周俁彤 王海嬌 董子航 張 揚(yáng)
(1. 北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京 100083;2. 北京大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院,廣東 深圳 518000)
玉米秸稈化學(xué)組成與木材相似,可替代木材制備人造板,以緩解木材資源短缺的現(xiàn)狀[1-5]。我國(guó)玉米秸稈產(chǎn)量豐富且價(jià)格低廉,自20世紀(jì)80年代起,國(guó)內(nèi)陸續(xù)有學(xué)者研究秸稈人造板。秸稈人造板制備早期通常使用脲醛樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、三聚氰胺甲醛等傳統(tǒng)膠黏劑,板材存在脆性大、耐水性差、游離甲醛等有害物質(zhì)釋放問(wèn)題,難以滿足建筑結(jié)構(gòu)以及國(guó)家對(duì)于未來(lái)工業(yè)綠色、低碳、環(huán)保的發(fā)展要求,限制了秸稈人造板的發(fā)展[6-13]。因此,開(kāi)發(fā)無(wú)機(jī)膠黏劑用于秸稈人造板生產(chǎn)成為人造板行業(yè)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
無(wú)機(jī)膠凝材料作為人造板膠黏劑,不僅可以解決甲醛釋放問(wèn)題,還可以提高復(fù)合材料的阻燃和防腐性能。目前常見(jiàn)的無(wú)機(jī)膠黏劑有氯氧鎂水泥、硅酸鹽水泥等,但水泥在生產(chǎn)過(guò)程中具有高能耗、粉塵大、耐水性差等缺點(diǎn)。地質(zhì)聚合物是一種新的硅酸鹽類無(wú)機(jī)膠凝材料,具有環(huán)境污染小、綜合力學(xué)性能強(qiáng)等特點(diǎn),在人造板行業(yè)具有巨大的應(yīng)用潛力[14-19]。目前行業(yè)內(nèi)地質(zhì)聚合物-玉米秸稈皮復(fù)合碎料板工藝相對(duì)空白,仍需不斷探索。本研究以玉米秸稈皮為原料,偏高嶺土基地質(zhì)聚合物為膠黏劑,采用熱壓法制備地質(zhì)聚合物-玉米秸稈皮復(fù)合碎料板,重點(diǎn)研究熱壓時(shí)間、熱壓溫度、施膠量及密度對(duì)板材力學(xué)、耐水、導(dǎo)熱及阻燃性能的影響,優(yōu)化地質(zhì)聚合物-玉米秸稈皮復(fù)合碎料板的熱壓工藝參數(shù)。
玉米秸稈,購(gòu)于河北省張家口市,氣干至含水率7%~8%;偏高嶺土(6 000目),上海昊弗化工有限公司;Na2O·nSiO2堿激發(fā)劑(模數(shù)n為1.5),實(shí)驗(yàn)室自制。偏高嶺土基地質(zhì)聚合物為膠黏劑,實(shí)驗(yàn)室自制,偏高嶺土與堿激發(fā)劑比例為10∶17,固體含量為73%。
粉碎機(jī)(MD-10A),遠(yuǎn)銘工業(yè)股份有限公司;振動(dòng)篩(WQS),上海儀電物光;煙密度測(cè)定儀(D2843),上海程斯智能科技有限公司;萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(BA-100C),濟(jì)南耐爾液壓技術(shù)有限公司;傅里葉變換紅外光譜儀(Nicolet IS 5),賽默飛世爾科技公司;熱重分析儀(TG 209 F3 Tarsus),德國(guó)耐馳儀器制造有限公司。
1.3.1 地質(zhì)聚合物-玉米秸稈皮復(fù)合碎料板制備
手工進(jìn)行玉米秸稈皮穰分離,取玉米秸稈皮粉碎并通過(guò)10目標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩篩分,得到10~30 mm長(zhǎng)、2~6 mm寬的秸稈皮碎料,將玉米秸稈皮碎料與偏高嶺土基地質(zhì)聚合物混合均勻,放入尺寸為250 mm×250 mm的模具中進(jìn)行鋪裝組坯,然后放入熱壓機(jī)中定厚5 mm壓制成板。具體熱壓工藝參數(shù)如表1所示,在相同熱壓壓力(5 MPa)下,對(duì)比不同熱壓時(shí)間、熱壓溫度、施膠量、密度對(duì)地質(zhì)聚合物-玉米秸稈皮復(fù)合碎料板力學(xué)、阻燃、耐水性能的影響。
表1 地質(zhì)聚合物-玉米秸稈皮復(fù)合碎料板熱壓工藝參數(shù)Tab.1 Hot pressing process parameters of geopolymerbased corn stalk husk particleboard
1.3.2 性能表征
制得的地質(zhì)聚合物-玉米秸稈皮復(fù)合碎料板在室溫下平衡24 h后,測(cè)試其各項(xiàng)性能。參照GB/T 17657—2013 《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》,對(duì)板材24 h吸水厚度膨脹率進(jìn)行測(cè)試;采用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測(cè)定板材的靜曲強(qiáng)度、彈性模量和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度,每項(xiàng)測(cè)試均重復(fù)6次;采用傅里葉變換紅外光譜儀分析板材中地質(zhì)聚合物化學(xué)基團(tuán)結(jié)構(gòu);用熱重分析儀分析玉米秸稈皮熱分解過(guò)程。參照GB/T 8627—2007 《建筑材料燃燒或分解的煙密度試驗(yàn)方法》 對(duì)板材煙密度進(jìn)行測(cè)試。
圖1所示為玉米秸稈皮熱重曲線。由圖1可知,玉米秸稈皮熱分解過(guò)程分為五個(gè)階段:1) 水分蒸發(fā);2) 以半纖維素為主的聚合物降解;3) 纖維素和木質(zhì)素開(kāi)始降解;4) 纖維素和木質(zhì)素降解達(dá)到最高峰;5) 殘余木質(zhì)素持續(xù)降解[20]。在190 ℃左右時(shí)玉米秸稈皮的熱降解速率出現(xiàn)第2次高峰。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中熱壓溫度設(shè)置區(qū)間,對(duì)100~200 ℃進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),玉米秸稈皮質(zhì)量在100~160 ℃的熱降解速率較慢,質(zhì)量隨溫度升高緩慢降低;160~220 ℃熱降解速率明顯增加,并在190 ℃達(dá)到峰值。
圖1 玉米秸稈皮熱重曲線Fig. 1 TG analysis of corn stalk husk
圖2反映了不同熱壓時(shí)間對(duì)地質(zhì)聚合物-玉米秸稈皮復(fù)合碎料板力學(xué)性能與耐水性能的影響。由圖2(a,b)可知,地質(zhì)聚合物-玉米秸稈皮復(fù)合碎料板靜曲強(qiáng)度和彈性模量均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。在熱壓時(shí)間為120 s/mm時(shí),板材的靜曲強(qiáng)度和彈性模量分別達(dá)到最大值9.20、1 902.50 MPa;在熱壓時(shí)間為80 s/mm時(shí),板材的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度為最高,達(dá)到0.38 MPa。熱壓時(shí)間的延長(zhǎng)加速了地質(zhì)聚合物地質(zhì)化反應(yīng)過(guò)程,有利于與玉米秸稈皮膠接,提高板材的力學(xué)強(qiáng)度。結(jié)合圖1可知,時(shí)間過(guò)長(zhǎng),玉米秸稈皮在持續(xù)高溫作用下迅速脫水失去韌性,伴隨著內(nèi)部半纖維素、木質(zhì)素等成分在強(qiáng)堿高溫條件下的熱降解,玉米秸稈皮的強(qiáng)度顯著降低。同時(shí),已經(jīng)固化的地質(zhì)聚合物持續(xù)高溫加熱也會(huì)使其脫水后產(chǎn)生裂紋,降低力學(xué)性能[21],最終導(dǎo)致板材整體力學(xué)性能的急速下降。由圖2(c)可知,在熱壓時(shí)間為160 s/mm時(shí),板材24 h吸水厚度膨脹率為20.64%,達(dá)到最小值,板材的耐水性能最好。
圖2 不同熱壓時(shí)間對(duì)地質(zhì)聚合物-玉米秸稈皮復(fù)合碎料板力學(xué)性能與耐水性能的影響Fig.2 The eあect of diあerent hot pressing times on mechanical property and hydroscopicity of the geopolymerbased corn stalk husk particleboard
圖3所示為不同熱壓時(shí)間對(duì)地質(zhì)聚合物-玉米秸稈皮復(fù)合碎料板的導(dǎo)熱性能與阻燃性能的影響。由圖3(a)可知:熱壓時(shí)間對(duì)板材的導(dǎo)熱性能影響較小,導(dǎo)熱系數(shù)基本在0.158 7 W/(m·K)上下波動(dòng)。由于導(dǎo)熱系數(shù)與溫度、含濕率、孔隙率、容重(單位容積內(nèi)物體重量)等相關(guān),因此熱壓時(shí)間對(duì)板材導(dǎo)熱性能影響不大。由圖3(b)可見(jiàn),板材的最大煙密度值(MSD)與煙密度等級(jí)(SDR)隨熱壓時(shí)間的變化趨勢(shì)大致相同,在40 s/mm處MSD最小值為13.46,此時(shí)SDR為4.41。由于板材中主要產(chǎn)煙成分為玉米秸稈皮,隨著熱壓時(shí)間延長(zhǎng),玉米秸稈皮中組分的逐漸熱降解減少了產(chǎn)煙成分占比,因而使得板材的最大煙密度降低。綜上所述,地質(zhì)聚合物-玉米秸稈皮復(fù)合碎料板在熱壓時(shí)間為120、120、80 s/mm時(shí)分別達(dá)到最大靜曲強(qiáng)度、彈性模量和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度,且在160 s/mm時(shí)板材的吸水厚度膨脹率最低。在熱壓時(shí)間為120 s/mm條件下制備的板材靜曲強(qiáng)度符合GB/T 24312—2009《水泥刨花板》中合格品≥9 MPa,內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度符合該標(biāo)準(zhǔn)合格品≥0.3 MPa的要求。因此,優(yōu)先考慮板材的力學(xué)性能,熱壓時(shí)間控制在120 s/mm較為合適。
圖3 不同熱壓時(shí)間對(duì)地質(zhì)聚合物-玉米秸稈皮復(fù)合碎料板導(dǎo)熱性能與阻燃性能的影響Fig.3 The eあect of diあerent hot pressing times on thermal conductivity and flame retardant of the geopolymer-based corn stalk husk particleboard
圖4所示為不同熱壓溫度對(duì)地質(zhì)聚合物基玉米秸稈皮板力學(xué)性能與耐水性能的影響。由圖4(a,b)可知,隨著熱壓溫度的升高,板材的靜曲強(qiáng)度、彈性模量以及內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度整體呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。靜曲強(qiáng)度、彈性模量及內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度均在熱壓溫度為170 ℃時(shí)達(dá)到峰值,分別為9.20、1 902.50 MPa和0.36 MPa。由圖4(c)可知:熱壓溫度對(duì)板材的耐水性能影響不大。
圖4 不同熱壓溫度對(duì)地質(zhì)聚合物-玉米秸稈皮復(fù)合碎料板力學(xué)性能與耐水性能的影響Fig.4 The eあect of diあerent hot pressing temperatures on mechanical property and hydroscopicity of the geopolymerbased corn stalk husk particleboard
對(duì)不同熱壓溫度下所制板材中的地質(zhì)聚合物部分取樣進(jìn)行紅外光譜分析,結(jié)果如圖5所示。在897 cm-1處產(chǎn)生屬于谷類莖稈中半纖維素存在的β-D-木糖特征峰[22],1 594、1 508、835 cm-1處均出現(xiàn)木質(zhì)素芳香環(huán)基團(tuán)特征峰[23],且熱壓溫度190 ℃相較于其他溫度對(duì)應(yīng)半纖維素與木質(zhì)素特征峰均產(chǎn)生吸收增強(qiáng)現(xiàn)象,說(shuō)明熱壓溫度190 ℃條件下玉米秸稈皮中有更多的半纖維素、木質(zhì)素降解,浸入板材中的地質(zhì)聚合物內(nèi)。
圖5 不同熱壓溫度下玉米秸稈皮板中地質(zhì)聚合物粉末FTIR-ATR分析Fig.5 The FTIR-ATR results of geopolymer-based corn stalk husk particleboards under diあerent hot pressing temperatures
板材力學(xué)性能出現(xiàn)先升高后下降趨勢(shì)的原因在于:當(dāng)熱壓溫度升高時(shí),地質(zhì)聚合物升溫聚合反應(yīng)加快,因此板材力學(xué)強(qiáng)度升高;但當(dāng)熱壓溫度過(guò)高時(shí),在高溫高堿條件下,玉米秸稈皮中的半纖維素與木質(zhì)素迅速降解,自身強(qiáng)度下降,導(dǎo)致板材力學(xué)性能降低。
圖6所示為不同熱壓溫度對(duì)地質(zhì)聚合物基玉米秸稈皮板導(dǎo)熱性能與阻燃性能的影響。由圖6(a)可知,板材的導(dǎo)熱系數(shù)在170 ℃時(shí)為最低,達(dá)到0.161 4 W/(m·K)。由圖6(b)可見(jiàn),隨著熱壓溫度的升高,板材的MSD與SDR同時(shí)升高,阻燃性能降低,板材在130 ℃處MSD出現(xiàn)最小值18.11,此時(shí)SDR為7.45。
圖6 不同熱壓溫度對(duì)地質(zhì)聚合物-玉米秸稈皮復(fù)合碎料板導(dǎo)熱性能與阻燃性能的影響Fig.6 The eあect of diあerent hot pressing temperatures on thermal conductivity and flame retardant of the geopolymer-based corn stalk husk particleboard
綜上所述,在熱壓溫度為170 ℃時(shí)分別具有最大靜曲強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度及最小導(dǎo)熱系數(shù)。雖然板材在170 ℃處吸水厚度膨脹率最高,優(yōu)先考慮板材力學(xué)性能,最終選擇170 ℃為較優(yōu)熱壓溫度。在此條件下,所得板材的靜曲強(qiáng)度符合GB/T 24312—2009中合格品≥9 MPa的要求,內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)合格品≥0.3 MPa的要求。
不同施膠量對(duì)地質(zhì)聚合物-玉米秸稈皮復(fù)合碎料板力學(xué)性能與耐水性能的影響如圖7所示。由圖7(a,c)可知,當(dāng)施膠量為10%~40%時(shí),板材的靜曲強(qiáng)度變化不大,施膠量繼續(xù)增大,靜曲強(qiáng)度下降明顯;在施膠量為40%時(shí),板材的彈性模量達(dá)到最大值1 902.5 MPa;板材的24 h吸水厚度膨脹率隨著施膠量的增加而下降,耐水性能逐步升高。由圖7(b)可見(jiàn),隨著施膠量的增大,內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度逐漸提升,當(dāng)施膠量達(dá)到40%以上時(shí),內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度提高緩慢。由于地質(zhì)聚合物具有三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),基體強(qiáng)度較高[24-26],因此隨著施膠量的增加,板材內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)。同時(shí),由于地質(zhì)聚合物脆性大,隨著施膠量增加導(dǎo)致板材的脆性增大,因此靜曲強(qiáng)度與彈性模量呈下降趨勢(shì)。板材的吸水厚度膨脹率主要取決于玉米秸稈皮,施膠量增加導(dǎo)致玉米秸稈皮含量降低,板材的吸水厚度膨脹率隨之降低。
圖7 不同施膠量對(duì)地質(zhì)聚合物-玉米秸稈皮復(fù)合碎料板力學(xué)性能與耐水性能的影響Fig.7 The eあect of diあerent sizing agent amounts on mechanical property and hydroscopicity of the geopolymerbased corn stalk husk particleboard
不同施膠量對(duì)地質(zhì)聚合物基玉米秸稈皮板導(dǎo)熱性能和阻燃性能的影響見(jiàn)圖8。由圖8(a)可知,施膠量對(duì)板材傳熱性能影響較小,板材的導(dǎo)熱系數(shù)均在0.164 3 W/(m·K)上下波動(dòng)。由圖8(b)可見(jiàn),板材的最大煙密度(MSD)與煙密度等級(jí)(SDR)明顯下降,在施膠量為60%時(shí),MSD與SDR達(dá)到最小值,分別為11.61和5.82。由于地質(zhì)聚合物具有優(yōu)良的耐火性能和阻燃性能,因此隨著施膠量的增加,MSD與SDR呈下降趨勢(shì)。
圖8 不同施膠量對(duì)地質(zhì)聚合物-玉米秸稈皮復(fù)合碎料板導(dǎo)熱性能與阻燃性能的影響Fig.8 The eあect of diあerent sizing agent amounts on thermal conductivity and flame retardant of the geopolymer-based corn stalk husk particleboard
綜合考慮板材的各項(xiàng)性能及生產(chǎn)中節(jié)能降耗理念,最終選擇40%為較優(yōu)施膠量。在此條件下,所得板材的靜曲強(qiáng)度符合GB/T 24312—2009 標(biāo)準(zhǔn)中合格品≥9 MPa的要求,內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)合格品≥0.3 MPa的要求。
不同密度對(duì)地質(zhì)聚合物-玉米秸稈皮復(fù)合碎料板力學(xué)性能及耐水性能的影響如圖9 所示。由圖9(a,b)可見(jiàn),板材靜曲強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度隨板材密度變化趨勢(shì)大致相同,均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì),且靜曲強(qiáng)度、彈性模量及內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度均在密度為0.9 g/cm3達(dá)到最大值,分別為9.20、1 902.50 MPa和0.36 MPa。由于隨著密度增大,單位體積內(nèi)的玉米秸稈與地質(zhì)聚合物含量增多,因此板材強(qiáng)度提升。但當(dāng)板材密度增至1.0 g/cm3,因密度過(guò)大,單位體積內(nèi)玉米秸稈皮含量過(guò)多,板材內(nèi)部水分在熱壓過(guò)程中無(wú)法全部排除,造成內(nèi)部開(kāi)裂,板材性能急劇下降。由圖9(c)可知,由于板材中的玉米秸稈皮吸水性較強(qiáng),當(dāng)密度增大時(shí)單位體積內(nèi)玉米秸稈皮含量增加、吸水量增加,導(dǎo)致板材吸水厚度膨脹率增大。在密度為0.6 g/cm3時(shí),24 h吸水厚度膨脹率為16.68%,為最小值。
圖9 不同密度對(duì)地質(zhì)聚合物-玉米秸稈皮復(fù)合碎料板力學(xué)性能與耐水性能的影響Fig.9 The eあect of diあerent densities on mechanical property and hydroscopicity of the geopolymer-based corn stalk husk particleboard
圖10 反映了不同密度對(duì)地質(zhì)聚合物基玉米秸稈皮板導(dǎo)熱性能與阻燃性能的影響。由圖10(a)可知,隨著密度的增加,板材的導(dǎo)熱系數(shù)逐步增大,傳熱性能下降。由圖10(b)可見(jiàn),在0.7~0.9 g/cm3范圍內(nèi)隨著密度的增大,單位體積內(nèi)玉米秸稈皮含量增加,MSD增大。密度為0.6 g/cm3板材的MSD與SDR比密度為0.7 g/cm3板材的略高,可能是由于前者密度過(guò)低,秸稈間結(jié)合過(guò)于疏松,孔隙較多,燃燒更加充分。
圖10 不同密度對(duì)地質(zhì)聚合物-玉米秸稈皮復(fù)合碎料板導(dǎo)熱性能與阻燃性能的影響Fig.10 The eあect of diあerent densities on thermal conductivity and flame retardant of the geopolymer-based corn stalk husk particleboard
綜上所述,密度為0.9 g/cm3時(shí),地質(zhì)聚合物-玉米秸稈皮復(fù)合碎料板具有最大靜曲強(qiáng)度、彈性模量和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度。雖然此時(shí)板材吸水厚度膨脹率、導(dǎo)熱系數(shù)較高,但優(yōu)先考慮板材力學(xué)性能,最終選擇0.9 g/cm3為較優(yōu)板材密度。在此條件下,所得板材的靜曲強(qiáng)度符合GB/T 24312—2009 標(biāo)準(zhǔn)合格品≥9 MPa的要求;內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)合格品≥0.3 MPa的要求。
根據(jù)上述研究,較優(yōu)的工藝為熱壓時(shí)間120 s/mm、熱壓溫度170 ℃、密度0.9 g/cm3、施膠量40%,在此條件下制取的板材靜曲強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度分別達(dá)到9.20、1 902.50、0.36 MPa,24 h吸水厚度膨脹率達(dá)到24.2%、煙密度等級(jí)(SDR)達(dá)到12.46,靜曲強(qiáng)度和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度符合GB/T 24312—2009標(biāo)準(zhǔn)合格品要求。
通過(guò)對(duì)地質(zhì)聚合物-玉米秸稈皮復(fù)合碎料板制備工藝探究,得出以下主要結(jié)論:
1) 熱壓時(shí)間延長(zhǎng)有利于板材力學(xué)性能的提升,但時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致地質(zhì)聚合物固化進(jìn)程加快及玉米秸稈皮中半纖維素與木質(zhì)素降解加劇,從而影響板材力學(xué)性能。
2) 溫度升高能夠加快地質(zhì)聚合物地質(zhì)化進(jìn)程,提高板材的力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能,但溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致玉米秸稈皮降解速率加快,板材強(qiáng)度降低。
3) 隨著施膠量增加,板材靜曲強(qiáng)度明顯下降,內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度略有增加,導(dǎo)熱性能變化較小,阻燃和耐水性能逐步提升。
4) 在可成板范圍內(nèi),隨密度增大,板材力學(xué)性能提升,導(dǎo)熱和耐水性能下降,在密度為0.9 g/cm3時(shí),板材的力學(xué)性能較優(yōu)。
5) 當(dāng)熱壓時(shí)間為120 s/mm、熱壓溫度為170 ℃、密度為0.9 g/cm3、施膠量為40%時(shí),所制的板材綜合性能較優(yōu),靜曲強(qiáng)度和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到GB/T 24312—2009中合格品的要求。