楊春梅, 李昱成, 田心池, 吳方鏡, 魏 明, 吳 哲*

(1.東北林業(yè)大學機電工程學院,黑龍江 哈爾濱 150040;2.寧豐集團股份有限公司,山東 濟寧 272000;3.新港木業(yè)發(fā)展有限公司,山東 臨沂 276000)

超薄纖維板是以木材或其他植物為原料,經(jīng)過纖維制備工藝,加入合成的樹脂膠黏劑,在加熱加壓條件下,制成密度大于1.0 g/cm3的板材[1]。其近幾年被廣泛用于門窗材、包裝材等諸多場合,相對于紙板或其他薄板材具有原料來源廣、價格低廉、材質均勻、質量穩(wěn)定等優(yōu)勢[2]。

在超薄纖維板的生產(chǎn)制造中,纖維形態(tài)會對超薄纖維板的質量產(chǎn)生重要影響,其中篩分值是判斷纖維形態(tài)質量的重要指標[3]。纖維篩分值是指長短和粗細纖維重量所占的百分比。質量比較好的纖維,干燥后具有明顯的彈性和柔軟度,纖維中的樹皮含量、粉狀物等其他雜質相對較少。如果纖維分離過細,則粉狀物和細小纖維太多,會對膠粘劑的滲透效果及板材的力學性能造成不利的影響[4]。

目前國內(nèi)關于纖維板的研究主要集中在中密度纖維板[5-8],而對超薄纖維板的研究鮮有報道。在本研究中,筆者通過篩分配比實驗探究了篩分值對超薄纖維板力學性能的影響,以期通過控制纖維原料的規(guī)格形態(tài)來提升超薄纖維板的性能,為超薄纖維板的高效生產(chǎn)提供理論依據(jù)與價值參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

(1)楊木(poplar)纖維,由三聯(lián)木業(yè)有限公司提供,含水率10%。

(2)脲醛樹脂(urearesin,UR)膠黏劑:購自連云港灌云欣木業(yè)有限公司,黏度55 MPa·s,固含量52.9%,PH=10.31。

(3)固化劑:購自山東新材料有限公司,配制成質量分數(shù)為20%的水溶液。

1.2 儀器設備

電子天平:上海力辰儀器科技有限公司生產(chǎn),型號為LC-FA1204。

熱壓機:上海秋林機械有限公司生產(chǎn)的單層壓機,型號為BY101X1/10,壓板幅面尺寸500 mm×500 mm,加熱方式為電加熱。

微機控制電子萬能試驗機:深圳市新三思計量技術有限公司生產(chǎn),型號為CMT5504,最大力5 kN,精度等級為0.5級。

自動拌膠機:桂林華德木業(yè)機械有限公司生產(chǎn),型號為BS150,轉速30 r/min。

干燥箱:上海尚儀信息科技有限公司生產(chǎn),型號為101-2A。

篩分機:紹興齊盛儀器有限公司生產(chǎn),型號為ZFJ-II。

1.3 試驗方法

纖維篩分值在實際生產(chǎn)中具有重要作用,較好的篩分配比可以改善纖維的形態(tài)從而提升超薄纖維板的性能質量,因此本研究選取篩分值作為主要制備工藝變量。

1.3.1 纖維篩分

根據(jù)國際木材解剖協(xié)會的纖維長度分類標準[9],使用篩分機以目數(shù)為20目、100目的篩網(wǎng)對纖維原料進行篩分,將其分為粗、中長、細3種尺寸規(guī)格。3種尺寸規(guī)格的纖維在形態(tài)上有較明顯的區(qū)別,其纖維形態(tài)如圖1所示,尺寸規(guī)格如表1所示。

表1 三種纖維尺寸規(guī)格

圖1 三種尺寸纖維形態(tài)

結合密實堆積經(jīng)驗比例[10],將三種尺寸的纖維按7種質量配比混合進行超薄纖維板的制備,其篩分配比如表2所示。

表2 超薄纖維板用纖維配比

1.3.2 試驗設計

采用熱壓法制備了厚度為1 mm的超薄高密度纖維板,在制備過程中,施膠量設定為15%,密度設定為1 g/cm3,經(jīng)實測得到的密度為1.04±0.05 g/cm3,具體的制備過程如下所述:

(1)施膠:取108 g楊木纖維置于拌膠機中,施膠量10%,將稱量后的膠液倒入,并加入固化劑,如圖2所示。

圖2 纖維施膠

(2)干燥:將拌膠后的纖維放入干燥箱中干燥(溫度60 ℃)至含水率為5%,如圖3所示。

圖3 纖維干燥

(3)鋪裝,預壓:板坯采用手工鋪裝,用稱重法控制板材密度,熱壓尺寸為300 mm×300 mm×1 mm。在板坯的下表面放置1 mm的不銹鋼墊板,如圖4所示。

圖4 纖維鋪裝、預壓

(4)熱壓成型:熱壓機的上下壓板升高到170 ℃,把板坯送入熱壓機,用厚度規(guī)控制熱壓厚度,加壓至完全閉合,熱壓壓力為9～10 MPa,保壓時間為90 s。超薄纖維板在自然環(huán)境中平衡一天后進行鋸切和測試。每種試驗編號的超薄纖維板制備6張,共計21張,如圖5所示。

圖5 板坯熱壓

(5)力學性能測試:將靜置平衡后的板材按照隨機方向,鋸切三塊進行力學性能測試。鋸切后板材尺寸為200 mm×50 mm×1 mm(長×寬×高)。參照GB/T 17657-2022《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》中規(guī)定的測定超薄纖維板的靜曲強度(ModuliusofRupture,MOR)、彈性模量(ModuliusofElasticity,MOE),力學試驗機加載速度10 mm/min,跨距100 mm,如圖6所示。

圖6 力學性能測試圖

(6)耐水性能測試:鋸切三塊板材進行吸水性能測試,鋸切尺寸為50 mm×50 mm×1 mm(長×寬×高),同樣參照GB/T 17657-2022《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》的規(guī)定,測試設定水浴溫度為27 ℃,水域時間24 h條件下的吸水厚度膨脹率(ThicknessSwellingRate,TS)。

2 結果與討論

2.1 篩分值對超薄纖維板物理性能的影響

不同篩分值下超薄纖維板的24 h吸水膨脹率結果如圖7所示。

圖7 篩分值對超薄纖維板24 h吸水膨脹的影響

篩分值對超薄纖維板24 h吸水膨脹率影響的方差分析結果如表3所示。

表3 篩分值對超薄纖維板24 h吸水膨脹率的方差分析

由表3可知,F>F0.05,說明不同纖維尺寸及配比對于超薄纖維板吸水厚度膨脹率產(chǎn)生了顯著影響。

單一尺寸纖維制備的超薄纖維板中,細纖維制備的C組超薄纖維板的24 hTS最低,粗纖維制備的A組超薄纖維板的24hTS最高。3種尺寸纖維以不同配比制備的超薄纖維板,細纖維含量較高的G組超薄纖維板的24 hTS最低,粗纖維含量較高的E組超薄纖維板的24 hTS最高。分析可知,超薄纖維板24 hTS隨著粗纖維含量增加而升高。原因如下:

(1)楊木纖維一般由纖維素、半纖維素、木質素等化學成分組成。其中纖維素是主要組成部分,是由一種分子式為(C6H10O5)n的葡萄糖組成的聚合物。每個葡萄糖基具有3個游離的羥基對水分子有強烈的吸附性。長度越長(粗纖維含量越多)水分子沿楊木纖維內(nèi)腔的流動性越好,儲存和運輸水的能力越強[11]。

(2)隨著粗纖維含量的增多,會使脲醛樹脂與楊木纖維之間的膠合界面變小,纖維之間的粘接點難以形成有效膠合,空間網(wǎng)狀的膠合結構使楊木纖維與脲醛樹脂之間的間隙增大,為水分子的進入和儲存提供了空間。

2.2 篩分值對超薄纖維板力學性能的影響

不同篩分值下超薄纖維板的抗彎性能測試結果如圖8所示。

圖8 篩分值對超薄纖維板的力學性能的影響

篩分值對超薄纖維板抗彎性能影響的方差分析結果如表4所示。

表4 篩分值對超薄纖維板力學性能的方差分析

由表4結果可知,F>F0.05,說明不同纖維尺寸及配比對超薄纖維板MOR影響顯著,對超薄纖維板MOE影響顯著。

由圖8可知,單一尺寸纖維制備的超薄纖維板中,細纖維制備的C組超薄纖維板靜曲強度和彈性模量最低,粗纖維制備的A組超薄纖維板靜曲強度和彈性模量最高。分析原因為(1)長度較長的纖維由于纖維之間交織的更多,使得纖維具有較好的結合性能,因此制得的板材性能更好。(2)粗纖維通常具有更高的強度和剛度,當超薄纖維板中含有更多的粗纖維時,整體的抗彎性能也會增加。

3種纖維以不同配比混合制備的超薄纖維板中,粗纖維含量最高的E組超薄纖維板靜曲強度和彈性模量最高,高于單一尺寸制備的A組超薄纖維板?？梢?在一定范圍內(nèi),超薄纖維板的力學性能隨著粗纖維含量的增多而提升,但是在粗纖維的含量超過一定范圍之后,超薄纖維板的力學性能會隨著粗纖維含量的增多而減少。Cheng Xing等研究了中密度纖維板(MDF)板材的性能受木纖維特性的影響[12],研究發(fā)現(xiàn)粗纖維比例的增加對中密度纖維板的力學性能產(chǎn)生了負面影響。對比中密度纖維板和超薄纖維板的研究結果可以發(fā)現(xiàn),粗纖維對中密度纖維板的力學性能起到了負面影響,而對超薄纖維板的力學性能起到了正面影響。

3 結論與展望

(1)纖維尺寸及配比對超薄纖維板的物理力學性能均影響顯著。

(2)相同的熱壓工藝下,粗纖維的含量越高,超薄纖維板的吸水厚度膨脹率越高。

(3)單一尺寸纖維制備的超薄纖維板靜曲強度、彈性模量隨著纖維尺寸的增大而提高。不同尺寸混合纖維制備的超薄纖維板,當粗纖維、中長纖維和細纖維的比例為6:3:1時,靜曲強度和彈性模量達到最大。