紅麻稈無膠碎料板的研究

金 淘，徐劍瑩*，曾 敏，李新功

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紅麻稈無膠碎料板的研究

金 淘，徐劍瑩，曾 敏，李新功

（中南林業科技大學，湖南 長沙 410004）

制定了紅麻稈（）材料在無任何添加劑的條件下制作無膠碎料板的相關工藝，探討了紅麻桿無膠碎料板的密度與其物理力學性能（靜曲強度、內結合強度、吸水厚度膨脹率）間的關系，根據國家標準GB/T 4897.2-2003干燥狀態下使用的普通刨花板要求評價了紅麻桿無膠碎料板的性能，結果表明：當密度大于0.7 g/cm時，紅麻稈無膠碎料板的性能即能夠滿足標準要求。并使用傅里葉紅外光譜研究了其在熱壓過程中的官能團變化，進而初步分析紅麻稈無膠碎料板的膠合機理。

紅麻稈；無膠碎料板；傅里葉紅外光譜

紅麻（）也稱作洋麻，是一種源于古非洲的一年生草本植物，迄今在世界各地廣泛栽培，我國紅麻資源豐富。紅麻是一種低投入高產出的經濟作物。在結構組成上，紅麻分為外層韌皮纖維及內芯兩部分，其中外層韌皮纖維作為編織和造紙原料已經得到廣泛應用，紅麻稈芯則可以替代木材用于制造人造板。

許多研究和試驗表明，一些植物碎料及粉末材料可以在噴蒸或熱壓處理下無須施膠即能壓制成板材，這種工藝叫無膠膠合，或者自我膠合（self-bonding），主要是由于在噴蒸或熱壓的條件下材料本身發生了化學成分改變，包括植物材料自身的半纖維素以及部分纖維素水解成為了游離的低分子糖，此過程中木素的軟化降解有利于碎料自身膠粘反應并可以與糠醛類化合物生成樹脂聚合物。無膠膠合工藝具有無游離甲醛釋放的優點，一直都受到研究人員的極大關注。

紅麻稈本身密度很小，且化學成分中半纖維素含量高于普通木材。本試驗選用紅麻稈做原材料在熱壓條件下進行無膠碎料板可行性的研究，并通過紅外光譜分析法試解釋紅麻稈無膠板無膠膠合的機理。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

剝麻后的紅麻稈：產地河南信陽，稈長約1.2 m，直徑為10 ~ 25 mm，含水率約為10%，氣干密度為0.15 g/cm。紅麻稈手工除髓，再使用粉碎機制成碎料。

1.2 制板工藝

制板工藝：碎料制備→碎料計量→含水率調節→手工鋪裝→預壓→熱壓→試件截取→性能檢測。

壓制無膠碎料板的規格為210 mm×210 mm×6 mm，目標密度0.5 ~ 0.9 g/cm，板坯的含水率控制在20%左右。不添加任何添加劑，熱壓溫度設定為200℃、熱壓壓力3 ~ 5 MPa，熱壓10 min后，進行分段降壓，以避免快速降壓出現的分層現象。

1.3 試件的測試

所有的紅麻稈無膠碎料板依照國家標準GB/T 4897.2-2003干燥狀態下使用的普通刨花板要求條件進行試件的制作，然后進行力學性能的測試。測試的主要指標有：靜曲強度（）、內結合強度（）、2 h吸水厚度膨脹率（）。

1.4 紅外光譜分析

分別將紅麻稈原料與無膠碎料板制成的粉末，篩選通過100目作為試樣，使用KBr（分析純）壓片法制樣，使用日本島津公司的IRAffinity-1傅里葉紅外光譜儀測其紅外光譜，依據譜峰位置和譜峰相對吸收強度的變化，分析和確定熱壓制板過程中紅麻稈的化學組分官能團的變化，探索無膠膠合機理。

2 試驗結果與討論

2.1 靜曲強度

由圖1可以看出：在研究范圍內，紅麻稈無膠板的靜曲強度隨著密度的增大呈上升趨勢，高密度條件下最大值可以達到20 MPa以上。這主要是由于隨著密度增大碎料板的壓縮比增大，碎料間壓縮更加緊密，為碎料和碎料之間、碎料與縮合物之間產生更多的氫鍵、化學鍵及范德華力提供必要條件。在高溫、較高板坯含水率的條件下，木素被軟化的同時半纖維素和部分纖維素水解成為游離低分子化合物，進而參與無膠板的膠合。

圖1 紅麻稈無膠板靜曲強度

Figure 1 Bending strength of kenaf stalk particleboard

由圖1中可以看出當密度大于0.7 g/cm即可達到國家標準GB/T 4897.2-2003中的12 MPa的性能指標。邵順流等利用毛竹為原料使用爆破法制作無膠板，竹材無膠板可以通過提高密度達到近30 MPa的靜曲強度，然而同為0.7 g/cm密度下，毛竹無膠蒸爆板的靜曲強度只有5 MPa左右。紅麻由于自身密度較小的原因，使其在較低密度條件下（0.7 g/cm左右時）無膠碎料板的靜曲強度性能具有一定的優勢。

2.2 內結合強度

由圖2可見，紅麻稈無膠碎料板的內結合強度也是隨著板的密度的增大呈增長趨勢。無膠板膠合依靠自身物質降解形成利于膠合的聚合物的交聯作用以及氫鍵間的相互結合力，通常制作無膠板都會將密度設定在1.0 g/cm甚至更高，這樣既可增大材料的壓縮比，增加碎料相互接觸面積又可使碎料之間的氫鍵、范德華力相互結合作用更加緊密。由圖2可以看出，紅麻稈制作無膠板在密度為0.5 g/cm時，內結合強度超過了0.1 MPa，由于紅麻自身密度較低，所以在較低密度下壓縮時仍可以獲得緊密的結合。紅麻稈無膠板在密度為0.8 g/cm時，內結合強度就可以達到0.6 MPa以上。但當密度大于0.9 g/cm時，易出現分層現象。這是因為高密度板在熱壓條件下，板內的水蒸氣難以排出，造成板內壓力過大，卸壓時當板內壓力高于其內結合強度時，就會出現分層現象。

Figure 2 Internal bonding strength of kenaf stalk particleboard

參照國家標準GB/T 4897.2-2003，由圖2中可以看出當密度在0.7 g/cm時內結合強度為0.35 MPa，超過了該條件下的0.28 MPa的國家標準。與使用油棕爆破法制作無膠纖維板做比較，油棕無膠板密度為0.75g/cm時，內結合強度只達到0.3 MPa。在0.7 g/cm左右的較低密度下，紅麻無膠板的內結合強度優勢顯現出來。

Figure 3 Thickness swelling rate of kenaf stalk particleboard

2.3 2 h吸水厚度膨脹率

從圖3可以看出：隨著密度的增加，紅麻桿無膠碎料板吸水厚度膨脹率明顯下降。這是由于低密度的紅麻稈無膠板板內空隙多，吸收較多的水份，此外低密度條件下碎料間膠合強度也較低，因而吸水厚度膨脹率較大（當密度為0.5 g/cm時，在水中浸漬2 h后，無膠板碎料已經散開無法取得數據）。與普通施膠的刨花板相比，低密度紅麻無膠碎料板的吸水厚度膨脹率要大的多，其原因一方面是非木材植物原料通常具有高的吸水性特性，另一方面是無膠板膠合主要是通過自身物質的降解形成結合力，一旦遇水在親水性的基團作用下，這種自身的結合力極易遭到破壞。但隨著無膠板密度的增大，板內空隙減少，碎料板內部結合性能增強，所以吸水厚度膨脹率呈下降趨勢。圖3中，當密度達到0.8 g/cm時，紅麻無膠碎料板吸水厚度膨脹率降低到20%以下；密度為0.9 g/cm時，吸水厚度膨脹率已接近10%。

當密度大于0.8 g/cm時，紅麻無膠碎料板吸水厚度膨脹率下降的趨勢不明顯。在改進無膠板吸水厚度膨脹率性能上除了單一的依賴于密度的控制，還可以通過添加一些憎水性的物質來改善這項性能。

2.4 紅外光譜分析

比較圖4中兩條曲線，可以發現紅麻稈制板熱壓前后紅外光譜有幾處相對吸收強度有明顯變化，說明紅麻稈在熱壓前后出現了化學結構上的變化。1 035 cm波數處為芳香族愈瘡木酚型和環醚類碳—氧伸縮振動吸收峰，其峰強度減弱表明了紅麻稈的木素和多糖物質在熱壓過程中發生了降解現象，通常我們認為該過程中纖維素、半纖維素、木素等高聚物都發生了降解。1 250 cm波數附近表征木素芳香核吸收的譜峰，膠合成板后相對吸收強度有所減弱，反映了木素在催化和熱壓條件下一部分參與了轉化反應，生成了新的穩定的聚合物。說明纖維素、半纖維素和木素降解后經熱壓過程生成的新的穩定聚合物具有類似于“膠粘劑”的作用，使木質纖維自身粘合成板。羥基氧—氫伸縮振動的吸收峰在3 407 cm波數位置吸收強度出現了明顯的減弱，說明在熱壓過程中活性“自由”羥基數量減少，羥基轉化并相互“結合”形成氫鍵。在無膠碎料板的熱壓過程中，羥基締合形成氫鍵增加了碎料之間的結合力，有利于紅麻稈碎料粘合成板。

Figure 4 FTIR spectrum of kenaf core and binderless particleboard

3 結論

（1）在熱壓條件下，不添加任何添加劑制作紅麻稈無膠碎料板的方法是可行的。制作工藝需要在高溫高壓以及適宜的含水率的條件下完成，在這種條件下利于紅麻碎料的自我膠合。

（2）隨著密度增大，紅麻稈無膠板的各方面力學性能都呈增長趨勢，與國家標準GB/T 4897.2-2003干燥狀態下使用的普通刨花板要求相對比，在密度達到0.7 g/cm以上時，內結合強度和靜曲強度都可以達到相應的指標，而吸水厚度膨脹率在板密度達到0.9 g/cm時已經接近10%。

（3）利用紅外光譜分析，表明在熱壓制板過程中紅麻稈的纖維素、半纖維素、木素都有不同程度的降解，形成新的類似“膠粘劑”聚合物。這類代替膠粘劑的聚合物以及締合的氫鍵增加了紅麻碎料之間的結合力。

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Study on Binderless Particleboard from Kenaf Stalk

JIN Tao，XU Jian-ying，ZENG Min，LI Xin-gong

（）

Study was made on manufacture technology of binderless particleboard from kenaf () stalk without any additive under high temperature and pressure. The detection of tested boards demonstrated that mechanical properties, including bending strength, internal bond strength and thickness swelling rate increased with density of the board, and when board density reached 0.7 g/cm, it showed that the tested board met the requirements of the national standard. And change of functional groups during the hot press process was studied with the fourier transform infrared spectroscopy to discuss the self-bonding mechanism of kenaf stalk binderless particleboard.

kenaf stalk; binderless particleboard; fourier transform infrared (FTIR) spectra

1001-3776（2010）01-0053-04

S789.9

A

2009-09-24；

2009-11-10

中南林業科技大學研究生科技創新基金資助項目（007sx04），湖南省研究生科研創新項目資助（CX2009B161），國家自然科學基金項目（30771681），湖南省教育廳重點項目（07A079）

金淘（1983－），男，浙江杭州人，碩士研究生，從事生物基復合材料研究；*通訊作者。