimens of three kinds of fiber mesh intervals with different resin contents

        從表4可知:相對于步驟一而言,40~100目試件施膠量減小,其力學(xué)性能有所下降,MOR、MOE及IB值減小,ρ、MC值變化較小,TS值略有增加,但仍在合格范圍之內(nèi),說明纖維形態(tài)好的條件下,試件施膠量可以適當(dāng)減??;20~120目、10~130目試件施膠量未變化,力學(xué)性能未變化。分析結(jié)果表明:在密度相同時,合理確定制品試件施膠量,可獲得質(zhì)量合格的制品。

        3 制備成本分析

        基于本研究確定的纖維目數(shù)區(qū)間,及工藝參數(shù)對纖維板試件性能影響的分析,在保證制品質(zhì)量要求的前提下,綜合考慮成本和價格因素,對制品生產(chǎn)成本進(jìn)行分析,以尋找較佳的纖維制備方案,實現(xiàn)纖維目數(shù)區(qū)間與制品質(zhì)量等級的合理匹配,達(dá)到合理利用原材料、提質(zhì)降耗、降低生產(chǎn)成本的目的。

        以某企業(yè)產(chǎn)品為例,木片價格為475元/t,脲醛樹脂膠價格為1.6元/kg(含固化劑),纖維板優(yōu)等品(2 440 mm×1 220 mm ×12 mm)售價為1 480元/m3,一等品售價為1 340元/m3,二等品售價為1 200元/m3,合格品售價為1 060元/m3。

        根據(jù)試驗分析結(jié)果,參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)價格信息,獲得不同纖維目數(shù)區(qū)間制品不同品質(zhì)等級和價格,見表5。

        表5 三種纖維目數(shù)區(qū)間對應(yīng)纖維板的品質(zhì)等級和價格Tab.5 Quality grades and prices of three kinds of fiber mesh intervals corresponding to fiberboard

        不同纖維目數(shù)區(qū)間纖維板制備過程中,根據(jù)設(shè)定密度和施膠量,計算樹脂用量(包括纖維板試件實際消耗加損耗);根據(jù)設(shè)定密度、施膠量和原料損耗率,計算實際纖維及木片用量。根據(jù)實際樹脂及木片用量、脲醛樹脂和木片的價格核算制備1 m3纖維板(2 440 mm×1 220 mm ×12 mm)的原料成本(包括膠和木片的成本)見表6。

        表6 1 m3纖維板制備成本Tab.6 Costs of 1m3 fiberboard preparation

        根據(jù)1 m3纖維板制作成本和不同品質(zhì)纖維板售價,綜合分析可得出:

        1)不同纖維目數(shù)區(qū)間1 m3纖維板制作成本。

        (1)密度、施膠量均相同的條件下,40~100目纖維板的原料消耗較大,木片用量比20~120目纖維板增加0.24 t/m3,比10~130 目纖維板增加0.31 t/m3;成本比20~120目纖維板高114.00元/m3,比10~130目纖維板高147.25 元/m3;

        (2)改變密度,施膠量相同的條件下,40~100目纖維板原料消耗減少,木片用量減少0.10 t /m3,樹脂用量減少6.5×10-3g /cm3;成本降低57.90元/m3,比20~120目纖維板高46.60元/m3,比10~130目纖維板高69.45 元/m3;

        (3)改變施膠量,密度相同的條件下,40~100目纖維板原料消耗減少,木片用量略有增加,樹脂用量減少1.08×10-2g /cm3;成本降低7.78 元/m3,比20~120 目纖維板高101.47元/m3,比10~130目纖維板高144.22元/m3。

        2)不同品質(zhì)纖維板售價。

        (1)密度、施膠量均相同的條件下,40~100目纖維板力學(xué)性能較好,為優(yōu)等品,其價格為1 480元/m3,比20~120目纖維板售價高280元/m3,比10~130目纖維板售價高420元/m3;

        (2)單一改變密度,合理降低密度,試驗表明40~100目纖維板力學(xué)性能略有下降,為一等品,其價格為1 340元/m3,銷售價格相對降低140元/m3,但品質(zhì)仍優(yōu)于20~120目和10~130目的纖維板,其售價比20~120目和10~130目纖維板分別高出140元/m3和280 元/m3(見表5);

        (3)單一改變施膠量,合理降低施膠量,試驗表明40~100目纖維板力學(xué)性能略有下降,為一等品,價格為1 340元/m3,價格相對降低140元/m3,但仍優(yōu)于20~120目和10~130目的纖維板,但其價格比20~120目和10~130目纖維板分別高出140元/m3和280元/m3。

        3)制作和銷售成本綜合分析。

        綜合考慮制作和銷售成本,對不同纖維目數(shù)區(qū)間1m3纖維板收益進(jìn)行核算后進(jìn)一步分析可知:

        (1)在密度、施膠量均相同的條件下,40~100目纖維板綜合收益比20~120目纖維板高32.69%,比10~130目纖維板高68.00%;

        (2)改變密度,施膠量相同的條件下,40~100目纖維板綜合收益比20~120目纖維板高18.74%,比10~130目纖維板高55.24%;

        (3)改變施膠量,密度相同的條件下,40~100目纖維板綜合收益比20~120目纖維板高7.66%,比10~130目纖維板高33.46%。

        綜上所述,同等條件下40~100目纖維板制備過程原料成本雖然相對較高,但可以在保證力學(xué)性能達(dá)標(biāo)的前提下適當(dāng)降低密度或施膠量以節(jié)約原材料,彌補目數(shù)區(qū)間不同帶來的成本增加;另外,還可將纖維廢料作為燃料進(jìn)行二次利用,為干燥、熱壓等流程提供熱能;部分纖維廢料可作為制備低檔制品的原料,以減低原材料的損耗,且40~100目纖維板品質(zhì)較好,在價格方面優(yōu)勢較大。在20萬m3/a的生產(chǎn)規(guī)模下,采用40~100目纖維制備纖維板能帶來顯著的經(jīng)濟效益。

        4 結(jié)論

        采用熱磨法研磨纖維,研究不同纖維目數(shù)對纖維板力學(xué)性能和成本的影響,得出如下結(jié)論:

        1)不同纖維目數(shù)區(qū)間在密度、施膠量均相同的條件下,40~100目纖維區(qū)間試件力學(xué)性能較佳,但原材料消耗較大,在對制品質(zhì)量要求較高的工藝條件下選用此區(qū)間具有較大的優(yōu)越性;20~120目纖維區(qū)間試件力學(xué)性能次之,原材料消耗次之,在對制品質(zhì)量要求處于中等水平的工藝條件下選用此區(qū)間實用性較強;10~130目纖維區(qū)間試件力學(xué)性能可達(dá)到合格品要求,且纖維利用率較高,在對制品質(zhì)量要求較低的工藝條件下可以選用此區(qū)間,以降低原料損耗。

        2)單因素對比試驗分析結(jié)果表明:在纖維形態(tài)較好(40~100目)的條件下,改變密度或施膠量單一因素,適當(dāng)降低試件密度或減小施膠量對其力學(xué)性能的影響較小,可通過單一因素的優(yōu)化減少原料成本增加帶來的不利影響。綜合考慮成本及銷售價格因素可知:40~100目纖維板制品銷售可實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)優(yōu)價,收益明顯高于其他兩種纖維目數(shù)區(qū)間纖維板制品,可實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化。

        3)從纖維板制備成本和銷售價格綜合分析得出:根據(jù)上述三種纖維目數(shù)區(qū)間,可實現(xiàn)纖維目數(shù)區(qū)間與制品質(zhì)量等級的合理匹配,達(dá)到合理利用原材料降低生產(chǎn)成本的效果。

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        預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固系統(tǒng)在連續(xù)梁橋跨中下?lián)霞庸讨械膽?yīng)用
        上海公路(2017年3期)2017-03-01 07:03:27
        中密度纖維板全球產(chǎn)能過億
        不銹鋼拉絲在軌道行業(yè)的應(yīng)用
        河南科技(2016年3期)2016-07-21 08:59:44
        中密度纖維板防霉劑的篩選
        表面施膠淀粉對箱紙板的滲透及增挺作用
        可替代中性松香施膠劑的新型施膠劑
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